一种自动瞄准的接触网激光检测仪的制作方法

本实用新型属于激光检测技术领域，尤其是涉及一种自动瞄准的接触网激光检测仪。

背景技术：

接触网检测仪用于铁路系统中的接触网参数检测。目前公知的电气化铁路接触网几何参数检测设备有三类：(1)接触式绝缘杆，配合刻度尺，采用悬挂测量法，该方法受环境影响大，测量精度差。(2)手持式激光接触网检测仪，由于仪器重量大，工人劳动强度高，瞄准采用光学瞄准，瞄准困难，测量速度慢，自动化程度低。(3)接触网参数检测车，在一个标准的列车车体上，安装测量弓，列车运行中测量弓和接触网线接触，通过测量弓内置的位移传感器测量接触网的拉出值和导高，适用于局内线路不定期检测，不适用于电气化铁路供电段的日常检修维护和施工单位的施工检测。其中的第二类设备中，通常是操作者通过摄像头观察接触线，再用微动手轮转动摄像头瞄准接触线。这种方式需要不断地手工、肉眼调整，费时费力，效率比较低，难以满足快速测量的要求。

cn2005201252538公开了一种手推式多功能激光接触网检测仪，其可在轨道上推行，采用摄像头瞄准，同时瞄准光轴和距离测量光轴同轴。静态定点测量时瞄准快捷方便，精度高。在动态连续测量的场合不必瞄准，实现全自动化测量。其摄像头本身产生的十字线显示在液晶显示器上，被测接触网线的图像和十线交叉点重合则表示已经瞄准接触网线。

cn2012201182643公开了全自动激光接触网检测仪，通过激光测量仪的运动调整寻找到需要测量的接触网，再通过激光测量仪测量的数据和编码器装置对测量的数据进行计算后得出接触网离铁轨平面的距离。

上述公开的方法中，还是需要较多的人工干预才能顺利地完成自动测量。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型的目的是：揭示一种自动瞄准的接触网激光检测仪，并通过计算机对摄像头图像进行自动识别，获得接触线的位置数据，再通过伺服电机系统转动摄像头自动瞄准接触线。本实用新型是采用以下技术方案来实现的。

一种自动瞄准的接触网激光检测仪，由轨道尺、测量仪组成，轨道尺内含轨距测量传感器，测量仪连接在轨道尺上，测量仪完成影像的自动瞄准和角度距离测量后通过软件解算得到接触网接触线的坐标；其特征在于：

所述测量仪由测量组、显示屏、手轮、主控板、支架、角度测量系统、伺服电机驱动系统、电池、底座连接器组成，测量仪通过底座连接器与轨道尺相连接；测量组、角度测量系统和伺服电机驱动系统同轴安装在支架上，角度测量系统的第一旋转轴、伺服电机驱动系统的第二旋转轴及测量组两侧的第一轴连接在一起形成一根一体轴，测量组可绕该一本轴旋转；

所述测量组由影像瞄准系统与激光测距系统组成，影像瞄准系统与激光测距系统平行安装；所述影像瞄准系统由从左至右依次同轴安装的图像传感器、可变光阑、成像透镜、激光发射棱镜组成；图像传感器的中心与成像透镜的中心连线组成影像光路；空中接触线通过成像透镜成像在图像传感器上，可变光阑保证图像传感器在明亮环境与弱光环境下均可成清晰图像；

所述伺服驱动系统由伺服电机、高速齿轮、低速齿轮、蜗杆、蜗轮组成；其中高速齿轮与低速齿轮组成一级减速结构，蜗轮与蜗杆组成二级减速结构，工作时伺服电机带动高速齿轮，高速齿轮带动低速齿轮，进而带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮旋转，蜗轮通过伺服电机驱动系统的第二旋转轴与测量组相连，进而带动测量组转动，从而达到伺服电机驱动测量组转动的目的；

工作时，图像传感器拍一张图像，输送给主控板，主控板将图像显示在显示屏上供操作者手动瞄准；同时主控板根据图像解算出接触线中心偏离图像传感器中心的角度，主控板控制伺服电机转动，使影像光路对准接触线，即完成自动瞄准；

测量组可瞄准任意方向的接触线；操作者也可从通过手轮手动瞄准接触线，测量组同时具有影像瞄准功能及激光测距功能，可测出接触线到测量仪中心的距离l，角度测量系统可出测出接触线偏离测量仪天顶方向的角度θ，从而得到接触线在测量仪坐标系中的极坐标(l，θ)，则接触线偏离轨道尺中心的高度h＝l×cosθ，水平偏出值为d＝l×sinθ。

