CN113484328B - 一种机器视觉结合超声波技术的新型钢轨探伤仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器视觉结合超声波技术的新型钢轨探伤仪，其结构包括GPS定位器、探伤机构、前置架、信号收发器，GPS定位器安装于信号收发器的顶部位置，前置架固定于探伤机构的前端位置，探伤机构的顶部与信号收发器的底部相连接，本发明利用超声波钢轨探伤工艺能精确探测出钢轨内部伤损，结合机器视觉图片采集系统精确探测出钢轨表面伤损，内部和表面相结合使得探伤作业效率极大的提高，当灯具需使用时，通过向外摆动摆动杆，能够使摆动杆沿着连接板摆动至与相机的边侧呈°，当灯具未使用时可将摆动杆向内摆动收起，从而能够对灯具进行保护，也能够避免照明灯被外部硬物撞击导致与相机之间角度变化的情况。

Description

一种机器视觉结合超声波技术的新型钢轨探伤仪

技术领域

本发明涉及钢轨探伤领域，具体的是一种机器视觉结合超声波技术的新型钢轨探伤仪。

背景技术

机器视觉结合超声波技术的新型钢轨探伤仪主要是用于对国铁、 地方铁路、城市轨道交通等行业，提供轨道检测以及技术培训服务的设备，但在现有技术中，市面上的主流钢轨探伤产品，无法有效的探测其钢轨表面伤损，对于钢轨表面伤损还需人工用肉眼观测，从而导致对钢轨伤损的探测效率不高。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种机器视觉结合超声波技术的新型钢轨探伤仪。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种机器视觉结合超声波技术的新型钢轨探伤仪，其结构包括GPS定位器、探伤机构、前置架、信号收发器，所述GPS定位器安装于信号收发器的顶部位置，所述前置架固定于探伤机构的前端位置，所述探伤机构的顶部与信号收发器的底部相连接；所述探伤机构包括探伤仪盘、移动轮、摄像机构，所述探伤仪盘的顶部与信号收发器的底部相连接，所述移动轮与探伤仪盘的边侧活动卡合，所述摄像机构安装于探伤仪盘的底部位置。

作为本发明的进一步优化，所述摄像机构包括遮光板、绝对式编码器、照明灯、相机，所述绝对式编码器与探伤仪盘的底部相贴合，所述遮光板与绝对式编码器的底部嵌固连接，所述相机的顶部与绝对式编码器相连接，所述照明灯安装于相机的边侧位置，所述照明灯设有两个，且均匀的在相机的左右两侧呈对称分布。

作为本发明的进一步优化，所述照明灯包括灯具、摆动杆、连接板，所述连接板与相机的边侧相连接，所述灯具与摆动杆的外端嵌固连接，所述摆动杆与连接板的边侧铰链连接，当灯具使用时，通过向外摆动摆动杆，能够使摆动杆沿着连接板摆动至与物体呈42°。

作为本发明的进一步优化，所述照明灯与轨道之间采用平行排列形式，从而能够避免列车行进时晃动，轨道表面在照片中会有横向偏移，导致轨道超过线光源两端的情况。

作为本发明的进一步优化，所述摆动杆包括卡块、吸力块、板体，所述板体与连接板的外侧铰链连接，所述卡块嵌固于板体的底部位置，所述吸力块与卡块底部相贴合，所述吸力块采用磁铁材质。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明利用超声波钢轨探伤工艺能精确探测出钢轨内部伤损，结合机器视觉图片采集系统精确探测出钢轨表面伤损，内部和表面相结合使得探伤作业效率极大的提高，本发明在探伤时将A、B波形图以及表面的异常图像信息传输至服务中心，服务中心将智能判别伤损情况：无伤、一至四阶段伤损，及时根据伤损等级进行处理，本发明利用机器视觉技术结合传统超声波技术，解决了现有超声波探伤仪无法探测钢轨表面损伤的技术难题，并自动判定伤损等级，有利于大幅降低人工识别工作量，提高作业效率，并且超声波与机器视觉技术相结合，将原超声波几乎不能识别的表面伤损的识别率提高到90%。

