CN208075770U - 一种接触网几何参数检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种接触网几何参数检测装置，包括相机模块(1)、光源模块(2)、同步控制单元(3)和传感器(4)。相机模块采用立体视觉方式测量接触网几何参数，各线阵相机布置于同一平面的不同位置，各线阵相机的视场分别覆盖接触线的空间范围。光源模块的工作方式为同步频闪，相机模块和光源模块由同一个脉冲信号同步触发，实现相机同步曝光和光源同步频闪照明。相机模块和光源模块呈线形布置，LED光源模块形成的光束最强断面与线阵相机成像芯片处于同一平面。本实用新型的优点是：采用立体视觉方式测量接触网几何参数，检测精度高；采用LED同步频闪照明方式，补光亮度高且均匀，图像质量显著提升，系统功耗大幅降低。
Description
技术领域
本实用新型涉及铁路接触网测量技术领域，具体的是一种接触网几何参数检测装置。
背景技术
接触网是电气化铁路和轨道交通的牵引供电系统的重要设备。电力机车通过受电弓与接触线滑动接触并获得电能。要保证电气化铁路和轨道交通的安全运营、保证弓网的良好接触和可靠取流，除了在接触网设计、施工和运营方面达到一定的规范要求外，还必须定期对接触网进行检测，以便及时发现并消除隐患。拉出值、导高等接触网几何参数是接触网检测的重要项目，需要定期进行检测以确认接触网技术状态。传统的现场人工检测方式检测效率很低，人员上道检测需申请维修天窗时间且安全性不高，尤其无法适应高速铁路的全封闭式管理模式，并且只能对接触网进行静态几何参数测量，无法掌握列车真实运行状态下的接触网技术状态。
与现场人工检测方式相比，采用装备了接触网几何参数检测设备的专用车辆进行自动检测的方式具有测量精度和效率高、安全性好、不占用维修天窗、可等速测量以检测列车真实运行状态下的接触网技术状态等无可比拟的优势，代表着接触网检测技术的发展方向。与接触网接触式测量技术相比，非接触式测量技术具有很多优点：既可进行静态测试以对新建接触网工程进行施工质量评估，也可用于动态测试以监控运营接触网设施在真实运行状态下的功能状态；接触网几何参数检测精度高，可准确检测出锚段关节、电分相等接触网转换结构中两支接触线的空间相对位置关系；系统结构简洁，不影响运行中的受电弓动力学性能也不会对接触线产生额外扰动从而影响测量精度；设备位于车顶低压侧，安全性高且远离电磁干扰。
现有技术中接触网几何参数的非接触式检测技术主要包括激光扫描测距技术和基于光学成像的视觉测量技术。现有的激光扫描测距技术存在测量速度较低、移动测量精度较低、易受环境和被测材料表面反射率影响等不足，无法满足高速、高分辨率和全天候的测量要求。而现有的采用面扫描摄像机的视觉测量技术受二维图像分辨率、单帧图像数据量大、图像处理速度、易出现逆光等多种因素制约，同样难以满足高速、高分辨率和全天候的测量要求。
立体视觉测量是采用多个相机从不同角度获取物体的数字图像，基于视差原理恢复出物体三维几何信息。与面阵相机输出的二维图像不同，线阵相机的一维芯片输出一维图像信息，其具有视场宽、分辨率高、采样频率高、数据量小等无可比拟的优势，基于两个或多个线阵相机的立体视觉测量技术广泛应用于高精度测量领域。
基于立体视觉测量技术检测接触网几何参数的关键之一是主动照明光源。通常要求主动照明光源的亮度较高使得拍摄图像具有较好的信噪特性。目前适合线阵相机的照明光源主要有线激光光源、氙气光源和LED光源。线激光光源成本较高，要求线激光平面与线阵相机的线扫平面严格重合，安装精度要求苛刻，而且激光光源存在一定的安全风险；氙气光源具有消耗功率大、体积大、温度高、使用寿命较短等不足；当前采用的LED光源为大功率常亮LED光源，由于相机曝光时间很短，LED光源采用常亮模式会产生较大的电能浪费，同时常亮模式使LED光源芯片长时间处于工作发热状态，热能堆积造成的LED光源芯片结温过高会导致LED光源芯片的实际使用寿命迅速下降。
实用新型内容
为了解决现有接触网几何参数检测装置中主动照明光源存在的使用寿命较短的问题。本实用新型提供了一种接触网几何参数检测装置，该接触网几何参数检测装置采用了线阵相机曝光与LED频闪照明同步的方式，补光亮度高且均匀，图像质量显著提升，系统功耗大幅降低，大大提高了接触网几何参数检测装置的使用寿命。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种接触网几何参数检测装置，包括：
