CN115127468A - 一种弹条铁轨间缝隙视觉测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹条铁轨间缝隙视觉测量装置及方法，该测量装置包括定位系统、视觉系统和处理系统；其中，所述定位系统包括一体成型主体框，所述主体框包括一根横梁和横梁上间隔设置的两个定位梁，还包括两个定位块；所述视觉系统包括微型摄像头和光源，所述微型摄像头和光源间隔地相对设置，并通过固定连接件与所述主体框连接，二者间隔的距离大于弹条的直径；所述处理系统与所述视觉系统通信连接以获取和处理微型摄像头采集的图像。本发明测量装置和测量方法可以解决弹条和铁轨之间的缝隙检测困难，成本高，效率低的问题，检测过程方便，检测结果准确，对于协调好弹条铁轨之间缝隙的大小和弹条扣压力之间的关系，保障列车的行驶安全意义重大。

Description

一种弹条铁轨间缝隙视觉测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及铁轨安装检测技术领域，尤其是涉及一种弹条铁轨间缝隙视觉测量装置及测量方法。

背景技术

铁路钢轨是支撑列车移动的部件，钢轨都是通过弹性扣件固定在道床的轨枕上。弹性扣件的扣压件主要是弹条，如图1所示为I型弹条（本申请都是在I型弹条的基础上展开）。弹条通过弯曲和扭曲变形，产生扣压力作用在轨道上，长期有效地保证钢轨之间的可靠连接，阻止钢轨相对于轨枕的纵横向移动，确保轨距正常，从而保证轨道车辆行驶安全。另外由于火车车轮与钢轨的接触属刚性接触，因此不可避免产生震动，而弹条特殊的弹性结构使其还具有吸收车辆驶过时产生的冲击能量，达到减震的作用。

具体的，钢轨、弹条以及螺钉之间的实际安装如图2所示，侧视示意图如图3所示，轨距挡板的结构示意图如图4所示，将弹条1放置在轨距挡板2上，弹条1远离钢轨3一侧抵靠在轨距挡板2的尾板2-1前的限位槽2-2处，弹条1靠近钢轨3一侧的中部位于轨距挡板2的两个侧臂2-3前端的挡肩2-4之间，螺钉4在竖直方向上穿过弹条1中部以及轨距挡板2的预留孔2-5旋入轨枕5的预埋套管中，通过拧紧螺钉4施加轴力将弹条1中段下压，弹条1产生弯曲和扭曲变形，进而产生扣压力作用在轨道上，阻止钢轨3纵横向移动，确保轨距正常。弹条1的左右两端与钢轨3接触，中间段的最低点和铁轨之间的距离要求为0~1mm，如图3中圆圈中所示位置。如果弹条中段和铁轨完全接触，弹条的减震效果将会大打折扣，如果弹条中段和铁轨之间的缝隙过大，弹条就不能提供足够扣压力，可能会产生安全隐患。0~1mm的缝隙能够确保弹条在施加一定扣压力的同时，还能发挥很好的减震效果。

目前，在铁轨实际的安装工程中，弹条和铁轨之间的缝隙控制方法为：先将旋入螺钉至弹条和铁轨完全接触，随后将螺钉旋出一定的圈数，从而将弹条和铁轨之间的缝隙在0~1mm之间。然而，不管是在安装过程，还是在列车运行一段时间后的换修阶段，针对该缝隙具体尺寸的检测，一直都没有一个非常方便有效的检测方案，铁路上检修员一般也仅是通过敲击的方法来检查弹条扣压力是否正常，而并不会检查该缝隙有无以及大小是否合适，即便检查缝隙大小也只能通过人工手动方式进行测量，测量过程费时费力，成本高，效率低，在自动测量领域存在技术空白。

基于此，设计一种使用方便、测量准确的弹条铁轨间缝隙视觉测量装置及测量方法具有广泛的应用前景。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种弹条铁轨间缝隙视觉测量装置及测量方法，具备使用方便、测量准确的优点。

（二）技术方案

为实现上述使用方便、检测准确的目的，本发明首先提供一种弹条铁轨间缝隙视觉测量装置，其特征在于，包括定位系统、视觉系统和处理系统；其中，

所述定位系统包括一体成型主体框，所述主体框包括一根横梁和横梁上间隔设置的两个定位梁；当所述横梁对应于轨距挡板尾板的位置时，所述两个定位梁分别对应于轨距挡板两侧臂的位置；在每个所述定位梁的与轨距挡板挡肩的位置对应处设置有向下凸出的挡肩定位部，所述挡肩定位部具有“L”型定位面，所述“L”型定位面与轨距挡板挡肩的顶面和外侧面相吻合；在所述横梁中间位置处设置有向下凸出的尾板定位部，所述尾板定位部的底面与轨距挡板尾板中间位置的表面相吻合；

