CN112781493A - 一种列车受电弓综合几何参数在线检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种列车受电弓综合几何参数在线检测设备，其利用结构光传感器的非接触式图像测量，实现机车动态在线检测，不影响机车运行，检测节奏快、效率高，自动化程度高。其包括四组结构光传感器，每组结构光传感器包括一个相机和一个线激光器，四个结构光传感器分别布置在受电弓的两侧的上下区域位置，四个线激光器所发出的激光条位于同一检测平面内，列车经过所对应的检测平面时，四个相机分别扫描对应的激光条，用于生成待检测受电弓的表面的三维点云。

Description

一种列车受电弓综合几何参数在线检测设备

技术领域

本发明涉及轨道交通的技术领域，具体为一种列车受电弓综合几何参数在线检测设备。

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。受电弓从接触网上获取电源，向整个列车电气系统供电，同时还通过列车的再生制动系统将列车的动能转换为电能回馈给接触网供给其它在线列车使用，起到双向传递枢纽的作用。

机车运行时，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，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。

此外，由于接触线的“之”字形架设，接触线与受电弓滑板之间的接触点位置相对受电弓上表面与受电弓的中心之间的距离随着列车的快速行驶而不断变化。当中心线受电弓相对铁轨中心线的安装位置偏移过度时，可能导致受电弓与接触线分离，将造成弓网事故。因此，为避免因列车自身故障导致的事故，对列车受电弓关键部件中心线偏移的状态监测至关重要。

传统人工检测方法，工作人员使用直尺或游标卡尺对滑板厚度取点测量；针对中心线偏移的检测，工作人员使用卷尺等测量工具测量中心线相对轨道中心的偏移量。传统人工方式精度不高，检测点少，更低效的是需要给接触网断电，列车停运，静态检测作业，这样做效率低，作业过程费时费力，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。

已有基于多个独立相机自然成像方式实现受电弓滑板磨耗检测和中心线偏移检测的方法，需要背景白板和诸多闪光灯补光装置，存在系统安装复杂、受外界光线(白天阴天夜间雷雨极端天气等)干扰多等问题，导致测量结果精度低、可靠性差。

已有基于结构光传感器实现滑板磨耗检测的方法通常安装于被测受电弓顶部，一方面现场安装较为困难，另一方面只能测量受电弓上表面，无法基于磨耗定义得到准确的磨耗值，同时也无法测量得到中心线偏移量。

而当今轨道交通行业，高速重载成为其主要特征，对受电弓综合几何参数的检测，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，本发明提供了一种列车受电弓综合几何参数在线检测设备，其利用结构光传感器的非接触式图像测量，实现机车动态在线检测，不影响机车运行，检测节奏快、效率高，自动化程度高。

一种列车受电弓综合几何参数在线检测设备，其特征在于：其包括四组结构光传感器，每组结构光传感器包括一个相机和一个线激光器，四个结构光传感器分别布置在受电弓的两侧的上下区域位置，四个线激光器所发出的激光条位于同一检测平面内，列车经过所对应的检测平面时，四个相机分别扫描对应的激光条，用于生成待检测受电弓的表面的三维点云。

其进一步特征在于：

四个结构光传感器分别布置于设定检测平面的两侧立柱的相对受电弓的上、下位置，其还包括有对射开关、测速传感器，所述对射开关布置于结构光传感器的相对于列车行进方向的后方，所述测速传感器布置于所述对射开关的相对于列车行进方向的后方，测速传感器具体为两块间隔布置的测速磁钢，根据两个测速磁钢的触发时间间隔和两者之间的距离，计算得到车速。当向前运行的机车运行至检测棚内适当位置时，受电弓触发了对射开关，电气控制系统根据对射开关和结构光传感器的距离结合车速、提前控制结构光传感器开启，此时受电弓位于激光器断面的前方，随着列车运动，受电弓通过激光断面，结构光传感器根据测量速度进行连续采样，得到每个传感器下的连续三维点云，同步传输给工业PC，工业PC的检测程序根据传感器采集到的三维点云，结合之前的标定数据，将4组传感器的连续三维点云数据整合到同一瞬时坐标系下，从而得到受电弓全弓三维点云数据，进一步计算出受电弓的磨耗值和中心线偏移等结果数据；

位于上部的两组结构光传感器对应于受电弓的上表面进行扫描，扫描获得的两组三维点云覆盖受电弓的整个上表面；

位于下部的两组结构光传感器对应于受电弓的下表面进行扫描，扫描获得的两组三维点云覆盖受电弓的整个下表面；

获取受电弓全弓三维点云后，继而计算受电弓的各类几何参数，通过拟合上、下表面，得到上表面相对底面平面的距离，即磨耗值；整个受电弓三维点云的中心即确定受电弓空间位置中心，从而基于事先标定的轨道中心位置，计算该中心相对轨道中心的偏移量；

