CN114862950A - 基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测方法和系统 - Google Patents

基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测方法和系统，方法包括构建动态平面直角坐标系；在平面直角坐标系中构建两钢轨的基准轮廓；获取车体处于平衡姿态下的两钢轨图像，并提取两钢轨的检测轮廓；根据两钢轨的检测轮廓及对应基准轮廓得到拍摄单元的物理坐标系与动态直角平面坐标系的映射关系；实时获取两钢轨图像并提取两钢轨的实时轮廓；根据所述映射关系将两钢轨的实时轮廓映射到动态平面直角坐标系中，并提取两钢轨的特征点；基于两钢轨的特征点，在动态平面直角坐标系下计算得到车体相对于轨平面的相对位置变化参数。本发明通过建立一个统一的平面直角坐标系计算车体振动补偿参数，便于实现，并提高了检测的可靠性。

Description

基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测方法和系统
技术领域
本发明涉及轨道交通检测技术领域，具体涉及基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测方法和系统。
背景技术
在计算车辆的振动补偿参数方面，现有相关技术方案都是围绕整体设备与结构等展开的，对于参数的计算方法并没有明确的指导流程。整体来看，现有技术方案都是使用平面几何的方法，通过三角函数来计算补偿参数。
然而现有采用平面几何方法确定振动补偿参数的技术，需要各种计算关系的转换过程，算法复杂，同时由于浮点数、三角函数多次运算后会引起误差增大等问题。
发明内容
为了解决现有采用平面几何方法确定振动补偿参数的技术存在的算法复杂或造成误差增大等问题，本发明提供了一种基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测方法。本发明基于钢轨图像，建立一个统一的平面直角坐标系计算车体振动补偿参数，便于实现，同时避免了误差增大的问题，提高了检测的可靠性。
本发明通过下述技术方案实现：
基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测方法，包括：
构建动态平面直角坐标系；
在所述动态平面直角坐标系中构建两钢轨的基准轮廓；
获取车体处于平衡姿态下的两钢轨图像并提取两钢轨的检测轮廓；
根据两钢轨的检测轮廓及对应基准轮廓得到拍摄单元的物理坐标系与动态直角平面坐标系的映射关系；
获取车体处于动态姿态下的两钢轨图像并提取两钢轨的实时轮廓；
根据所述映射关系将两钢轨的实时轮廓映射到所述动态平面直角坐标系中，并提取两钢轨的特征点；
基于两钢轨的特征点，在所述动态平面直角坐标系下计算得到车体相对于轨平面的相对位置变化参数。
作为优选实施方式，本发明的构建的所述动态平面直角坐标系具体为：
以安装在车体底部的两个拍摄单元的中间位置为原点，以轨平面方向为横轴，以车体高度方向为纵轴。
作为优选实施方式，本发明的拍摄单元由面阵相机和线激光组成；
两个拍摄单元分别用于拍摄两钢轨。
作为优选实施方式，本发明的提取钢轨的轮廓，具体为：
通过拍摄单元获取钢轨的面阵图像；
采用图像处理技术，提取出图像中光条的图像坐标；
根据结构光标定原理，将图像坐标转换成空间坐标。
作为优选实施方式，本发明的根据两钢轨的检测轮廓及对应基准轮廓得到拍摄单元的物理坐标系与动态直角平面坐标系的映射关系，具体为：
采用音频领域波形对齐的方法，将两钢轨的检测轮廓对齐到其对应的基准轮廓，即可获得表征两钢轨轮廓在两个坐标系相对关系的参数信息。
作为优选实施方式，本发明的提取钢轨特征点，具体为：
采用±45°直线，从远端向钢轨轮廓靠近，找到所述钢轨轮廓中最早与直线相切的点；
从该点开始，沿所述钢轨轮廓向两侧遍历，寻找最近的多个点，拟合成两条直角，取其交点为该钢轨特征点。
