CN208206154U - 一种基于线结构光三维扫描的轨道巡检里程计数装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于线结构光三维扫描的轨道巡检里程计数装置，属于铁轨检测领域。该实用新型装置由光电编码器、脉冲计数器、成像控制器、线结构光、3D摄像机、计算模块、支撑机构、供电接口组成，本实用新型采用线结构光扫描获取的轨道三维形貌数据，用于轨枕计数，再根据车轮转动方向信息、轨枕间距、脉冲计数结果进行里程计数。本实用新型装置不受电磁波信号屏蔽干扰，可靠性高，更容易和准确地实现里程计数，为轨道巡检提供精准的位置信息，方便轨道巡检结果准确定位，以及在后期维护中快速查找。

Description

一种基于线结构光三维扫描的轨道巡检里程计数装置

技术领域

本实用新型涉及铁轨检测技术领域，特指一种基于线结构光三维扫描的轨道巡检里程计数装置。

背景技术

轨道交通包括普通铁路、高速铁路、地铁等，在国民经济发展、人民生活出行中发挥着重大作用。为保证轨道交通运行安全，轨道交通运营部门需定期对轨道安全进行巡检。具体巡检内容包括：铁轨几何参数检测，铁轨扣件松动、缺失、裂纹等异常检测，铁轨磨损检测，弓网线路检测，路面异物检测等。

目前，铁轨几何参数检测，主要采用惯导系统、激光图像测量系统，用于自动检测轨道几何参数；扣件异常检测，主要采用人工巡检。近期，也有学者将图像检测技术引入扣件异常巡检中。

在自动巡检系统中，通常需将所检测的异常结果与里程关联，作为事后维修时定位依据。目前，我国轨道巡检系统多常采用光电编码器、GPS定位系统用于里程计数。由于GPS在隧道、山区等环境下定位会受到严重影响，目前，多采用光电编码器用于里程计数，再采用间隔y Km处设置RFID电子标签对里程计数进行修正，y的取值为1～10。但是，在y Km以内，采用光电编码器进行里程计数时，还存在这样的问题：1)当光电编码器安装在列车或检测平台的驱动轮上时，在列车或检测平台启动或刹车时，驱动轮在铁轨上容易打滑，产生里程计数误差；2)当光电编码器安装于列车或检测平台的随动轮(随动轮自身不具备驱动能力，跟随列车或检测平台在铁轨上滚动)时，虽然在列车或检测平台启动或刹车时，随动轮不会有明显打滑现象发生，但是，在列车或检测平台运动过程中，随动轮与铁轨之间存在一定的相对运动，即存在轻微打滑现象，从而使里程计数存在累积误差。如图1所示，当采用光电编码器产生的脉冲信号驱动线阵摄像机对轨道表面进行线阵扫描时，在列车或检测平台开始运动初期，两次扫描结果可以勉强对齐，如图1(a)所示，但随着时间的推移，会因为车轮与铁轨之间的相对运动，使两次扫描结果偏差增大，如图1(b)所示。对于扣件、轨道损伤等异常检测而言，定位精度<0.5m。当y＝1、光电编码器累积误差为1％时，里程定位偏差将达到10m，这显然不能满足实际应用需求。

由于铁路轨枕安装位置固定、且间隔已知，因此，可通过对铁轨轨枕或扣件计数实现高精度里程计数。为此，专利CN2016112135719提出一种利用机器视觉对铁轨扣件计数，进行里程计数的方法。该方法同光电编码器、光电测距传感器及GPS定位系统等扣件定位方法相比，具有定位精度高、无累积误差等优势。但是，专利CN2016112135719中采用面阵摄像机用于获取扣件图像，需要精准的扣件触发成像控制系统，才能保证所扣件拍摄图像中同一扣件只出现一次。在没有扣件触发成像控制系统时，当检测平台运行速度大于摄像机拍摄速度时，拍摄图像中会遗漏扣件，导致里程计数错误；当检测平台运行速度小于摄像机拍摄速度时，同一个扣件会出现在多幅图像中，需要在拍摄图像中剔除多余的扣件图像。为此，迫切需求一种可靠、有效的高精度里程计数装置，以适应隧道、地铁应用场景下里程精准计数应用需求。

