一种接触网磨损的线结构光三维检测系统

王献伟,汪同庆

(重庆大学光电工程学院,重庆 400044)

一种接触网磨损的线结构光三维检测系统

王献伟,汪同庆

(重庆大学光电工程学院,重庆 400044)

接触网的磨损量是跨座式单轨交通维护中需要掌握的一个十分重要的参数．针对跨座式单轨交通接触网的特殊构造和对检测设备的要求,研究了一种基于线结构光的接触网磨损三维检测系统．该系统通过激光器与接触网之间的相对运动获取接触网的表面轮廓数据,利用光电编码器保持数据同步,最后对接触网三维重建并把测量结果实时显示．实验结果表明,该系统精度为±0.5 mm,速度可达20 km/h,可以有效实现对跨座式单轨交通接触网磨损的实时测量．

接触网磨损;结构光;三维检测;单轨交通;光条中心

近年来,随着城市交通压力的增大,跨座式单轨交通因其成本低、噪声小、环境污染少等优点得到迅速发展．接触网是跨座式单轨交通的重要组成部分,它承担着连续向列车供电和传输电能两大重要功能[1]．及时掌握接触网的磨损量对保障列车安全、稳定运行,保护人们的生命和财产安全具有十分重要的意义．目前国内对接触网磨损的研究都是针对一般铁路和地铁,由于跨座式单轨交通及其接触网结构的特殊性,一般铁路和地铁的接触网磨损检测设备很难满足跨座式单轨交通接触网磨损检测的要求,因此,本研究具有重要的意义和实用价值．

普通铁路和地铁的接触网是柔性悬挂在列车上方,接触网和列车间空间较大．跨座式单轨交通的接触网刚性悬挂在轨道梁的两侧,并且被车体完全包住,接触网和车体之间空间较小,背景反光干扰较大．因而,对检测装置的体积、安装精度和抗干扰能力等有较高的要求．

接触网磨损的检测方法可以分为接触式和非接触式2种．接触式检测在检测过程中需要检测设备与接触网接触,对设备绝缘性要求较高且检测速度较慢,具有很大的局限性．常见的非接触式检测方法有:(1) 图像法[2],该方法一般采用照明-摄像检测的原理．用光源照明接触网的磨损面,用高速摄像机进行图像的采集,通过对采集图像的处理得到接触网的磨损量．(2)激光法[3],激光法根据原理的不同又可以分为激光扫描法和残高测量法．激光扫描法用激光束通过旋转反射镜反复扫描接触网可能的范围,通过光电转换器接收接触网反射回来的激光,根据反射的激光的持续时间和扫描速度就可以计算出接触网磨损面的宽度．此外还有红外法[4]、超声波法[5]以及日本JR东海公司研制的接触导线磨损检测系统[6]．非接触式检测方法结构简单,易于维护,检测精度高,可以实现接触网的带电在线检测[7],因此,实际中大多采用非接触式测量的方法．

本文将结构光三维重建技术应用于接触网的磨损测量,利用结构光三角测量原理,将线结构光投射到接触网上,通过摄像机获取变形后的光条图像,然后利用激光器、结构光光条和摄像机的三角关系来计算接触网的残高,最后,根据获取的点云数据重建出接触网的三维模型．

1 线结构光三角测量原理

线结构光三角测量的基本思想是:利用激光投影器将线结构光投射到被测物体表面,并通过相机来获取结构光的投影图像,利用激光器、相机和被测物体之间的几何关系就可以计算出物体表面的三维信息[8]．线结构光三角测量的原理见图1．

图1 线结构光三角测量原理

Fig.1 The principle of line structured light triangular measure-ment

其中:α是光平面和相机光轴的夹角．

Ow-xwywzw为世界坐标系;

Oc-xcyczc是相机坐标系;

Ot-rc是图像坐标系.

由于物体表面轮廓高低不同,相机得到的激光线的轮廓和位置也随之变化．假设Pw=(xw,yw,zw)是投射在接触网表面激光线上任意一点,Pc=(xc,yc,zc) 是Pw转换到相机平面内的坐标,Pi(u,v)是Pw经过相机镜片的光学中心投射到图像平面上的点．取相机光轴和结构光平面的交点为世界坐标系的原点,Ow与Oc距离为l,则世界坐标系与相机坐标系的关系可以表示为

(1)

用R表示旋转向量,T表示平移向量,则式(1)写成齐次坐标系形式为

(2)

在图像上定义直角坐标系Oi-rc,每一像素的坐标即该像素在图像数组中的行数和列数．设(u,v)是Oi-rc中以像素为单位的坐标,(u0,v0)为相机光轴和图像平面的交点,以(u0,v0)为原点建立用物理单位表示的直角坐标系O-xy,该坐标系x、y轴分别和图像坐标系的r、c轴平行．设每一像素在x轴和y轴方向的物理尺寸分别为sx和sy,则图像中任意像素在这2个坐标系中的关系可以表示为

(3)

(4)

在世界坐标系中,OwPi的方程为

(5)

结构光平面的方程为

xw=zwtanα.

