CN117589129A - 一种车载式柔性接触网定位器坡度测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载式柔性接触网定位器坡度测量方法及系统，方法包括图像预处理、BLOB块查找、模板匹配并评分、转换坐标点的步骤；系统包括坡度测量单元、振动补偿测量单元和处理单元；坡度测量单元包括第一相机和第一激光器，振动补偿测量单元包括两个补偿装置，补偿装置具有第二相机和第二激光器，处理单元包括数据处理主机和电气控制单元。本发明采用上述步骤，可以快速准确的对定位器和接触线线夹进行检测。

Description

一种车载式柔性接触网定位器坡度测量方法及系统

技术领域

本发明涉及柔性接触网检测的技术领域，具体而言，涉及一种车载式柔性接触网定位器坡度测量方法及系统。

背景技术

铁路通常采用架空柔性接触网，通过安装在支持装置上的定位器连接接触线，调整接触网的高度；在列车受电弓高速通过时定位器将会抬升，当接触网的定位器坡度不足时，存在定位器侵入车辆限界与受电弓撞击的风险；

因此定期测量和监测接触网的定位坡度至关重要，目前接触网运营维护人员利用列车运行的间歇，采用DJJ-8等激光测距仪进行测量；而定位器平均每50m一个，测量工作量极大；并且测量时需在约20mm宽度的定位器上打两个点进行测量，存在测量效率低、人为误差大的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种车载式柔性接触网定位器坡度测量方法及系统，旨在可以快速准确的对定位器和接触线线夹进行检测。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一方面，本发明提供了一种车载式柔性接触网定位器坡度测量方法，包括：

设置第一相机和第一激光器，所述第一激光器安装在车辆的顶部，发射激光至接触网上，所述第一相机倾斜设置在车辆的顶部，连续拍摄激光在接触网上反射的畸变图像；

对第一相机拍摄的若干图像进行预处理，过滤背景和干扰信息；

对预处理后的图像进行BLOB块查找，逐一遍历找到的BLOB块，判断其面积、长度、高度信息是否符合接触线线夹及定位器特征；如果是，则留下该BLOB块，并记录其坐标位置信息，如果否，则排除该BLOB块；

根据BLOB块的坐标位置信息进行模板匹配并评分；设置合格值，判断评分是否大于合格值，如果是，则为目标物，如果否，则排除；

将目标物的二维像素坐标点转换成实际空间中的坐标点，并拟合成一条直线，得到该直线的斜率。

在进一步的技术方案中，所述对第一相机拍摄的若干图像进行预处理的具体方法包括：

膨胀图像，使得图像上的断点连接，并对图像进行差分处理，留下黑白过度信息；

对图像进行二值化，使得图像只剩下黑、白的像素点，并使得断开的白色像素点完全连接。

在进一步的技术方案中，还包括误差消除，所述误差消除的具体方法包括：

再次识别符合定位器特征的BLOB块，判断符合接触线线夹特征的BLOB块上方的区域内的BLOB块是否满足定位器特征及尺寸特性；如果是，则保留，如果否，则排除。

在进一步的技术方案中，所述判断符合接触线线夹特征的BLOB块上方的区域内的BLOB块是否满足定位器特征及尺寸特性的具体方法包括：

在Y轴方向上，判断该BLOB块的最低像素是否在符合接触线线夹特征的BLOB块上方的30-150像素内；

在X轴方向上，判断该BLOB块的最低像素是否与符合接触线线夹特征的BLOB块的差值在100像素内；

如果都满足，则保留；如果二者其一不满足或都不满足，则排除。

在进一步的技术方案中，还包括步骤：

设置阈值，判断拟合的直线长度是否大于阈值；如果是，则直接输出直线的斜率，如果否，则先组合拼接相邻两帧图像的数据，再输出直线的斜率。

在进一步的技术方案中，还包括振动补偿，所述振动补偿的具体方法包括：

设置第二相机和第二激光器；在车辆静止时，所述第二激光器向钢轨发射激光，所述第二相机拍摄激光在钢轨表面的畸变图像，并在图像上标记钢轨特征点；车辆运动时，所述第二激光器向钢轨发射激光，所述第二相机拍摄激光在钢轨表面的畸变图像，并再次在图像上标记钢轨特征点；

