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专利名称：一种快速非接触式铁道侵界的测量方法
技术领域：
本发明是一种基于结构光三维视觉检测技术的快速非接触式铁道侵界的测量方 法，属于自动化检测技术领域。
背景技术：
近年来，国内铁路多次提速，特别是高速动车组的运行，列车的行驶速度越来越 快，这也对铁路的安全提出了更高的要求。当站台、电线或是其他物体侵入到列车行驶的空 间时，会造成严重的安全事故。因此，对铁道侵界的测量是极其重要的。针对站台侵界的测量，铁路部门现有机械式的站台测量尺，用于测量轨距中心与 站台侧面之间的距离及钢轨面与站台平面之间的高度。由于站台测量尺本身结构的原因， 装置比较笨重，使用较为复杂，精度也不够高。测量时需要由人来进行操作并读出测量数 据，测量效率低，劳动强度大。由于电子技术、检测技术的发展，使得对铁道侵界的快速测量成为可能。

发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种高速高精度的快速非接触式铁道侵界的测量 方法，用于自动测量铁路站台等物体与轨距中心的距离及相对于钢轨面的高度。技术方案本发明采用结构光三维视觉检测技术，由线结构激光器发射与钢轨面 相垂直的激光线，摄像头采集激光线照射的图像，由微处理器根据空间三维关系计算出铁 路站台等物体与轨距中心之间的距离及相对于钢轨面的高度。本发明的快速非接触式铁道侵界的测量方法为该方法采用线结构激光器发射与 钢轨面相垂直的激光线，摄像头采集激光线照射处的图像，根据计算机图像坐标系下的二 维坐标和世界坐标系下的三维空间坐标之间的转换关系，得到激光线照射处的物体与轨距 中心之间的距离及相对于钢轨面的高度微处理器控制线结构激光器发射与钢轨面相垂直的激光线，摄像头将采集到的图 像送入微处理器进行处理，由微处理器根据计算机图像坐标系下的二维坐标和世界坐标系 下的三维空间坐标之间的转换关系计算出激光线照射处的物体与轨距中心的距离及相对 于钢轨面的高度，并将测量结果送显示装置。线结构激光器和摄像头固定于横梁的两端；当 横梁通过其两端的两个专用卡具固定于两钢轨之间时，保证线结构激光器和摄像头相对于 两轨中心线和钢轨面的位置A和B都是确定的，可以通过测量标定，同时，将AB连线的中点 0作为世界坐标系的原点；其中微处理器的测量方法具体如下1)打开线结构激光器，使其发射与钢轨面相垂直的激光线；2)打开摄像头，拍摄激光线照射处的图像；3)关闭线结构激光器，摄像头拍摄与步骤2)相同位置处的图像；4)微处理器接收摄像头采集到的两幅图像；
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5)将两幅图像相减，提取图像中的激光线；6)根据计算机图像坐标系下的二维坐标和世界坐标系下的三维空间坐标之间的 转换关系，将图像中激光线上点的二维坐标转换为世界坐标系下的三维坐标；由此可以得 到激光线上的点在世界坐标系中相对于两轨中心和钢轨面的位置；7)判断激光线照射处的物体有无侵入列车行驶的范围；8)将测量结果送显示装置显示。本发明的非接触式站台测量装置包括线结构激光器、摄像头、微处理器、显示装 置、横梁、专用卡具和电源；其中，线结构激光器的输入接微处理器的输出端，摄像头的输出 端接微处理器的输入端，微处理器的输出端接显示装置，线结构激光器和摄像头固定于横 梁的两端，当专用卡具固定于钢轨时能够使线结构激光器、摄像头和横梁都与轨距中心线 保持确定的位置关系。有益效果本发明采用了结构光三维视觉检测技术，可以非接触、高速、高精度地 测量铁轨两旁的物体与轨距中心之间的距离及钢轨面与站台平面之间的高度，克服了现有 的机械式站台测量尺的缺陷，极大地提高了测量效率和测量精度。