2、当灯具需使用时，通过向外摆动摆动杆，能够使摆动杆沿着连接板摆动至与相机的边侧呈42°，当灯具未使用时可将摆动杆向内摆动收起，从而能够对灯具进行保护，也能够避免照明灯被外部硬物撞击导致与相机之间角度变化的情况。

附图说明

图1为本发明一种机器视觉结合超声波技术的新型钢轨探伤仪的结构示意图。

图2为本发明探伤机构正视的结构示意图。

图3为本发明摄像机构俯视透视的结构示意图。

图4为本发明图片采集的示意图。

图5为本发明计算机视觉探伤系统搭建结构示意图。

图6为本发明图片处理流程的示意图。

图7为本发明检测流程的示意图。

图8为本发明照明灯俯视半剖面的结构示意图。

图9为本发明摆动杆俯视半剖面的结构示意图。

图中：GPS定位器-1、探伤机构-2、前置架-3、信号收发器-4、探伤仪盘-21、移动轮-22、摄像机构-23、遮光板-a1、绝对式编码器-a2、照明灯-a3、相机-a4、灯具-b1、摆动杆-b2、连接板-b3、卡块-b21、吸力块-b22、板体-b23。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如例图1-例图7所展示：

本发明提供一种机器视觉结合超声波技术的新型钢轨探伤仪，其结构包括GPS定位器1、探伤机构2、前置架3、信号收发器4，所述GPS定位器1安装于信号收发器4的顶部位置，所述前置架3固定于探伤机构2的前端位置，所述探伤机构2的顶部与信号收发器4的底部相连接；所述探伤机构2包括探伤仪盘21、移动轮22、摄像机构23，所述探伤仪盘21的顶部与信号收发器4的底部相连接，所述移动轮22与探伤仪盘21的边侧活动卡合，所述摄像机构23安装于探伤仪盘21的底部位置。

其中，所述摄像机构23包括遮光板a1、绝对式编码器a2、照明灯a3、相机a4，所述绝对式编码器a2与探伤仪盘21的底部相贴合，所述遮光板a1与绝对式编码器a2的底部嵌固连接，所述相机a4的顶部与绝对式编码器a2相连接，所述照明灯a3安装于相机a4的边侧位置，所述照明灯a3设有两个，且均匀的在相机a4的左右两侧呈对称分布，并且照明灯a3与相机a4之间呈42°夹角，从而能够避免轨道表面反射的光直接照射到镜头的情况。

其中，所述照明灯a3与轨道之间采用平行排列形式，从而能够避免列车行进时晃动，轨道表面在照片中会有横向偏移，导致轨道超过线光源两端的情况，从而使物体能够正常对轨道进行探伤拍摄。