作为优选实施方式，本发明的在所述动态平面直角坐标系下计算得到车体相对于轨平面的相对位置变化参数，具体为：
Figure BDA0003616429850000031
其中，θ表示车体倾斜角度，
Figure BDA0003616429850000032
表示直线L1的斜率，直线L1表示两钢轨特征点连线AB所在直线；
Δx＝|C5′：L2|，其中，|C5′：L2|表示点C5′到直线L2的距离，直线L2表示两钢轨特征点连线AB的垂直平分线；
Δy＝|C5′：L1|-H，其中，|C5′：L1|表示点C5′到直线L1的距离，H表示车体高度。
第二方面，本发明提出了一种基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测系统，包括：
坐标系构建模块，用于构建动态平面直角坐标系；
基准轮廓构建模块，用于在所述动态平面直角坐标系中构建两钢轨的基准轮廓；
轮廓提取模块，用于获取两钢轨图像并提取两钢轨的轮廓信息，包括获取车体处于平衡姿态下的两钢轨图像并提取两钢轨的检测轮廓，以及获取车体处于动态姿态下的两钢轨图像并提取两钢轨的实时轮廓；
静态基准构建模块，根据两钢轨的检测轮廓及其基准轮廓得到拍摄单元的物理坐标系与动态直角平面坐标系的映射关系；
特征提取模块，根据所述映射关系将两钢轨的实时轮廓映射到动态直角平面坐标系中，并提取两钢轨的特征点；
计算模块，基于提取的两钢轨特征点，在动态平面直角坐标系下计算得到车体相对于轨平面的相对位置变化参数。
第三方面，本发明提出了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明所述方法的步骤。
第四方面吧，本发明提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明所述方法的步骤。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过构建一个动态平面直角坐标系，将拍摄单元所在坐标系转换到该平面直角坐标系，即可实现车体与轨平面相对位置变化情况检测，实现简单，避免了现有采用平面几何方法需要多次转换，从而导致算法复杂且会增加误差的缺陷。
2、本发明基于轮廓形态提取钢轨特征点，而非直接在图像中提取，可以有效解决因为拍摄单元安装角度不同导致的图像形态差异大、难以提取的问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例的方法原理示意图。
图2为本发明实施例的拍摄设备安装示意图。
图3为本发明实施例的方法流程示意图。
图4为本发明实施例建立的直角坐标系示意图。
图5为本发明实施例建立的直角坐标系下的钢轨基准轮廓示意图。
图6为本发明实施例建立的静态基准示意图。
图7为本发明实施例的钢轨特征点提取示意图。
图8为本发明实施例的动态检测示意图。
图9为本发明实施例的计算机设备原理框图。
图10为本发明实施例的系统原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
现有采用平面几何方法进行车辆振动补偿参数的计算，其算法复杂，且多次运算过程会导致误差增大，针对此问题，本实施例提出了一种基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测方法，本实施例提出的方法建立了一个统一的直角坐标系用于计算，避免了使用平面几何方法时需要的各种计算关系的转换过程，既便于实现，也可以解决多次运算后引起的误差增大问题。
本实施例的车体振动补偿参数计算原理，假设车顶中央存在某套检测设备，该设备的检测都是以自身为基准的，那么在某一时刻，车辆相对于轨平面发生了倾斜与偏移，如图1所示：此时，一共定义三个参数，角度θ表示车体倾斜角度；Δx表示该位置的水平偏移量，表示相对于平衡姿态，此时该位置相对于轨平面中心的水平偏移程度；Δy表示该位置的垂直偏移量，表示相对于平衡姿态，此时该位置相对于轨平面的垂直偏移程度。本实施例即需要获得上述三个参数。