实用新型内容

本实用新型的目的是为轨道巡检提供一种可靠的、高精度的里程计数装置。

本实用新型的技术方案是：

一种基于线结构光三维扫描的轨道巡检里程计数装置，其特征在于：该装置由光电编码器、脉冲计数器、成像控制器、线结构光、3D摄像机、计算模块、支撑机构、供电接口组成。

所述光电编码器固定在列车或轨道巡检平台的车轮转轴上，对车轮转动角度进行编码。

所述脉冲计数器固定在支撑机构上，与光电编码器连接，对光电编码器输出的车轮转动角度信号进行识别，判定车轮转动方向，对光电编码脉冲进行计数。

所述脉冲计数器与计算模块连接，将车轮转动方向信息和脉冲计数结果传输给计算模块，以用于里程计数。

所述成像控制器固定在支撑机构上，与光电编码器连接，对光电编码器输出的光电脉冲信号进行调制，生成3D摄像机触发控制信号。

所述线结构光固定在支撑机构上，由激光器和光学透镜组成，向轨道路面投射片状结构光，片状结构光平面与铁轨垂直，在轨道路面形成激光光条，片状结构光平面与3D摄像机成像平面呈30～60度夹角。

所述3D摄像机固定在支撑机构上，与成像控制器、计算模块连接，接受成像控制器发出的触发控制信号，一次脉冲进行一次测量，获取一条轨道横截面测量值，并通过3D摄像机的通信接口，将横截面测量值传输给计算模块，以用于里程计数。

所述计算模块固定在列车或轨道巡检平台上，与脉冲计数器、3D摄像机连接，计算模块可以是工控机或嵌入式数据处理平台，计算模块上运行上位机软件，完成脉冲计数器输入的车轮转动方向和脉冲计数结果采集，轨道横截面测量数据采集，轨道三维形貌数据合成，并利用轨道三维形貌数据进行轨枕计数，再结合车轮转动方向、脉冲计数结果，进行里程计算。

所述供电接口与光电编码器、脉冲计数器、成像控制器、线结构光、3D摄像机、计算模块连接，为这些设备供电，所需电能由列车或轨道巡检平台提供。

所述支撑机构用于支撑和固定光电编码器、脉冲计数器、成像控制器、线结构光、3D摄像机，并固定在列车或轨道巡检平台的底部，以对轨道表面进行三维扫描测量。

所述线结构光产生的片状结构光厚度小于1mm，线结构光是波长为a的窄带光源，并在 3D摄像机前端设置波长为a的窄带滤光片，以消除环境光干扰，a的取值范围为 300nm～1000nm。

所述光电编码器为可编程光电编码器，可二次调整光电编码器的分辨率。

所述光电编码器固定的车轮为随动轮，随动轮自身不带动力，贴合在铁轨上滚动。

所述3D摄像机为基于FPGA的智能相机，成像芯片帧率大于1000fps，分辨率不低于100 万像素，成像芯片支撑开窗成像，轨道横截面测量精度不低于5mm。

所述3D摄像机与所述计算模块通过网络接口进行通信。

所述脉冲计数器通过RS232接口与计算模块通讯。

所述3D摄像机采用移轴镜头，使线结构光平面完全位于3D摄像机成像焦平面上。

所述光电编码器、脉冲计数器、成像控制器、线结构光、3D摄像机、计算机之间的电和信号连接，采用防水、防尘的航空接头进行密封和固定。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型采用线结构光扫描获取的轨道三维形貌数据，用于轨枕计数，再根据车轮转动方向信息、轨枕间距、脉冲计数结果进行里程计数，本实用新型的主要优点是：

1)相比GPS等里程计数方法，本实用新型不受电磁波信号屏蔽干扰，可用于隧道、地铁中轨道巡检里程计数和定位；

2)因轨枕间距约为0.5m，因此，本实用新型基于轨枕计数结果所得到的里程计数分辨率最低为0.5m，再利用车轮转动方向和脉冲计数结果，当光电编码器对车轮周长的分辨率达到1mm时，可实现mm级里程计数；

3)与专利CN2016112135719基于图像进行扣件计数相比，本实用新型利用线结构光三维扫描数据进行轨枕计数，首先，三维扫描数据与二维纹理图像相比，更容易识别具有高度变化的对象，具有更高可靠性，其次，利用轨枕计数进行里程计数，相比扣件计数里程计算，更加可靠，因为，扣件容易存在脱离、缺失、断裂等多种情况，而轨枕表现出的情况比较单一，更容易找到简单有效的方法对轨枕进行识别。因此，本实用新型具有更高的可靠性，更容易和准确地实现里程计数；

