CN112781492B - 基于多双目的列车受电弓滑板磨耗在线检测设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于多双目的列车受电弓滑板磨耗在线检测设备及方法，其无需接触网停电，也不占用列车周转时间，操作方便，检测节奏快、效率高、检测精度高，可靠性好；其包括接触网和受电弓、依次连接的检测模块、数据采集模块、数据处理模块；检测模块，用于列车驶入信号；数据采集模块包括第一、二、三、第四双目相机，第一、三双目相机设置于接触网两端的受电弓上方，以拍摄后、前弓滑板的上表面图像，第二、四双目相机分别设置于接触网两端的受电弓下方，以拍摄后、前弓滑板的下表面图像，数据采集模块，用于接收列车驶入信号，通过双目相机采集图像，并发送数据处理模块；数据处理模块，用于对图像进行处理以获得滑板磨耗数据。

Description

基于多双目的列车受电弓滑板磨耗在线检测设备及方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，具体为基于多双目的列车受电弓滑板磨耗在线检测设备及方法。

背景技术

受电弓是电力牵引机车从接触网取得电能的电气装置，安装在机车车顶，列车通过受电弓从上方的接触线获取电能作为列车的牵引电源和其它用电设备的电源。在高速电气化铁路系统中，受电列车必须保持稳定受流状态。因此作为直接与接触线接触的取流关键设备，受电弓滑板的状态极为关键，它关系到机车是否稳定可靠的从接触线获取电力。由于受电弓滑板与接触导线长时间接触，不可避免的发生磨耗而导致机车受电性能变差；发生异常情况时使滑板表面异常脱落就会导致安全事故发生，因此需要对滑板表面磨损进行检测，从而保证机车正常安全的运行。

目前对受电弓滑板表面的磨损检测主要采用人工测量和基于图像的在线测量方法，从其发展历程来看，受电弓滑板磨耗由最初的人工测量，再到现在的图像在线测量，测量方法越来越高效便捷，但是都存在固有缺陷；人工测量需要给接触线断电，人员手工取点测量(如使用游标卡尺测量滑板厚度)，不仅精度不高，检测点少，还需要给接触网断电，使得列车停运后静态检测作业，这样做效率也比较低，作业过程还费时费力，且检测结果不能涵盖所有弓厚，导致准确性差，此外还需要涉高、涉电作业，存在一定的安全隐患；图像在线测量通过相机拍摄图像，将像素厚度转化为实际滑板厚度，其测量精度受到受电弓状态及触发位置影响大，容易导致测量精度不准，而当今轨道交通行业，高速重载成为其主要特征，因此，对受电弓滑板磨耗的检测，急需一种准确、可靠、便捷的自动在线检测设备。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了基于多双目的列车受电弓滑板磨耗在线检测设备及方法，其无需接触网停电，也不占用列车周转时间，操作方便，检测节奏快、效率高、检测精度高，可靠性好。

其技术方案是这样的：基于多双目的列车受电弓滑板磨耗在线检测设备，其包括弓网系统，所述弓网系统包括相接触的接触网和受电弓，其特征在于：其还包括依次连接的检测模块、数据采集模块、数据处理模块；所述检测模块，用于采集列车驶入检测区域时的列车驶入信号，并将列车驶入信号发送给所述数据采集模块；所述数据采集模块包括四组双目相机，且分为第一双目相机、第二双目相机、第三双目相机、第四双目相机，所述第一双目相机、第三双目相机分别设置于所述接触网两端的所述受电弓上方，以分别对应拍摄得到所述受电弓的后弓滑板、前弓滑板的上表面图像，所述第二双目相机、第四双目相机分别设置于所述接触网两端的所述受电弓下方，以分别对应拍摄得到所述受电弓的后弓滑板、前弓滑板的下表面图像，所述数据采集模块，用于在接收到列车驶入信号时，通过四组双目相机采集受电弓图像，并将采集的受电弓图像发送给所述数据处理模块；所述数据处理模块，用于对接收到的受电弓图像进行处理以获得所述受电弓上的滑板磨耗数据。