对比两个钢轨特征点，得到车辆运动时的垂直偏移量和水平偏移量，计算出车辆运动时相对于轨道平面的倾斜角度。

在进一步的技术方案中，所述钢轨特征点为钢轨的外轨转折处。

另一方面，本发明还提供了一种车载式柔性接触网定位器坡度测量系统，包括：

坡度测量单元，所述坡度测量单元包括第一相机和第一激光器；所述第一激光器安装在车辆的顶部，发射激光至接触网上，所述第一相机倾斜设置在车辆的顶部，拍摄激光在接触网上反射的畸变图像；

振动补偿测量单元，所述振动补偿测量单元包括两个补偿装置，分别设置在车辆底部的两侧；补偿装置具有第二相机和第二激光器，所述第二激光器发射激光至钢轨上，所述第二相机用于拍摄激光在钢轨表面的畸变图像；

处理单元，所述处理单元包括数据处理主机和电气控制单元；所述数据处理主机用于对所述坡度测量单元和所述振动补偿测量单元的数据进行处理、存储和分析计算，所述电气控制单元用于给各设备提供电源供应及控制。

在进一步的技术方案中，所述第一相机和所述第二相机为工业面阵相机。

在进一步的技术方案中，所述第一激光器和所述第二激光器为线激光器。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用基于机器视觉的非接触式测量方法，在无接触的情况下实现既定参数测量，可保护沿线接触网设备安全；

2、本发明的车载式柔性接触网定位器坡度测量系统，可在车载情况下，进行时速80km/h的高速高效检测；

3、本发明具有车体振动补偿装置，可补偿因车辆倾斜、振动导致的测量误差，使得定位器坡度测量精度高；

4、本发明测量稳定性高、可避免人为因素导致的误差。

附图说明

图1为柔性接触网的结构示意图；

图2为车载式柔性接触网定位器坡度测量系统的结构示意图；

图3为振动补偿测量单元的正视图；

图4为振动补偿测量单元的结构示意图；

图5为Y轴方向差分处理后的定位器及接触网的示意图；

图6为二值化图像对白色膨胀效果的示意图；

图7为接触线线夹及定位器BLOB块的示意图；

图8为钢轨特征点的示意图；

图9为激光三角测量的原理图；

图10为坡度算法修正为负的示意图；

图11为坡度算法修正为正的示意图。

图标：1-坡度测量单元，11-第一相机，12-第一激光器，2-振动补偿测量单元，21-第二相机，22-第二激光器，3-处理单元，31-数据处理主机，32-电气控制单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1：

一种车载式柔性接触网定位器坡度测量方法，包括：

步骤100：设置第一相机11和第一激光器12，第一激光器12安装在车辆的顶部，发射激光至接触网上，第一相机11倾斜设置在车辆的顶部，连续拍摄激光在接触网上反射的畸变图像；

步骤200：对第一相机11拍摄的若干图像进行预处理，过滤背景和干扰信息；

步骤300：对预处理后的图像进行BLOB块查找，逐一遍历找到的BLOB块，判断其面积、长度、高度信息是否符合接触线线夹及定位器特征；如果是，则留下该BLOB块，并记录其坐标位置信息，如果否，则排除该BLOB块；