4)本实用新型可挂载在检测列车或其他检测平台上，为轨道巡检提供精准的位置信息，方便轨道巡检结果准确定位，以及在后期维护中快速查找。

附图说明

图1是同一轨道2次线阵扫描图像均值；

其中，(a)是同一轨道2次线阵扫描图像始端区域均值，(b)是同一轨道2次线阵扫描图像末端区域均值。

图2是本实用新型计数装置结构示意图。

图中，1是路面，2是轨枕，3是铁轨，4是车轮，5是光电编码器，6是脉冲计数器，7 是成像控制器，8是3D摄像机，9是支撑机构，10是线结构光，11是片状结构光，12是计算模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图2所示，本实施例提供一种基于线结构光三维扫描的轨道巡检里程计数装置，具体实施方式如下：

该装置由光电编码器5、脉冲计数器6、成像控制器7、线结构光10、3D摄像机8、计算模块12、支撑机构9、供电接口组成。

光电编码器5固定在列车或轨道巡检平台的车轮4转轴上，对车轮4转动角度进行编码。

脉冲计数器6固定在支撑机构9上，与光电编码器5连接，对光电编码器5输出的车轮 4转动角度信号进行识别，判定车轮4转动方向，对光电编码脉冲进行计数。

脉冲计数器6与计算模块12连接，将车轮4转动方向信息和脉冲计数结果传输给计算模块12，以用于里程计数。

成像控制器7固定在支撑机构9上，与光电编码器5连接，对光电编码器5输出的光电脉冲信号进行调制，生成3D摄像机8触发控制信号。

线结构光10固定在支撑机构9上，由激光器和光学透镜组成，向轨道路面1投射片状结构光11，片状结构光11平面与铁轨垂直，在轨道路面1形成激光光条，片状结构光11平面与3D摄像机8成像平面呈30～60度夹角。

3D摄像机8固定在支撑机构9上，与成像控制器7、计算模块12连接，接受成像控制器7发出的触发控制信号，一次脉冲进行一次测量，获取一条轨道横截面测量值，并通过3D摄像机8的通信接口，将横截面测量值传输给计算模块12，以用于里程计数。

计算模块12固定在列车或轨道巡检平台上，与脉冲计数器6、3D摄像机连接8，计算模块12可以是工控机或嵌入式数据处理平台，计算模块12上运行上位机软件，完成脉冲计数器6输入的车轮4转动方向和脉冲计数结果采集，轨道横截面测量数据采集，轨道三维形貌数据合成，并利用轨道三维形貌数据进行轨枕计数，再结合车轮4转动方向、脉冲计数结果，进行里程计算。

供电接口与光电编码器5、脉冲计数器6、成像控制器7、线结构光10、3D摄像机8、计算模块12连接，为这些设备供电，所需电能由列车或轨道巡检平台提供。

支撑机构9用于支撑和固定光电编码器5、脉冲计数器6、成像控制器7、线结构光10、 3D摄像机8，并固定在列车或轨道巡检平台的底部，以对轨道表面进行三维扫描测量。

线结构光10产生的片状结构光11厚度小于1mm，线结构光10是波长为a的窄带光源，并在3D摄像机8前端设置波长为a的窄带滤光片，以消除环境光干扰，a的取值范围为300nm～1000nm，取a＝500nm。

光电编码器5为可编程光电编码器，可二次调整光电编码器5的分辨率。

光电编码器5固定的车轮4为随动轮，随动轮自身不带动力，贴合在铁轨3上滚动。

3D摄像机8为基于FPGA的智能相机，成像芯片帧率大于1000fps，分辨率不低于100万像素，成像芯片支撑开窗成像，轨道横截面测量精度不低于5mm。

脉冲计数器6通过RS232接口与计算模块12通讯。

3D摄像机8与计算模块12通过网络接口进行通信。

3D摄像机8采用移轴镜头，使线结构光10平面完全位于3D摄像机8成像焦平面上。

采用移轴镜头的作用在于：线结构光10平面与3D摄像机8的成像平面是相交的，由于通用镜头的景深在一定范围的平面内，因此，在线结构光10平面内一个较大的范围内，存在着超出景深区域，从而使拍摄的激光光条不够清晰，而影响3D测量精度。为此，通过采用移轴镜头，将成像焦平面旋转到线结构光10平面上，使线结构光10平面内拍摄的激光光条都可清晰成像，进而提升3D测量精度。