本实施例的详细使用方法与作用：

本发明中，通过探伤机构2上的相机a4拍摄轨道面照片，为提高拍摄效率，连续不间断的照片拍摄为最佳，另外由于移动拍摄，所以多为采用线性CCD相机，滤光板a1是为避免自然环境光线的干扰，如光线过强导致轨面严重反光，或外界光线过弱不能显示轨道表面伤痕，或阴影导致光线强度不一致，影响图像后期处理，所以遮光板a5要求不透光，且成像区域全覆盖，照明灯a3则提供理想照明条件，要求光强均匀、成像清晰、白色光线，由于点光源存在炫光效果，而面光源往往较占用空间，而且光照强度较强，为了光照均匀且光照强度适中，故选择线性光源，另外由于轨道表面较为光亮，容易产生倒影，因此反射光不可直接照射到相机a4的镜头，所以光源要与相机a4的镜头呈42°角，考虑到列车行进时晃动，轨道表面在照片中会有横向偏移，为不发生偏移导致轨道超过线光源两端，便采取照明灯a3线光源与轨道平行排列形式，绝对式编码器a2可以读取每个车轮旋转角度的二进制输出信号，将信号编码成单一信号，使得信号频率与车轮频率一致，作用于相机a4的快门，将一个车轮周长范围内的轨道面进行拍摄，轨面伤痕经过拍摄照片后，通过传输模块到达服务器，服务器将照片保存在存储模块，用于缓冲照片拍摄速度，服务器再将保存未处理的图像在图像处理模块中处理，图像处理后保存在存储模块上，并通过服务器发到工作站，GPS定位器1则可定位列车位置，便知道哪个路段轨道有损伤，运行流程上电初始化各设备，然后设定相机a4快门时间、快门模式等，车轮旋转使得绝对式编码器a2计数，取二进制值“1”作为相机a4快门信号输出到服务器，服务器将快门信号发给相机a4拍摄轨道照片，照片经服务器至图像存储单元保存，服务器读取存储单元内照片调用到图像处理模块，服务器调用处理后的图像保存到存储单元，以便日后数据支持，同时发给监测站告知检测人员，计算机视觉检测系统的照片拍摄工作是后期图像处理的前提，它决定轨道伤损信息能否全部被反映出来，同时可以降低重复的轨道信息，使得硬件资源能够更充分利用，也减少伤痕问题处理的时间，相机a4是安装在探伤仪盘21下，相机a4扫描频率是不变的，它会定时向服务器传递照片信息，为得到最终的照片处理结果，需要多步骤来实现，每一个步骤都是为方便下一个步骤的运算和处理而做的准备，改善照片的运算条件，降低下一步骤的处理难度，照片处理的步骤大体上以三步走的方式进行，首先要对拍摄的照片做初步的预处理:

1.去除因外接电源或电磁波串入相机内部，或者光量子密度变化导致相机内部电子或空穴变化而产生的噪声。

2.计算机的运算操作是在灰图情况下完成，范围在1到255，需要将去掉噪声后的照片由彩色转化为灰色，由于轨道两边的小石子、锡箔纸类的垃圾等在太阳的照射下会反光，或者光线不均匀，对显示伤痕有干扰，而且不是轨道表面的研究范围，对计算机属于无效运算，所以要去掉轨底平面上的背景信息，截取轨道表面。

并且因相机a4拍摄完照片后，光线不一定是均匀的，需要将亮处灰度降低，暗处灰度提高，让轨道表面灰度统一，对于灰度值较低的伤痕，需要底帽运算，用原图去掉比背景暗的像素，再被原图减去该图，从而得出这些像素(伤痕)由于底帽运算后，伤痕灰度与背景比较贴近，需要将照片灰度增强将图片二值化成黑白图片，进行阈值分割，便于对伤痕的修补，最后到了伤痕的精确定位，因为同一个伤痕可能会因为上述步骤不能达到预期而导致伤痕被分割，需要把它们合并起来，那么利用形态学的开启操作来完成，从图像边缘开始线性索引背景像素(0值)改为前景像素(1值)，直到孔洞边缘，取反之后与原图边框相加，进行填补空白利用种子填充方法标记连通区域，让每一个连通区域都有自己的标号计算每一个连通区域的面积，找出符合伤痕标准的伤对伤痕做边缘提取，找出伤痕的边缘，然后将灰度转化为伪灰图，在边缘坐标位置处更改其RGB分量，作为彩色线标记在拍摄的照片上，本发明结合了机器视觉技术，解决了传统超声波钢轨表面的检测盲区，提高了伤损检出率，本产品将机器视觉运用于轨道表面探伤，利用元学习理论，有效降低了神经网络对数据规模的依赖性，在少样本现状下提高了算法的精度，并开发出钢轨表面缺陷软件。

实施例2

如例图8-例图9所展示：

其中，所述照明灯a3包括灯具b1、摆动杆b2、连接板b3，所述连接板b3与相机a4的边侧相连接，所述灯具b1与摆动杆b2的外端嵌固连接，所述摆动杆b2与连接板b3的边侧铰链连接，当灯具b1使用时，通过向外摆动摆动杆b2，能够使摆动杆b2沿着连接板b3摆动至与物体呈42°，并且在未使用时可将摆动杆b2向内摆动收起，从而能够对灯具b1进行保护。