四组结构光传感器分别根据各自的坐标系捕捉到对应表面的三维点云后，以其中一组结构光传感器的坐标系作为参考坐标系，由于在检测之前所有的结构光传感器的位置固定，即另外三组结构光传感器相对于参考坐标系的坐标系存在确定的校正数值，四组结构光传感器所对应的坐标拟合形成建立于同一个坐标系的三维点云，得到上表面相对底面平面的距离，即磨耗值；整个受电弓三维点云的中心即确定受电弓空间位置中心，之后根据事先标定的轨道中心位置，计算该中心相对轨道中心的偏移量；

结构光传感器采用硬触发方式，一套设备实现连续在线检测，仅使用四组集成式的结构光传感器连接到已经标定好的坐标系即可进行触发检测，其省去背景白板和补光灯，方便现场作业的安装与调试，综合成本优；

所述工业PC为多台高性能的工业PC，多台工业PC之间组成分布式网络系统协同作业，数据处理与上传单元通过工业PC来完成。

采用本发明后，四组结构光传感器分别安装于受电弓触发位置的左右两侧立柱的上下位置，每组结构光传感器均包含一个相机和一个激光器，可直接输出被测目标的三维点云，列车经过时，四组结构光直接获取全弓三维点云，进而拟合出受电弓滑板底面的平面方程，以及受电弓上表面断面，计算上表面三维轮廓各点到底面基准平面的距离，即得到滑板各位置处的磨耗值，受电弓全弓点云的几何中心即为受电弓中心，结合事先标定的数据转换还原为轨道坐标系下的实际物理坐标，与轨道中心位置相减即为受电弓中心线的偏移距离。

附图说明

图1为本发明的结构示意简图；

图中序号所对应的名称如下：

结构光传感器10、相机1、线激光器2、受电弓20、立柱30、框架横梁40、支承柱50。

具体实施方式

一种列车受电弓综合几何参数在线检测设备，见图1：其包括四组结构光传感器10，每组结构光传感器10包括一个相机1和一个线激光器2，四个结构光传感器10分别布置在受电弓20的两侧的上下区域位置，四个线激光器2所发出的激光条位于同一检测平面内，列车经过所对应的检测平面时，四个相机1分别扫描对应的激光条，用于生成待检测受电弓20的表面的三维点云。

四个结构光传感器10分别布置于设定检测平面的两侧立柱30的相对受电弓20的上、下位置，其还包括有对射开关、测速传感器，对射开关布置于结构光传感器的相对于列车行进方向的后方，测速传感器布置于对射开关的相对于列车行进方向的后方，测速传感器具体为两块间隔布置的测速磁钢，根据两个测速磁钢的触发时间间隔和两者之间的距离，计算得到车速。当向前运行的机车运行至检测棚内适当位置时，受电弓触发了对射开关，电气控制系统根据对射开关和结构光传感器的距离结合车速，提前控制结构光传感器开启，此时受电弓位于激光器断面的前方，随着列车运动，受电弓通过激光断面，结构光传感器根据测量速度进行连续采样，得到每个传感器下的连续三维点云，同步传输给工业PC，工业PC的检测程序根据传感器采集到的三维点云，结合之前的标定数据，将4组传感器的连续三维点云数据整合到同一瞬时坐标系下，从而得到受电弓全弓三维点云数据，进一步计算出受电弓的磨耗值和中心线偏移等结果数据。

具体实施时，立柱30位于框架横梁40的下方，立柱的前部和后部还分别设置有平行的支承柱50，支承柱确保整个框架横梁40的位置稳固可靠。

位于上部的两组结构光传感器10对应于受电弓20的上表面进行扫描，扫描获得的两组三维点云覆盖受电弓20的整个上表面；

位于下部的两组结构光传感器10对应于受电弓20的下表面进行扫描，扫描获得的两组三维点云覆盖受电弓20的整个下表面；

获取受电弓全弓20三维点云后，继而计算受电弓的各类几何参数，通过拟合上、下表面，得到上表面相对底面平面的距离，即磨耗值；整个受电弓20三维点云的中心即确定受电弓空间位置中心，从而基于事先标定的轨道中心位置，计算该中心相对轨道中心的偏移量；

四组结构光传感器10分别根据各自的坐标系捕捉到对应表面的三维点云后，以其中一组结构光传感器10的坐标系作为参考坐标系，由于在检测之前所有的结构光传感器10的位置固定，即另外三组结构光传感器相对于参考坐标系的坐标系存在确定的校正数值，四组结构光传感器所对应的坐标拟合形成建立于同一个坐标系的三维点云，得到上表面相对底面平面的距离，即磨耗值；整个受电弓三维点云的中心即确定受电弓空间位置中心，之后根据事先标定的轨道中心位置、计算该中心相对轨道中心的偏移量；

结构光传感器采用硬触发方式，一套设备实现连续在线检测，仅使用四组集成式的结构光传感器连接到已经标定好的坐标系即可进行触发检测，其省去背景白板和补光灯，方便现场作业的安装与调试，综合成本优；