图1为线结构光视觉传感器的透视模型。图2为本发明的测量装置示意图。图中，①是线结构激光器，②是摄像头，③是微 处理器，④是显示装置，⑤是横梁、⑥是专用卡具，⑦是钢轨。横梁两端的专用卡具可以将该 横梁可靠地固定在钢轨平面内，同时使得线激光器和摄像头处于钢轨平面内的轨距中心。 其中的专用卡具可以采用如图3所示的X型弹簧卡具，也可以采用如图4所示的轮状卡具。图3为本发明测量装置中X型专用卡具的示意图。图中，a为刚性直杆，b为轴承， c为固定卡口，d为弹簧。两根相同长度的刚性直杆，其中心处有过孔，通过轴承b相连接并 可在一平面内转动。刚性直杆在轴承两侧分别连接有一弹簧，使两直杆有并拢的趋势。固 定卡口的形状与钢轨的侧面相同，使得卡口可与钢轨侧面紧密贴合。当采用上述结构时，可 以保证X型卡具可靠地固定于钢轨平面内，且轴承的中心恰在两轨的中心线上。图4为本发明测量装置中轮状卡具的示意图。图中，e为车轮，f为横梁，g为连接 杆，h为钢轨。其中车轮的外廓可以使得车轮与钢轨紧密贴合，且不会发生侧向位移。连接 杆能可靠地连接横梁与车轮，并保证横梁相对于两轨中心线和钢轨面的距离都是确定的， 可以通过测量标定，以此作为视觉测量的位置标准。图5为本发明的测量装置位置示意图。图中，⑦是钢轨，⑧是站台，①是线结构激 光器，②是摄像头，平面G是钢轨平面，平面Γ是与平面G垂直相交于两轨中心线的平面， 平面F是激光平面，L是激光平面F与站台侧面的交线。当横梁通过两端的X型专用卡具 固定于平面G时，可以使得横梁、线激光器和摄像头都位于平面G内的两轨中心线上，这样 就确定了线结构激光器和摄像头的位置。
具体实施例方式本发明的快速非接触式铁道侵界的测量方法采用线结构激光器发射与钢轨面相 垂直的激光线，摄像头采集激光线照射处的图像，根据计算机图像坐标系下的二维坐标和
4世界坐标系下的三维空间坐标之间的转换关系，得到激光线照射处的物体与轨距中心之间 的距离及相对于钢轨面的高度微处理器3控制线结构激光器1发射与钢轨面相垂直的激光线，摄像头2将采集 到的图像送入微处理器3进行处理，由微处理器3根据计算机图像坐标系下的二维坐标和 世界坐标系下的三维空间坐标之间的转换关系计算出激光线照射处的物体与轨距中心的 距离及相对于钢轨面的高度，并将测量结果送显示装置4。线结构激光器1和摄像头2固定 于横梁5的两端；当横梁5通过其两端的两个专用卡具6固定于两钢轨之间时，保证线结构 激光器1和摄像头2相对于两轨中心线和钢轨面的位置A和B都是确定的，可以通过测量 标定，同时，将A和B连线的中点0作为世界坐标系的原点；其中微处理器3的测量方法具体如下1)打开线结构激光器，使其发射与钢轨面相垂直的激光线；2)打开摄像头，拍摄激光线照射处的图像；3)关闭线结构激光器，摄像头拍摄与步骤2)相同位置处的图像；4)微处理器接收摄像头采集到的两幅图像；5)将两幅图像相减，提取图像中的激光线；6)根据计算机图像坐标系下的二维坐标和世界坐标系下的三维空间坐标之间的 转换关系，将图像中激光线上点的二维坐标转换为世界坐标系下的三维坐标；由此可以得 到激光线上的点在世界坐标系中相对于两轨中心和钢轨面的位置；7)判断激光线照射处的物体有无侵入列车行驶的范围；8)将测量结果送显示装置显示。如图1所示，摄像机3D视觉测量模型通常以针孔模型为基础。世界坐标系与传感 器光平面坐标系一致，设为0w-Xwywzw，其0w-xwyw与光平面重合。像平面坐标系为O1-X1Y1，其 中O1为光轴与像平面的交点，是像平面的光学中心。O1和0。间距离f为物镜成像的有效 焦距。其中O1X1轴沿像素横向方向，O1Y1轴垂直于O1X1轴。在计算机图像中，通常以左上 角的点作为图像坐标的原点，即以图2中的0点为原点建立图像坐标系Ouv。摄像机坐标 系0。-X。y。z。，其中O。点为成像透视中心，即物镜的光学主点，0。z。为摄像机物镜光轴，垂直于 CCD像平面。0。x。轴和0。y。轴分别平行于O1X1轴和O1Y1轴。以线结构光为例，一字线激光器投射出一光平面与待测目标交于线L。Pw是直线L 上一点，PW在世界坐标系Ow-xwywzw、摄像机坐标系0。-x。y。z。以及计算机图像平面坐标系Ouv 下的对应坐标分别为(xw，yw，zw)、(xc, y。，zc)以及(Xl，Yl)。则世界坐标系下的三维空间坐 标与计算机图像坐标系下的二维坐标转换关系如下式所示
