基于单目视觉的接触网导高和拉出值检测装置及方法与流程

本发明涉及一种用于电气化铁路进行接触网导高和拉出值参数检测的装置和方法，属于参数检测技术领域。

背景技术：

电气化铁路施工和运营维护中，需要对接触网导高及拉出值参数进行测量。目前铁路供电维护基层单位和电气化铁路施工单位进行接触网参数测量采用的主要方式有：

(1)借助几何测量工具的人工测量方式。采用绝缘测杆、线坠、米尺等工具进行测量，外界环境(如风速)影响大，测量精度低，需多人配合，效率低。

(2)基于激光测距技术结合相机瞄准的测量。中国专利文献zl200510045433.x公开了《一种基于摄像头的电气化铁路接触网测量瞄准方法》，使用相机进行目标瞄准、使用激光进行测量的接触网测量装置，实施时需要相机光轴与激光轴严格同轴，安装要求高，成本高；

(3)基于两个固定安装相机的双目视觉测量。中国专利文献cn107560551a公开了一种《接触网几何参数检测方法及系统》，在手推小车上设置用于形成光幕靶的光源和两个固定的相机，利用两个相机拍摄光幕靶中接触线图片，基于获取的接触线的图片利用三角函数计算接触线的导高和拉出值。该专利使用了两个固定的相机且需要设置光源，成本高。

由于接触网的导高和拉出值对列车的行驶起着至关重要的作用，而现有的测量技术又存在诸多不足，因此亟需一种测量精度高、效率高的测量方法取代现有技术。

技术实现要素：

本发明针对现有电气化铁路接触网的导高及拉出值参数检测技术存在的不足，提供一种检测精度高、结构简单的基于单目视觉的接触网导高和拉出值检测装置，同时提供该装置的检测方法。

本发明的基于单目视觉的接触网导高和拉出值检测装置，采用以下技术方案：

该检测装置，包括测量车平台、测距传感器、相机位置移动平台、单目视觉相机、控制器和人机界面，相机位置移动平台安装在测量车平台上，单目视觉相机安装于相机位置移动平台上，相机位置移动平台上设置有位移传感器，相机位置移动平台、单目视觉相机、测距传感器、位移传感器和角度传感器均与控制器连接，人机界面安装在测量车平台上并与控制器连接；

所述测量车平台，是一个在铁路轨道上推行的三轮平台，平台上端面与左右轨道上端面平行，底部设置有两个左轮和一个右轮，右轮的安装轴上设置推动右轮轴向移动的弹簧；两个左轮前后分布，在左轨道上运行；右轮在右轨道上运行，靠弹簧推力轴向移动，使左轮与右轮与左右轨道的内端面紧密接触。

所述测距传感器安装于测量车平台下部，用于测量测距传感器端面到右侧轨道内端面的距离。

所述测量车平台上端面设置有用于相机位置移动平台左右移动的导轨，导轨平行铁路轨道的端面。

所述相机位置移动平台沿着固定于测量车平台上面的导轨相对测量车平台左右平动，左右平动位移大小通过所述位移传感器测量。

所述单目视觉相机是一个高像素分辨率的定焦相机，安装于相机位置移动平台上部，光轴方向垂直于测量车平台上面的导轨。

所述控制器采集单目视觉相机、测距传感器以及相机位置移动平台位移传感器的信息，控制相机位移调整平台移动，计算导高和拉出值。

所述人机界面是触摸液晶屏，液晶屏在光轴成像位置显示用于瞄准的十字丝和单目视觉相机的图像，另外用于显示拉出值和导高，并接受触操作人员控制相机位置移动平台运动的指令。

上述装置对接触网导高和拉出值的检测方法，包括以下步骤：

(1)根据单目视觉相机传感器物理尺寸和单目视觉相机像素数量，确定每像素代表的物理尺寸c；

(2)通过人机界面设置待测线路使用的接触网的直径a；

(3)沿轨道推动测量车平台到待测接触网下方；

(4)通过测量车平台前后运动和控制相机移动平台在测量车上左右移动，使人机显示界面显示的用于瞄准十字丝对准接触网的待测目标点；

(5)控制器根据距离传感器测量的距离传感器端面到右侧轨道内端面的距离l3，计算轨距lg＝l2+l3，其中l2是左侧轨道的内端面到距离传感器4的端面的距离(为常数)；

(6)控制器根据相机位置移动平台上位移传感器测得的数据l以及轨距lg，计算接触网的拉出值m＝l+l4-lg/2，其中l4位移传感器端面到单目相机光轴的距离(为常数)；

(7)控制器利用接触网径向成像后的像素数量n和步骤(1)中获得的每像素代表的实际尺寸c，计算接触网径向成像后的物理尺寸a＝n×c；

(8)利用单目视觉相机的焦距f、步骤(2)获得的待测接触网直径a和步骤(7)获得的接触网成像物理尺寸a，通过相机成像模型(现有公知技术)计算接触网上待测量点到相机光心的距离毫米，然后计算导高h＝h1+h2，h1是轨道上端面到相机光心的距离(为常数)；