其中，所述摆动杆b2包括卡块b21、吸力块b22、板体b23，所述板体b23与连接板b3的外侧铰链连接，所述卡块b21嵌固于板体b23的底部位置，所述吸力块b22与卡块b21底部相贴合，所述吸力块b22采用磁铁材质，通过吸力块b22能够卡入物体的内部，并且通过吸力块b22能够对钢材质的物体产生吸力，从而使板体b23能够进行位置固定。

本实施例的详细使用方法与作用：

本发明中，由于照明灯a3在工作时与相机a4边侧呈42°角，但向外摆出容易在不使用时与外界硬物碰撞，从而使照明灯a3被碰撞弯曲，导致与相机a4边侧之间的角度出现变化，当灯具b1需使用时，通过向外摆动摆动杆b2，能够使摆动杆b2沿着连接板b3摆动至与相机a4的边侧呈42°，并且通过吸力块b22能够在摆动杆b2向外摆动时卡入连接板b3的内部，再通过吸力块b22能够对钢材质的连接板b3产生吸力，从而使板体b23能够进行位置固定，当灯具b1未使用时可将摆动杆b2向内摆动收起，从而能够对灯具b1进行保护，也能够避免照明灯a3被外部硬物撞击导致与相机a4之间角度变化的情况。

利用本发明所述技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种机器视觉结合超声波技术的新型钢轨探伤仪，其结构包括GPS定位器（1）、探伤机构（2）、前置架（3）、信号收发器（4），所述GPS定位器（1）安装于信号收发器（4）的顶部位置，所述前置架（3）固定于探伤机构（2）的前端位置，其特征在于：所述探伤机构（2）的顶部与信号收发器（4）的底部相连接；

所述探伤机构（2）包括探伤仪盘（21）、移动轮（22）、摄像机构（23），所述探伤仪盘（21）的顶部与信号收发器（4）的底部相连接，所述移动轮（22）与探伤仪盘（21）的边侧活动卡合，所述摄像机构（23）安装于探伤仪盘（21）的底部位置；

所述摄像机构（23）包括遮光板（a1）、绝对式编码器（a2）、照明灯（a3）、相机（a4），所述绝对式编码器（a2）与探伤仪盘（21）的底部相贴合，所述遮光板（a1）与绝对式编码器（a2）的底部嵌固连接，所述相机（a4）的顶部与绝对式编码器（a2）相连接，所述照明灯（a3）安装于相机（a4）的边侧位置；

所述照明灯（a3）与轨道之间采用平行排列形式；

所述照明灯（a3）包括灯具（b1）、摆动杆（b2）、连接板（b3），所述连接板（b3）与相机（a4）的边侧相连接，所述灯具（b1）与摆动杆（b2）的外端嵌固连接，所述摆动杆（b2）与连接板（b3）的边侧铰链连接；

所述摆动杆（b2）包括卡块（b21）、吸力块（b22）、板体（b23），所述板体（b23）与连接板（b3）的外侧铰链连接，所述卡块（b21）嵌固于板体（b23）的底部位置，所述吸力块（b22）与卡块（b21）底部相贴合；

当灯具（b1）需使用时，通过向外摆动摆动杆（b2），能够使摆动杆（b2）沿着连接板（b3）摆动至与相机（a4）的边侧呈42°，并且通过吸力块（b22）能够在摆动杆（b2）向外摆动时卡入连接板（b3）的内部，再通过吸力块（b22）对钢材质的连接板（b3）产生吸力，从而使板体（b23）进行位置固定，当灯具（b1）未使用时可将摆动杆（b2）向内摆动收起，从而对灯具（b1）进行保护，避免照明灯（a3）被外部硬物撞击导致与相机（a4）之间角度变化的情况。

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