上述所述的一种自动瞄准的接触网激光检测仪，其特征在于所述伺服驱动系统中，低速齿轮、蜗轮都是由双片组成，且两片之间有弹簧进行错齿。

上述所述的一种自动瞄准的接触网激光检测仪，其特征在于所述伺服驱动系统的一级减速比为1∶4，二级减速比为1∶184，伺服电机为1/4096细分。

上述所述的一种自动瞄准的接触网激光检测仪，其特征在于所述伺服驱动系统的最小分辨为0.43″。

上述所述的一种自动瞄准的接触网激光检测仪，其特征在于接触线位置解算方法如下：

图像传感器拍到一张灰度图像，灰度值从0～255；主控板接收到图像后对图像做一维灰度值剖面，形成曲线；曲线尖峰即代表接触线中心；

首先计算接触线的宽度以判别当前检测到的接触线是否是待测的接触线，排除吊弦、腕臂、定位器等其它物体的干扰；接触线宽度计算公式为：

gs为灰度阀值，为灰度值为gs的像素的x坐标的集合，w为图像传感器的像素宽度，l为接触线到测量仪中心的距离，f′为成像透镜的焦距；

然后计算接触线中心位置，采用带阀值的权中数计算法，计算公式为：

式中，xn为第n个像素的x坐标，gn为第n个像素的灰度值，n为图像传感器在x方向的像素总数；

接触线偏离影像中心的角度值计算公式为：

式中，f′为成像透镜的焦距；

解算出接触线偏离角度后，控制伺服驱动系统转动相应角度即可使接触线影像移到图像传感器中心，即自动瞄准了接触线中心。

本实用新型具有结构简单、操作方便、智能自动瞄准精度高等有益技术效果。

附图说明

图1为本实用新型安装状态时的示意图。

图2为本实用新型中的测量仪的正面结构示意图。

图3为本实用新型的内部结构示意图。

图4为本实用新型的伺服驱动系统的结构示意图。

图5为本实用新型的影像瞄准系统的结构示意图。

图6为接触线在测量仪坐标系中的极坐标示意图。

图7是本实用新型中图像传感器、主控板、伺服电机、显示屏的连接控制框图。

图8为一维灰度值剖面示意图。

其中，部件对应的附图标记如下：轨道尺-1、测量仪-2、测量组-3、显示屏-4、手轮-5、支架-6、角度测量系统-7、伺服电机驱动系统-8、底座连接器-9、图像传感器-10、可变光阑-11、成像透镜-12、激光发射棱镜-13、接触线-151、蜗轮-14、蜗杆-15、伺服电机-16、高速齿轮-17、低速齿轮-18、主控板-50、第三旋转轴-60、第一旋转轴-70、第一轴-71、第二旋转轴-72、电池-80、影像瞄准系统-90、激光测距系统-91、图像传感器的中心-100、成像透镜中心-102、接触线位置-103、图像灰度曲线-104。

具体实施方式

为使本领域技术人员能更准确地理解本申请并实施，现结合说明书附图对于本申请的技术方案作详细的描述。

请见图1至图8，一种自动瞄准的接触网激光检测仪，由轨道尺1、测量仪2组成，轨道尺1内含轨距测量传感器，测量仪2连接在轨道尺上，测量仪2完成影像的自动瞄准和角度距离测量后通过软件解算得到接触网接触线的坐标；其特征在于：

所述测量仪2由测量组3、显示屏4、手轮5、主控板50、支架6、角度测量系统7、伺服电机驱动系统8、电池80、底座连接器9组成，测量仪2通过底座连接器9与轨道尺相连接；测量组3、角度测量系统7和伺服电机驱动系统8同轴安装在支架6上，角度测量系统7的第一旋转轴70、伺服电机驱动系统8的第二旋转轴72及测量组3两侧的第一轴71连接在一起形成一根一体轴，测量组可绕该一本轴旋转；

所述测量组3由影像瞄准系统90与激光测距系统91组成，影像瞄准系统90与激光测距系统91平行安装；所述影像瞄准系统90由从左至右依次同轴安装的图像传感器10、可变光阑11、成像透镜12、激光发射棱镜13组成；图像传感器10的中心100与成像透镜12的中心连线组成影像光路；空中接触线151通过成像透镜12成像在图像传感器10上，可变光阑11保证图像传感器在明亮环境与弱光环境下均可成清晰图像；

所述伺服驱动系统8由伺服电机16、高速齿轮17、低速齿轮18、蜗杆15、蜗轮14组成；其中高速齿轮17与低速齿轮18组成一级减速结构，蜗轮14与蜗杆15组成二级减速结构，工作时伺服电机16带动高速齿轮17，高速齿轮17带动低速齿轮18，进而带动蜗杆15转动，蜗杆15带动蜗轮14旋转，蜗轮14通过伺服电机驱动系统8的第二旋转轴72与测量组3相连，进而带动测量组3转动，从而达到伺服电机16驱动测量组3转动的目的；