光电编码器5、脉冲计数器6、成像控制器7、线结构光10、3D摄像机8、计算机之间的电和信号连接，采用防水、防尘的航空接头进行密封和固定。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于线结构光三维扫描的轨道巡检里程计数装置，其特征在于：该装置由光电编码器、脉冲计数器、成像控制器、线结构光、3D摄像机、计算模块、支撑机构、供电接口组成；

所述光电编码器固定在列车或轨道巡检平台的车轮转轴上，对车轮转动角度进行编码；

所述脉冲计数器固定在支撑机构上，与光电编码器连接，对光电编码器输出的车轮转动角度信号进行识别，判定车轮转动方向，对光电编码脉冲进行计数；

所述脉冲计数器与计算模块连接，将车轮转动方向信息和脉冲计数结果传输给计算模块，以用于里程计数；

所述成像控制器固定在支撑机构上，与光电编码器连接，对光电编码器输出的光电脉冲信号进行调制，生成3D摄像机触发控制信号；

所述线结构光固定在支撑机构上，由激光器和光学透镜组成，向轨道路面投射片状结构光，片状结构光平面与铁轨垂直，在轨道路面形成激光光条，片状结构光平面与3D摄像机成像平面呈30～60度夹角；

所述3D摄像机固定在支撑机构上，与成像控制器、计算模块连接，接受成像控制器发出的触发控制信号，一次脉冲进行一次测量，获取一条轨道横截面测量值，并通过3D摄像机的通信接口，将横截面测量值传输给计算模块，以用于里程计数；

所述计算模块固定在列车或轨道巡检平台上，与脉冲计数器、3D摄像机连接，计算模块可以是工控机或嵌入式数据处理平台，计算模块上运行上位机软件，完成脉冲计数器输入的车轮转动方向和脉冲计数结果采集，轨道横截面测量数据采集，轨道三维形貌数据合成，并利用轨道三维形貌数据进行轨枕计数，再结合车轮转动方向、脉冲计数结果，进行里程计算；

所述供电接口与光电编码器、脉冲计数器、成像控制器、线结构光、3D摄像机、计算模块连接，为这些设备供电，所需电能由列车或轨道巡检平台提供；

所述支撑机构用于支撑和固定光电编码器、脉冲计数器、成像控制器、线结构光、3D摄像机，并固定在列车或轨道巡检平台的底部，以对轨道表面进行三维扫描测量。

2.根据权利要求1所述的基于线结构光三维扫描的轨道巡检里程计数装置，其特征在于：所述线结构光产生的片状结构光厚度小于1mm，线结构光是波长为a的窄带光源，并在3D摄像机前端设置波长为a的窄带滤光片，以消除环境光干扰，a的取值范围为300nm～1000nm。

3.根据权利要求1所述的基于线结构光三维扫描的轨道巡检里程计数装置，其特征在于：所述3D摄像机成像区域为轨道中间不包含轨道和扣件的区域。

4.根据权利要求1所述的基于线结构光三维扫描的轨道巡检里程计数装置，其特征在于：所述光电编码器为可编程光电编码器，可二次调整光电编码器的分辨率。

5.根据权利要求1所述的基于线结构光三维扫描的轨道巡检里程计数装置，其特征在于：所述光电编码器固定的车轮为随动轮，随动轮自身不带动力，贴合在铁轨上滚动。

6.根据权利要求1所述的基于线结构光三维扫描的轨道巡检里程计数装置，其特征在于：所述3D摄像机为基于FPGA的智能相机，成像芯片帧率大于1000fps，分辨率不低于100万像素，成像芯片支撑开窗成像，轨道横截面测量精度不低于5mm。

7.根据权利要求1所述的基于线结构光三维扫描的轨道巡检里程计数装置，其特征在于：所述脉冲计数器通过RS232接口与计算模块通讯。

8.根据权利要求1所述的基于线结构光三维扫描的轨道巡检里程计数装置，其特征在于：所述3D摄像机与所述计算模块通过网络接口进行通信。

9.根据权利要求1所述的基于线结构光三维扫描的轨道巡检里程计数装置，其特征在于：所述3D摄像机采用移轴镜头，使线结构光平面完全位于3D摄像机成像焦平面上。

10.根据权利要求1所述的基于线结构光三维扫描的轨道巡检里程计数装置，其特征在于：所述光电编码器、脉冲计数器、成像控制器、线结构光、3D摄像机、计算机之间的电和信号连接，采用防水、防尘的航空接头进行密封和固定。