(9)在人机界面上完成拉出值和导高的显示。

本发明充分利用待测接触网的直径信息，只采用一个相机，不需要辅助光源，不涉及复杂的图像处理方法，结构和算法简单，操作容易。

附图说明

图1为本发明基于单目视觉的接触网导高和拉出值检测装置的结构示意图。

图2为本发明装置的结构框图。

图3为本发明装置的工作示意图。

图4为单目视觉相机的成像原理示意图。

图5为本发明中十字丝对准接触网目标点时的成像示意图。

图中：1.单目视觉相机，2.相机位置移动平台，3.测量车平台，4.距离传感器，5.接触网，6.左轮，7.右轮，8.位移传感器，9.导轨；10.左侧轨道；11.右侧轨道；12.瞄准接触网测量目标后人机界面中显示的接触网的图像。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的基于单目视觉的接触网导高和拉出值检测装置，包括测量车平台3、测距传感器4、相机位置移动平台2、单目视觉相机1、控制器和人机界面。测量车平台3上端面设置有用于相机位置移动平台2左右移动的导轨9，导轨9平行于左右轨道(左侧轨道10和右侧轨道11)的上端面。

相机位置移动平台2安装在测量车平台3上面的导轨9上，单目视觉相机1安装于相机位置移动平台2上，相机位置移动平台2上设置有位移传感器8，相机位置移动平台2、单目视觉相机1、测距传感器4、位移传感器8均与控制器连接，人机界面安装在测量车平台上部并与控制器连接。

测量车平台3是一个在铁路左侧轨道10和右侧轨道11上推行的三轮平台，带有手推杆。测量车平台3的底部设置有两个左轮6和一个右轮7。右轮7的安装轴上设置推动右轮轴向移动的弹簧。两个左轮6前后分布，在左侧轨道10上运行，两个左轮相对于测量车平台3轴向位置固定，只能转动不能产生轴向移动。右轮7在右侧轨道11上运行，既能转动又能靠弹簧作用向右轴向移动，使左右轮与两侧轨道内端面紧密接触。

测距传感器4安装于测量车平台3下部，用于测量测距传感器4端面到右侧轨道11内端面的距离。

相机位置移动平台2是一个可沿着导轨9相对测量车平台3左右平动的部件，左右平动位移大小通过位移传感器8测量，优选的采用伺服电机驱动相机位置移动平台2进行运动，使用激光传感器作为位移传感器8。

单目视觉相机1是一个高像素分辨率的定焦相机，优选的像素不低于500万，尺寸不少于1/2英寸，安装于相机位置移动平台2的上部，光轴方向垂直于导轨9，单目视觉相机1的成像原理如图4所示。

控制器优选的采用高性能的32位arm处理器，采集单目视觉相机1、测距传感器4以及相机位置调整平台位移传感器8的信息，控制相机位移调整平台2移动，计算导高和拉出值。

人机界面是具备触摸功能的高分辨率液晶屏，液晶屏在光轴成像位置显示用于瞄准的十字丝和单目视觉相机1的图像，另外用于显示拉出值和导高，并接受触操作人员控制相机位置移动平台2运动的指令。图5给出了人机界面上显示的十字丝对准接触网目标点以后的接触网的图像12。

上述装置在检测前需要做如下的标定和设置：

(1)根据单目视觉相机1的传感器物理尺寸(假定长宽都为s毫米)和像素数量(假定长宽方向都为m个)，确定每像素代表的物理尺寸毫米。

(2)通过人机界面设置待测线路使用的接触网5的直径,假设为a毫米。

参见图3，现场测量时需要做如下步骤：

(3)沿左侧轨道10和右侧轨道11推动测量车平台3到待测接触网下方；

(4)通过手推式测量车平台3前后运动和控制相机移动平台2左右移动，使图5中人机显示界面显示的瞄准十字丝对准接触网上的待测目标点，如图3所示。

(5)控制器根据距离传感器4测量的距离传感器端面到右侧轨道11内端面的距离l3，计算轨距lg＝l2+l3，其中l2是左侧轨道10的内端面到距离传感器4的端面的距离，为常数；

(6)控制器根据相机位置移动平台2上位移传感器8测得的数据l以及轨距lg，计算接触网的拉出值m＝l+l4-lg/2，其中l4位移传感器8端面到单目相机光轴的距离，为常数；

(7)控制器利用接触网径向成像后的像素数量n和步骤(1)中获得的每像素代表的实际尺寸c，计算接触网径向成像后的物理尺寸a＝n×c；

(8)利用已知的单目视觉相机1的焦距f、步骤(2)获得的待测接触网直径a和步骤(7)获得的接触网成像物理尺寸a,通过现有公知的相机成像模型，如图4，计算接触网上待测量点到相机光心o1点的距离毫米，导高h＝h1+h2毫米,h1是轨道上端面到单目视觉相机1光心的距离，为常数；

(9)在人机界面上完成拉出值m和导高h的显示。