步骤400：根据BLOB块的坐标位置信息进行模板匹配并评分；设置合格值，判断评分是否大于合格值，如果是，则为目标物，如果否，则排除；

步骤500：将目标物的二维像素坐标点转换成实际空间中的坐标点，并拟合成一条直线，得到该直线的斜率。

在进一步的技术方案中，对第一相机11拍摄的若干图像进行预处理的具体方法包括：

膨胀图像，使得图像上的断点连接，并对图像进行差分处理，留下黑白过度信息；

对图像进行二值化，使得图像只剩下黑、白的像素点，并使得断开的白色像素点完全连接。

在进一步的技术方案中，还包括误差消除，误差消除的具体方法包括：

再次识别符合定位器特征的BLOB块，判断符合接触线线夹特征的BLOB块上方的区域内的BLOB块是否满足定位器特征及尺寸特性；如果是，则保留，如果否，则排除。

在进一步的技术方案中，判断符合接触线线夹特征的BLOB块上方的区域内的BLOB块是否满足定位器特征及尺寸特性的具体方法包括：

在Y轴方向上，判断该BLOB块的最低像素是否在符合接触线线夹特征的BLOB块上方的30-150像素内；

在X轴方向上，判断该BLOB块的最低像素是否与符合接触线线夹特征的BLOB块的差值在100像素内；

如果都满足，则保留；如果二者其一不满足或都不满足，则排除。

在进一步的技术方案中，还包括步骤：

设置阈值，判断拟合的直线长度是否大于阈值；如果是，则直接输出直线的斜率，如果否，则先组合拼接相邻两帧图像的数据，再输出直线的斜率。

在进一步的技术方案中，还包括振动补偿，振动补偿的具体方法包括：

设置第二相机21和第二激光器22；在车辆静止时，第二激光器22向钢轨发射激光，第二相机21拍摄激光在钢轨表面的畸变图像，并在图像上标记钢轨特征点；车辆运动时，第二激光器22向钢轨发射激光，第二相机21拍摄激光在钢轨表面的畸变图像，并再次在图像上标记钢轨特征点；

对比两个钢轨特征点，得到车辆运动时的垂直偏移量和水平偏移量，计算出车辆运动时相对于轨道平面的倾斜角度。

在进一步的技术方案中，钢轨特征点为钢轨的外轨转折处。

实施例2：

本实施例是对实施例1的进一步分析。

步骤100中，第一激光器12安装在车辆的顶部，发射激光至接触网上，第一相机11倾斜一定的角度向上拍摄激光在接触网上反射的畸变图像。

由于定位器垂直于铁路方向的宽度约20mm，为实现车载轨道车高速运行情况下的检测，高速相机采集频率需不低于200HZ，且满曝光。即相机采集帧率fps(frame persecond)乘以曝光时间exposure的积要接近或者等于1s。比如fps=250，则曝光时间最理想状态为4ms，即250*4=1000ms，为整个1秒时间内，相机都在曝光成像，使运动过程中的物体不丢失。其中，定位器和接触线线夹的结构示意图如图1所示。

检测软件采集到图像后，立即对图像进行处理，判断是否为检测目标。单幅图像的处理算法时长Td，要求必须小于1000/fps，即检测软件两次接收到图像的时间间隔Ts。只有单幅图像处理时长小于两次接收到图像的时间间隔(Td<Ts)，才不会造成由于单幅图像处理时间过长造成的图像没有被及时处理，进而造成检测目标丢失的情况。

为使单幅图像处理算法时长Td足够短，且达到较高的识别率，因此需要进行步骤200，对图像进行预处理。

具体的，步骤200的具体方法包括：

步骤210：膨胀图像，使得图像上的断点连接，并对图像进行差分处理，留下黑白过度信息；

步骤220：对图像进行二值化，使得图像只剩下黑、白的像素点，并使得断开的白色像素点完全连接。

步骤210中，对图像进行膨胀，让断了的目标能尽量连接起来；对图像进行Y轴方向上的差分处理，只留下黑白过度非常明显的信息，尤其凸显激光打在接触网及定位器上的信息，如图5所示。

步骤220中，对图像进行二值化，二值化阈值可根据激光在接触线上的灰度值进行手动调节，图像二值化之后，只剩下黑（0）、白（1）的像素点，使断开的白色像素点完全连接，图像预处理结束，如图6所示。

步骤200结束后，进行步骤300，对预处理后的图像进行BLOB块查找，逐一遍历找到的BLOB块，判断其面积、长度、高度信息是否符合接触线线夹及定位器特征，如果是，则留下该BLOB块，并记录其坐标位置信息；如果否，则排除该BLOB块。

步骤400中，根据步骤300保留的BLOB块的坐标位置信息，在小范围内（范围能包含检测目标）进行目标的模板匹配，模板匹配在差分后的图像上进行，因为差分后的图片进行模板匹配可过滤了许多干扰信息，又可以突出检测目标的信息。

模板图像由人工事先采集，经差分如理后，人工截取的图像如图7所示。在模板匹配中，主要用到了Opencv的MatchTemplate函数。模板匹配就是在给定的图片中，查找和模板最相似的区域，算法的输入包括模板和待搜索图片，通过不断移动模板图片，计算其与图片对应区域匹配度，将匹配度最高区域选择为最终结果输出。通过经验值可确定当检测图像这类背景简单的图像中，设置分数值为80分，当模板匹配得分大于80分时，该区域为接触线线夹的可信度为99.9%。