相机模块，能够采集接触网的图像；
光源模块，能够为该接触网提供主动照明；
同步控制单元，能够控制相机模块周期性地曝光，能够控制光源模块周期性地照明，还能够使相机模块的曝光和光源模块的照明实现同步；
传感器，能够测量该接触网几何参数检测装置的进行距离，并将该接触网几何参数检测装置的进行距离信息发送给同步控制单元，同步控制单元能够根据该进行距离信息控制相机模块的曝光频率和光源模块的照明频率。
相机模块含有至少两个线阵相机，光源模块含有至少一个LED光源，所有所述线阵相机和LED光源均位于同一个竖直平面内，所有所述线阵相机和LED光源均位于同一条水平线上。
相机模块含有四个线阵相机，该四个线阵相机分别为第一线阵相机、第二线阵相机、第三线阵相机和第四线阵相机，光源模块含有三个LED光源，该三个LED光源分别为，第一LED光源、第二LED光源和第三LED光源，所述四个线阵相机和三个LED光源均位于同一个竖直平面内，第一线阵相机、第一LED光源、第二线阵相机、第二LED光源、第三线阵相机、第三LED光源和第四线阵相机沿一条水平线依次间隔排列。
传感器为编码器，该编码器设置于列车的车轮，该编码器能够将该车轮的转动圈数发送给同步控制单元，同步控制单元能够根据该转动圈数控制相机模块的曝光频率和光源模块的照明频率。
每个所述LED光源形成的光束最强断面与每个所述线阵相机的成像芯片均处于同一个竖直平面内，所有所述线阵相机和LED光源均设置于同一根横梁上。
所述线阵相机通过图像采集卡与同步控制单元连接，所述LED光源通过电气驱动模块与同步控制单元连接，电气驱动模块位于列车内。
所述LED光源含有光束整形装置，所述LED光源的发射方向朝上，所述光束整形装置能够使所述LED光源发出的光束被水平面所截得到的图形为椭圆形，该椭圆形的短轴平行于该接触网几何参数检测装置的行进方向。
所述LED光源为白光LED光源，相机模块含有宽带通滤光片，该宽带通滤光片的波长范围能够覆盖所述白光LED光源的光谱范围，且该宽带通滤光片的波长范围与所述线阵相机的芯片的响应波长范围相对应，该宽带通滤光片能够滤除短波长不可见光和长波长不可见光。
所述LED光源为单色LED光源，相机模块含有窄带通滤光片，该窄带通滤光片的波长范围能够覆盖所述单色LED光源的光谱范围，且该单色LED光源的光谱范围和窄带通滤光片的波长范围都在所述线阵相机的芯片的响应波长范围之内，该窄带通滤光片能滤除所述单色LED光源的光谱范围之外的不可见光和可见光。
所述LED光源内设有温度传感器，该温度传感器与电气驱动模块连接，当所述LED光源的内部温度超过设定的第一临界值时，电气驱动模块能够通过减小电流输出的方式降低所述LED光源的功率；当所述LED光源的内部温度超过设定的第二临界值时，电气驱动模块能够通过关闭电流输出的方式使所述LED光源停止发光，该第二临界值大于第一临界值。
本实用新型的有益效果是：
首先，建立了用于接触网几何参数测量的LED同步频闪照明方法，线阵相机模块和LED光源模块由同一个脉冲信号同步触发，实现相机同步曝光和光源同步频闪照明。这种设计方式有效解决了常亮工作模式的LED光源电能浪费较大的问题，既可以提供线阵相机拍摄时所需的瞬时高亮度照明，又可以大幅降低检测装置的功耗。同步频闪工作方式使LED光源芯片处于瞬时工作发热状态，由于相机曝光时间很短，大部分时间LED光源芯片处于非工作状态，这可以大幅降低热能堆积并且避免LED光源芯片结温过高，从而有效保证了LED光源芯片的实际使用寿命。
其次，通过将一个或多个LED光源与线阵相机模块呈线形布置，LED光源模块形成的光束最强断面与线阵相机成像芯片处于同一平面，同时采用光束整形使光束沿线阵相机布置方向呈长条形，从而使接触网空间范围内的照明亮度均匀。通过设置宽带通滤光片滤除短波长和长波长不可见光，进一步提升了线阵相机采集图像的信噪特征。
综上两个方面，本实用新型提供了一种低功耗、照明效果好、可靠性高的接触网几何参数检测装置。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
图1为一种接触网几何参数检测装置的原理图。
图2为一种接触网几何参数检测装置的结构示意图。
图3为另一种接触网几何参数检测装置的原理图。
图4为另一种接触网几何参数检测装置的结构示意图。
图5为图4中A方向的示意图。
图6为光束整形装置对LED光源整形后的光束示意图。
1、相机模块；2、光源模块；3、同步控制单元；4、传感器；5、图像采集卡；6、电气驱动模块；7、横梁；
