专利名称：铁路列车限界测量基准面获取方法
技术领域：
本发明属于精密测量方法，特别涉及一种基于视觉传感器利用标靶传递的方 法，实现在无法直接观测铁轨面的情况下对铁轨中心垂面的测量方法。
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。当列车特别是货运列车超过正常行驶的空 间限制时，即称为超限，此时有可能造成严重的安全事故。因此，对铁路货运列车等在 轨物体超限的测量是极其重要的。而在限界检测当中，为了确认货物两侧是否超限，必 须以铁轨中心垂面为基准对货物的三维尺寸进行检测。传统的轨距中心与站台侧面之间距离的测量主要采用以机械工具为主的人工测 量方式，测量器具体型笨重，使用复杂，测量效率低，劳动强度大，维护困难。随着具 有非接触、操作简单、效率高、精度高等优点的计算机视觉测量技术的出现，基于光传 感器的测量方法逐步在工业、交通等精密测量现场得到了应用。但是当前的计算机视觉 测量方法在确定轨道中心面时，要求必须能够同时观测到两侧的铁轨，在轨道上有遮挡 物(如列车等)时不能进a行检测。因此如何在轨道被遮挡的情况下进行轨面中垂面的 测量成为铁道交通部门亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明目的是本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于标靶传递的原理 实现在无法直接观测铁轨面的情况下对铁轨中心垂面的测量方法。本发明的技术方案是铁路货运列车限界测量基准面获取方法，采用基于标靶 传递的铁轨中心垂面检测装置进行测量，所述检测装置包括可旋转标靶(1、2、3)、 垂直支撑梁(4)、支撑杆(5)、固定夹具(6、14、16、17)、刚性横梁(10、 15)、刚性连接横梁(7、13、18、19)、水平支撑梁(8)、转轴(9、11、12)、弹 簧(20、21、22、23)、滑槽(24、25)，其中垂直支撑梁上固定的可旋转标靶(1、 2、3)为三片可以绕转轴旋转的正方形薄片，其转轴位于正方形薄片的中心轴线上，薄 片表面贴有易于被计算机视觉识别的标志物，使得图像识别系统可得到标靶中心点的坐 标；其中垂直支撑梁(4)与可旋转标靶转轴固定连接，且与标靶中心转轴保持平行关 系；支撑杆(5)固定于垂直支撑梁与水平支撑梁之间且三者成三角形，确定垂直支撑 梁(4)的空间位置，保证垂直支撑梁(4)与水平支撑梁(8)保持严格的垂直关系； 其中四个固定夹具(6、14、16、17)通过底部半球形结构卡在二条铁轨上，使得整套底 部半球形结构固定于铁轨上；固定夹具的水平部分下表面与水平支撑梁(8)下表面平 齐，紧贴铁轨上表面，确定铁轨平面；刚性横梁(10) (15)为两根等长金属杆，分 别连接在固定夹具(6、14、16、17)上，可绕转轴(11)自由旋转，转轴(11)为刚 性横梁(10、15)的中心点，水平支撑梁固定在刚性横梁上，刚性连接横梁(7、13、18、19)为等长的四根金属杆，其两端分别连接在固定夹具(6、14、16、17)与水平支 撑梁上的转轴(9、12)之间，四根弹簧设在刚性连接横梁的中部与水平支撑梁的端部， 在弹簧(20、21、22、23)的作用下，驱动转轴(9、12)分别在滑槽(24、25)中 滑行，从而调节固定夹具(6、14、16、17)之间的相对距离，保证固定夹具(6、14、 16、17)能够紧密的固定在铁轨上。测量原理和方法是，在铁轨上架设基于标靶传递的铁轨中心垂面检测装置，水 平支撑梁(8)的下表面即为铁轨上表面同一平面；又由于垂直支撑梁(4)与水平支撑 梁(8)保持严格垂直关系，且可旋转标靶(1、2、3)的中心转轴与垂直支撑梁(4) 保持平行关系，因此三个可旋转标靶(1、2、3)的中心点构成的直线与铁轨上表面相垂直。将两组测量装置分隔一段距离放置于铁轨上，则两组可旋转标靶(1、2、3)的 中心点分别构成两条与铁轨上平面相垂直的直线，由于这两条直线同时与铁轨上平面相 垂直，因此可以构成一个平面Si，且该平面与铁轨面相垂直。转轴(11)为刚性横梁(10、15)的中心点，且刚性连接横梁(7、13、18、 19)完全等长，转轴(11)将会位于两条铁轨的中心垂面上；将两组测量装置分隔一段 距离放置于铁轨上，则两组装置的转轴(11)均位于铁轨中心垂面上，两者之间连接得 到的直线Ll为二铁轨之间的中心线。将上述的得到的平面Sl向转轴(11)方向平移距离A得到平面S2，由于为标 靶(1、2、3)中心转轴到转轴(11)的距离也为A，因此直线Ll位于平面S2上。同 时由于平面Sl与铁轨面垂直，因此其平移得到的平面S2也与铁轨面垂直；平面S2与铁 轨面垂直，且其平面内包含了铁轨的中心线，因此该平面即为铁轨的中心垂面。基于以上结构的基准面测量方法包括以下步骤