进一步地，其还包括由横梁和两根立柱连接而成的检测棚，所述列车的轨道两侧均设置有所述检测棚，所述第一双目相机、第三双目相机设置于一侧所述检测棚的两端所述立柱上，所述第二双目相机、第四双目相机设置于另一侧所述检测棚的两端所述立柱上；

进一步地，每组所述双目相机均包括两个相机，所述第一双目相机、第三双目相机对称设置于所述接触网两端的所述受电弓上方的所述立柱上，所述第二双目相机、第四双目相机对称设置于所述接触网两端的所述受电弓下方的所述立柱上；

进一步地，其还包括补光灯、背景板，所述背景板设有两块，且分别安装于两侧所述检测棚的所述横梁上；所述补光灯设有4个，且分别对应设置于第一双目相机、第二双目相机、第三双目相机、第四双目相机侧的所述横梁上，以在拍摄时照亮所述受电弓滑板表面和对应侧的所述背景板；

进一步地，所述检测模块包括两组对射型光电传感器，两组所述对射型光电传感器分别设置于所述列车的轨道两端的检测区域位置，以采集列车驶入信号，所述数据处理模块包括工控机，所述补光灯、对射型光电传感器、第一双目相机、第二双目相机、第三双目相机、第四双目相机均与所述工控机相连接；

基于多双目的列车受电弓滑板磨耗在线检测方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、当列车运行至检测棚内时，通过位于检测区域在前的一组对射型光电传感器感测到所述列车到来，以触发第一双目相机、第二双目相机同时拍摄得到所述受电弓的后弓滑板上下表面的中心部分区域图像，并将图像传输给工控机；

S2、所述列车继续向前运行，通过位于检测区域在后的一组所述对射型光电传感器感测到所述列车到来，以触发第三双目相机、第四双目相机同时拍摄得到所述受电弓的前弓滑板上下表面的中心部分区域图像，并将图像传输给工控机；

S3、所述工控机对获得的图像进行算法处理分析，得到所述受电弓上的滑板磨耗数据，从而实现对列车受电弓滑板磨耗检测的目的。

进一步地，通过位于所述受电弓下方的双目相机拍摄得到所述受电弓的滑板下表面的图像，通过图像处理获取得到所述受电弓滑板下表面的空间坐标点，记为p_di＝[X_di Y_diZ_di]，设定所述受电弓滑板下表面空间坐标点拟合的平面方程为ax+by+cz+1＝0，且使得最小目标函数

的值最小，然后通过最小二乘法得到所述滑板下表面的平面系数[a b c]，并作为测量的基准面，其中，i＝0，1，2…n；

进一步地，通过位于所述受电弓上方的双目相机拍摄得到所述受电弓的滑板上表面的图像，通过图像处理获取得到所述受电弓滑板上表面的空间坐标点，将所述受电弓滑板下表面的空间坐标点与所述受电弓滑板上表面的空间坐标点整合到同一瞬时坐标系下，则设定转换整合后的所述受电弓滑板上表面在瞬时坐标系下的空间坐标点为p_ui＝[X_ui Y_uiZ_ui]，结合所述受电弓滑板下表面空间坐标点拟合的平面方程ax+by+cz+1＝0，通过公式

计算得到空间坐标点到所述滑板下表面的距离D_i，并作为空间坐标点处的剩余磨耗值，随后通过标准的滑板厚度值减去各空间坐标点处的剩余磨耗值，最终得到滑板磨耗值。

本发明的有益效果是，其检测节奏快、效率高，自动化程度高，可有效实现连续在线监测，在列车通过后能够直接获取受电弓滑板磨耗数据，不需要接触网停电，不占用列车的周转时间，操作方便，无需投入过多人力，通过双目组合测量计算得到受电弓表面磨耗状态，实现列车受电弓滑板磨耗在线检测，可靠性好，具有较好的经济使用价值。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的俯视结构布局示意图(处于触发位置一状态图)；