所述定位系统还包括两个定位块，每个所述定位块下端具有定位凹口，所述定位凹口具有两个相对的竖直定位壁面，两个定位壁面之间的距离与弹条直径相等；每个所述定位块上端具有条形槽，定位螺栓通过所述条形槽与所述定位梁固定连接；

所述视觉系统包括微型摄像头和光源，所述微型摄像头和光源间隔地相对设置，并通过固定连接件与所述主体框连接，二者间隔的距离大于弹条的直径；

所述处理系统与所述视觉系统通信连接以获取和处理微型摄像头采集的图像。

作为本发明的一种优选技术方案，所述固定连接件包括固定立板、摄像头支架、光源支架，所述固定立板横跨连接于两个所述定位梁上，所述摄像头支架和所述光源支架固定连接在所述固定立板的两个侧面。

作为本发明的一种优选技术方案，所述摄像头支架、光源支架均设有一对螺孔，所述固定立板在两个侧面上沿垂直方向均设有多对固定螺孔，所述摄像头支架、光源支架分别通过螺栓固定在所述固定立板的一对固定螺孔处。

作为本发明的一种优选技术方案，所述弹条铁轨间缝隙视觉测量装置还包括电池，所述电池和处理器分别通过支架固定在所述主体框上；所述电池与所述处理系统和所述视觉系统电连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述弹条铁轨间缝隙视觉测量装置还包括外壳体，外壳体固定在所述主体框上，所述处理系统和电池都收纳于所述外壳体内；所述外壳体与轨距挡板的预留孔的对应位置处设置有开孔。

作为本发明的一种优选技术方案，所述弹条铁轨间缝隙视觉测量装置还包括把手部，所述把手部包括一对用于支撑固定的竖直支撑杆和一对与所述竖直支撑杆垂直连接的把手，在连接处设置有控制按键，所述控制按键与处理系统通信连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述微型摄像头的直径为1-3mm，所述光源为面光源。

本发明还提供一种弹条铁轨间缝隙视觉测量方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、将上述弹条铁轨间缝隙视觉测量装置放置于弹条上方；

S2、通过所述“L”型定位面贴合轨距挡板的挡肩对应位置、尾板定位部的底面贴合轨距挡板的尾板对应位置，通过两个定位壁面贴合弹条的对应位置，随后通过定位螺栓、条形槽调整所述定位块和定位梁的相对位置，以精确调整所述视觉系统与被测缝隙之间的位置关系，使得所述微型摄像头和光源分别位于弹条的两侧，摄像头正好可以观察到弹条和铁轨之间的缝隙且距离被测缝隙距离一定，光源位于弹条中段的空间中；

S3、处理系统启动摄像头采集图像，获取所述图像并进行处理，以得到弹条铁轨间缝隙的尺寸测量结果。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤S2中，还包括通过调整摄像头支架、光源支架与固定立板在垂直方向的安装位置，以调整微型摄像头和光源在垂直方向的位置，从而确保可以采集到缝隙的最佳图像。

（三）有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种弹条铁轨间缝隙视觉测量装置及方法，具备以下有益效果：

1、本发明设计了的弹条铁轨间缝隙视觉测量装置，可以解决弹条和铁轨之间的缝隙检测困难，成本高，效率低的问题，检测过程方便，检测结果准确，对于协调好弹条铁轨之间缝隙的大小和弹条扣压力之间的关系，保障列车的行驶安全意义重大。

2、本发明提供的定位结构，包括定位主体框和定位块的设计，实现了测量装置的精确定位方式。

3、本发明提供的视觉系统，借助微型摄像头通过视觉的方式检测弹条和铁轨之间缝隙的想法，进一步，微型摄像头搭配小尺寸的面光源，采集到了质量优异的缝隙图像。

4、本发明提供的测量装置自带处理器、电池、把手，具有系统性、整体性、便携性和易操作性，并且采用外壳体与定位主体框配合的方式将各个部件收纳其中，保证设备的完整性和美观性；特别是在外壳上方开设有开孔，可以实现在弹条安装过程中实时检测弹条和铁轨之间的缝隙尺寸，从而保证安装的精度。

