一种2d钢轨轮廓智能检测系统
技术领域
1.本发明属于轮廓检测领域，具体涉及一种2d钢轨轮廓智能检测系统。
背景技术：
2.2017“传感器及智能化系统应用国际高峰论坛”统计资料显示，我国2d传感器行业发展落后，国内传感器需求尤其是高端需求严重依赖进口，国产化缺口巨大，目前传感器进口占比80％，传感器芯片进口占比达90％。其中数字化、智能化、微型化等高新技术产品严重短缺。国家重大装备所需高端产品主要依赖进口，而涉及国家安全和重大工程所需的传感器及智能化仪器仪表，国外对我国往往采取限制。
3.目前，便携式2d钢轨轮廓智能传感器国内还未见类似产品销售，国外只有德国、日本、奥地利、英国和瑞典有同类产品，但是他们的产品价格昂贵，同时他们的产品是基于dos操作系统，全是英文界面，价格昂贵，国内用户使用、维护和售后不方便。国内传感器厂商中，民营或合资企业的产品占据了中低端市场，除个别厂家在个别品种方面将国外生产的传感器拿到国内封装、系统集成，占据了一定市场份额外，其他高端产品均是国外厂商在垄断。国内仍然一片空白，100％依赖于进口。
4.因此我们有必要研发出一种便携式2d钢轨轮廓智能传感器产品，以集成化、智能化和机器视觉技术为依托，能取代目前钢轨磨损检测中的人工卡尺方法，降低人工成本；预计能达到超过国外同类产品的先进水平，打破国外垄断，替代国外价格昂贵、英文界面、保养维护麻烦的同类产品，为公司在市场竞争日益残酷的环境下抢得先机，占领相关领域的市场。
技术实现要素：
5.本发明提供的一种2d钢轨轮廓智能检测系统，用于检测钢轨轮廓的磨损变形，结构简单，测量精准，便于操作，集成化高，具有很高的市场价值。
6.本发明提供的一种2d钢轨轮廓智能检测系统，包括：红色线型激光光源，用于垂直照射在被测钢轨表面上与被测钢轨表面相交成一条线；红光敏感ccd元件，用于接收红色线型激光光源照射在被测钢轨表面的反射光；微处理器，采用三角测距法计算出每个感光点与被测钢轨表面的距离并提取被测钢轨表面轮廓，之后将提取的被测钢轨表面轮廓与预设轮廓比对；显示器，用于显示提取的被测钢轨表面轮廓与预设轮廓的比对画面。
7.作为本发明的进一步优化，红光敏感ccd元件驱动电路设计采用fpga可编程阵列，包括驱动时序产生电路、电源变换电路和驱动器电路；驱动时序产生电路向红光敏感ccd元件提供时序脉冲；电源变换电路向红光敏感ccd元件提供直流偏置电压；驱动器电路用来提高驱动时序的驱动能力。
8.作为本发明的进一步优化，还包括采用相关双采样电路，用于消除红光敏感ccd元件输出夹杂的噪声。
9.作为本发明的进一步优化，还包括一种红色信号提取方法，包括如下步骤：
10.a1：将图像从rgb颜色空间转化成hsv颜色空间，并量化成若干个bins；
11.a2：比较不同图像颜色集之间的距离和色彩区域的空间关系，用色彩自动分割技术将图像分为若干区域；
12.a3：每个区域用量化颜色空间的某个颜色分量来索引，将图像表达为一个二进制的颜色索引集；
13.a4：比较不同颜色集之间的距离和色彩区域的空间关系进行图像匹配。
14.作为本发明的进一步优化，还包括外围电路。
15.作为本发明的进一步优化，外围电路包括电源管理模块、时钟模块、闪存flash、随机存储器ram和只读存储器rom。
16.作为本发明的进一步优化，还包括外部设备。
17.作为本发明的进一步优化，外部设备包括通信接口usb和zigbee无线传输电路。
18.作为本发明的进一步优化，还包括轮廓图像处理方法：依次采用图像平滑处理模块、图像锐化处理模块、图像二值化处理模块、图像细化处理模块、图像自动修整处理模块和图像中心线提取模块对图像轮廓进行处理。