图3是本发明的俯视结构布局示意图(处于触发位置二状态图)。

具体实施方式

如图1～图3所示，本发明基于多双目的列车受电弓滑板磨耗在线检测设备，其包括弓网系统，弓网系统包括相接触的接触网1和受电弓2，其还包括依次连接的检测模块3、数据采集模块4、数据处理模块5；检测模块3，用于采集列车驶入检测区域时的列车驶入信号，并将列车驶入信号发送给数据采集模块4；数据采集模块4包括四组双目相机，且分为第一双目相机6、第二双目相机7、第三双目相机8、第四双目相机9，第一双目相机6、第三双目相机8分别设置于接触网1两端的受电弓2上方，以分别对应拍摄得到受电弓2的后弓滑板、前弓滑板的上表面图像，第二双目相机7、第四双目相机9分别设置于接触网1两端的受电弓2下方，以分别对应拍摄得到受电弓2的后弓滑板、前弓滑板的下表面图像，数据采集模块4，用于在接收到列车驶入信号时，通过四组双目相机采集受电弓2图像，并将采集的受电弓2图像发送给数据处理模块5；数据处理模块5，用于对接收到的受电弓2图像进行处理以获得受电弓2上的滑板磨耗数据。

其还包括由横梁10和两根立柱11连接而成的检测棚，列车的轨道两侧均设置有检测棚，第一双目相机6、第三双目相机8设置于一侧检测棚的两端立柱11上，第二双目相机7、第四双目相机9设置于另一侧检测棚的两端立柱11上。

每组双目相机均包括两个相机，第一双目相机6、第三双目相机8对称设置于接触网1两端的受电弓2上方的立柱11上，第二双目相机7、第四双目相机9对称设置于接触网1两端的受电弓2下方的立柱11上。

其还包括补光灯12、背景板13，背景板13设有两块，且分别安装于两侧检测棚的横梁10上；补光灯12设有4个，且分别对应设置于第一双目相机6、第二双目相机7、第三双目相机8、第四双目相机9侧的横梁10上，以在拍摄时照亮受电弓2滑板表面和对应侧的背景板13。

检测模块3包括两组对射型光电传感器(图中未示出)，两组对射型光电传感器分别设置于列车的轨道两端的检测区域位置，以采集列车驶入信号，数据处理模块5包括工控机(图中未示出)，补光灯12、对射型光电传感器、第一双目相机6、第二双目相机7、第三双目相机8、第四双目相机9均与工控机相连接。

基于多双目的列车受电弓2滑板磨耗在线检测方法，其包括以下步骤：

S1、当列车运行至检测棚内时，通过位于检测区域在前的一组对射型光电传感器感测到列车到来，以触发第一双目相机6、第二双目相机7同时拍摄得到受电弓2的后弓滑板上下表面的中心部分区域图像，并将图像传输给工控机；

S2、列车继续向前运行，通过位于检测区域在后的一组对射型光电传感器感测到列车到来，以触发第三双目相机8、第四双目相机9同时拍摄得到受电弓2的前弓滑板上下表面的中心部分区域图像，并将图像传输给工控机；

S3、工控机对获得的图像进行算法处理分析，得到受电弓2上的滑板磨耗数据，从而实现对列车受电弓2滑板磨耗检测的目的。

本发明通过双目相机分别拍摄受电弓2上下表面的图像，通过图像处理获取受电弓2上边缘和下边缘，再通过极线约束匹配确定对应点，基于双目视差原理计算得到上、下边缘各点的三维坐标，然后根据滑板上下对应两点之间的距离来计算滑板的厚度值，继而计算得受电弓2滑板磨耗区间内的磨耗值；

具体地，通过位于受电弓2下方的双目相机拍摄得到受电弓2的滑板下表面的图像，通过图像处理获取得到受电弓2滑板下表面的空间坐标点，记为p_di＝[X_di Y_di Z_di]，设定受电弓2滑板下表面空间坐标点拟合的平面方程为ax+by+cz+1＝0，且使得最小目标函数