本实施例检测方法所用检测设备包括两套拍摄单元，在现有车顶检测设备的正下方，位于车体底部安装两套基于结构光原理的拍摄单元，拍摄单元主要由面阵相机和线激光组成，两套拍摄单元分别用于拍摄两钢轨，如图2所示。
如图3所示，本实施例的检测方法具体包括以下步骤：
步骤S1，构建用于计算的动态平面直角坐标系。
本实施例以两个拍摄单元的中间位置为原点，以轨平面方向为横轴，以车高方向为纵轴，构建得到用于计算的动态平面直角坐标系，如图4所示。
步骤S2，在动态平面直角坐标系中构建两钢轨的基准轮廓。
本实施例在动态平面直角坐标系下，根据设计标准，构建得到两钢轨的基准轮廓，如图5所示。在此坐标系中，如果车体处于平衡姿态(即车体没有倾斜或偏移等)，则检测到的钢轨轮廓应与基准轮廓重合；反之，若检测到的两钢轨轮廓相对于基准轮廓存在倾斜与偏移，则体现的是车辆处于振动姿态。
步骤S3，通过拍摄单元获取车体处于平衡姿态下的两钢轨图像，并提取两钢轨的检测轮廓。
本实施例通过拍摄单元拍摄到的原始数据为面阵图像，图像中的主要光亮处应是激光在钢轨上形成的。本实施例利用机器视觉的图像处理技术，提取出光条的图像坐标，再根据结构光标定原理，将图像坐标转换成空间坐标，即可得到与实际物理尺寸相同的钢轨轮廓。本实施例的轮廓提取方法可采用现有的轮廓提取方法，此处不再赘述。
步骤S4，在平衡位置建立静态基准，即根据两钢轨的检测轮廓及对应基准轮廓得到拍摄单元的物理坐标系与动态直角平面坐标系的映射关系。
本实施例中，基于上述获取的在平衡姿态下两钢轨的检测轮廓，采用音频领域波形对齐的方法，将两钢轨的检测轮廓对齐到基准轮廓，效果如图6所示，此时，即可获得两钢轨轮廓在不同坐标系下的旋转平移参数，该旋转平移参数即表示两拍摄单元的物理坐标系与动态直角平面坐标系的相对关系，同时因为拍摄单元与车体始终是固定的刚体连接结构，所以本实施例在平衡姿态下获得的旋转平移参数也适用于动态姿态下。
本实施例通过引入静态标定过程，在此过程中将检测轮廓与基准轮廓对齐，此时得到的轮廓镜像、旋转角度、平移等参数代表的是拍摄单元的物理坐标系与动态平面直角坐标系的相对关系。
本实施例通过检测轮廓相对于基准轮廓的变化，直接体现了车体与轨平面变化的位置关系，便于理解与实现。
步骤S5，通过拍摄单元实时获取两钢轨图像并提取两钢轨的实时轮廓，并根据映射关系将两钢轨的实时轮廓映射到动态直角平面坐标系中，并提取两钢轨的特征点。
本实施例基于上述映射关系将实时或动态获取的两钢轨图像的轮廓映射到动态直角平面坐标系中，即将拍摄单元在其物理坐标系的检测数据转换到动态平面直角坐标系中用于后续的计算处理。
本实施例基于动态平面直角坐标系中的两钢轨轮廓，分别提取两钢轨轮廓的钢轨特征点，具体方法如图7所示：
采用±45°直线，从远端向轮廓靠近，找到轮廓中最早与直线相切的点；
从该点开始，沿轮廓向两侧遍历，寻找最近的多个点，拟合成两条直角，取其交点为该钢轨特征点。
本实施例通过在钢轨轮廓中寻找特征点，而非直接在图像中提取，可以有效解决因为安装角度不同导致的图像形态差异大、难以提取的问题。
步骤S6，基于提取的两钢轨特征点，在动态平面直角坐标系下计算得到车体相对于轨平面的相对位置变化参数。
本实施例根据提取得到的两钢轨特征点，即可得到此时两钢轨特征点坐标分别为A(Xa,Ya)和B(Xb,Yb)。
具体如图8所示，在动态平面直角坐标系下，已知两钢轨特征点A、B的坐标，即可的都AB所在直线L1、AB的垂直平分线L2的表示式。其中，H为车高，即车顶检测设备到轨平面的距离；N为拍摄单元到轨平面的距离。
因此在已知检测基准点C5′(即车顶检测设备)坐标为(0,M)，所以：
Figure BDA0003616429850000081
其中，
Figure BDA0003616429850000082
表示直线L1的斜率。
Δx＝|C5′：L2|，点C5′到直线L2的距离