附图说明

图1为I型弹条的照片；

图2为钢轨、弹条以及螺钉之间的装配关系照片；

图3为钢轨、弹条以及螺钉之间的装配关系示意图；

图4为轨距挡板结构示意图；

图5为本发明定位主体框使用时装配示意图；

图6为本发明定位主体框底部向上结构示意图；

图7为本发明定位主体框与轨距挡板进行定位示意图1；

图8为本发明定位主体框与轨距挡板进行定位示意图1；

图9为本发明定位块结构示意图；

图10为本发明摄像头部分和光源部分装配结构示意图1；

图11为本发明摄像头部分和光源部分装配结构示意图2；

图12为本发明摄像头部分的透视图；

图13为本发明光源部分未扣合均光板的透视图；

图14为本发明光源部分扣合均光板的透视图；

图15为本发明整体结构透视图；

图16为本发明视觉原件布置图；

图17为本发明小孔成像原理图；

图18为测量时摄像头部分、光源部分与弹条相对位置关系示意图。

具体实施方式

实施例：

首先介绍本发明的弹条铁轨间缝隙视觉测量装置，主要从定位系统、视觉系统和其他部件几个部分加以描述。

1、定位系统

如图5-8所示，定位系统的主体结构是定位主体框6，其也作为整个测量装置的底座，定位主体框主要包括一根横梁6-1和横梁6-1上间隔设置的两个定位梁6-2，当横梁6-1对应于轨距挡板2尾板2-1的位置时，两个定位梁6-2分别对应于轨距挡板2两侧臂2-3的位置；在每个定位梁6-2的与轨距挡板2挡肩2-4的位置对应处设置有向下凸出的挡肩定位部6-3，挡肩定位部具有“L”型定位面6-4，“L”型定位面6-4与轨距挡板2挡肩2-4的顶面和外侧面相吻合；在横梁6-1中间位置处设置有向下凸出的尾板定位部6-5，尾板定位部6-5的底面与轨距挡板2尾板2-1中间位置的表面相吻合。定位主体框6通过上述共5个定位面与轨距挡板2对应位置的接触和配合，实现测量装置的定位。此外，定位主体框6底部还设置有4个底脚6-6（图示仅示出2个），在非工作状态放置于地面上时可以为测量装置提供支撑。

如图5所示，定位系统还包括两个定位块7，两个定位块7固定在定位主体框6的两个定位梁6-2前端左右两侧的立面上。如图9所示，每个定位块7下端具有定位凹口7-1，定位凹口7-1具有两个相对的竖直定位壁面7-2，两个定位壁面7-2之间的距离与弹条1的直径相等；每个定位块7上端具有条形槽7-3，定位螺栓（未标记，请参见图5中一对定位螺栓）通过条形槽7-3与定位梁6-2固定连接。2个定位块7共4个定位壁面7-2均和弹条1接触配合，同时通过条形槽孔和定位螺栓，可以用来调整测量装置和弹条铁轨之间的位置关系。

通过上述定位系统中定位主体框6和定位块7的定位面与轨距挡板和弹条接触配合，保证了测量装置在空间6个自由度的完全定位。精确定位可以保证视觉系统和被测缝隙之间的距离，确保后续单目视觉检测物理尺寸的准确性。

2、视觉系统

如图10-11所示，视觉系统主要包含摄像头和光源两大部分。摄像头部分8包括微型摄像头8-1、摄像头支架，摄像头支架又包括支架主体8-2和盖板8-3两部分，摄像头支架固定在定位主体框6前端的固定立板6-7的前侧面上，之所以将摄像头部分放置在前侧（所谓前侧也即更靠近铁轨的方位），是因为微型摄像头更贵重，在安装过程中进行测量时，由于安装导致弹条会发生形变，在弹条的前侧会相对更安全，当然这仅仅是优选，实际上摄像头部分和光源部分也可以前后交换安装位置，并不影响本测量装置的应用和实施。光源部分9包含面光源9-1、均光板9-2、光源支架9-3等3个部件，光源支架9-3固定在定位主体框前端的固定立板6-7的后侧面上。具体的，摄像头支架、光源支架均设有一对螺孔，而固定立板在前、后两个侧面上沿垂直方向均设有多对固定螺孔，摄像头支架、光源支架分别通过螺栓固定在固定立板的一对固定螺孔处。由于固定立板有多对固定螺孔，摄像头和光源均可以在垂直方向上调整位置，确保可以采集到缝隙的最佳图像。