19.作为本发明的进一步优化，还包括一种检测钢轨轮廓的方法，包括如下步骤：
20.b1：红色线型激光光源垂直照射在被测钢轨左半边表面上与被测钢轨左半边表面相交成一条线；
21.b2：红光敏感ccd元件接收红色线型激光光源照射在被测钢轨左半边表面的反射光；
22.b3：微处理器采用三角测距法计算出每个感光点与被测钢轨左半边表面的距离并提取被测钢轨左半边表面轮廓；
23.b4：红色线型激光光源垂直照射在被测钢轨右半边表面上与被测钢轨右半边表面相交成一条线；
24.b5：红光敏感ccd元件接收红色线型激光光源照射在被测钢轨右半边表面的反射光；
25.b6：微处理器采用三角测距法计算出每个感光点与被测钢轨右半边表面的距离并提取被测钢轨右半边表面轮廓；
26.b7：微处理器缝合钢轨左右半边表轮轮廓并与预设轮廓比对；
27.b8：将b7的对比结果在显示器上显示出来。
28.本发明具有以下有益效果：
29.本发明以机器视觉技术为核心，将红光敏感ccd控制技术、ccd高频噪声消除技术、红光信号提取技术以及钢轨轮廓二维坐标获取技术应用到发明中，结合嵌入式系统和图像处理算法，实现产品的高精度、集成化和智能化，能达到超过国外同类产品的先进水平。本发明以集成化、智能化和机器视觉技术为依托，能取代目前钢轨磨损检测中的人工卡尺方法，降低人工成本。本发明所采用的元器件占用体积小，做成产品后便于携带。
30.本发明应用于铁路钢轨磨损情况检测，适用于以下情况：
31.(1)铁路线路调查单位使用。随时利用本发明检测运营中的钢轨磨损情况，为制定钢轨保养、修复提供依据。
32.(2)铁路钢轨维护施工单位使用。在进行钢轨维护时，需要用本发明检查现场钢轨
的磨损情况判断如何对钢轨进行打磨，应用何种参数进行打磨修复，打磨完毕后，需要再次利用发明进一步检查钢轨打磨是否到位。
33.(3)铁路监督验收部门使用。当铁路钢轨维护施工部门对现场钢轨打磨完毕后，铁路监督验收部门需要利用本发明对钢轨施工情况进行检查验收。
具体实施方式
34.本实施例包括红色线型激光光源、红光敏感ccd元件、微处理器和显示器。
35.红色线型激光光源为半导体激光器，能发射红色的线型激光，用于垂直照射在被测钢轨表面上与被测钢轨表面相交成一条线。
36.红光敏感ccd元件用于接收红色线型激光光源照射在被测钢轨表面的反射光。红光敏感ccd元件的一个工作周期可分为两个阶段：光积分阶段和电荷转移阶段。光积分阶段进行感光阵列的电荷积累，存储区到转移寄存器的电荷转移以及转移寄存器向输出放大器的电荷输出；转移阶段主要进行帧转移，即将感光区的光积分电荷转移至存储区。
37.为尽可能滤掉其他波长的光线而尽可能对红色激光敏感，本实施例采用fpga可编程阵列，对红光敏感ccd元件驱动电路的设计，包括驱动时序产生电路、电源变换电路和驱动器电路。其中，驱动时序产生电路向红光敏感ccd元件提供正常工作所需要的各种时序脉冲；电源变换电路向红光敏感ccd元件提供正常工作时所需的各种直流偏置电压；驱动器电路用来提高驱动时序的驱动能力。设计输入为40mhz主时钟clk，输出为十三路驱动信号。使用1024
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1024个有效像元，在水平方向上，红色有效像元加上隔离像元，在垂直方向上，红色有效像元加上哑像元，复位时钟or由主时钟四分频得到。由于红光敏感ccd元件各驱动信号间要严格地满足时序关系，且波形比较复杂，本项目采用多进程、多计数器循环嵌套的方式实现。帧时钟φa为最外部循环，在光积分阶段，由行逆程和行正程组成第一部分内循环，由主时钟分频、计数设计完成，同时产生行脉冲信号，对行脉冲信号计数产生帧周期；在电荷转移阶段帧转移脉冲φp1-φp4组成第二部分内循环，信号间的时序关系由主时钟分频、移位实现。