11、第一线阵相机；12、第二线阵相机；13、第三线阵相机；14、第四线阵相机；
21、第一LED光源；22、第二LED光源；23、第三LED光源；24、光斑。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
一种接触网几何参数检测装置，包括：
相机模块1，能够采集接触网的图像；
光源模块2，能够为该接触网提供主动照明；
同步控制单元3，能够控制相机模块1周期性地曝光，能够控制光源模块2周期性地照明，还能够使相机模块1的周期性曝光和光源模块2的周期性照明实现同步；
传感器4，能够测量该接触网几何参数检测装置的进行距离，并将该接触网几何参数检测装置的进行距离信息发送给同步控制单元3，同步控制单元3能够根据该进行距离信息控制相机模块1的曝光频率和光源模块2的照明频率，如图1至图4所示。
在本实用新型中，光源模块2每隔一个周期点亮一次，照亮接触网。相机模块1每隔一个周期曝光一次，采集该接触网的图像。光源模块2的点亮与相机模块1的曝光同时进行，相机模块1和光源模块2由同一个脉冲信号同步触发，实现相机同步曝光和光源同步频闪照明，即相机模块1在曝光拍摄时，光源模块2同时发光照明；相机模块1在不曝光拍摄时，光源模块2也不发光照明，相机模块1曝光与光源模块2照明同时同步。传感器4产生脉冲信号，经同步控制单元3产生两路或多路同步脉冲信号，同步触发相机模块1曝光和光源模块2频闪照明。
在本实施例中，相机模块1中采用了线阵相机，即相机模块1含有至少两个线阵相机。光源模块2中采用了LED光源，即光源模块2含有至少一个LED光源。所有所述线阵相机和LED光源均位于同一个竖直平面内，相机模块1和光源模块2呈线形布置，即所有所述线阵相机和LED光源均位于同一条水平线上。所有所述线阵相机和LED光源均布置于同一平面的不同位置，所有所述线阵相机的视场能够分别覆盖接触线的空间范围。
具体的，相机模块1可以含有两个线阵相机，该两个线阵相机分别为第一线阵相机11和第二线阵相机12，光源模块2含有一个LED光源，所述两个线阵相机和一个LED光源均位于同一个竖直平面内，第一线阵相机11、光源模块2、第二线阵相机12沿一条水平线依次间隔排列，如图2所示。相机模块1和光源模块2均朝向接触网，第一线阵相机11和第二线阵相机12在光源模块2的左右两侧互为镜像。
或者，相机模块1也可以含有四个线阵相机，该四个线阵相机分别为第一线阵相机11、第二线阵相机12、第三线阵相机13和第四线阵相机14，光源模块2含有三个LED光源，该三个LED光源分别为，第一LED光源21、第二LED光源22和第三LED光源23，所述四个线阵相机和三个LED光源均位于同一个竖直平面内，第一线阵相机11、第一LED光源21、第二线阵相机12、第二LED光源22、第三线阵相机13、第三LED光源23和第四线阵相机14沿一条水平线依次间隔排列，如图4所示。
第一线阵相机11和第四线阵相机14在第二LED光源22的左右两侧互为镜像，第一LED光源21和第三LED光源23在第二LED光源22的左右两侧互为镜像，第二线阵相机12和第三线阵相机13在第二LED光源22的左右两侧互为镜像。第一LED光源21、第二LED光源22和第三LED光源23形成的光束最强断面与第一线阵相机11、第二线阵相机12、第三线阵相机13和第四线阵相机14的成像芯片处于同一竖直平面内。优选的，第一线阵相机11、第一LED光源21、第二线阵相机12、第二LED光源22、第三线阵相机13、第三LED光源23和第四线阵相机14可安装于同一根横梁7的同一侧以实现共面布置，如图5所示。
在本实施例中，传感器4为编码器，该编码器设置于列车的车轮或车轴，该编码器能够测量车轮的转动圈数，该编码器能够将该车轮的转动圈数发送给同步控制单元3，同步控制单元3能够根据车轮的转动圈数、车轮的外径以及该转动圈数对应的时间计算出该接触网几何参数检测装置的进行速度和进行距离。同步控制单元3能够根据该进行速度和进行距离控制相机模块1的曝光频率和光源模块2的照明频率(闪烁频率)。例如，可以在同步控制单元3中设置相机模块1的曝光频率和光源模块2的照明频率均为4次～8次/米(这样在360km/h动车组平台上的典型频闪频率为400Hz～800Hz，这种频率远高于目前其它弓网图像拍摄设备的工作频率(如接触网悬挂装置高清成像设备的典型拍摄频率约为1Hz～5Hz)，相机模块1的频率和光源模块2的照明同时同步进行，如3所示。