步骤1:将上述测量装置固定于铁轨上，确保固定夹具(6、14、16、17)底部的半 球形结构牢固的卡在铁轨上，夹具水平部分下表面紧贴铁轨上表面，
步骤2:用上述步骤1相同的方法在铁轨上再架设一组测量装置，两组测量装置之 间保持一定距离任意摆放靶标，
步骤3:调整两组测量装置上的可旋转标靶(1、2、3)朝向，确保两组标靶上用于 计算机视觉识别的标志物在图像传感器中清晰可见，
步骤4:通过图像传感器对两组标靶进行视觉测量，可以得到两组标靶中心转轴上 的点在摄像机坐标系下的坐标值，
步骤5:对步骤4中获得的中心转轴点的坐标进行运算，可以得到两个测量装置的可 旋转靶标中心转轴所在平面的方程，该平面与铁轨中心垂面相平行，两平面直接距离为 标靶(1、2、3)中心转轴到转轴(11)的距离A
步骤6 对步骤5中得到的标靶转轴中心平面方程进行平移向量为A的空间平移运 算，即可得到铁轨中心垂面的方程。本发明的有益效果是本发明方法突破了传统以机械结构为基础的铁轨基准面 测量方案，基于计算机视觉技术，设计了标靶传递的测量装置，实现了在轨道被遮挡的 情况下进行轨面中垂面的测量，进一步促进了视觉测量技术在铁路测量领域的的应用。
图1为本发明测量装置的侧视图， 图2为本发明测量装置的俯视图
图3为本发明测量装置的仰视图
图中有可旋转标靶(1) (2) (3)、垂直支撑梁(4)、支撑杆(5)、固定夹具 (6) (14) (16) (17)、刚性横梁(7) (10) (13) (15) (18) (19)、 水平支撑梁(8)、转轴(9) (11) (12)、弹簧(20) (21) (22) (23)、滑 槽(24) (25) ； A是转轴(11)到旋转标靶的距离。
具体实施例方式一种基于标靶传递的铁路货运列车限界测量基准面的测量装置，该装置包括了 可旋转标靶(1) (2) (3)、垂直支撑梁(4)、支撑杆(5)、固定夹具(6) (14)
(16) (17)、刚性横梁(7) (10) (13) (15) (18) (19)、水平支撑梁 (8)、转轴(9) (11) (12)、弹簧(20) (21) (22) (23)、滑槽(24) (25)。本发明还提供了一种铁路货运列车限界测量基准面的测量，应用于上述测量装 置，包括步骤
步骤1:将上述测量装置固定于铁轨上，确保固定夹具(6) (14) (16) (17) 底部的半球形结构牢固的卡在铁轨上，夹具水平部分下表面紧贴铁轨上表面，
步骤2 用上述步骤1相同的方法在铁轨上再架设一组测量装置，两组测量装置之 间保持一定距离，
步骤3:调整两组测量装置上的可旋转标靶(1) (2) (3)朝向，确保两组标靶 上用于计算机视觉识别的标志物在图像传感器中清晰可见，
步骤4:通过图像传感器对两组标靶进行视觉测量，可以得到两组标靶中心转轴上 的点在摄像机坐标系下的坐标值，
步骤5:对步骤4中获得的中心转轴点的坐标进行运算，可以得到两个测量装置的可 旋转靶标中心转轴所在平面的方程，该平面与铁轨中心垂面相平行，两平面直接距离为 标靶(1) (2) (3)中心转轴到转轴(11)的距离A
步骤6 对步骤5中得到的标靶转轴中心平面方程进行平移向量为A的空间平移运 算，即可得到铁轨中心垂面的方程。
权利要求
1.铁路货运列车限界测量基准面获取方法，其特征是采用基于标靶传递的铁轨中 心垂面检测装置进行测量，所述检测装置包括可旋转标靶(1、2、3)、垂直支撑梁(4)、支撑杆(5)、固定夹具(6、14、16、17)、刚性横梁(10、15)、刚性连接 横梁(7、13、18、19)、水平支撑梁(8)、转轴(9、11、12)、弹簧(20、21、 22、23)、滑槽(24、25)，其中垂直支撑梁上固定的可旋转标靶(1、2、3)为三片 可以绕转轴旋转的正方形薄片，其转轴位于正方形薄片的中心轴线上，薄片表面贴有易 于被计算机视觉识别的标志物，使得图像识别系统可得到标靶中心点的坐标；其中垂 直支撑梁(4)与可旋转标靶转轴固定连接，且与标靶中心转轴保持平行关系；支撑杆(5)固定于垂直支撑梁与水平支撑梁之间且三者成三角形，确定垂直支撑梁(4)的空 