专利名称：非接触式钢轨中垂面的测量方法
技术领域：
本发明是一种基于结构光三维视觉检测技术的钢轨中垂面的测量方法，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。铁道部门现在采用的测量货车超限的方法主要还是较为原始的人力测量，需要测 量人员攀爬到货车顶端，使用重锤和卷尺等工具进行测量。判断货车是否超限的基准是钢 轨面和钢轨中垂面。货车的高度是指货车的最高点到钢轨面的距离；火车的宽度是根据火 车两侧面最宽处到钢轨中垂面的距离分别测量的。在实际的测量中，通常的做法是以现场 的地面作为水平面基准，使用重锤和卷尺等工具标定钢轨面和钢轨中垂面作为超限测量的 基准。显然，现场的地面很难保证是水平的，由此得到的钢轨面和钢轨中垂面的测量基准也 就存在较大的误差，因此这样的超限测量方法是精度较低的。现已出现了基于结构光三维视觉检测技术的快速非接触式的铁道侵界测量方法， 用以自动测量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，且能达到很 高的精度。该方法是建立在准确获得铁道钢轨中垂面数据的基础上的，这就要求精确的得 到铁道钢轨中垂面在空间内的三维坐标方程，以此作为测量的基准。由于电子技术、检测技术的发展，使得对铁道钢轨中垂面的快速测量成为可能。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度、非接触式的铁道钢轨中垂面的测量方法，通过 计算得到在空间中铁道钢轨中垂面的三维坐标方程，以此作为铁道侵界的测量基准。本发明技术方案是本发明采用结构光三维视觉检测技术，采用线结构激光器照 射铁轨，摄像头采集激光线照射的图像，由微处理器处理得到激光线与两钢轨交点的三维 空间坐标。由于这样的单次测量不可避免地会受到外界环境因素的影响，很可能存在着较 大的误差，因此只通过少数几个点来确定两钢轨和钢轨面的坐标方程是很不精确的。为了 保证测量的精度，需要使激光线扫描铁轨，处理得到一系列的激光线与两钢轨交点的三维 空间坐标，构成超定方程组，通过最小二乘法计算得到两钢轨和钢轨面的坐标方程，并由此 得到钢轨中垂面的坐标方程。根据不同交点的三维空间坐标可以拟合得到两钢轨和钢轨面的坐标方程，并由此 得到钢轨中垂面的坐标方程。本发明的测量方法为微处理器控制线结构激光器发射激光线扫描钢轨，摄像头 将采集到的激光线与两钢轨交点的图像送入微处理器进行处理，由微处理器根据结构光三 维视觉测量算法建立在空间中铁道钢轨中垂面的三维坐标方程，以此作为铁道侵界的测量基准。本发明的测量流程即微处理器的测量程序为1)打开线结构激光器，使其发射激光线照射钢轨；2)打开摄像头，拍摄激光线照射处与两钢轨交点的图像；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的两幅图像；5)将两幅图像信号相减，提取激光线照射图像中的激光线；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，计算得到激光线与钢轨的两个交点的三维空间坐标；7)转动激光器的发射角度，多次重复过程1)-6)，取得多组激光线与钢轨交点的 三维空间坐标；8)拟合所得多组激光线与钢轨交点的三维空间坐标，得到三维空间坐标中两钢轨 和钢轨面的坐标方程；9)计算得到钢轨中垂面的三维坐标方程。本发明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 精度地测量得到铁道钢轨中垂面在空间内的三维坐标方程，为以铁道钢轨中垂面为测量基 准的铁道侵界等测量提供基准。
图1为本发明采用结构光三维视觉检测在世界坐标系与传感器光平面坐标系中 的示意图，图2为摄像机3D视觉测量的示意图。
具体实施例方式如图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OJ1轴沿像素横向方向，O1Y1轴垂直于OJ1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1中的0点为原点建立图像坐标系Ouv。计算机图像坐标 系Ouv与O1-X1Y1共面，Ouv是O1-X1Y1沿O1O作平移得到的。摄像机坐标系0。i。y。z。，其中 Oc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CXD像平面。Ο。、 轴和0。y。轴分别平行于OA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)、(x。，y。，Z。)以及(u，ν)。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
权利要求
1.一种非接触式钢轨中垂面的测量方法，其特征在于该方法采用线结构激光器发射激 光线扫描钢轨，摄像头采集激光线照射的图像，由微处理器处理得到激光线与钢轨交点的 三维空间坐标，根据不同交点的三维空间坐标可以拟合得到两钢轨和钢轨面的坐标方程， 并由此得到钢轨中垂面的坐标方程，具体如下微处理器(3)控制线结构激光器(1)发射激光线照射钢轨，摄像头(2)将采集到的图 像送入微处理器C3)进行处理，由微处理器C3)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钢轨中垂面的坐标方程；其中微处理器(3)的控制方法具体如下1)打开线结构激光器，使其发射激光线照射钢轨；2)打开摄像头，拍摄激光线照射处与两钢轨交点的图像；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的两幅图像；5)将两幅图像信号相减，提取激光线照射图像中的激光线；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，计算得到激光线与钢轨的两个交点的三维空间坐标；7)转动激光器的发射角度，多次重复过程1)-6)，取得多组激光线与钢轨交点的三维 空间坐标；8)拟合所得多组激光线与钢轨交点的三维空间坐标，得到三维空间坐标中两钢轨和钢 轨面的坐标方程；9)计算得到钢轨中垂面的三维坐标方程。
2.根据权利要求1所述的非接触式钢轨中垂面的测量方法，其特征在于一字线激光 器投射出一光平面与待测目标交于线L。如图一所示，Pw是直线L上一点，Pw在世界坐标 系0w-xwywzw、摄像机坐标系0。i。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)、(χ。，y。，zc)以及(u，ν)。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XwXwUXca c uoV 1二 AZc= A[R Τ]Zw 1=0 y Vo 0 0 1[R τ]> Zw 1(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。
全文摘要
一种非接触式钢轨中垂面的测量方法，该方法采用线结构激光器发射激光线扫描钢轨，摄像头采集激光线照射的图像，由微处理器处理得到激光线与钢轨交点的三维空间坐标，根据不同交点的三维空间坐标可以拟合得到两钢轨和钢轨面的坐标方程，并由此得到钢轨中垂面的坐标方程，微处理器(3)控制线结构激光器(1)发射激光线照射钢轨，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钢轨中垂面的坐标方程。
文档编号G01C11/00GK102069821SQ20101055303
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者俞乾, 张旭苹, 张益昕, 李建华, 王顺 申请人:南京大学
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