紧接着，对步骤400中留下的BLOB块进行误差消除，具体方法包括：

再次识别符合定位器特征的BLOB块，先在Y轴方向上，判断该BLOB块的最低像素是否在符合接触线线夹特征的BLOB块上方的30-150像素内，再在X轴方向上，判断该BLOB块的最低像素是否与符合接触线线夹特征的BLOB块的差值在100像素内；如果都满足，则保留该BLOB块，并进行步骤400；如果二者其一不满足或都不满足，则排除该BLOB块，从而避免误识别导致的测量误差。

需要说明的是，本实施例也可以现在X轴方向判断，再在Y轴方向判断，本实施例对此不作限定。

误差消除结束后，紧接着进行步骤500，通过事先标定好的参数，利用激光三角测量法，其原理如图9所示，将识别到的定位器的所有二维像素点转换成实际空间中X轴和Y轴的坐标，并将各点拟合成一条直线，并得到直线方程Y=aX+b的斜率a值，即可得到定位器的倾斜角度，即坡度。

在实际计算中，设置阈值，判断拟合的直线长度是否大于阈值；如果是，则直接输出直线的斜率，如果否，则先组合拼接相邻两帧图像的数据，再输出直线的斜率；以本实施例为例，如果拟合计算的定位器长度小于500mm，则需将前后两帧数据进行组合、拼接，拟合计算定位器坡度；避免因少部分定位器不垂直于线路导致的测量误差。

具体的，当发现图像识别到的定位器数据长度不够时，保留当前帧定位器数据，等待下一帧图像识别出的定位器数据，将前面帧保留的数据和当前帧的数据放在统一数组中，若满足定位器长度要求，则进行直线拟合，并得到定位器的坡度。

实际测量中，曲线行驶时车辆相对于轨道平面存在倾斜，车辆走行过程中振动也会导致车体与钢轨平面不行，因此测量的定位器坡度不可避免的存在误差，为了减少误差的影响，需要进行振动补偿。

具体的，在车辆的底部设置两个第二相机21和两个第二激光器22；当车辆静止时，第二激光器22向钢轨发射激光，第二相机21拍摄激光在钢轨表面的畸变图像，并在图像上钢轨的外轨转折处标记为钢轨特征点；当车辆运动时，第二激光器22继续向钢轨发射激光，第二相机21拍摄激光在钢轨表面的畸变图像，并再次在图像上钢轨的外轨转折处标记为钢轨特征点；对比两个钢轨特征点，得到车辆运动时的垂直偏移量和水平偏移量，如图8所示，计算出车辆运动时相对于轨道平面的倾斜角度。

本实施例中，测量得到的定位器的坡度为绝对值，因此，还需要对定位器的坡度数据进行修正以区分正负。本实施例以数学定义拟合的定位器底部斜线斜率正负判断坡度数值正负，如图10和图11所示。

定位器坡度修正算法为：

定位器坡度修正值=定位器坡度+车辆倾斜角度+C；

式中，C为常数。

本实施例3：

请参照图2-图4，一种车载式柔性接触网定位器坡度测量系统，包括坡度测量单元1、振动补偿测量单元2和处理单元3；

坡度测量单元1包括第一相机11和第一激光器12；第一激光器12安装在车辆的顶部，发射激光至接触网上，第一相机11倾斜设置在车辆的顶部，拍摄激光在接触网上反射的畸变图像；

振动补偿测量单元2包括两个补偿装置，分别设置在车辆底部的两侧；补偿装置具有第二相机21和第二激光器22，第二激光器22发射激光至钢轨，第二相机21用于拍摄激光在钢轨表面的畸变图像；处理单元3包括数据处理主机31和电气控制单元32；

数据处理主机31用于对坡度测量单元1和振动补偿测量单元2的数据进行处理、存储和分析计算，电气控制单元32用于给各设备提供电源供应及控制。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车载式柔性接触网定位器坡度测量方法，其特征在于，包括：

