CN212540180U - 一种轨道巡检线扫描成像控制信号发生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种轨道巡检线扫描成像控制信号发生装置，该装置挂载于巡检平台上，包含标记图案、光源、成像模块、数据处理与信号发生模块、以及固定盒。通过巡检平台的旋转车轴带动标记图案转动；成像模块对标记图案成像，采用现有图像匹配方法对图像序列中相同标记图案进行匹配，计算出单位时间内标记图案位移，并由此计算巡检平台运动速度；根据运动速度和成像分辨率要求，产生对应频率的PWM波，作为线扫描控制信号。

Description

一种轨道巡检线扫描成像控制信号发生装置

技术领域

本实用新型涉及轨道交通技术领域，具体涉及一种轨道巡检线扫描成像控制信号发生装置及信号产生方法。

背景技术

轨道交通是我们交通运输的支撑产业，在国民经济发展、人民生活出行等诸多方面发挥着巨大价值。轨道作为轨道交通的基础设施，其性能状态与轨道交通运营安全密切相关。地铁经长时间运行后，由于列车行轧、地基沉降、材料老化等多种原因，轨道状态会逐渐恶化，随机出现轨距改变、钢轨断裂、扣件失效等多种病害，若不能及时发现和处理，便有可能酿成列车脱轨等重大交通事故。因此，轨道检测维护工作对于地铁安全运营管理显得尤为重要。

近年来，国内外以图像处理技术为核心的大型综合检测车在高铁建设项目中获得应用。典型产品有中国铁科院研制的“轨道状态巡检系统”、美国ENSCO公司生产的“TCIS轨道部件成像系统”、意大利MERMEC公司生产的“V-CUBE轨道检测系统”、英国Rial-Vison公司生产的“TrackImaging轨道成像系统”等。这些设备除了技术指标和部分功能外，工作原理和系统结构大同小异，都是通过在轨检车底部安装多台高速相机，连续拍摄轨道表面的序列图像，存储之后再利用计算机通过图像处理和模式识别的方法检测出其中的异常情况。

这类大型综合检测车主要用于新建线路的竣工验收以及重要干道的定期检查，在满足城市轨道交通日常巡检要求方面还存在以下突出问题：

1)综合检测巡检车数据处理时效性不强、存在安全隐患。目前，综合检测巡检车中巡检系统的数据处理方式为离线后处理，在检测结束后，由人工拷贝巡检数据，导出巡检视频，二次进行人工分析。在综合检测车实际运行中，从开始检测到拿到检测结果，约有1天延时，若出现较大或者重大缺陷则错过了第一发现时间，存在一定的安全隐患。

2)综合检测巡检车开行频次覆盖率较低。目前，综合检测巡检车每条线每月巡检频率为 1～2次，每月巡检覆盖率仅为6％，随着线网运营规模急速扩充，天窗点资源十分贫乏，天窗点时间短、计划少，综合检测巡检车开行轨道巡检难上加难，前期在10号线金花站出现轨道扣件多处弹条遗失事件，暴露出了巡检覆盖率不足带来的漏检弊端问题。

针对这些问题，中国专利CN201910331806.1提出了一种用于轨道巡检的可拆卸小车，该小车挂载视觉成像模块对轨道进行成像，可实现轨道日常巡检。但是，这种轨道巡检小车需要占用“夜间检修窗口期”。而夜间检测窗口期对轨道巡检和维修非常重要。如何实现轨道日常巡检、并且不占用夜间检修窗口期，是提升城市轨道巡检水平的重要努力方向。

为满足每日巡检需求、且不占用夜间检修窗口期，需要将专利CN201910331806.1中的视觉成像系统移植到电客车上。面向轨道巡检的视觉成像系统包括线阵摄像机或3D摄像机，参考《基于计算机视觉的车载轨道巡检系统研制》、专利201910356927.1等现有技术，这些视觉成像系统通常为线阵扫描成像系统。采用线阵扫描成像系统对钢轨表面进行2D或3D成像，一般而言，线阵扫描的成像分辨率间隔为1mm,因此，需要在电客车每移动1mm时，对轨道表面进行一次成像，这个成像过程需要一个TTL脉冲进行控制。在轨道巡检车、巡检机器人上通常采用光电编码器对车辆转动角度进行编码产生里程脉冲，用于视觉系统触发成像。

用于视觉成像控制的里程脉冲需求是:列车每移动1mm或2mm产生1个脉冲。但是，要将视觉系统挂载在日常运行的电客车上，并没有满足要求的里程脉冲信号供视觉成像系统使用，也因为安全因素或管理流程约束，通常无法在电客车上安装满足视觉成像系统里程脉冲分辨率要求的光电编码器。因此，在列车上挂载轨道可视化智能巡检系统，必须解决在不能安装光电编码器的情况下，如何获取高精度里程脉冲信号的问题。

实用新型内容

为解决背景技术中的问题，本实用新型提供了一种鲁棒的轨道巡检线扫描成像控制信号发生器。该装置在不需要安装光电编码器、不需要列车信号系统提供车体速度的情况下，即可独立地获取列车任意运动状态下、高精度里程脉冲信号。

为达到上述目的，本实用新型采用的一个技术方案为：

一种轨道巡检线扫描成像控制信号发生装置，挂载于巡检平台上，该信号发生装置包含：

标记图案，固定于所述巡检平台的车轴表面，为亮度随机变化的斑点或斑驳图案，也可称之为散斑图案；

光源，用于成像模块照明；

成像模块，由成像镜头和图像传感器组成，用于对所述标记图案进行成像；

数据处理与信号发生模块，为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式系统，与所述成像模块可通讯地连接，用于驱动所述成像模块，获取标记图案的成像图像，并对成像进行处理，计算巡检平台运动速度，产生成像控制脉冲；以及