微型摄像头的直径为2.2mm（此类摄像头常用于内窥镜的镜头），长度例如可以为5mm，本方案采用直径2.2mm的微型摄像头采集图像，紧贴铁轨表面，正对缝隙距离缝隙5~10mm，布置完全可以适应弹条铁轨缝隙的检测空间环境。如图11-12所示，微型摄像头固定在摄像头支架底部的圆形固定孔中，微型摄像头的连接线通过摄像头支架背后的走线槽，并延伸至测量装置内部。盖板将微型摄像头连接线扣在支架主体的走线槽内。

如图13所示，面光源9-1固定在光源支架9-3底部的凹槽内，面光源9-1的连接线通过光源支架9-3内部的走线槽延伸至测量装置内部。如图14所示，均光板9-2固定在面光源9-1外侧，保证光源的均匀性。采用面光源9-1和均光板9-2，并以相对设置打光的方式，采集的图像质量更优，更容易提取轮廓边界，光源尺寸要保证可以覆盖摄像头的视野，同时要能够放入弹条中部的空间中，本装置中的面光源尺寸为17×10mm。

3、其他部分

处理系统主要包括处理器10，处理器为单片机，负责控制微型摄像头，并获取和处理微型摄像头采集的图像，并将处理结果实时显示到屏幕11上。此外，该处理器10还优选具备定位和联网功能，可以将检测地理位置、弹条标号及其缝隙检测结果上传至铁路系统的数据中心。

电池12负责为处理器、摄像头和光源供电，单片机处理器和小尺寸电池确保了该测量装置的便携性。

如图15所示，外壳体13固定在定位主体框6（定位主体框实际上同时作为测量装置的底座使用）上，处理器10和电池12都通过支架固定在定位主体框6上并收纳在外壳体13内部，从而保证设备的完整性和美观性。优选的，外壳体13顶部中央位置（也即在使用时与轨距挡板的预留孔对应位置处）设置有开孔13-1，从而可以实现在弹条安装过程中实时检测弹条和铁轨之间的缝隙尺寸，确保了安装的精度。

把手部包括一对竖直支撑杆14-1和一对与竖直支撑杆14-1垂直连接的把手14-2，竖直支撑杆14-1固定在定位主体框6上，并穿过外壳体13直到最上方，把手14-2则方便检测员拿取和检测。把手14-2与竖直支撑杆14-1连接处布置有多个控制按键14-3，方便检测员更方便地操作和控制测量装置。

显示屏幕11也可固定在把手部上，负责实时显示检测图像和检测结果。便于检测员直观观察检测结果。

随后介绍本发明的弹条铁轨间缝隙视觉测量方法，主要从测量原理和测量方法两个部分加以描述。

4、视觉测量原理

微型摄像头8-1紧贴铁轨3表面，正对缝隙，距离缝隙5~10mm布置；条形面光源9-1布置在弹条1的另一侧，如图16所示。

具体的，单目视觉测量原理为小孔成像，如下图17所示。通过OAB和OA’B’两个相似三角形，即可求得待测长度：

在此公式中，像距v可以从微型摄像头端获取；物距u由于铁路上使用的弹条、铁轨、道钉、轨距挡板等都是标准件，所以装配好的弹条和铁轨之间的位置关系可以控制一定的误差范围以内，从而可以确认物距u；A’B’可以提取缝隙在图像中的尺寸。

5、测量过程

S1、检测员通过把手拿取测量装置，将测量装置放置于弹条上方；

S2、通过 “L”型定位面贴合轨距挡板的挡肩对应位置、尾板定位部的底面贴合轨距挡板的尾板对应位置；通过两个定位壁面贴合弹条的对应位置，随后通过定位螺栓、条形槽调整所述定位块和定位梁的相对位置，以精确调整所述视觉系统与被测缝隙之间的位置关系；如此，通过定位系统，测量装置可以实现整体的精确定位，此时，如图18所示，光源和摄像头正好位于被测缝隙的两侧，摄像头正好可以观察到弹条和铁轨之间的缝隙且距离被测缝隙距离一定，光源位于弹条中段的空间中，为视觉系统提供背面打光；

S3、测量装置放置好后，开始视觉检测，处理系统启动摄像头采集图像，获取所述图像并进行处理，以得到弹条铁轨间缝隙的尺寸测量结果，可将结果实时显示到屏幕上，同时将检测位置，弹条编号，检测结果等信息上传至数据中心。

