车体姿态检测装置和接触线动态偏移量检测系统的制作方法

本发明涉及轨道交通领域，特别涉及一种车体姿态检测装置和包括该车体姿态检测装置的接触线动态偏移量检测系统。

背景技术：

地铁具有节省土地、运量大、速度快等优点，是城市交通的重要组成部分。为了了解地铁列车的实时运行情况，保障地铁列车的安全运行，需要对车体姿态进行实时检测。

车体姿态检测的目的是获得机车车辆的动态偏移限界，进而可以判断机车在运行过程中是否与临线车辆发生刮碰现象或是否超限。现有车体姿态检测方法包括：采用激光测距技术检测机车车辆的偏移量或是否超限；利用双光幕拼接与图像处理技术对货车端部进行检测；采用漫反射、激光偏振光反射及具有背景屏蔽功能的激光漫反射检测的组合式检测；采用红外技术或ccd摄像和图像处理技术检测车体超限情况；采用结构光和ccd摄像机进行铁路货车超限检测。但是，现有车体姿态检测装置都只能对机车车辆静态或通过固定点时的超限情况进行检测，不能随机地对列车运动姿态进行实时检测。因此，期待开发一种结构简单、测量准确度高的车体姿态检测装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种车体姿态检测装置及包括该车体姿态检测装置的接触线动态偏移量检测系统，以实现车体姿态的实时检测、提高车体姿态的检测精度，以及实现接触线动态偏移量的实时检测，避免车体姿态变化带来的检测误差。

本发明一方面提出一种车体姿态检测装置，包括：

第一车底图像采集单元和第二车底图像采集单元，所述第一车底图像采集单元和所述第二车底图像采集单元均设于车体底部，所述第一车底图像采集单元的采光轴朝向一对铁轨中的第一铁轨，用于采集所述第一铁轨的轮廓和位置数据，所述第二车底图像采集单元的采光轴朝向所述一对铁轨中的第二铁轨，用于采集所述第二铁轨的轮廓和位置数据；

处理器，所述处理器用于执行以下步骤：

步骤1：根据所述第一铁轨的轮廓和位置数据计算车体的第一姿态，以及根据所述第二铁轨的轮廓和位置数据计算车体的第二姿态；

步骤2：通过所述第二姿态对所述第一姿态进行校验，并在通过所述校验时以所述第一姿态作为当前车体姿态。

优选地，所述第一车底图像采集单元和所述第二图像采集单元通过安装支架设于车体底部，且所述第一车底图像采集单元和所述第二图像采集单元相对于所述车体的纵向中心面对称设置。

优选地，所述第一车底图像采集单元和/或第二车底图像采集单元包括激光器和ccd光电探测器。

优选地，所述根据所述第一铁轨的轮廓和位置数据计算车体的第一姿态包括：

步骤101：获取所述第一铁轨的标准图像数据，所述标准图像数据包括所述第一铁轨的标准轮廓和所述标准轮廓对应的初始坐标；

步骤102：在所述标准轮廓内确定标准参考点和以所述标准参考点为坐标原点的标准参考坐标系，将所述标准参考点的坐标记为p01(x01,y01)，将所述标准参考坐标系记为xp01y，其中，x01,y01分别表示所述标准参考点在图像参考坐标系中的横坐标、纵坐标；

步骤103：在所述第一铁轨的轮廓内确定分别与所述标准参考点和所述标准参考坐标系相对应的计算参考点和计算参考坐标系，将所述计算参考点的坐标记为p1(x1,y1)，将所述计算参考坐标系记为xp1y，根据所述第一铁轨的轮廓和位置数据，确定所述计算参考点的坐标p1(x1,y1)，以及所述计算参考坐标系相对于所述标准参考坐标系的偏转角度θ1；

步骤104：根据坐标p0(x01,y01)和坐标p1(x1,y1)以及所述偏转角度θ1，确定所述第一姿态对应的姿态向量p01p1(δx1,δy1,θ1)，其中，δx1表示车体的水平偏移量，δy1表示车体的竖直偏移量，θ1即车体相对于竖直平面的偏转角度，δx1＝x1-x01，δy1＝y1-y01。

优选地，所述第二姿态对应的姿态向量为p02p2(δx2,δy2,θ2)，其中，δx2表示车体的水平偏移量，δy2表示车体的竖直偏移量，θ2表示车体相对于竖直平面的偏转角度，如果δx1与δx2之差小于第一预定误差，δy1与δy2之差小于第二预定误差，且θ1与θ2之差小于第三预定误差，则通过所述校验。