的值最小，然后通过最小二乘法得到滑板下表面的平面系数[a b c]，并作为测量的基准面，其中，i＝0，1，2...n；

通过位于受电弓2上方的双目相机拍摄得到受电弓2的滑板上表面的图像，通过图像处理获取得到受电弓2滑板上表面的空间坐标点，将受电弓2滑板下表面的空间坐标点与受电弓2滑板上表面的空间坐标点整合到同一瞬时坐标系下，则设定转换整合后的受电弓2滑板上表面在瞬时坐标系下的空间坐标点为p_ui＝[X_ui Y_ui Z_ui]，结合受电弓2滑板下表面空间坐标点拟合的平面方程ax+by+cz+1＝0，通过公式

计算得到空间坐标点到滑板下表面的距离D_i，并作为空间坐标点处的剩余磨耗值，随后通过标准的滑板厚度值减去各空间坐标点处的剩余磨耗值，最终得到滑板磨耗值。

其中，双目相机的测距原理是：如第一双目相机6，第一双目相机6包括相机16、相机17，相机16、相机17均装于受电弓2上方的立柱11上，在相机16、相机17同时拍摄，得到受电弓上的特征点P(x_p,y_p,z_p)，P点在相机16图像坐标系中的像素坐标记为P₁(u₁,v₁)，P点在相机17图像坐标系中的像素坐标记为P₂(u₂,v₂)，相机16、相机17安装位置固定后，相机16、相机17之间相对距离设为e，相机系统的焦距为f，简化模型假设v₁＝v₂，由三角几何关系可以得到

P₁与P₂在两幅图像中相应点的位置差为

由相似三角形原理得到特征点P在相机16坐标系中的坐标为

这样便通过同一个特征点在双目相机中的像素位置，以及相机安装距离和焦距得到受电弓特征点相对于其中一个相机的空间坐标。

其余的第二双目相机7、第三双目相机8、第四双目相机9的测距原理均如上所述。

综上，在检测受电弓2的后弓滑板上的磨耗值时，即列车运行至检测棚，且受电弓通过位于检测区域在前的一组对射型光电传感器感测到列车到来，记为触发位置一，用于测量后弓14数据，随后分别通过第一双目相机6、第二双目相机7同时拍摄得到受电弓2的后弓滑板上下表面的中心部分区域图像，然后通过上述原理得到最终滑板磨耗值；若检测受电弓2的前弓滑板上的磨耗值时，即列车继续向前运行，且受电弓通过位于检测区域在后的一组对射型光电传感器感测到列车到来，记为触发位置二，用于测量前弓15数据，分别通过第三双目相机8、第四双目相机9同时拍摄得到受电弓2的前弓滑板上下表面的中心部分区域图像，然后通过上述原理得到最终滑板磨耗值，从而检测得到受电弓2的前弓滑板、后弓滑板上的磨耗值。

图2、图3中，箭头方向为列车前进方向；14为受电弓的后弓；15为受电弓的前弓。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.基于多双目的列车受电弓滑板磨耗在线检测方法，其特征在于：其包括基于多双目的列车受电弓滑板磨耗在线检测设备，所述设备包括弓网系统以及依次连接的检测模块、数据采集模块、数据处理模块；所述弓网系统包括相接触的接触网和受电弓，所述检测模块，用于采集列车驶入检测区域时的列车驶入信号，并将列车驶入信号发送给所述数据采集模块；所述数据采集模块包括四组双目相机，且分为第一双目相机、第二双目相机、第三双目相机、第四双目相机，所述第一双目相机、第三双目相机分别设置于所述接触网两端的所述受电弓上方，以分别对应拍摄得到所述受电弓的后弓滑板、前弓滑板的上表面图像，所述第二双目相机、第四双目相机分别设置于所述接触网两端的所述受电弓下方，以分别对应拍摄得到所述受电弓的后弓滑板、前弓滑板的下表面图像，所述数据采集模块，用于在接收到列车驶入信号时，通过四组双目相机采集受电弓图像，并将采集的受电弓图像发送给所述数据处理模块；所述数据处理模块，用于对接收到的受电弓图像进行处理以获得所述受电弓上的滑板磨耗数据；

