CN115852763A

CN115852763A - 一种视觉控制钢轨缺陷位置检测方法及系统

Info

Publication number: CN115852763A
Application number: CN202211438749.5A
Authority: CN
Inventors: 陈平; 陈沐临; 胡殿阳; 孟祥胜; 赵禹; 张琨; 何翔; 何杰; 汪宇亮; 游鹏辉; 王剑涛; 巫世晶; 龙新平; 李登
Original assignee: Shenyang All Powerful Science And Technology Corp; Wuhan University WHU; China Railway Siyuan Survey and Design Group Co Ltd
Current assignee: Shenyang All Powerful Science And Technology Corp; Wuhan University WHU; China Railway Siyuan Survey and Design Group Co Ltd
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2023-03-28

Abstract

本发明涉及超高压水射流打磨技术领域，尤其涉及一种视觉控制钢轨缺陷位置检测方法及系统。方法包括：通过双目相机采集待检测钢轨的表面图像；划定若干个测量点；计算所述若干个测量点的相对于所述双目相机的垂直高度值；将所述待检测钢轨的若干个测量点的相对于所述双目相机的垂直高度值，与标准钢轨的对应位置的测量点的相对于所述双目相机的高度值进行对比，计算其差值；如果差值不在阈值范围内，则判定为异常。本发明将双目相机应用于钢轨打磨探测中，通过对钢轨上三侧面的图像实时采集，并进行实时计算，可以高效率进行缺陷位置的检测并定位，有效规避传统人工检测带来的高成本和低效率问题。

Description

一种视觉控制钢轨缺陷位置检测方法及系统

技术领域

本发明涉及超高压水射流打磨技术领域，尤其涉及一种视觉控制钢轨缺陷位置检测方法及系统。

背景技术

在超高压水射流打磨已经铺设的轨道过程中，需要一种非接触的检测手段来探测钢轨的外观尺寸(截面尺寸)，探测钢轨的顶部和两侧的表面行程轮廓图像数据，根据形成的表面图像参照标准钢轨的表面图像进行对比，判断钢轨的质量情况，并定位缺陷位置。

然而，现有的对于钢轨的外观尺寸的检测，都是通过人工进行，通过工作人员根据经验进行判断钢轨的质量情况，并定位缺陷位置，这种工作效率很低，人力成本也大。

为此，我们急需一种自动的视觉控制钢轨缺陷位置采集系统，将双目相机应用到钢轨的外观尺寸的探测上，根据需要实时探测与反馈钢轨的外观尺寸。

其中，双目相机是一种能够提供立体视觉的设备。利用双目相机获得的图像，通过双目视差原理，能够计算出双目相机所拍摄到的物体相对于相机的三维空间位置。双目相机的两个镜头具有彼此平行的光轴，两个镜头在垂直于光轴的方向上并排布置并且具有彼此分开的取景窗口，对于同一被成像物体具有不同的视角，从而获得不同的图像。不同图像之间的差异就可以用来计算物体距离双目相机之间的距离。

为此，将双目相机应用于钢轨打磨探测中，当采集系统沿着轨道方向移动的同时，双目相机对钢轨上三侧面多点位进行测量，利用中央处理器计算，形成钢轨外轮廓尺寸，形成廓图像数据。

由此，我们提出了本发明的一种视觉控制钢轨缺陷位置检测系统，将双目相机应用到钢轨的外观尺寸的探测上，根据需要实时探测与反馈钢轨的外观尺寸。

发明内容

本发明的目的是提供一种视觉控制钢轨缺陷位置检测方法及系统，用于解决人工检测过程中的效率低下，以及人工成本高的问题。本发明系统将双目相机应用于钢轨打磨探测中，当采集系统沿着轨道方向移动的同时，双目相机对钢轨上三侧面多点位进行测量，利用中央处理器计算，形成钢轨外轮廓尺寸，形成廓图像数据。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供一种视觉控制钢轨缺陷位置检测方法，包括以下步骤：

S1.通过双目相机采集待检测钢轨的表面图像；

S2.根据所述采集到的待检测钢轨的表面图像，划定若干个测量点；

计算所述若干个测量点的相对于所述双目相机的垂直高度值；

S3.将所述待检测钢轨的若干个测量点的相对于所述双目相机的垂直高度值，与标准钢轨的对应位置的测量点的相对于所述双目相机的高度值进行对比，计算其差值；

如果差值在阈值范围内，则判定为正常；如果差值不在阈值范围内，则判定为异常。

进一步地，所述计算所述若干个测量点的相对于所述双目相机的垂直高度值，包括：

设所述双目相机的两个相机分别为相机L、相机R，以相机L、相机R以及测量点p建立平面LRp；

在平面LRp内，以相机L所在位置为原点、竖直方向为z轴、水平方向为x轴，建立坐标系，设测量点p坐标为(x，z)，则：

z/f＝x/xl

z/f＝xb/xr

x＝b+xb

可得：

z＝b*f/(xl-xr)

