基于圖像處理的輪軌位移檢測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于圖像處理的輪軌位移檢測裝置及方法，涉及采用光學方法測量位移的裝置和方法【技術(shù)領(lǐng)域】。所述檢測裝置包括激光發(fā)射器、圖像采集器以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述激光發(fā)射器用于向火車輪發(fā)射激光，在火車輪上形成亮斑，圖像采集器用于采集照射有亮斑的火車輪以及鐵軌的圖像信息，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于對圖像采集器采集到的圖像信息進行處理，得出火車輪與鐵軌的垂直位移和橫向位移。所述裝置和方法利用圖像處理技術(shù)分析輪軌位移，可以直觀的反映出輪軌的接觸關(guān)系，檢測裝置簡單，計算準確。
【專利說明】基于圖像處理的輪軌位移檢測裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及采用光學方法測量位移的裝置和方法【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于圖像處理的輪軌位移檢測裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]安全問題是鐵路交通運輸?shù)挠篮阒黝}，高速和重載鐵路的飛速發(fā)展對列車運行安全提出了新的挑戰(zhàn)。相對于以前的機車，高速和重載列車一旦脫軌將引起更大危害，尤其是高速列車脫軌可能造成毀滅性的災難。由于輪軌接觸的復雜性，常規(guī)的力學分析手段并不能準確的分析輪軌接觸狀態(tài)。輪軌之間的相對位置是輪軌接觸狀態(tài)的最直接的反應，利用目前廣泛使用的圖像檢測技術(shù)實現(xiàn)輪軌相對位置的監(jiān)測對于檢測列車運行的穩(wěn)定性和安全性都具有十分重要的意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于圖像處理的輪軌位移檢測裝置及方法，所述裝置和方法利用圖像處理技術(shù)分析輪軌位移，可以直觀的反映出輪軌的接觸關(guān)系，檢測裝置簡單，計算準確。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:一種基于圖像處理的輪軌位移檢測裝置，其特征在于:所述檢測裝置包括激光發(fā)射器、圖像采集器以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述激光發(fā)射器、圖像采集器以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)固定于鐵軌一側(cè)的大地上，所述激光發(fā)射器用于向火車輪發(fā)射激光，在火車輪上形成亮斑，圖像采集器用于采集照射有亮斑的火車輪以及鐵軌的圖像信息，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于對圖像采集器采集到的圖像信息進行處理，得出火車輪與鐵軌的垂直位移和橫向位移。
[0005]進一步優(yōu)選的技術(shù)方案在于:所述激光發(fā)射器通過支架固定在鐵軌一側(cè)的大地上，激光發(fā)射器的激光發(fā)射線與鐵軌平面的夾角為45°。
[0006]進一步優(yōu)選的技術(shù)方案在于:所述圖像采集器與鐵軌平面平行。
[0007]進一步優(yōu)選的技術(shù)方案在于:所述圖像采集器使用CXD攝像機。
[0008]本發(fā)明還公開了一種基于圖像處理的輪軌位移檢測方法，其特征在于包括以下步驟:
O由激光發(fā)射器發(fā)射激光投射到經(jīng)過的火車輪上，在火車輪上形成亮斑；
2)通過圖像采集器獲取包含激光亮斑的火車輪與軌道的圖像信息；
3)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采集圖像采集器獲取的圖像信息并進行分析處理，得到火車輪與軌道的垂直位移和橫向位移。
[0009]進一步優(yōu)選的技術(shù)方案在于:所述步驟3)中火車輪與軌道的垂直位移獲取方法如下:
1)對采集到的圖像進行灰度處理，然后通過中值濾波方法對圖像進行處理；
2)通過canny邊緣檢測器提取出圖像中的邊緣信息； 3)通過Hough變換圓檢測算法，從步驟2)提取的邊緣信息中計算出火車輪圓心的坐標；
4)將計算得出的火車輪圓心縱坐標與輪軌正常接觸時的基準縱坐標比較，得到輪軌的垂直方向的位移。
[0010]進一步優(yōu)選的技術(shù)方案在于:所述步驟3)中火車輪與軌道的橫向位移獲取方法如下:
I)根據(jù)激光亮斑的RGB特性對圖像矩陣進行閾值分割，得到圖像空間中亮斑的坐標，
2 ) 將得到 的坐 標代入公 式
i1 = Y: tmi Y, 求出輪軌的橫向位移，式中的1表示得到的亮斑坐標的縱坐標，Y0
表示輪軌正常接觸時亮斑的基準縱坐標，沒是激光發(fā)射器與鐵軌平面的夾角。
[0011]進一步優(yōu)選的技術(shù)方案在于:所述夾角沒為45度。
[0012]采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:所述裝置和方法利用圖像處理技術(shù)分析輪軌位移，可以直觀的反映出輪軌的接觸關(guān)系，檢測裝置簡單，計算準確。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0014]圖1是本發(fā)明所述裝置的原理框圖；
圖2是本發(fā)明所述方法中對圖像進行處理的流程圖；
其中:1、激光發(fā)射器2、圖像采集器3、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4、鐵軌5、火車輪6、支架。

【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0016]在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0017]如圖1所示，本發(fā)明公開了一種基于圖像處理的輪軌位移檢測裝置，所述檢測裝置包括激光發(fā)射器1、圖像采集器2以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3，所述激光發(fā)射器1、圖像采集器2以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3位于鐵軌4的一側(cè)。激光發(fā)射器采用半導體激光發(fā)射器，圖像采集器采用高速ccd攝像機。考慮到后面計算的準確性，在安置設備時，需要用支架將激光發(fā)射器的激光發(fā)射線與鐵軌平面的夾角固定在45度，攝像機與鐵軌平面平行。