在本实施例中，该接触网几何参数检测装置还可以含有图像采集卡5和电气驱动模块6，LED光源采用恒流源驱动，其电气驱动模块6位于车内。所述线阵相机通过图像采集卡5与同步控制单元3连接，所述LED光源通过电气驱动模块6与同步控制单元3连接。相机模块1采集的接触网图像应该由图像采集卡5接收，由包含图像采集卡5的数据处理单元进行图像处理和计算接触网几何参数。
在本实施例中，所述LED光源含有光束整形装置，该光束整形装置可以为透镜或反射灯杯等，所述LED光源的发射方向朝上，所述LED光源安装于列车的顶部，所述LED光源能够照亮列车上方的接触网，所述光束整形装置能够使所述LED光源发出的光束被水平面所截得到的图形(光斑24)为椭圆形，该椭圆形的短轴平行于该接触网几何参数检测装置的行进方向，如图6所示，该椭圆形的长轴X与图5中的左右方向相对应，该椭圆形的短轴Y与图5中的上下方向相对应。
在本实施例中，LED光源可以为白光LED光源，即LED光源发出的是白光，相机模块1的前方设置有宽带通滤光片，该宽带通滤光片的波长范围能够覆盖白光LED光源的主要光谱范围并与线阵相机的芯片主要响应波长范围相适应，宽带通滤光片用于滤除短波长不可见光和长波长不可见光。
在本实施例中，LED光源也可以为单色LED光源，即LED光源发出的单一颜色的光，相机模块1含有窄带通滤光片，该窄带通滤光片的波长范围能够覆盖所述单色LED光源的光谱范围，且该单色LED光源的光谱范围和窄带通滤光片的波长范围都在所述线阵相机的芯片的响应波长范围之内，该窄带通滤光片能滤除所述单色LED光源的光谱范围之外的不可见光和可见光。LED光源采用单色LED光源时，线阵相机的图像信噪特征将进一步显著提升，抗阳光干扰能力显著提升，白天夜晚拍摄的接触网图像的一致性更优。
在本实施例中，光源模块2具备温度保护功能，所述LED光源内设有温度传感器，该温度传感器能够测量LED光源的内部温度，该温度传感器与电气驱动模块6连接，当所述LED光源的内部温度超过设定的第一临界值时，电气驱动模块6能够通过减小电流输出的方式降低所述LED光源的功率。
在本实施例中，当所述LED光源的内部温度超过设定的第二临界值时，电气驱动模块6能够通过关闭电流输出的方式使所述LED光源停止发光，该第二临界值大于第一临界值，从而进一步的保护LED光源。
首先，本实用新型建立了用于接触网几何参数测量的LED同步频闪照明方法，线阵相机模块和LED光源模块由同一个脉冲信号同步触发，实现相机同步曝光和光源同步频闪照明。这种方法有效解决了常亮工作模式的LED光源电能浪费较大的问题，既可以提供线阵相机拍摄时所需的瞬时高亮度照明，又可以大幅降低检测装置的功耗。同步频闪工作方式使LED光源芯片处于瞬时工作发热状态，由于相机曝光时间很短，大部分时间LED光源芯片处于非工作状态，这可以大幅降低热能堆积并且避免LED光源芯片结温过高，从而有效保证了LED光源芯片的实际使用寿命。
其次，通过将一个或多个LED光源与线阵相机模块呈线形布置，LED光源模块形成的光束最强断面与线阵相机成像芯片处于同一平面，同时采用光束整形使光束沿线阵相机布置方向呈长条形，从而使接触网空间范围内的照明亮度均匀。通过设置宽带通滤光片滤除短波长和长波长不可见光，进一步提升了线阵相机采集图像的信噪特征。
综上两个方面，本实用新型提供了一种低功耗、照明效果好、可靠性高的接触网几何参数检测装置。
本领域内的技术人员应明白，本实用新型的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本实用新型可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本实用新型可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本实用新型是参照根据本实用新型实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施例，不能以其限定实用新型实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本实用新型专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本实用新型中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。