本发明另一方面提出一种接触线动态偏移量检测系统，包括：

根据权利要求1-5中任一项所述的车体姿态检测装置；

第一车顶测距单元和第二车顶测距单元，所述第一车顶测距单元和第二车顶测距单元分别设于车体顶部的两侧，用于从不同位置测量与所述接触线之间的距离；

初始偏移量计算单元，用于根据所述第一车顶测距单元和第二车顶测距单元的测量结果计算初始拉出值和初始导高；

车底补偿计算单元，用于根据所述车体姿态检测装置检测的当前车体姿态对所述初始拉出值和所述初始导高进行补偿，计算最终拉出值和最终导高。

优选地，所述第一车顶测距单元包括第一工业相机，所述第二车顶测距单元包括第二工业相机。

优选地，根据以下步骤测量所述第一工业相机和所述第二工业相机与所述接触线之间的距离：

步骤a)：分别对所述第一工业相机和第二工业相机进行标定，获取所述第一工业相机和第二工业相机的内参矩阵和外参矩阵；

步骤b)：利用图像识别方法检测所述第一工业相机拍摄的图像内的接触线位置，代入所述第一工业相机的内参矩阵和外参矩阵求得接触线与第一工业相机之间的距离l1；

步骤c)：利用图像识别方法检测所述第二工业相机拍摄的图像内的接触线位置，代入所述第二工业相机的内参矩阵和外参矩阵求得接触线与第二工业相机之间的距离l2。

优选地，所述第一车顶测距单元和所述第二车顶测距单元相对于所述车体的纵向中心面对称设置。

优选地，所述车底补偿计算单元根据以下公式计算所述最终拉出值和所述最终导高：

h’＝h·cosθ+δy

d’＝d·cosθ+δx

其中，h表示初始导高，d表示初始拉出值，h’表示最终导高，d’表示最终拉出值，所述当前车体姿态对应的姿态向量为p0p(δx,δy,θ)，其中δx为车体的水平偏移量，δy为车体的竖直偏移量，θ为车体相对于竖直平面的偏转角度。

本发明的有益效果在于：

1、车体姿态检测装置不仅可以实时计算车体姿态，而且能够通过校验提高车体姿态检测的准确性，避免图像采集误差导致的错误；

2、接触线动态偏移量检测系统根据车体姿态检测装置检测的当前车体姿态对初始拉出值和初始导高进行补偿，从而能够准确地检测拉出值和导高，避免车体姿态变化给检测带来误差。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。

图1显示根据本发明示例性实施例的车体姿态检测装置的结构示意图；

图2a和图2b分别显示根据本发明示例性实施例的车体姿态检测装置的车底图像采集单元在车体姿态变化前后采集的铁轨轮廓和位置数据；

图3显示根据本发明示例性实施例的接触线动态偏移量检测系统的初始拉出值和初始导高的计算原理图；

图4显示根据本发明示例性实施例的接触线动态偏移量检测系统的最终拉出值和最终导高的计算原理图。

附图标记说明：

1-第一车底图像采集单元，2-第二车底图像采集单元，3-安装支架，4-车体，5-接触线，6-第一车顶测距单元，7-车顶测距单元，8-第一铁轨，9-第二铁轨，10-灰枕，11-受电弓。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供一种车体姿态检测装置，包括：

第一车底图像采集单元和第二车底图像采集单元，第一车底图像采集单元和所述第二车底图像采集单元均设于车体底部，第一车底图像采集单元的采光轴朝向一对铁轨中的第一铁轨，用于采集第一铁轨的轮廓和位置数据，第二车底图像采集单元的采光轴朝向一对铁轨中的第二铁轨，用于采集第二铁轨的轮廓和位置数据；

处理器，用于执行以下步骤：

步骤1：根据第一铁轨的轮廓和位置数据计算车体的第一姿态，以及根据第二铁轨的轮廓和位置数据计算车体的第二姿态；

步骤2：通过第二姿态对第一姿态进行校验，并在通过校验时以第一姿态作为当前车体姿态。

该车体姿态检测装置通过设于车体底部的两个车底图像采集单元分别采集两根铁轨的轮廓和位置数据，并根据两根铁轨的数据分别计算车体姿态并进行校验，从而不仅实现了车体姿态的实时检测，还可以提高车体姿态检测的准确性。

在一个示例中，第一车底图像采集单元和第二图像采集单元通过安装支架设于车体底部，且第一车底图像采集单元和第二图像采集单元相对于车体的纵向中心面对称设置，从而可以保证两个图像采集单元的稳固性，且简化后续计算。在本文中，车体的纵向中心面是指车体宽度方向的中心面，其与车体的两个相对侧面的距离相等。

在一个示例中，第一车底图像采集单元和/或第二车底图像采集单元包括激光器和ccd光电探测器，通过激光三角测量法进行测量。激光器发射的激光束照射在铁轨上，经铁轨反射后被ccd光电探测器探测，从而可以探测铁轨轮廓和位置数据。当车体在行进过程中姿态发生变化时，ccd光电探测器探测的轮廓和位置数据发生变化，进而可根据数据变化计算车体姿态。