[0018]所述激光發(fā)射器I用于向火車輪5發(fā)射激光，在火車輪5上形成亮斑，圖像采集器2用于采集照射有亮斑的火車輪5以及鐵軌4的圖像信息，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3用于對圖像采集器2采集到的圖像信息進行處理，得出火車輪5與鐵軌4的垂直位移和橫向位移。
[0019]本發(fā)明還公開了一種基于圖像處理的輪軌位移檢測方法，所述方法包括以下步驟:首先，由激光發(fā)射器I發(fā)射激光投射到經(jīng)過的火車輪上，在火車輪上形成亮斑；然后，通過圖像采集器2獲取包含激光亮斑的輪軌圖像；最后，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3采集圖像采集器2獲取的圖像并進行分析，得到輪軌的位移關(guān)系。
[0020]圖2是對采集的圖像進行處理的流程圖，由圖像采集器獲取的圖像會賦予到兩個矩陣中，分別進行輪軌垂直位移和輪軌橫向位移的計算。
[0021]輪軌橫向位移的計算是根據(jù)激光亮斑的RGB特性對圖像矩陣進行閾值分割，得到圖像空間中亮斑的坐標，然后將得到的坐標代入公式d-F tan#-K Ian,求出輪軌的橫向位移，式中的Y1表示得到的亮斑坐標的縱坐標，Y0表示輪軌正常接觸時亮斑的基準縱坐標，沒是激光發(fā)射器與鐵軌平面的夾角為45度。
[0022]輪軌垂直方向上位移的檢測需要經(jīng)過以下步驟:
I)對圖像進行灰度化，然后通過中值濾波對圖像進行處理。
[0023]2)通過canny邊緣檢測器提取出圖像中的邊緣信息。
[0024]3)通過Hough變換圓檢測算法，從步驟2)提取的邊緣信息中計算出車輪圓心的坐標。
[0025]4)由車輪圓心縱坐標通過與輪軌正常接觸時的基準縱坐標比較，得到輪軌的垂直方向的位移。
[0026]所述裝置和方法利用圖像處理技術(shù)分析輪軌位移，可以直觀的反映出輪軌的接觸關(guān)系，檢測裝置簡單，計算準確。
【權(quán)利要求】
1.一種基于圖像處理的輪軌位移檢測裝置，其特征在于:所述檢測裝置包括激光發(fā)射器(I)、圖像采集器(2)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(3)，所述激光發(fā)射器(I)、圖像采集器(2)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(3)固定于鐵軌(4) 一側(cè)的大地上，所述激光發(fā)射器(I)用于向火車輪(5)發(fā)射激光，在火車輪(5 )上形成亮斑，圖像采集器(2 )用于采集照射有亮斑的火車輪(5 )以及鐵軌(4)的圖像信息，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(3)用于對圖像采集器(2)采集到的圖像信息進行處理，得出火車輪(5)與鐵軌(4)的垂直位移和橫向位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像處理的輪軌位移檢測裝置，其特征在于:所述激光發(fā)射器(I)通過支架(6)固定在鐵軌(4) 一側(cè)的大地上，激光發(fā)射器(I)的激光發(fā)射線與鐵軌平面的夾角為45°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像處理的輪軌位移檢測裝置，其特征在于:所述圖像采集器(2)與鐵軌平面平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像處理的輪軌位移檢測裝置，其特征在于:所述圖像采集器(2 )使用CCD攝像機。
5.一種基于圖像處理的輪軌位移檢測方法，其特征在于包括以下步驟: 1)由激光發(fā)射器(I)發(fā)射激光投射到經(jīng)過的火車輪(5)上，在火車輪(5)上形成亮斑； 2)通過圖像采集器(2)獲取包含激光亮斑的火車輪(5)與軌道(4)的圖像信息； 3)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(3)采集圖像采集器(2)獲取的圖像信息并進行分析處理，得到火車輪(5)與軌道(4)的垂直位移和橫向位移。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于圖像處理的輪軌位移檢測方法，其特征在于所述步驟(3)中火車輪(5)與軌道(4)的垂直位移獲取方法如下: 1)對采集到的圖像進行灰度處理，然后通過中值濾波方法對圖像進行處理； 2)通過canny邊緣檢測器提取出圖像中的邊緣信息； 3)通過Hough變換圓檢測算法，從步驟(2)提取的邊緣信息中計算出火車輪圓心的坐標； 4)將計算得出的火車輪(5)圓心縱坐標與輪軌正常接觸時的基準縱坐標比較，得到輪軌的垂直方向的位移。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于圖像處理的輪軌位移檢測方法，其特征在于所述步驟(3)中火車輪(5)與軌道(4)的橫向位移獲取方法如下: I)根據(jù)激光亮斑的RGB特性對圖像矩陣進行閾值分割，得到圖像空間中亮斑的坐標， 2 ) 將得 到 的 坐 標代入 公 式Cl' = F tanΘ- Γ.tan沒，求出輪軌的橫向位移，式中的Y1表示得到的亮斑坐標的縱坐標，Y0表示輪軌正常接觸時亮斑的基準縱坐標，沒是激光發(fā)射器與鐵軌平面的夾角。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于圖像處理的輪軌位移檢測方法，其特征在于:所述夾角￡?為45度。
【文檔編號】B61L1/20GK104192168SQ201410416594
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】馬增強, 楊紹普, 宋穎, 齊利敏, 張婷, 陳保平, 燕延, 王志臣 申請人:石家莊鐵道大學