固定盒，用于安装所述光源、成像模块和数据处理与信号发生模块，并固定于所述巡检平台底部。

进一步的，所述成像模块的成像光轴与所述巡检平台的车轴中轴线垂直，优选地，成像光轴穿过车轴中心。

进一步的，所述成像模块为线阵摄像机，由成像镜头和线阵图像传感器组成；或

为面阵摄像机，由成像镜头和面阵图像传感器组成。

进一步的，所述线阵摄像机采样频率为10-120KHz。

本实用新型的轨道巡检线扫描成像控制信号发生装置的信号产生方法包含：巡检平台的车轴带着标记图案转动；成像模块对转动的标记图案成像得到图像序列；以及数据处理与信号发生模块接收图像序列，处理后获得所述巡检平台的运动速度，根据巡检平台运动速度和成像分辨率要求，产生对应频率的PWM波，输出为线扫描控制信号。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1.本实用新型采用了一种非接触的、车辆运动速度测量方法，通过在转动的车轴上设置标记图案，通过光电成像传感器拍摄标记图案，再通过现有图像匹配方法计算车轴转动位移，根据车轴与车轮直径比例关系，计算车辆运动速度。本实用新型使用的标记图案为散斑图案，相比某些基于特定图案形状的位移测量方法，散斑图案具有天然的抗污染能力，不会受到露天污染干扰，确保测量系统稳定正常工作。

2.本实用新型使用了线阵图像传感器，具有很高的采样率，可快速分辨高速转动车轴的变化，实现极小位移高分辨率测量。

3.本实用新型使用了面阵图像传感器，可消除振动引起的位置偏差。

附图说明

图1为本实用新型实施例信号发生器的结构示意图；

图2为实施例3中拍摄图像中某两行像素的亮度曲线图；

图3为实施例5中据NCC方法计算的车轴转动弧长速度曲线图；

其中，1-巡检平台，2-车轮，3-车轴，4-标记图案，5-成像模块，6-数据处理与信号发生模块，7-固定盒，8-光源，9-光源照射平面，10-成像平面，11-车轴中轴线。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

本实用新型实施例中面阵摄像机和线阵摄像机的成像图像分别为面阵图像和线阵图像，均用帧表示，面阵图像表示为w*h，h＞1，线阵图像表示为w*h，h＝1；其中，w为图像宽度， h为图像高度。

实施例1

一种轨道巡检平台线扫描成像控制信号发生装置，结构示意图如图1所示，挂载于巡检平台1上，该信号发生装置包含：

标记图案4，固定于所述巡检平台的车轴3表面，为亮度随机变化的斑点或斑驳图案，也可称之为散斑图案；

光源8，用于成像模块照明；

成像模块5，由成像镜头和图像传感器组成，用于对所述标记图案进行成像，成像模块5 的成像光轴与所述巡检平台的车轴中轴线11垂直，且成像光轴穿过车轴3中心；

数据处理与信号发生模块6，为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式系统，与所述成像模块可通讯地连接，用于驱动所述成像模块，获取标记图案的成像图像，并对成像图像进行处理，计算巡检平台运动速度，产生成像控制脉冲；以及

固定盒7，用于安装所述照明光源、成像模块和数据处理与信号发生模块，并固定于所述巡检平台底部。

本实施例中，成像模块5为线阵摄像机，由成像镜头和线阵图像传感器组成；线阵摄像机成像平面10与车轴3中轴线垂直，成像平面10对散斑图案进行单行采样，得到一行图像，当车轴3转动时，带动散斑图案转动，该散斑图案在成像平面内的投影，也跟随转动。当车轴带着标记图案旋转时，线阵图像中的条纹，也跟随着发生转动，因此，可以通过图像中相邻像素行的匹配，找到条纹的平移距离，实现车轴转动弧长的测量,如图2、3所示。

基于本实用新型信号发生装置的设备，采用现有信号处理技术，可获取线扫描控制信号，具体现有技术如下：

线阵摄像机以固定频10-120KHz对散斑图案进行单行成像得到图像序列，对图像序列中相邻像素行进行搜索匹配，计算出偏移量，再根据线阵摄像机的成像模型，换算成实际物理尺寸，即可计算出单位时间内车轴运动弧长，根据车轴与车轮直径比例关系，即可计算出巡检平台行驶速度，再根据巡检平台行驶速度，和线阵扫描成像系统分辨率需求，产生相应频率的脉冲信号作为线扫描控制信号。

实施例2

与实施例1相比，本实施例中成像模块5为面阵摄像机，由成像镜头和面阵图像传感器组成。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种轨道巡检线扫描成像控制信号发生装置，挂载于巡检平台上，其特征在于，该信号发生装置包含：

标记图案，固定于所述巡检平台的车轴表面，为亮度随机变化的斑点或斑驳图案；

光源，用于成像模块照明；

成像模块，由成像镜头和图像传感器组成，用于对所述标记图案进行成像；

数据处理与信号发生模块，为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式系统，与所述成像模块可通讯地连接，用于驱动所述成像模块，获取标记图案的成像图像，并对成像图像进行处理，计算巡检平台运动速度，产生成像控制脉冲；以及

固定盒，用于安装所述光源、成像模块和数据处理与信号发生模块，并固定于所述巡检平台底部。

2.如权利要求1所述的一种轨道巡检线扫描成像控制信号发生装置，其特征在于，所述成像模块的成像光轴与所述巡检平台的车轴中轴线垂直。

3.如权利要求1或2所述的一种轨道巡检线扫描成像控制信号发生装置，其特征在于，所述成像模块为线阵摄像机，由成像镜头和线阵图像传感器组成；或

为面阵摄像机，由成像镜头和面阵图像传感器组成。

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