其中，f为相机焦距，xl和xr分别为相机L、相机R的相机镜头像宽，b为相机L和相机R之间视差；

z即为测量点p到双目相机之间的距离；

则测量点p到双目相机之间的垂直高度为：

Z’＝√(Z2-D2)

D＝v*t

其中，Z’为测量点p到双目相机之间的垂直高度，v为待检测钢轨与钢轨表面信息采集模块之间的相对运动速度，t为运动时间。

进一步地，所述测量点包括：

位于所述待检测钢轨顶部顶面的7个点，且按照所述待检测钢轨顶部顶面宽度进行等分设定；

位于所述待检测钢轨顶部左侧面的3个点和右侧面的3个点，且按照所述待检测钢轨顶部左侧面和右侧面高度进行等分设定。

进一步地，还包括以下步骤：

输出判定为异常的测量点的位置信息。

本发明还提供一种视觉控制钢轨缺陷位置检测系统，所述系统包括：

待检测钢轨；

钢轨表面信息采集模块，用于采集所述待检测钢轨顶部的表面信息；

相对运动驱动模块，用于驱动所述待检测钢轨与所述钢轨表面信息采集模块产生相对运动，保证钢轨表面信息采集模块采集到所有的待检测钢轨顶部的表面信息；

信息处理模块，用于根据所述钢轨表面信息采集模块采集到的所述待检测钢轨的表面信息，分析所述待检测钢轨表面是否存在缺陷。

进一步地，所述钢轨表面信息采集模块包括：

设置在所述待检测钢轨上方位置以及左右位置的三组双目相机；

且每组所述双目相机均包括两个相机：相机L、相机R。

进一步地，所述相对运动驱动模块被设置为：

使所述待检测钢轨保持固定，且使所述钢轨表面信息采集模块运动；

或者，

使所述钢轨表面信息采集模块保持固定，且使所述待检测钢轨运动；

或者，

使所述钢轨表面信息采集模块与所述待检测钢轨相向运动。

进一步地，所述信息处理模块集成于一中央处理器中。

进一步地，所述相机L和相机R的焦距相等。

本发明至少具备以下有益效果：

本发明将双目相机应用于钢轨打磨探测中，在采集系统与待检测钢轨相对运动中，通过对钢轨上三侧面的图像实时采集，并进行实时计算，可以高效率进行缺陷位置的检测并定位，有效规避传统人工检测带来的高成本和低效率问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统示意图；

图2为双目相机与钢轨的示意图；

图3为相对运动驱动模块效果示意图；

图4为p点与双目相机距离计算示意图；

图5为p点与双目相机垂直高度距离计算示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本发明用于公开一种视觉控制钢轨缺陷位置检测系统。

具体的，如图1所示，所述系统包括：

待检测钢轨；

实施例2：

本实施例用于公开上述实施例1的具体组成。

所述信息处理模块集成于中央处理器中。

如图2所示，所述钢轨表面信息采集模块包括设置在所述待检测钢轨上方位置以及左右位置的三组双目相机；

且每组所述双目相机均包括两个相机：相机L、相机R。

所述三组双目相机分别用于拍摄所述待检测钢轨顶部的顶面、左侧面以及右侧面。

如图2所示，所述相对运动驱动模块能产生的效果为：

①使所述待检测钢轨保持固定，且使所述钢轨表面信息采集模块运动；②使所述钢轨表面信息采集模块保持固定，且使所述待检测钢轨运动；③使所述钢轨表面信息采集模块与所述待检测钢轨相向运动。

以上三种方式，只要使所述待检测钢轨与所述钢轨表面信息采集模块产生相对运动即可，并不限制其具体形式。

另外，关于如何固定钢轨或者钢轨表面信息采集模块，以及如何驱动所述钢轨或者钢轨表面信息采集模块运动，都是常规的技术，本发明也不再进行赘述。

由此，通过本发明的上述设置，在具体操作时，通过双目相机拍摄到待检测钢轨的表面图像，然后上传给中央处理器(信息处理模块)，对待检测钢轨的多个检测点进行检查，就可以通过信息处理模块分析得到待检测钢轨的表面有无缺陷，以及缺陷的标记点的相应位置。