Δy＝|C5′：L1|-H，前者表示点C5′到直线L1的距离。
因此在动态检测中，得到钢轨实时轮廓与基准的位置差异后，结合不同的检测设备高度H，可以为不同的检测系统提供振动补偿参数。
本实施例还提出了一种计算机设备，用于执行本实施例的上述方法。
具体如图9所示，计算机设备包括处理器、内存储器和系统总线；内存储器和处理器在内的各种设备组件连接到系统总线上。处理器是一个用来通过计算机系统中基本的算术和逻辑运算来执行计算机程序指令的硬件。内存储器是一个用于临时或永久性存储计算程序或数据(例如，程序状态信息)的物理设备。系统总线可以为以下几种类型的总线结构中的任意一种，包括存储器总线或存储控制器、外设总线和局部总线。处理器和内存储器可以通过系统总线进行数据通信。其中内存储器包括只读存储器(ROM)或闪存(图中未示出)，以及随机存取存储器(RAM)，RAM通常是指加载了操作系统和计算机程序的主存储器。
计算机设备一般包括一个外存储设备。外存储设备可以从多种计算机可读介质中选择，计算机可读介质是指可以通过计算机设备访问的任何可利用的介质，包括移动的和固定的两种介质。例如，计算机可读介质包括但不限于，闪速存储器(微型SD卡)，CD-ROM，数字通用光盘(DVD)或其它光盘存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或者可用于存储所需信息并可由计算机设备访问的任何其它介质。
计算机设备可在网络环境中与一个或者多个网络终端进行逻辑连接。网络终端可以是个人电脑、服务器、路由器、智能电话、平板电脑或者其它公共网络节点。计算机设备通过网络接口(局域网LAN接口)与网络终端相连接。局域网(LAN)是指在有限区域内，例如家庭、学校、计算机实验室、或者使用网络媒体的办公楼，互联组成的计算机网络。WiFi和双绞线布线以太网是最常用的构建局域网的两种技术。
应当指出的是，其它包括比计算机设备更多或更少的子系统的计算机系统也能适用于发明。
如上面详细描述的，适用于本实施例的计算机设备能执行基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测方法的指定操作。计算机设备通过处理器运行在计算机可读介质中的软件指令的形式来执行这些操作。这些软件指令可以从存储设备或者通过局域网接口从另一设备读入到存储器中。存储在存储器中的软件指令使得处理器执行上述的群成员信息的处理方法。此外，通过硬件电路或者硬件电路结合软件指令也能同样实现本发明。因此，实现本实施例并不限于任何特定硬件电路和软件的组合。
实施例2
本实施例提出了一种基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测系统，如图10所示，该系统包括：
坐标系构建模块，构建用于计算的动态平面直角坐标系。
基准轮廓构建模块，用于在动态平面直角坐标系中构建两钢轨的基准轮廓。
轮廓提取模块，通过拍摄单元获取两钢轨图像，并提取两钢轨的轮廓信息。具体的，轮廓提取模块通过拍摄单元获取车体处于平衡姿态下的两钢轨图像，并提取两钢轨的检测轮廓，以及通过拍摄单元实时获取车体处于动态姿态下的两钢轨图像，并提取两钢轨的实时轮廓。
静态基准构建模块，根据两钢轨的检测轮廓及对应基准轮廓得到拍摄单元的物理坐标系与动态直角平面坐标系的映射关系。
特征提取模块，根据两坐标系的映射关系将两钢轨的实时轮廓映射到动态直角平面坐标系中，并提取两钢轨的特征点。
计算模块，基于提取的两钢轨特征点，在动态平面直角坐标系下计算得到车体相对于轨平面的相对位置变化参数。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测方法，其特征在于，包括：
构建动态平面直角坐标系；
在所述动态平面直角坐标系中构建两钢轨的基准轮廓；
获取车体处于平衡姿态下的两钢轨图像，并提取两钢轨的检测轮廓；
根据两钢轨的检测轮廓及对应基准轮廓得到拍摄单元的物理坐标系与动态直角平面坐标系的映射关系；