38.鉴于存储于红光敏感ccd元件中的信号电荷包是由入射光子被硅衬底材料吸收，并被转换成少数载流子(反型层电荷)形成的，因此它能存储由光产生的电荷信号，当对它施加特定的时序脉冲时，其存储电荷能在红光敏感ccd元件内作定向移动而实现对特定颜色的感光点进行扫描，输出电压信号的大小与红光敏感ccd元件单元感光度的大小成正比。本项目设计一种基于fpga的红光敏感ccd元件红光敏感控制技术，通过vhdl语言设计严格的时序关系，将红色通道按奇偶序号分开，转移到两侧的移位寄存器中去，以强化红光的敏感度。
39.本实施例还包括采用相关双采样电路，用于消除红光敏感ccd元件输出夹杂的噪声。
40.红光敏感ccd元件的输出信号是空间采样的离散模拟信号，其中夹杂着各种噪声和干扰。如由于光电二极管的暗电流导致暗白点、白色损伤或颗粒，或者各像素中暗电流不均匀导致图像噪声，从而噪声会影响红光敏感ccd元件成像器件探测微弱光的能力。
41.考虑光强度的关系，光的散粒噪声与信号电荷量的平方根成正比，当光强度增加时，信噪比会变得越大，并且暗电流与信号的储存时间成正比。存储时间越长，暗电流噪声
就越大。因此，本项目设计相关双采样电路来消除高频噪声，采样方法为“采样-相减-采样”。在正常操作时，红光敏感ccd元件的输出信号被同时送到每一个s/h放大器的输入端。通常s/h是用来俘获和保持每个像素的偏置信号，最初它处在信号采集状态，即采样或跟踪模式。红光敏感ccd元件的输出信号经过短暂的间隔之后，s/h推动其保持的模式。2次采样的信号通过差动放大电路后输出，因此通过相关双采样电路可以把噪声去掉。
42.为消除红光敏感ccd元件的噪音，本项目采用基于相关双采样电路的噪音消除技术。相关双采样电路根据红光敏感ccd元件输出信号和噪声信号的特点而设计，它能消除高频噪声的干扰，对低频噪声也有一定抑制作用，可以显著改善信噪比，提高信号检测精度。由于红光敏感ccd元件每个像元的输出信号中包含有光敏信号，若在光电信号的积分开始时刻和积分结束时刻，把握好两次采样时间间隔，这样两次采样的噪声电压相差无几，将两次采样值相减，就基本消除了噪声的干扰，能得到信号电平的实际有效幅值。
43.本实施例还提供一种红色信号提取方法。颜色特征是一种全局特征，它描述了图像或图像区域所对应的景物的性质。一般颜色特征是基于像素点的特征，此时所有属于图像或图像区域的像素都以不同的颜色值呈现。颜色直方图法是一种全局颜色特征提取与匹配方法，无法区分局部颜色信息。本方法在颜色直方图的基础上进行改进，步骤如下：
44.a1：将图像从rgb颜色空间转化成hsv颜色空间，并量化成若干个bins；
45.a2：比较不同图像颜色集之间的距离和色彩区域的空间关系，用色彩自动分割技术将图像分为若干区域；
46.a3：每个区域用量化颜色空间的某个颜色分量来索引，将图像表达为一个二进制的颜色索引集；
47.a4：比较不同颜色集之间的距离和色彩区域的空间关系进行图像匹配。
48.为尽可能提取红光敏感ccd元件输出的红色信息，本实施例所采用的技术将颜色转化到hsv颜色空间后，将图像根据其颜色信息进行图像分割成若干区域，每个区域进行颜色空间量化建立颜色索引，进而建立二进制图像颜色索引表。利用目标特征的特有的颜色空间分布，对红色像素目标进行特征提取，根据实际情况将每个通道每个区间分配不同的权值，使其更好的表示目标特征所具有的信息。