设置第一相机和第一激光器，所述第一激光器安装在车辆的顶部，发射激光至接触网上，所述第一相机倾斜设置在车辆的顶部，连续拍摄激光在接触网上反射的畸变图像；

对第一相机拍摄的若干图像进行预处理，过滤背景和干扰信息；

对预处理后的图像进行BLOB块查找，逐一遍历找到的BLOB块，判断其面积、长度、高度信息是否符合接触线线夹及定位器特征；如果是，则留下该BLOB块，并记录其坐标位置信息，如果否，则排除该BLOB块；

根据BLOB块的坐标位置信息进行模板匹配并评分；设置合格值，判断评分是否大于合格值，如果是，则为目标物，如果否，则排除；

将目标物的二维像素坐标点转换成实际空间中的坐标点，并拟合成一条直线，得到该直线的斜率。

2.根据权利要求1所述的一种车载式柔性接触网定位器坡度测量方法，其特征在于，所述对第一相机拍摄的若干图像进行预处理的具体方法包括：

膨胀图像，使得图像上的断点连接，并对图像进行差分处理，留下黑白过度信息；

对图像进行二值化，使得图像只剩下黑、白的像素点，并使得断开的白色像素点完全连接。

3.根据权利要求1所述的一种车载式柔性接触网定位器坡度测量方法，其特征在于，还包括误差消除，所述误差消除的具体方法包括：

再次识别符合定位器特征的BLOB块，判断符合接触线线夹特征的BLOB块上方的区域内的BLOB块是否满足定位器特征及尺寸特性；如果是，则保留，如果否，则排除。

4.根据权利要求3所述的一种车载式柔性接触网定位器坡度测量方法，其特征在于，所述判断符合接触线线夹特征的BLOB块上方的区域内的BLOB块是否满足定位器特征及尺寸特性的具体方法包括：

在Y轴方向上，判断该BLOB块的最低像素是否在符合接触线线夹特征的BLOB块上方的30-150像素内；

在X轴方向上，判断该BLOB块的最低像素是否与符合接触线线夹特征的BLOB块的差值在100像素内；

如果都满足，则保留；如果二者其一不满足或都不满足，则排除。

5.根据权利要求1所述的一种车载式柔性接触网定位器坡度测量方法，其特征在于，还包括步骤：

设置阈值，判断拟合的直线长度是否大于阈值；如果是，则直接输出直线的斜率，如果否，则先组合拼接相邻两帧图像的数据，再输出直线的斜率。

6.根据权利要求1所述的一种车载式柔性接触网定位器坡度测量方法，其特征在于，还包括振动补偿，所述振动补偿的具体方法包括：

设置第二相机和第二激光器；在车辆静止时，所述第二激光器向钢轨发射激光，所述第二相机拍摄激光在钢轨表面的畸变图像，并在图像上标记钢轨特征点；车辆运动时，所述第二激光器向钢轨发射激光，所述第二相机拍摄激光在钢轨表面的畸变图像，并再次在图像上标记钢轨特征点；

对比两个钢轨特征点，得到车辆运动时的垂直偏移量和水平偏移量，计算出车辆运动时相对于轨道平面的倾斜角度。

7.根据权利要求6所述的一种车载式柔性接触网定位器坡度测量方法，其特征在于，所述钢轨特征点为钢轨的外轨转折处。

8.一种使用权利要求1-7任一项所述方法的车载式柔性接触网定位器坡度测量系统，其特征在于，包括：

坡度测量单元，所述坡度测量单元包括第一相机和第一激光器；所述第一激光器安装在车辆的顶部，发射激光至接触网上，所述第一相机倾斜设置在车辆的顶部，拍摄激光在接触网上反射的畸变图像；

振动补偿测量单元，所述振动补偿测量单元包括两个补偿装置，分别设置在车辆底部的两侧；补偿装置具有第二相机和第二激光器，所述第二激光器发射激光至钢轨上，所述第二相机用于拍摄激光在钢轨表面的畸变图像；

处理单元，所述处理单元包括数据处理主机和电气控制单元；所述数据处理主机用于对所述坡度测量单元和所述振动补偿测量单元的数据进行处理、存储和分析计算，所述电气控制单元用于给各设备提供电源供应及控制。

9.根据权利要求8所述的一种车载式柔性接触网定位器坡度测量系统，其特征在于，所述第一相机和所述第二相机为工业面阵相机。

10.根据权利要求8所述的一种车载式柔性接触网定位器坡度测量系统，其特征在于，所述第一激光器和所述第二激光器为线激光器。