工作时，图像传感器10拍一张图像，输送给主控板50，主控板50将图像显示在显示屏4上供操作者手动瞄准；同时主控板根据图像解算出接触线中心偏离图像传感器中心的角度，主控板控制伺服电机16转动，使影像光路对准接触线，即完成自动瞄准；

测量组3可瞄准任意方向的接触线；操作者也可从通过手轮5手动瞄准接触线，测量组3同时具有影像瞄准功能及激光测距功能，可测出接触线到测量仪中心的距离l，角度测量系统7可出测出接触线偏离测量仪天顶方向的角度θ，从而得到接触线在测量仪坐标系中的极坐标(l，θ)，则接触线偏离轨道尺中心的高度h＝l×cosθ，水平偏出值为d＝l×sinθ。

上述所述的一种自动瞄准的接触网激光检测仪，其特征在于所述伺服驱动系统中，低速齿轮18、蜗轮14都是由双片组成，且两片之间有弹簧进行错齿。

上述所述的一种自动瞄准的接触网激光检测仪，其特征在于所述伺服驱动系统的一级减速比为1∶4，二级减速比为1∶184，伺服电机为1/4096细分。

上述所述的一种自动瞄准的接触网激光检测仪，其特征在于所述伺服驱动系统的最小分辨为0.43″。

上述所述的一种自动瞄准的接触网激光检测仪，其特征在于所述图像传感器类型为ccd类和cmos类。

上述所述的一种自动瞄准的接触网激光检测仪，其特征在于所述可变光阑为光阑为中心有孔的遮光片，可利用电磁铁在大孔与小孔两个位置之间切换。

上述所述的一种自动瞄准的接触网激光检测仪，其特征在于所述成像透镜为凸透镜。

上述所述的一种自动瞄准的接触网激光检测仪，其特征在于所述激光发射棱镜为直角反射棱镜。

上述所述的一种自动瞄准的接触网激光检测仪，其特征在于接触线位置解算方法如下：

图像传感器拍到一张灰度图像，灰度值从0～255；主控板接收到图像后对图像做一维灰度值剖面，形成曲线；曲线尖峰即代表接触线中心；

首先计算接触线的宽度以判别当前检测到的接触线是否是待测的接触线，排除吊弦、腕臂、定位器等其它物体的干扰；接触线宽度计算公式为：

gs为灰度阀值，为灰度值为gs的像素的x坐标的集合，w为图像传感器的像素宽度，l为接触线到测量仪中心的距离，f′为成像透镜的焦距；

然后计算接触线中心位置，采用带阀值的权中数计算法，计算公式为：

式中，xn为第n个像素的x坐标，gn为第n个像素的灰度值，n为图像传感器在x方向的像素总数；

接触线偏离影像中心的角度值计算公式为：

式中，f′为成像透镜的焦距；

解算出接触线偏离角度后，控制伺服驱动系统转动相应角度即可使接触线影像移到图像传感器中心，即自动瞄准了接触线中心。

本实用新型中，成像透镜的焦距f′为35mm，图像传感器的像素宽度w为0.0055mm。实际检测中如果接触线宽度d′按15mm，接触线到测量仪中心的距离l按6m计算，则反算接触线影像宽度像素。即接触线中心距图像传感器中心的距离x′计算时是由16个像素根据灰度权中数计算的，在一般照明条件下可实现0.2～0.3像素精度的位置计算。计算误差δd′＝0.3×w×l/f′＝0.28mm，此精度远优于人眼瞄准精度。

本实用新型中，蜗轮与瞄准系统的旋转轴轴连接。这里马达需要有带动旋转轴转动1″的能力，通常的做法是采用步进马达加细分的方法，然而，利用现有最佳工艺，步进马达的转速2000rpm且单圈的步数在小体积情况下做到200步每圈的系分数以是极限，采用步进马达要分辨到秒的减速比要达到1269000/200＝6480，对于2000rpm的马达要转动一圈要3.24分钟，这样的速度不能接，因此采用了直流伺服马达的方式，首先，直流马达可以做到10000rpm的转速，同时采用4096∶1的旋转编码器后的直流马达轴可以停留在单圈1/4096的任意位置，相当于走4096步/圈。这样，要能细分到1秒的减速比为：1296000/4096＝316，设计中我们用1∶4的马达带动1∶184的蜗轮蜗杆，最终的减速比为：1∶736，单步的角度分辨率为：0.43秒，可以满足使用要求。

上述所述的角度分辨率为：0.43秒仅为优选的方式，实际上，在本实用新型的启示下，还可以是其它值，其它值的获得，对于所在技术领域人员来说，不需要付出创造性的劳动、只需有限次的试验即可得到，故其它数值也是本申请保护的范围。

本实用新型上所述的测量仪天顶是指测量仪垂直向上的方向。

上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制。本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。