获取车体处于动态姿态下的两钢轨图像并提取两钢轨的实时轮廓；
根据所述映射关系将两钢轨的实时轮廓映射到所述动态平面直角坐标系中，并提取两钢轨的特征点；
基于两钢轨的特征点，在所述动态平面直角坐标系下计算得到车体相对于轨平面的相对位置变化参数。
2.根据权利要求1所述的基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测方法，其特征在于，构建的所述动态平面直角坐标系具体为：
以安装在车体底部的两个拍摄单元的中间位置为原点，以轨平面方向为横轴，以车体高度方向为纵轴。
3.根据权利要求2所述的基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测方法，其特征在于，所述拍摄单元由面阵相机和线激光组成；
两个拍摄单元分别用于拍摄两钢轨。
4.根据权利要求1所述的基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测方法，其特征在于，提取钢轨的轮廓，具体为：
通过拍摄单元获取钢轨的面阵图像；
采用图像处理技术，提取出图像中光条的图像坐标；
根据结构光标定原理，将图像坐标转换成空间坐标。
5.根据权利要求1所述的基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测方法，其特征在于，根据两钢轨的检测轮廓及对应基准轮廓得到拍摄单元的物理坐标系与动态直角平面坐标系的映射关系，具体为：
采用音频领域波形对齐的方法，将两钢轨的检测轮廓对齐到其对应的基准轮廓，即可获得表征两钢轨轮廓在两个坐标系相对关系的参数信息。
6.根据权利要求1所述的基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测方法，其特征在于，提取钢轨特征点，具体为：
采用±45°直线，从远端向钢轨轮廓靠近，找到所述钢轨轮廓中最早与直线相切的点；
从该点开始，沿所述钢轨轮廓向两侧遍历，寻找最近的多个点，拟合成两条直角，取其交点为该钢轨特征点。
7.根据权利要求1所述的基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测方法，其特征在于，在所述动态平面直角坐标系下计算得到车体相对于轨平面的相对位置变化参数，具体为：
Figure FDA0003616429840000021
其中，θ表示车体倾斜角度，
Figure FDA0003616429840000022
表示直线L1的斜率，直线L1表示两钢轨特征点连线AB所在直线；
Δx＝|C5′：L2|，其中，|C5′：L2|表示点C5′到直线L2的距离，直线L2表示两钢轨特征点连线AB的垂直平分线；
Δy＝|C5′：L1|-H，其中，|C5′：L1|表示点C5′到直线L1的距离，H表示车体高度。
8.基于平面直角坐标系的车体振动补偿参数检测系统，其特征在于，包括：
坐标系构建模块，用于构建动态平面直角坐标系；
基准轮廓构建模块，用于在所述动态平面直角坐标系中构建两钢轨的基准轮廓；
轮廓提取模块，用于获取两钢轨图像并提取两钢轨的轮廓信息，包括获取车体处于平衡姿态下的两钢轨图像并提取两钢轨的检测轮廓，以及获取车体处于动态姿态下的两钢轨图像并提取两钢轨的实时轮廓；
静态基准构建模块，根据两钢轨的检测轮廓及其基准轮廓得到拍摄单元的物理坐标系与动态直角平面坐标系的映射关系；
特征提取模块，根据所述映射关系将两钢轨的实时轮廓映射到动态直角平面坐标系中，并提取两钢轨的特征点；
计算模块，基于提取的两钢轨特征点，在动态平面直角坐标系下计算得到车体相对于轨平面的相对位置变化参数。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述方法的步骤。
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