关于中央处理器(信息处理模块)如何进行检测的，其检测方法可见下述实施例3。

实施例3：

本实施例用于公开一种一种视觉控制钢轨缺陷位置检测方法。

具体的，步骤如下：

S1.通过双目相机采集待检测钢轨的表面图像；

参阅图2，关于若干个测量点的划定方案如下：

首先在钢轨的横截面上(x轴方向)，划定位于所述待检测钢轨顶部顶面的7个点，且按照所述待检测钢轨顶部顶面宽度进行等分设定。

然后划定位于所述待检测钢轨顶部左侧面的3个点和右侧面的3个点，且按照所述待检测钢轨顶部左侧面和右侧面高度进行等分设定。

当然，在其他实施例中，也可以根据检测精度的需求，将上述测量点设置的更加密集或者松散，具体来说，测量点越多，越密集，则检测的精度越高。

在钢轨的轴线方向上(y轴方向)，可以人为设定每隔z距离(例如2mm)进行一次检测，由此，在确定了x轴方向以及y轴方向的交叉点作为监测点时，我们只需要检测坐标为(x，y，z)的点，其z值的变化量是否超出阈值，就可以判断其是否存在坑洼，即缺陷位置。

为此，需要计算所述若干个测量点的相对于所述双目相机的垂直高度值(即z点坐标)。

参阅图4，以相机L、相机R以及测量点p建立平面LRp；

由图像几何尺寸得：

z/f＝x/xl (式1)

z/f＝xb/xr (式2)

x＝b+xb (式3)

由(式1)得：

x＝xl*z/f (式4)

将(式2)代入(式3)得：

x＝b+xr*z/f (式5)

将(式1)代入(式5)得：

z＝b*f/(xl-xr)

其中，f为相机焦距，xl和xr分别为相机L、相机R的相机镜头像宽，b为相机L和相机R之间视差，均可过通过先验信息或者相机标定得到。

参阅图5：

所述z即为测量点p到双目相机之间的距离；

则测量点p到双目相机之间的垂直高度为：

Z’＝√(Z2-D2)

D＝v*t

然后，可以根据是哪个双目相机拍摄得到的异常点确定出异常点是处于检测钢轨顶部的哪个面上；跟拍摄得到的异常点的时间，待检测钢轨与钢轨表面信息采集模块之间的相对运动速度，可以得到异常点的相对于初始检测点的距离，即y轴坐标；又因为检测异常点本身就是对测量点一个一个进行扫描的，只需要记录是第几个测量点是异常点，就可以得知异常点在x轴上的坐标。

由此，可以根据上述输出异常点的位置信息，方便检修人员进行定位。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种视觉控制钢轨缺陷位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.通过双目相机采集待检测钢轨的表面图像；

2.根据权利要求1所述的一种视觉控制钢轨缺陷位置检测方法，其特征在于，所述计算所述若干个测量点的相对于所述双目相机的垂直高度值，包括：

z/f＝x/xl

z/f＝xb/xr

x＝b+xb

可得：

z＝b*f/(xl-xr)；

z即为测量点p到双目相机之间的距离；

则测量点p到双目相机之间的垂直高度为：

Z’＝√(Z²-D²)

D＝v*t

3.根据权利要求1所述的一种视觉控制钢轨缺陷位置检测方法，其特征在于，所述测量点包括：

4.根据权利要求1所述的一种视觉控制钢轨缺陷位置检测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

输出判定为异常的测量点的位置信息。

5.一种视觉控制钢轨缺陷位置检测系统，其特征在于，所述系统包括：

待检测钢轨；

6.根据权利要求5所述的一种视觉控制钢轨缺陷位置检测系统，其特征在于，所述钢轨表面信息采集模块包括：

且每组所述双目相机均包括两个相机：相机L、相机R。

7.根据权利要求5所述的一种视觉控制钢轨缺陷位置检测系统，其特征在于，所述相对运动驱动模块被设置为：

或者，

使所述钢轨表面信息采集模块与所述待检测钢轨相向运动。

8.根据权利要求5所述的一种视觉控制钢轨缺陷位置检测系统，其特征在于，所述信息处理模块集成于一中央处理器中。

9.根据权利要求6所述的一种视觉控制钢轨缺陷位置检测系统，其特征在于，所述相机L和相机R的焦距相等。