XwXwUXcywa c uoyw
5V=A= A[R Τ]=0 β vo[R τ]⑴ZwZw1Zc0 0 1L 」1L 」1 其中，s是一个修正因子；R为旋转矩阵，T为平移矢量，R和T决定了摄像机相对 于世界坐标系的方向和位置。矩阵A为线性系统的内部参数矩阵，其中Utl和Vtl为O1在计 算机图像坐标下的坐标，α和β是横纵坐标轴对应于焦距f的尺度因子(或称为有效焦 距)，c是两坐标轴不垂直因子。
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这样通过事先的标定即可以得到世界坐标系下的三维空间坐标与计算机图像坐 标系下的二维坐标转换关系，容易由计算机图像上点的对应坐标得到三维空间内点的坐 标。
权利要求
一种快速非接触式铁道侵界的测量方法，其特征在于该方法采用线结构激光器发射与钢轨面相垂直的激光线，摄像头采集激光线照射处的图像，根据计算机图像坐标系下的二维坐标和世界坐标系下的三维空间坐标之间的转换关系，得到激光线照射处的物体与轨距中心之间的距离及相对于钢轨面的高度微处理器(3)控制线结构激光器(1)发射与钢轨面相垂直的激光线，摄像头(2)将采集到的图像送入微处理器(3)进行处理，由微处理器(3)根据计算机图像坐标系下的二维坐标和世界坐标系下的三维空间坐标之间的转换关系计算出激光线照射处的物体与轨距中心的距离及相对于钢轨面的高度，并将测量结果送显示装置(4)。线结构激光器(1)和摄像头(2)固定于横梁(5)的两端；当横梁(5)通过其两端的两个专用卡具(6)固定于两钢轨之间时，保证线结构激光器(1)和摄像头(2)相对于两轨中心线和钢轨面的位置A和B都是确定的，可以通过测量标定，同时，将AB连线的中点O作为世界坐标系的原点；其中微处理器(3)的测量方法具体如下1)打开线结构激光器，使其发射与钢轨面相垂直的激光线；2)打开摄像头，拍摄激光线照射处的图像；3)关闭线结构激光器，摄像头拍摄与步骤2)相同位置处的图像；4)微处理器接收摄像头采集到的两幅图像；5)将两幅图像相减，提取图像中的激光线；6)根据计算机图像坐标系下的二维坐标和世界坐标系下的三维空间坐标之间的转换关系，将图像中激光线上点的二维坐标转换为世界坐标系下的三维坐标；由此可以得到激光线上的点在世界坐标系中相对于两轨中心和钢轨面的位置；7)判断激光线照射处的物体有无侵入列车行驶的范围；8)将测量结果送显示装置显示。
全文摘要
一种快速非接触式铁道侵界的测量方法是一种基于结构光三维视觉检测技术的自动测量铁路站台等物体与轨距中心的距离及相对于钢轨面高度的测量方法。该方法基于结构光三维视觉测量的原理，采用线结构激光器和摄像头，由线结构激光器发射与钢轨面相垂直的激光线，摄像头采集激光线照射的图像，由微处理器根据空间三维关系计算出铁路站台等物体与轨距中心之间的距离及相对于钢轨面的高度，实现了非接触、高速、高精度的测量。
文档编号G01B11/14GK101947962SQ20101026640
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月27日 优先权日2010年8月27日
发明者俞乾, 张旭苹, 张益昕, 李建华, 王顺 申请人:南京大学