激光三角法的主要优点包括：(1)采用非接触测量方式，避免了接触测量中接触测头与待测物之间的接触压力，解决了接触测头半径较大带来的横向分辨率问题，提高了检测速度(khz级，而接触式测量为1hz左右)。(2)与其它非接触测量方法相比，具有大的偏置距离和大的测量范围，对待测表面要求较低，而离焦检测法和光干涉法等通常只能测量非常光滑的表面；(3)可采用半导体激光器，测量仪器体积较小，激光方向性好，光功率高，从而使测量仪器分辨率高、稳定性、测量精度高；可与计算机结合，形成智能测试系统，在现场实现在线检测，适用范围广。

在一个示例中，根据第一铁轨的轮廓和位置数据计算车体的第一姿态包括：

步骤101：获取第一铁轨的标准图像数据，标准图像数据包括第一铁轨的标准轮廓和标准轮廓对应的初始坐标；

标准图像数据可预先保存在存储单元内，标准轮廓可以是铁轨的全部轮廓，也可以是铁轨的部分轮廓。

步骤102：在标准轮廓内确定标准参考点和以标准参考点为坐标原点的标准参考坐标系，将标准参考点的坐标记为p01(x01,y01)，将标准参考坐标系记为xp01y，其中，x01,y01分别表示标准参考点在图像参考坐标系中的横坐标、纵坐标；

标准参考点可以是标准轮廓的几何中心，图2a显示了工字型的标准轮廓，标准参考点p01(x01,y01)是标准轮廓的几何中心，标准参考坐标系的横轴和纵轴可分别平行于标准轮廓的一条边。

步骤103：在第一铁轨的轮廓内确定分别与标准参考点和标准参考坐标系相对应的计算参考点和计算参考坐标系，将计算参考点的坐标记为p1(x1,y1)，将计算参考坐标系记为xp1y，根据第一铁轨的轮廓和位置数据，确定计算参考点的坐标p1(x1,y1)，以及计算参考坐标系相对于标准参考坐标系的偏转角度θ1；

由于车体姿态的变化，车底图像采集单元采集的铁轨轮廓可能相对于标准轮廓发生了偏移和转动，计算参考点和计算参考坐标系相对于标准参考点和标准参考坐标系也发生了偏移和转动。根据车底图像采集单元采集的轮廓和位置数据，可以确定坐标p1(x1,y1)以及偏转角度θ1，如图2b所示。图2a和图2b中的外框均表示图板，便于计算上述偏移和转动。

步骤104：根据坐标p0(x01,y01)和坐标p1(x1,y1)以及偏转角度θ1，确定第一姿态对应的姿态向量p01p1(δx1,δy1,θ1)，其中，δx1表示车体的水平偏移量，δy1表示车体的竖直偏移量，θ1即车体相对于竖直平面的偏转角度，δx1＝x1-x01，δy1＝y1-y01。

类似的，可以根据第二铁轨的轮廓和位置数据计算车体的第二姿态，具体包括以下步骤：

步骤101’：获取第二铁轨的标准图像数据，标准图像数据包括第二铁轨的标准轮廓和标准轮廓对应的初始坐标；

步骤102’：在标准轮廓内确定标准参考点和以标准参考点为坐标原点的标准参考坐标系，将标准参考点的坐标记为p02(x02,y02)，将标准参考坐标系记为xp02y，其中，x02,y02分别表示标准参考点在图像参考坐标系中的横坐标、纵坐标；

步骤103’：在第二铁轨的轮廓内确定分别与标准参考点和标准参考坐标系相对应的计算参考点和计算参考坐标系，将计算参考点的坐标记为p2(x2,y2)，将计算参考坐标系记为xp2y，根据第二铁轨的轮廓和位置数据，确定计算参考点的坐标p2(x2,y2)，以及计算参考坐标系相对于标准参考坐标系的偏转角度θ2；

步骤104’：根据坐标p0(x02,y02)和坐标p2(x2,y2)以及偏转角度θ2，确定第二姿态对应的姿态向量p02p2(δx2,δy2,θ2)，其中，δx2表示车体的水平偏移量，δy2表示车体的竖直偏移量，θ2即车体相对于竖直平面的偏转角度，δx2＝x2-x01，δy2＝y2-y02。

在一个示例中，如果δx1与δx2之差小于第一预定误差，δy1与δy2之差小于第二预定误差，且θ1与θ2之差小于第三预定误差，那么通过两个车底图像采集单元采集的数据所计算的车体姿态基本相同，则通过校验。

