CN209624408U - 一种轻量化轨道二维与三维融合成像装置 - Google Patents

Abstract

为获取轨道巡检所需的二维与三维数据，本实用新型公开一种轻量化轨道二维与三维融合成像装置。它由片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元和外壳组成，其中片光发生器采用多通道光纤激光器作为光源，通过多路线结构光拼接产生片光，同时供线阵成像单元、3D成像单元使用；所产生的片光与线阵成像单元的线阵成像平面共面；3D成像单元由3D摄像机和反射镜组成，反射镜用于遮挡3D成像光路，缩小设备尺寸，最终实现小尺寸、轻质量的轨道二维与三维融合成像装置，可应用于轨道巡检小车上，为日常轨道巡检提供轨道表面二维图像与三维形貌数据。

Description

一种轻量化轨道二维与三维融合成像装置

技术领域

本实用新型涉及一种铁路基础设施检测领域的设备，具体指一种轻量化轨道二维与三维融合成像装置。

背景技术

铁路是国家运输大动脉，在国民经济、国民出行、国防运输等诸多领域发挥着重大价值。轨道是铁路运输的基础设施，轨道由道床系统、钢轨系统、扣件系统组成。轨道在长期运行过程中，钢轨系统会裂纹、龟裂等缺陷，扣件系统会产生螺栓松动、弹条断裂、弹条脱落等缺陷，道床系统会存在裂纹、断裂等缺陷。在地铁中，道床系统还存在道床异物(乘客遗漏的物品：手机、水瓶等)、道床积水、道床板结等问题。

为保证列车运行安全，必须对轨道系统进行安全巡检，目前受技术限制，多采用人工巡检。在人工巡检过程中，受人为因素干扰，难以准确、客观地查找缺陷，且检测效率低、成本高。

近期，有学者尝试将线阵扫描成像技术应用于轨道巡检中，通过获取的扣件纹理图像进行扣件缺陷检测。但是，在二维纹理图像上，很难有效判定螺栓松动、道床异物等缺陷。为此，本实用新型拟将三维成像技术应用于轨道可视化巡检中，同时获取轨道全断面二维与三维图像，基于二维与三维图像对轨道病害进行检测，将大幅提升检测的准确性和鲁棒性。

在地铁行业中，需要每天对轨道状态进行巡查。若在现有轨检车基础上加装二维与三维成像设备，对轨道进行二维与三维成像，则存在轨检车不能每天频繁使用的问题。为此，未来基于小型化轨道巡检机器人，挂载轻量化轨道巡检设备，是有效解决地铁等行业中日常巡检需求的有效方式。然而，对于小型化轨道巡检机器人，受设备功率和驱动能力限制，难以安装大尺寸、大质量巡检设备，为此，迫切需要小尺寸、轻量化的小型二维与三维融合成像装置。

实用新型内容

为了解决未来小型化轨道巡检机器人无法或难以安装大尺寸巡检设备的问题，本实用新型提供一种轻量化轨道二维与三维融合成像装置。

本实用新型的技术方案是：该装置由片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元、支撑装置和外壳组成；所述片光发生器用于产生片光P，片光P的宽度不小于2.5m，厚度不超过1mm；所述片光发生器由n1个线结构光共面排布，实现照射区域的拼接，n1的取值范围为3-100；所述片光P与轨道纵向、轨道路面垂直，为线阵成像单元提供照明，为3D成像单元提供线结构光；所述线结构光为单波长点激光器和柱面扩束镜产生，点激光器用于产生点光源，柱面扩束镜用于将点光源扩束为线结构光；所述线阵成像单元由n2个线阵摄像机组成，n2个线阵摄像机的成像平面共面、且成像平面与轨道纵向、轨道路面垂直，成像区域覆盖整个轨道表面，以对轨道表面进行线阵扫描成像，n2的取值范围为3-10；所述线阵成像单元的成像平面与片光P平面共面；所述3D成像单元由n3个3D摄像机、n3个反射镜组成，n3的取值范围为3-10；所述3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式图像处理系统，具有3D 线结构光测量功能，直接拍摄片光P的光条图像，计算并输出轨道3D剖面测量值；所述反射镜位于3D摄像机的成像光路上，用于对成像光路进行折叠，以缩短3D成像单元沿轨道纵向的长度；所述3D成像单元成像光轴与片光P的角度为a，a的取值范围为20-80度；所述片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元相对位置固定，刚性固定在支撑装置上；所述外壳为方形盒，固定在支持装置上，外壳密封，可防尘、防潮，外壳顶部设有翅片，用于设备散热，外壳底部在片光发生器出光口、线阵成像单元入光口、3D成像单元入光口位置处设有光线观察窗；所述激光器、线阵摄像机和3D摄像机通过导热结构与外壳连接；所述线结构光的激光器、线阵摄像机、3D摄像机的供电接口与通信接口，汇总后从外壳侧面引出，引出接口为多芯防水航空插头。