间位置，保证垂直支撑梁(4)与水平支撑梁(8)保持严格的垂直关系；其中四个固定 夹具(6、14、16、17)通过底部半球形结构卡在二条铁轨上，使得整套底部半球形结构 固定于铁轨上；固定夹具的水平部分下表面与水平支撑梁(8)下表面平齐，紧贴铁轨 上表面，确定铁轨平面；刚性横梁(10) (15)为两根等长金属杆，分别连接在固定 夹具(6、14、16、17)上，可绕转轴(11)自由旋转，转轴(11)为刚性横梁(10、 15)的中心点，水平支撑梁固定在刚性横梁上，刚性连接横梁(7、13、18、19)为等 长的四根金属杆，其两端分别连接在固定夹具(6、14、16、17)与水平支撑梁上的转轴(9、12)之间，四根弹簧设在刚性连接横梁的中部与水平支撑梁的端部，在弹簧(20、 21、22、23)的作用下，驱动转轴(9、12)分别在滑槽(24、25)中滑行，从而调节 固定夹具(6、14、16、17)之间的相对距离，保证固定夹具(6、14、16、17)能够紧 密的固定在铁轨上；测量方法是，在铁轨上架设基于标靶传递的铁轨中心垂面检测装置，水平支撑梁(8)的下表面即为铁轨上表面同一平面；又由于垂直支撑梁(4)与水平支撑梁(8) 保持严格垂直关系，且可旋转标靶(1、2、3)的中心转轴与垂直支撑梁(4)保持平行 关系，因此三个可旋转标靶(1、2、3)的中心点构成的直线与铁轨上表面相垂直；将两组测量装置分隔一段距离放置于铁轨上，则两组可旋转标靶(1、2、3)的中 心点分别构成两条与铁轨上平面相垂直的直线，由于这两条直线同时与铁轨上平面相垂 直，因此可以构成一个平面Si，且该平面与铁轨面相垂直；转轴(11)为刚性横梁(10、15)的中心点，且刚性连接横梁(7、13、18、19) 完全等长，转轴(11)将会位于两条铁轨的中心垂面上；将两组测量装置分隔一段距离 放置于铁轨上，则两组装置的转轴(11)均位于铁轨中心垂面上，两者之间连接得到的 直线Ll为二铁轨之间的中心线；将上述的得到的平面Sl向转轴(11)方向平移距离A得到平面S2，由于为标靶(1、2、3)中心转轴到转轴(11)的距离也为A，因此直线Ll位于平面S2上；同时由于平面Sl与铁轨面垂直，因此其平移得到的平面S2也与铁轨面垂直；平面 S2与铁轨面垂直，且其平面内包含了铁轨的中心线，因此该平面即为铁轨的中心垂面。
2.一种如权利要求1所述的基于标靶传递的铁轨中心垂面测量结构的测量方法，其特 征在于步骤如下步骤1:将上述测量装置固定于铁轨上，确保固定夹具(6、14、16、17)底部的半 球形结构牢固的卡在铁轨上，夹具水平部分下表面紧贴铁轨上表面，步骤2:用上述步骤1相同的方法在铁轨上再架设一组测量装置，两组测量装置之 间保持一定距离，步骤3:调整两组测量装置上的可旋转标靶(1、2、3)朝向，确保两组标靶上用于 计算机视觉识别的标志物在图像传感器中清晰可见，步骤4:通过图像传感器对两组标靶进行视觉测量，可以得到两组标靶中心转轴上 的点在摄像机坐标系下的坐标值，步骤5:对步骤4中获得的中心转轴点的坐标进行运算，可以得到两个测量装置的可 旋转靶标中心转轴所在平面的方程，该平面与铁轨中心垂面相平行，两平面直接距离为 标靶(1、2、3)中心转轴到转轴(11)的距离A步骤6 对步骤5中得到的标靶转轴中心平面方程进行平移向量为A的空间平移运 算，即可得到铁轨中心垂面的方程。
全文摘要
铁路货运列车限界测量基准面获取方法，采用基于标靶传递的铁轨中心垂面检测装置进行测量，所述检测装置包括可旋转标靶、垂直支撑梁(4)、支撑杆(5)、固定夹具、刚性横梁(10、15)、刚性连接横梁、水平支撑梁(8)、转轴、弹簧、滑槽(24、25)，其中垂直支撑梁上固定的可旋转标靶为三片可以绕转轴旋转的正方形薄片，其转轴位于正方形薄片的中心轴线上，薄片表面贴有易于被计算机视觉识别的标志物，使得图像识别系统可得到标靶中心点的坐标；其中垂直支撑梁(4)与可旋转标靶转轴固定连接，基于视觉传感器原理，采用标靶传递方法，实现了在无法直接观测铁轨面的情况下对铁轨中心垂面测量，视觉测量技术在铁路限界检测中应用。
文档编号G01C3/00GK102012223SQ20101055290
公开日2011年4月13日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者张旭苹, 张益昕, 李建华, 王顺, 谢飞 申请人:南京大学