Claims (10)
1.一种接触网几何参数检测装置，其特征在于，所述接触网几何参数检测装置包括：
相机模块(1)，能够采集接触网的图像；
光源模块(2)，能够为该接触网提供主动照明；
同步控制单元(3)，能够控制相机模块(1)周期性地曝光，能够控制光源模块(2)周期性地照明，还能够使相机模块(1)的曝光和光源模块(2)的照明实现同步；
传感器(4)，能够测量该接触网几何参数检测装置的进行距离，并将该接触网几何参数检测装置的进行距离信息发送给同步控制单元(3)，同步控制单元(3)能够根据该进行距离信息控制相机模块(1)的曝光频率和光源模块(2)的照明频率。
2.根据权利要求1所述的接触网几何参数检测装置，其特征在于，相机模块(1)含有至少两个线阵相机，光源模块(2)含有至少一个LED光源，所有所述线阵相机和LED光源均位于同一个竖直平面内，所有所述线阵相机和LED光源均位于同一条水平线上。
3.根据权利要求1所述的接触网几何参数检测装置，其特征在于，相机模块(1)含有四个线阵相机，该四个线阵相机分别为第一线阵相机(11)、第二线阵相机(12)、第三线阵相机(13)和第四线阵相机(14)，光源模块(2)含有三个LED光源，该三个LED光源分别为，第一LED光源(21)、第二LED光源(22)和第三LED光源(23)，所述四个线阵相机和三个LED光源均位于同一个竖直平面内，第一线阵相机(11)、第一LED光源(21)、第二线阵相机(12)、第二LED光源(22)、第三线阵相机(13)、第三LED光源(23)和第四线阵相机(14)沿一条水平线依次间隔排列。
4.根据权利要求1所述的接触网几何参数检测装置，其特征在于，传感器(4)为编码器，该编码器设置于列车的车轮，该编码器能够将该车轮的转动圈数发送给同步控制单元(3)，同步控制单元(3)能够根据该转动圈数控制相机模块(1)的曝光频率和光源模块(2)的照明频率。
5.根据权利要求2或3所述的接触网几何参数检测装置，其特征在于，每个所述LED光源形成的光束最强断面与每个所述线阵相机的成像芯片均处于同一个竖直平面内，所有所述线阵相机和LED光源均设置于同一根横梁(7)上。
6.根据权利要求2或3所述的接触网几何参数检测装置，其特征在于，所述线阵相机通过图像采集卡(5)与同步控制单元(3)连接，所述LED光源通过电气驱动模块(6)与同步控制单元(3)连接，电气驱动模块(6)位于列车内。
7.根据权利要求2或3所述的接触网几何参数检测装置，其特征在于，所述LED光源含有光束整形装置，所述LED光源的发射方向朝上，所述光束整形装置能够使所述LED光源发出的光束被水平面所截得到的图形为椭圆形，该椭圆形的短轴平行于该接触网几何参数检测装置的行进方向。
8.根据权利要求2或3所述的接触网几何参数检测装置，其特征在于，所述LED光源为白光LED光源，相机模块(1)含有宽带通滤光片，该宽带通滤光片的波长范围能够覆盖所述白光LED光源的光谱范围，且该宽带通滤光片的波长范围与所述线阵相机的芯片的响应波长范围相对应，该宽带通滤光片能够滤除短波长不可见光和长波长不可见光。
9.根据权利要求2或3所述的接触网几何参数检测装置，其特征在于，所述LED光源为单色LED光源，相机模块(1)含有窄带通滤光片，该窄带通滤光片的波长范围能够覆盖所述单色LED光源的光谱范围，且该单色LED光源的光谱范围和窄带通滤光片的波长范围都在所述线阵相机的芯片的响应波长范围之内，该窄带通滤光片能滤除所述单色LED光源的光谱范围之外的不可见光和可见光。
10.根据权利要求2或3所述的接触网几何参数检测装置，其特征在于，所述LED光源内设有温度传感器，该温度传感器与电气驱动模块(6)连接，当所述LED光源的内部温度超过设定的第一临界值时，电气驱动模块(6)能够通过减小电流输出的方式降低所述LED光源的功率；当所述LED光源的内部温度超过设定的第二临界值时，电气驱动模块(6)能够通过关闭电流输出的方式使所述LED光源停止发光，该第二临界值大于第一临界值。
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| CN115580782A (zh) * | 2022-11-09 | 2023-01-06 | 合肥安迅精密技术有限公司 | 用于线阵相机照明的光源亮度控制方法及系统、存储介质 |
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