进一步，片光发生器由5个线结构光共线排布而成，其中4个线结构光位于两根钢轨上方两侧，1个线结构光位于轨道中心正上方。

进一步，线阵成像单元由3个线阵摄像机组成，其中2个线阵摄像机位于钢轨正上方，1 个线阵摄像机位于轨道中心正上方，3个线阵摄像机成像区域存在重叠、且完全覆盖整个轨道表面。

进一步，片光发生器中的5个线结构光和线阵成像单元中的3个线阵摄像机共线放置，使3个线阵摄像机的成像平面与5个线结构光平面共面。

进一步，3D成像单元由3个3D摄像机、3个反射镜组成，其中2个3D摄像机、2个反射镜位于钢轨正上方，1个3D摄像机、1个反射镜位于轨道中心正上方，3个3D摄像机成像区域存在重叠、且完全覆盖整个轨道表面。

进一步，片光发生器中线结构光激光器为高功率近红外激光器，波长范围为700-1000nm，并在线阵摄像机、3D摄像机前端加装对应波长的窄带滤光片。

进一步，外壳为轻质材料，优选地选择铝合金材料；所述支撑装置为轻质、高刚度材料，优选地选择航空铝材；所述导热结构高导热材料，优选地选择为铜或石墨烯；所述导热结构与激光器、线阵摄像机和3D摄像机之间的接触面填充导热剂，所述导热结构与外壳之间的接触面填充导热剂，所述外壳顶部的翅片与外壳接触面填充导热剂，优选地，选择硅油作为导热剂。

进一步，外壳材料为铝合金，支撑装置材料为航空铝材，导热结构材料为铜或石墨烯，导热剂为硅油。

进一步，供电接口和通信接口分开引出，以避免电源对通信信号产生干扰。

所述线阵成像单元、3D成像单元可接受外部触发脉冲信号，沿轨道纵向平移，可实现轨道全断面二维与三维成像扫描。

进一步，n1个线结构光所需点光源由外置的多通道光纤激光器产生，再由光纤经外壳上的航空插头导入，所用航空插头具有光纤通道；所述多通道光纤激光器的通道数大于n1，所用光纤数量为n1，多通道光纤激光器与整个成像装置分离放置。

进一步，片光P的波长b位于线阵摄像机和3D摄像机的光谱响应曲线中高量子效率区域内。

将线阵摄像机、3D摄像机、线结构光中用于调节焦距、光圈等活动部件锁死，防止设备工作过程中镜头松动、焦距或光圈变化。

本实用新型有益效果：1)可实现轨道全断面二维与三维成像，同时获取轨道全断面的钢轨系统、扣件系统、道床系统纹理图像与三维图像；2)本实用新型，只采用一个片光P，同时给线阵成像单元和3D成像单元使用，且片光P与线阵成像平面共面，可使线阵成像单元拍摄的线阵图像与3D成像单元获取的三维数据在沿轨道纵向方向上对齐，有利于简化二维与三维数据融合处理复杂度；3)本实用新型，3D成像单元采用反射镜进行光路折叠，可有效缩短成像装置沿轨道纵向上长度，减小设备尺寸、减轻设备重量，降低小型化轨道巡检车的载荷需求。因此，这种小型化成像系统，可方便搬运，可安装在低功率的轨道巡检小车上，也方便设备的拆卸。