49.微处理器采用三角测距法计算出每个感光点与被测钢轨表面的距离并提取被测钢轨表面轮廓。三角法测距的基本原理是基于平面三角几何，其方法是让一束激光经发射透镜准直后照射到被测钢轨表面上，由被测钢轨表面散射的光线通过接收透镜会聚到红光敏感ccd元件上，形成一个散射光斑，该散射光斑的中心位置由红光敏感ccd元件与被测钢轨表面之间的距离决定，而红光敏感ccd元件输出的电信号与光斑的中心位置有关。因此通过对红光敏感ccd元件输出的电信号进行运算处理就可获得传感器与被测钢轨表面之间的距离信息。
50.本实施例采用的是红色线型激光光源，由线激光发射出来的红色激光线呈面状，形状类似一把刀，故被称之为光刀，光刀照射在被测钢轨表面上会与被测钢轨表面相交成一条线，被测钢轨表面由于发生光线的漫反射，由红光敏感ccd元件接收后，计算出每个感光点与被测钢轨表面的距离。所有感光点的距离信息融合在一起，便可提取出被测钢轨表面轮廓坐标。之后将提取的被测钢轨表面轮廓与预设轮廓比对。
51.本项目利用激光发射器通过镜头将红色激光射向被被测钢轨表面，经被测钢轨表
面反射的激光通过红光敏感ccd元件接收，根据不同的距离，红光敏感ccd元件可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和红光敏感ccd元件之间的距离，微处理器就能计算出传感器和被测钢轨表面之间的距离。所有感光点的距离信息融合在一起，便可提取出被测钢轨表面轮廓坐标。
52.显示器用于显示提取的被测钢轨表面轮廓与预设轮廓的比对画面。
53.本实施例的微处理器为arm嵌入式处理芯片，为整个嵌入式系统硬件的核心，决定了整个系统功能和应用领域。本实施例还包括外围电路以及外部设备组成。外围电路根据微处理器不同而略有不同，主要由电源管理模型、时钟模块、闪存fiash、随机存储器ram，以及只读存储器rom组成。外部设备将根据需要而各不相同，如通用通信接口usb、zigbee无线传输电路等。
54.本实施例还包括轮廓图像处理方法：依次采用图像平滑处理模块、图像锐化处理模块、图像二值化处理模块、图像细化处理模块、图像自动修整处理模块和图像中心线提取模块对图像轮廓进行处理。
55.图像平滑处理模块用于抑制图像噪声和干扰高频成分，图像锐化处理模块用于突出表面轮廓边缘，图像二值化处理模块用于简化后面的图像处理，图像细化处理模块用于减少图像的冗余，图像自动修整处理模块用于修正轮廓侧面基准线的位置，图像中心线提取模块用于达到压像素精度。
56.由于轨道的特殊形状，本实施例采用两次测量拼接的方式检测出完整的轮廓线，具体步骤如下
57.b1：红色线型激光光源垂直照射在被测钢轨左半边表面上与被测钢轨左半边表面相交成一条线；
58.b2：红光敏感ccd元件接收红色线型激光光源照射在被测钢轨左半边表面的反射光；
59.b3：微处理器采用三角测距法计算出每个感光点与被测钢轨左半边表面的距离并提取被测钢轨左半边表面轮廓；
60.b4：红色线型激光光源垂直照射在被测钢轨右半边表面上与被测钢轨右半边表面相交成一条线；
61.b5：红光敏感ccd元件接收红色线型激光光源照射在被测钢轨右半边表面的反射光；
62.b6：微处理器采用三角测距法计算出每个感光点与被测钢轨右半边表面的距离并提取被测钢轨右半边表面轮廓；
63.b7：微处理器缝合钢轨左右半边表轮轮廓并与预设轮廓比对；
64.b8：将b7的对比结果在显示器上显示出来。
65.最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。