优选的，步骤S2中，还包括通过调整摄像头支架、光源支架与固定立板在垂直方向的安装位置，以调整微型摄像头和光源在垂直方向的位置，从而确保可以采集到缝隙的最佳图像。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种弹条铁轨间缝隙视觉测量装置，其特征在于，包括定位系统、视觉系统和处理系统；其中，

所述定位系统包括一体成型主体框，所述主体框包括一根横梁和横梁上间隔设置的两个定位梁；当所述横梁对应于轨距挡板尾板的位置时，所述两个定位梁分别对应于轨距挡板两侧臂的位置；在每个所述定位梁的与轨距挡板挡肩的位置对应处设置有向下凸出的挡肩定位部，所述挡肩定位部具有“L”型定位面，所述“L”型定位面与轨距挡板挡肩的顶面和外侧面相吻合；在所述横梁中间位置处设置有向下凸出的尾板定位部，所述尾板定位部的底面与轨距挡板尾板中间位置的表面相吻合；

所述定位系统还包括两个定位块，每个所述定位块下端具有定位凹口，所述定位凹口具有两个相对的竖直定位壁面，两个定位壁面之间的距离与弹条直径相等；每个所述定位块上端具有条形槽，定位螺栓通过所述条形槽与所述定位梁固定连接；

所述视觉系统包括微型摄像头和光源，所述微型摄像头和光源间隔地相对设置，并通过固定连接件与所述主体框连接，二者间隔的距离大于弹条的直径；

所述处理系统与所述视觉系统通信连接以获取和处理微型摄像头采集的图像。

2.根据权利要求1所述的弹条铁轨间缝隙视觉测量装置，其特征在于：所述固定连接件包括固定立板、摄像头支架、光源支架，所述固定立板横跨连接于两个所述定位梁上，所述摄像头支架和所述光源支架固定连接在所述固定立板的两个侧面。

3.根据权利要求2所述的弹条铁轨间缝隙视觉测量装置，其特征在于：所述摄像头支架、光源支架均设有一对螺孔，所述固定立板在两个侧面上沿垂直方向均设有多对固定螺孔，所述摄像头支架、光源支架分别通过螺栓固定在所述固定立板的一对固定螺孔处。

4.根据权利要求1所述的弹条铁轨间缝隙视觉测量装置，其特征在于：所述弹条铁轨间缝隙视觉测量装置还包括电池，所述电池和处理器分别通过支架固定在所述主体框上；所述电池与所述处理系统和所述视觉系统电连接。

5.根据权利要求4所述的弹条铁轨间缝隙视觉测量装置，其特征在于：所述弹条铁轨间缝隙视觉测量装置还包括外壳体，外壳体固定在所述主体框上，所述处理系统和电池都收纳于所述外壳体内；所述外壳体与轨距挡板的预留孔的对应位置处设置有开孔。

6.根据权利要求1所述的弹条铁轨间缝隙视觉测量装置，其特征在于：所述弹条铁轨间缝隙视觉测量装置还包括把手部，所述把手部包括一对用于支撑固定的竖直支撑杆和一对与所述竖直支撑杆垂直连接的把手，在连接处设置有控制按键，所述控制按键与处理系统通信连接。

7.根据权利要求1所述的弹条铁轨间缝隙视觉测量装置，其特征在于：所述微型摄像头的直径为1-3mm，所述光源为面光源。

8.一种弹条铁轨间缝隙视觉测量方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、将权利要求1-7任意一项所述的弹条铁轨间缝隙视觉测量装置放置于弹条上方；

S2、通过所述“L”型定位面贴合轨距挡板的挡肩对应位置、尾板定位部的底面贴合轨距挡板的尾板对应位置，使得所述微型摄像头和光源分别位于弹条的两侧，摄像头正好可以观察到弹条和铁轨之间的缝隙且距离被测缝隙距离一定，光源位于弹条中段的空间中；

S3、处理系统启动摄像头采集图像，获取所述图像并进行处理，以得到弹条铁轨间缝隙的尺寸测量结果。

9.根据权利要求8所述的一种弹条铁轨间缝隙视觉测量方法，其特征在于：步骤S2中，还包括通过调整摄像头支架、光源支架与固定立板在垂直方向的安装位置，以调整微型摄像头和光源在垂直方向的位置，从而确保采集到缝隙的最佳图像。

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