附图说明

图1本实用新型成像装置组成示意图；

图2 3个线结构光拼接示意图；

图3 3D摄像机与反射镜、线结构光位置关系图；

图4 3D摄像机、反射镜和线阵摄像机在轨道上方布局俯视图；

图5 5个线结构光拼接示意图；

图6基于光纤激光器产生片光示意图；

图中，1、片光发生器，2、线阵成像单元，3、3D成像单元，4、支撑装置，5、外壳，6、钢轨，7、线结构光，8、反射镜，9、3D摄像机，10、线阵摄像机，11、扩束镜，12、光纤激光器，13、光纤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本实用新型进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本实用新型二维与三维成像装置由片光发生器1、线阵成像单元2、3D成像单元3、支撑装置4和外壳5组成。所述片光发生器1用于产生片光P，片光P的宽度不小于2.5m，厚度不超过1mm。如图2所示，片光发生器1由n1个线结构光7共面排布，实现照射区域的拼接，n1＝3。片光P与轨道纵向、轨道路面垂直，为线阵成像单元提供照明，为 3D成像单元提供线结构光。线结构光7为单波长点激光器和柱面扩束镜产生，点激光器用于产生点光源，柱面扩束镜用于将点光源扩束为线结构光。线阵成像单元由n2个线阵摄像机组成，n2个线阵摄像机的成像平面共面、且成像平面与轨道纵向、轨道路面垂直，成像区域覆盖整个轨道表面，以对轨道表面进行线阵扫描成像，n2＝3。线阵成像单元的成像平面与片光 P平面共面；3D成像单元由n3个3D摄像机、n3个反射镜组成，n3＝3。3D摄像机为基于FPGA 的嵌入式图像处理系统，自带3D线结构光算法(相关算法参考论文《吴庆阳.线结构光三维传感中关键技术研究[D].四川大学,2006.》)，直接对拍摄的片光P的光条图像进行处理，计算轨道3D剖面测量值。如图3所示，反射镜8位于3D摄像机9的成像光路上，用于对成像光路进行折叠，以缩短3D成像单元沿轨道纵向的长度。3D成像单元3的成像光轴与片光 P的角度为a，a＝60度。片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元相对位置固定，刚性固定在支撑装置上。外壳为方形盒，固定在支持装置上，外壳密封，可防尘、防潮，外壳顶部设有翅片，用于设备散热，外壳底部在片光发生器出光口、线阵成像单元入光口、3D成像单元入光口位置处设有光线观察窗。激光器、线阵摄像机和3D摄像机通过导热结构与外壳连接。激光器、线阵摄像机、3D摄像机的供电接口与通信接口，汇总后从外壳侧面引出，引出接口为多芯防水航空插头。

如图4所示，线阵成像单元中，2个线阵摄像机10-1、10-3位于钢轨6正上方，1个线阵摄像机10-2位于轨道中心正上方，3个线阵摄像机成像区域存在重叠、且完全覆盖整个轨道表面；3D成像单元中，2个3D摄像机9-1、9-3，2个反射镜8-1、8-3位于钢轨正上方，1 个3D摄像机9-2、1个反射镜8-2位于轨道中心正上方，3个3D摄像机成像区域存在重叠、且完全覆盖整个轨道表面。

外壳为铝合金材料，支撑装置为航空铝材。导热结构铜质异性构件、直接与激光器、线阵摄像机、3D摄像机固连。导热结构与外壳之间连接。翅片为铝合金材料紧贴外壳顶部。

在导热结构与发热器件(激光器、线阵摄像机、3D摄像机)接触面、导热结构与外壳接触面、翅片与外壳接触面中填充硅油，用于导热。

将线阵摄像机、3D摄像机、线结构光中用于调节焦距、光圈等活动部件锁死，防止设备工作过程中镜头松动、焦距或光圈变化。

供电接口和通信接口分开引出，以避免电源对通信信号产生干扰。

线阵成像单元、3D成像单元可接受外部触发脉冲信号，沿轨道纵向平移，可实现轨道全断面二维与三维成像扫描。

实施例2

与实施例1不同之处在于，如图5所示，片光发生器1由5个线结构光7共面排布，实现照射区域的拼接，其中4个线结构光位于两根钢轨上方两侧，1个线结构光位于轨道中心正上方。片光发生器中的5个线结构光和线阵成像单元中的3个线阵摄像机共线放置，使3个线阵摄像机的成像平面与5个线结构光平面共面。与实施例1中采用3个线结构光共面排布相比，可消除钢轨顶部对钢轨底部表面区域的遮挡干扰。

实施例3

与实施例2不同之处在于，片光发生器中激光器为高功率近红外激光器，波长范围为 700-1000nm，并在线阵摄像机、3D摄像机前端加装对应波长的窄带滤光片。

实施例4

与实施例3不同之处在于，片光P的波长b位于线阵摄像机和3D摄像机的光谱响应曲线中高量子效率区域内。

实施例5

与实施例2不同之处在于，如图6所示，片光发生器由5个扩束镜11和1台光纤激光器 12组成，光纤激光器产生的光源，通过5根光纤13引入5个扩束镜，进行扩束形成5个线结构光7，并使5个线结构光共面。光纤激光器与成像装置分离放置。光纤接入光纤航空插头，把光纤导入片光发生器中。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应该被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种轻量化轨道二维与三维融合成像装置，其特征在于，由片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元、支撑装置和外壳组成；