(6)

由式(2)、(4)、(5)、(6)即可以得到像素点和世界坐标点之间的对应关系为

(7)

由此,便可以得到光平面和接触网交线上的点在世界坐标系中的坐标,从而得到接触网的高度值．当光平面沿着接触网(即世界坐标系xw轴)平行移动时,就可以得到完整的接触网的高度值．

2 图像处理

2.1 图像滤波

图像滤波的目的是在尽量保持图像细节特征的条件下,对图像噪声进行抑制[9]．双边滤波是结合图像的空间邻近度和像素值相似度的一种折中处理的一种非线性的滤波方法,它通过同时考虑空域信息和灰度相似性,来保边去噪．双边滤波器由2个函数构成,一个函数是由几何空间距离决定滤波器系数,另外一个由像素值差决定滤波器系数．这样可以得到滤波后像素点的灰度值表达式为

hx(x)=k-1∬f(ξ)c(ξ-x)s(f(ξ)-f(x))dξ. (8)

其中：k为归一化系数,其表达式为

k(x)=∬c(ξ-x)s(f(ξ)-f(x))dξ.

(9)

h和x分别是滤波前后的灰度值;

c表示中心点与其邻域内点的空间相似度;

s表示中心点与其邻域内点的灰度相似度.

实际中,c和s函数可以通过高斯函数来实现,即

(10)

(11)

线结构光光条图像滤波效果见图2．

图2 图像处理

2.2 光条中心提取

光条中心提取是结构光三维测量的关键环节．光条中心提取的速度和质量直接影响检测的速度和精度．传统的光条中心提取方法有极值法、阈值法、重心法、曲线拟合法、边缘法、几何中心法等[11-13]．这些方法易于实现,但是精度不高．此外,光滑的接触网表面通常会引起强烈的反光干扰对结构光光条的提取造成困难．将灰度最大值法与Hessian矩阵相结合[14],首先初步提取光条中心,然后选取适当的滤波模板消除接触网反光造成的假光条中心[15],可以得到比较精确的光条中心图像,如图2(d)．

3 三维检测流程

在开始采集图像之前,需要对摄像机的参数进行标定．系统标定之后,开始图像的采集和数据处理．程序的流程图如图3.

图3 程序流程

4 实验结果与误差分析

4.1 实验结果

为了提高系统速度,在对图像数据进行处理时,只选择感兴趣的接触网区域进行处理和三维重建,结果如图4．

图4 接触网及三维重建结果

为了检验系统的测量精度,用高度10 mm的标准块作为测量对象,并选取5个不同位置进行多次重复测量．得到的测量结果和误差见表1．综合多次实验结果可以看出,本系统的测量精度能够控制在0.5 mm以内,检测速度可达20 km/h,能够满足跨座式轨道交通的检修要求．

4.2 误差分析

本系统测量误差的来源主要有3个:相机传感器精度引起的误差、测量车振动引起的误差[16]和结构光光线弯曲造成的误差．

表1 实验结果

4.2.1 相机传感器精度引起的测量误差 由于相机传感器自身精度的限制,会对测量造成一定的系统误差．这种误差通常可以通过已知的相机传感器参数和测量范围计算出来．

4.2.2 测量车车体振动引起的误差 由于测量车车体和相机支架之间并不是严格的刚性连接,在测量车运动过程中,由于车体的振动,会使测量车车体和相机支架产生相对移动,影响相机的姿态,从而造成测量误差．

4.2.3 结构光光线弯曲造成的误差 理想情况下,激光器发出的线结构光应该是一条直线,但由于激光器加工精度的限制,线结构光光线并不是严格的直线,而会有一定程度的弯曲,从而影响测量精度．

5 结 论

本文研究了基于线结构光的跨座式单轨交通接触网磨损检测系统．该系统利用线结构光三角测量原理,对接触网的高度进行测量,获取接触网的点云数据,并对接触网进行三维重构和实时显示,结构简单、价格便宜．实验结果表明,该系统检测速度为20 km/h,精度控制在±0.5 mm以内,可以较准确地检测接触网的磨损量,用于指导跨座式单轨交通接触网的维护．此外,本系统通过提高激光器的精度,采用更高性能的摄像机和计算机,优化光条提取算法,可以使系统精度和速度进一步提升．

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(责任编辑 苏晓东)

3D Measurement System of Catenary Wear UsingLinear Structured Light Technology

WANG Xian-wei, WANG Tong-qing

(College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

The wear of catenary is a very important parameter in the maintenance of straddle type monorail traffic. A 3D measurement system of catenary wear of straddle type monorail traffic based on technology of linear structured light is proposed in this paper for special structure of catenary and the detection equipment requirements of straddle type monorail traffic. The surface profile data of catenary is got by relative motion between the laser and the catenary, and an optical encoder is used to make the system work synchronously. Finally, the system can reconstruct the catenary and display measurement results in real time. The experimental results show that the measurement accuracy of the system is±0.5 mm, and the speed can reach 20 km/h. Thus, it can realize real-time measurement of catenary wear effectively

catenary wear; structured light; 3D measurement; monorail traffic; light center

1004-8820(2015)04-0273-04

10.13951/j.cnki.37-1213/n.2015.04.008

2014-12-13

中央高校基本科研基金资助项目(106112013CDJZR120014).

王献伟(1989- )，男，河南商丘人，硕士.

汪同庆(ocr@cgu.edu.cn)，教授，博导，主要研究方向：计算机视觉、模式识别、光电技术及系统.

TP29

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