所述在线检测方法包括以下步骤：

S1、当列车运行至检测棚内时，通过位于检测区域在前的一组对射型光电传感器感测到所述列车到来，以触发第一双目相机、第二双目相机同时拍摄得到所述受电弓的后弓滑板上下表面的中心部分区域图像，并将图像传输给工控机；

S2、所述列车继续向前运行，通过位于检测区域在后的一组所述对射型光电传感器感测到所述列车到来，以触发第三双目相机、第四双目相机同时拍摄得到所述受电弓的前弓滑板上下表面的中心部分区域图像，并将图像传输给工控机；

S3、所述工控机对获得的图像进行算法处理分析，得到所述受电弓上的滑板磨耗数据，从而实现对列车受电弓滑板磨耗检测的目的；

通过位于所述受电弓下方的双目相机拍摄得到所述受电弓的滑板下表面的图像，通过图像处理获取得到所述受电弓滑板下表面的空间坐标点，记为p_di＝[X_di Y_di Z_di]，设定所述受电弓滑板下表面空间坐标点拟合的平面方程为ax+by+cz+1＝0，且使得最小目标函数

的值最小，然后通过最小二乘法得到所述滑板下表面的平面系数[a b c]，并作为测量的基准面，其中，i＝0，1，2…n；

通过位于所述受电弓上方的双目相机拍摄得到所述受电弓的滑板上表面的图像，通过图像处理获取得到所述受电弓滑板上表面的空间坐标点，将所述受电弓滑板下表面的空间坐标点与所述受电弓滑板上表面的空间坐标点整合到同一瞬时坐标系下，则设定转换整合后的所述受电弓滑板上表面在瞬时坐标系下的空间坐标点为p_ui＝[X_ui Y_ui Z_ui]，结合所述受电弓滑板下表面空间坐标点拟合的平面方程ax+by+cz+1＝0，通过公式

计算得到空间坐标点到所述滑板下表面的距离D_i，并作为空间坐标点处的剩余磨耗值，随后通过标准的滑板厚度值减去各空间坐标点处的剩余磨耗值，最终得到滑板磨耗值。

2.根据权利要求1所述的基于多双目的列车受电弓滑板磨耗在线检测方法，其特征在于：其还包括由横梁和两根立柱连接而成的检测棚，所述列车的轨道两侧均设置有所述检测棚，所述第一双目相机、第三双目相机设置于一侧所述检测棚的两端所述立柱上，所述第二双目相机、第四双目相机设置于另一侧所述检测棚的两端所述立柱上。

3.根据权利要求2所述的基于多双目的列车受电弓滑板磨耗在线检测方法，其特征在于：每组所述双目相机均包括两个相机，所述第一双目相机、第三双目相机对称设置于所述接触网两端的所述受电弓上方的所述立柱上，所述第二双目相机、第四双目相机对称设置于所述接触网两端的所述受电弓下方的所述立柱上。

4.根据权利要求2所述的基于多双目的列车受电弓滑板磨耗在线检测方法，其特征在于：其还包括补光灯、背景板，所述背景板设有两块，且分别安装于两侧所述检测棚的所述横梁上；所述补光灯设有4个，且分别对应设置于第一双目相机、第二双目相机、第三双目相机、第四双目相机侧的所述横梁上，以在拍摄时照亮所述受电弓滑板表面和对应侧的所述背景板。

5.根据权利要求1所述的基于多双目的列车受电弓滑板磨耗在线检测方法，其特征在于：所述检测模块包括两组对射型光电传感器，两组所述对射型光电传感器分别设置于所述列车的轨道两端的检测区域位置，以采集列车驶入信号，所述数据处理模块包括工控机，补光灯、对射型光电传感器、第一双目相机、第二双目相机、第三双目相机、第四双目相机均与所述工控机相连接。

Images