工业PC为多台高性能的工业PC，多台工业PC之间组成分布式网络系统协同作业，数据处理与上传单元通过工业PC来完成。

采用本发明后，四组结构光传感器分别安装于受电弓触发位置的左右两侧立柱的上下位置，每组结构光传感器均包含一个相机和一个激光器，可直接输出被测目标的三维点云，列车经过时，四组结构光直接获取全弓三维点云，进而拟合出受电弓滑板底面的平面方程，以及受电弓上表面断面，计算上表面三维轮廓各点到底面基准平面的距离，即得到滑板各位置处的磨耗值，受电弓全弓点云的几何中心即为受电弓中心，结合事先标定的数据转换还原为轨道坐标系下的实际物理坐标，与轨道中心位置相减即为受电弓中心线的偏移距离。

其有益效果如下：

1、利用结构光传感器的非接触式图像测量，实现机车动态在线检测，不影响机车运行，检测节奏快、效率高，自动化程度高。

2、采用结构光被动扫描获取受电弓全弓三维点云的技术，其激光亮度高，能适应各种外界光照环境，抗干扰能力强；激光方向性好，精度高，可靠性好，检测稳定性佳。

3、采用传感器硬触发方式，无论是单弓还是双弓，一套设备实现连续在线检测。仅使用四组集成式的结构光传感器，省去背景白板和补光灯，方便现场作业的安装与调试，综合成本优。

4、功能多样化，一套测量系统可实现受电弓滑板磨耗和中心线偏移等综合几何参数的同步测量。

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 (7)

1.一种列车受电弓综合几何参数在线检测设备，其特征在于：其包括四组结构光传感器，每组结构光传感器包括一个相机和一个线激光器，四个结构光传感器分别布置在受电弓的两侧的上下区域位置，四个线激光器所发出的激光条位于同一检测平面内，列车经过所对应的检测平面时，四个相机分别扫描对应的激光条，用于生成待检测受电弓的表面的三维点云。

2.如权利要求1所述的一种列车受电弓综合几何参数在线检测设备，其特征在于：四个结构光传感器分别布置于设定检测平面的两侧立柱的相对受电弓的上、下位置，其还包括有对射开关、测速传感器，所述对射开关布置于结构光传感器的相对于列车行进方向的后方，所述测速传感器布置于所述对射开关的相对于列车行进方向的后方，测速传感器具体为两块间隔布置的测速磁钢，根据两个测速磁钢的触发时间间隔和两者之间的距离，计算得到车速，当向前运行的机车运行至检测棚内适当位置时，受电弓触发了对射开关，电气控制系统根据对射开关和结构光传感器的距离结合车速、提前控制结构光传感器开启，此时受电弓位于激光器断面的前方，随着列车运动，受电弓通过激光断面，结构光传感器根据测量速度进行连续采样，得到每个传感器下的连续三维点云，同步传输给工业PC，工业PC的检测程序根据传感器采集到的三维点云，结合之前的标定数据，将4组传感器的连续三维点云数据整合到同一瞬时坐标系下，从而得到受电弓全弓三维点云数据，进一步计算出受电弓的磨耗值和中心线偏移等结果数据。

3.如权利要求2所述的一种列车受电弓综合几何参数在线检测设备，其特征在于：位于上部的两组结构光传感器对应于受电弓的上表面进行扫描，扫描获得的两组三维点云覆盖受电弓的整个上表面；位于下部的两组结构光传感器对应于受电弓的下表面进行扫描，扫描获得的两组三维点云覆盖受电弓的整个下表面。

4.如权利要求3所述的一种列车受电弓综合几何参数在线检测设备，其特征在于：获取受电弓全弓三维点云后，继而计算受电弓的各类几何参数，通过拟合上、下表面，得到上表面相对底面平面的距离，即磨耗值；整个受电弓三维点云的中心即确定受电弓空间位置中心，从而基于事先标定的轨道中心位置，计算该中心相对轨道中心的偏移量。

5.如权利要求4所述的一种列车受电弓综合几何参数在线检测设备，其特征在于：四组结构光传感器分别根据各自的坐标系捕捉到对应表面的三维点云后，以其中一组结构光传感器的坐标系作为参考坐标系，由于在检测之前所有的结构光传感器的位置固定，即另外三组结构光传感器相对于参考坐标系的坐标系存在确定的校正数值，四组结构光传感器所对应的坐标拟合形成建立于同一个坐标系的三维点云，得到上表面相对底面平面的距离，即磨耗值；整个受电弓三维点云的中心即确定受电弓空间位置中心，之后根据事先标定的轨道中心位置，计算该中心相对轨道中心的偏移量。

6.如权利要求1所述的一种列车受电弓综合几何参数在线检测设备，其特征在于：结构光传感器采用硬触发方式，一套设备实现连续在线检测，仅使用四组集成式的结构光传感器连接到已经标定好的坐标系即可进行触发检测。

7.如权利要求2所述的一种列车受电弓综合几何参数在线检测设备，其特征在于：所述工业PC为多台高性能的工业PC，多台工业PC之间组成分布式网络系统协同作业，数据处理与上传单元通过工业PC来完成。

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