通过本实施例的方案，不仅可以实时计算车体姿态，而且能够通过校验提高车体姿态检测的准确性，避免图像采集误差导致的错误。

本发明实施例还提供一种接触线动态偏移量检测系统。接触线用于向受电弓供电，在工作过程中，一旦接触线发生故障就会导致接触线的位置发生变化，导致受电弓不能向其取流。因此需要对接触线进行实时监测，导高(即定位点处接触线距轨面的垂直高度)和拉出值(即定位点处接触线至受电弓中心轨迹的水平距离)是检测接触线状态的重要指标。现有的接触线检测装置通常设于车顶，通过图像采集单元采集接触线图像信息进而计算导高和拉出值。列车运行过程中，当车体姿态发生变化时，车顶的图像采集单元也随之发生变位，根据采集图像而计算的导高和拉出值存在误差。

为了解决现有技术存在的问题，本发明实施例提出一种包括车体姿态检测装置的接触线动态偏移量检测系统，包括：

前述车体姿态检测装置；

第一车顶测距单元和第二车顶测距单元，第一车顶测距单元和第二车顶测距单元分别设于车体顶部的两侧，用于从不同位置测量与接触线之间的距离；

初始偏移量计算单元，用于根据第一车顶测距单元和第二车顶测距单元的测量结果计算初始拉出值和初始导高；

车底补偿计算单元，用于根据车体姿态检测装置检测的当前车体姿态对初始拉出值和初始导高进行补偿，计算最终拉出值和最终导高。

该接触线动态偏移量检测系统根据车体姿态检测装置检测的当前车体姿态对初始拉出值和初始导高进行补偿，从而能够准确地检测拉出值和导高，避免车体姿态变化给检测带来误差。

第一车顶测距单元和第二车顶测距单元分别设于车体顶部的两侧，二者之间的距离是固定值。如图3所示，第一车顶测距单元6测量的与接触线5之间的距离为l1，第二车顶测距单元7测量的与接触线5之间的距离为l2，第一车顶测距单元6与第二车顶测距单元7之间的距离为l。在不考虑车体姿态变化的情况下，初始偏移量计算单元可根据距离l1，距离l2，距离l，结合车体5的高度和宽度以及两个测距单元在车顶的位置，计算初始拉出值d和初始导高h。这是本领域技术人员容易理解的，在此不再赘述。

在一个示例中，第一车顶测距单元和第二车顶测距单元包括工业相机。工业相机相比于民用相机具有更高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等。根据成像器件的不同，工业相机包括ccd相机和cmos相机。

采用第一工业相机和第二工业相机通过双目视觉的方法进行测距，具体步骤如下：

步骤a)：分别对第一工业相机和第二工业相机进行标定，获取第一工业相机和第二工业相机的内参矩阵和外参矩阵；

步骤b)：利用图像识别方法检测第一工业相机拍摄的图像内的接触线位置，代入第一工业相机的内参矩阵和外参矩阵求得接触线与第一工业相机之间的距离l1；

步骤c)：利用图像识别方法检测第二工业相机拍摄的图像内的接触线位置，代入第二工业相机的内参矩阵和外参矩阵求得接触线与第二工业相机之间的距离l2；

初始偏移量计算单元可根据以下步骤d)计算初始拉出值和初始导高：

步骤d)：根据距离l1、距离l2、第一工业相机和第二工业相机之间的距离l，根据三角形计算公式计算接触线相对于车体中心(即受电弓中心)的水平偏移量即为拉出值，接触线相对于轨面的高度即为导高。

在一个示例中，第一车顶测距单元和第二车顶测距单元相对于车体的纵向中心面对称设置，以简化计算。

在一个示例中，车底补偿计算单元根据以下公式计算最终拉出值和最终导高，如图4所示：

h’＝h·cosθ+δy

d’＝d·cosθ+δx

其中，h表示初始导高，d表示初始拉出值，h’表示最终导高，d’表示最终拉出值，当前车体姿态对应的姿态向量为p0p(δx,δy,θ)，其中δx为车体的水平偏移量，δy为车体的竖直偏移量，θ为车体相对于竖直平面的偏转角度。

通过以上公式可以对初始拉出值和初始导高进行补偿，避免由于车体姿态变化而引起的拉出值和导高计算误差。

根据以上公式可知，当车体发生上下振动时，计算的初始拉出值即为最终拉出值，只需根据车体的竖直偏移量δy对初始导高进行补偿，即可获得最终导高(实际导高)。当车体发生左右偏移时，计算的初始导高即为最终导高，只需根据车体的水平偏移量δx对初始拉出值进行补偿，即可获得最终拉出值(实际拉出值)。当车体发生偏转时，计算的初始拉出值和初始导高均存在误差，应根据车体偏转角度θ对初始拉出值和初始导高进行补偿，计算最终拉出值(实际拉出值)和最终导高(实际导高)。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。