所述片光发生器用于产生片光P，片光P的宽度不小于2.5m，厚度不超过1mm；

所述片光发生器由n1个线结构光共面排布，实现照射区域的拼接，n1的取值范围为3-100；

所述片光P与轨道纵向、轨道路面垂直，为线阵成像单元提供照明，为3D成像单元提供线结构光；

所述线结构光为单波长点激光器和柱面扩束镜产生，点激光器用于产生点光源，柱面扩束镜用于将点光源扩束为线结构光；

所述线阵成像单元由n2个线阵摄像机组成，n2个线阵摄像机的成像平面共面、且成像平面与轨道纵向、轨道路面垂直，成像区域覆盖整个轨道表面，以对轨道表面进行线阵扫描成像，n2的取值范围为3-10；

所述线阵成像单元的成像平面与片光P平面共面；

所述3D成像单元由n3个3D摄像机、n3个反射镜组成，n3的取值范围为3-10；

所述3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式图像处理系统，具有3D线结构光测量功能，直接拍摄片光P的光条图像，计算并输出轨道3D剖面测量值；

所述反射镜位于3D摄像机的成像光路上，用于对成像光路进行折叠，以缩短3D成像单元沿轨道纵向的长度；

所述3D成像单元成像光轴与片光P的角度为a，a的取值范围为20-80度；

所述片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元相对位置固定，刚性固定在支撑装置上；

所述外壳固定在支持装置上，外壳密封，可防尘、防潮，外壳顶部设有翅片，用于设备散热，外壳底部在片光发生器出光口、线阵成像单元入光口、3D成像单元入光口位置处设有光线观察窗；

所述激光器、线阵摄像机和3D摄像机通过导热结构与外壳连接；

所述线结构光的激光器、线阵摄像机、3D摄像机的供电接口与通信接口，汇总后从外壳侧面引出，引出接口为多芯防水航空插头。

2.根据权利要求1所述的一种轻量化轨道二维与三维融合成像装置，其特征在于，所述片光发生器由5个线结构光共线排布而成，其中4个线结构光位于两根钢轨上方两侧，1个线结构光位于轨道中心正上方。

3.根据权利要求1所述的一种轻量化轨道二维与三维融合成像装置，其特征在于，所述线阵成像单元由3个线阵摄像机组成，其中2个线阵摄像机位于钢轨正上方，1个线阵摄像机位于轨道中心正上方，3个线阵摄像机成像区域存在重叠、且完全覆盖整个轨道表面。

4.根据权利要求3所述的一种轻量化轨道二维与三维融合成像装置，其特征在于，所述片光发生器中的5个线结构光和线阵成像单元中的3个线阵摄像机共线放置，使3个线阵摄像机的成像平面与5个线结构光平面共面。

5.根据权利要求4所述的一种轻量化轨道二维与三维融合成像装置，其特征在于，所述3D成像单元由3个3D摄像机、3个反射镜组成，其中2个3D摄像机、2个反射镜位于钢轨正上方，1个3D摄像机、1个反射镜位于轨道中心正上方，3个3D摄像机成像区域存在重叠、且完全覆盖整个轨道表面。

6.根据权利要求5所述的一种轻量化轨道二维与三维融合成像装置，其特征在于，所述片光发生器中线结构光激光器为高功率近红外激光器，波长范围为700-1000nm，并在线阵摄像机、3D摄像机前端加装对应波长的窄带滤光片。

7.根据权利要求1所述的一种轻量化轨道二维与三维融合成像装置，其特征在于，所述外壳为轻质材料；所述支撑装置为轻质、高刚度材料；所述导热结构为高导热材料；所述导热结构与激光器、线阵摄像机和3D摄像机之间的接触面填充导热剂，所述导热结构与外壳之间的接触面填充导热剂，所述外壳顶部的翅片与外壳接触面填充导热剂。

8.根据权利要求7所述的一种轻量化轨道二维与三维融合成像装置，其特征在于，所述外壳材料为铝合金材料；所述支撑装置材料为航空铝材；所述导热结构材料为铜或石墨烯；所述导热剂为硅油。

9.根据权利要求1所述的一种轻量化轨道二维与三维融合成像装置，其特征在于，所述片光P的波长b位于线阵摄像机和3D摄像机的光谱响应曲线中高量子效率区域内；所述线阵成像单元、3D成像单元可接受外部触发脉冲信号，沿轨道纵向平移，可实现轨道全断面二维与三维成像扫描。

10.根据权利要求1所述的一种轻量化轨道二维与三维融合成像装置，其特征在于，所述n1个线结构光所需点光源由外置的多通道光纤激光器产生，再由光纤经外壳上的航空插头导入，所用航空插头具有光纤通道；所述多通道光纤激光器的通道数大于n1，所用光纤数量为n1，多通道光纤激光器与整个成像装置分离放置。