一种轨道可视化巡检成像系统的制作方法

本发明涉及轨道病害巡检技术领域，具体涉及一种轨道可视化巡检成像系统。

背景技术：

轨道交通是我们交通运输的支撑产业，在国民经济发展、人民生活出行等诸多方面发挥着巨大价值。轨道作为轨道交通的基础设施，其性能状态与轨道交通运营安全密切相关。地铁经长时间运行后，由于列车行轧、地基沉降、材料老化等多种原因，轨道状态会逐渐恶化，随机出现轨距改变、钢轨断裂、扣件失效等多种病害，若不能及时发现和处理，便有可能酿成列车脱轨等重大交通事故。因此，轨道检测维护工作对于地铁安全运营管理显得尤为重要。

近年来，国内外将视觉成像技术应用轨道可视化巡检，需要解决以下问题：对钢轨、道床、扣件三大系统进行清晰成像，获取关注病害的视觉信息。2d成像方法可以获取表面纹理信息，但是失去了高度方向的形状变化信息，难以实现螺栓浮起等高度变化病害的检测。为此，近年来，将二维与三维成像技术应用于轨道可视化巡检，同时获取轨道全断面二维与三维图像，其中的三维图像用于形状变化检测、二维图像用于纹理缺陷检测，比如裂纹、异物识别等。

在二维与三维融合成像中，面临的挑战包括：如何最大限度地、有效地获取可用的视觉数据。其中，对于扣件系统而言，需要获取扣件的纹理和三维形状信息，在成像过程中，需要考虑解决钢轨头部遮挡干扰问题；对于道床系统而言，需要获取道床的纹理与三维形状信息，其中纹理图像主要用于裂纹检测、三维信息主要用异物检测、尺寸测量等；对于钢轨系统而言，需要将钢轨表面的剥落掉块、折断、裂纹等信息获取到，受三维成像精度的限制，难以获取大视场、高精度三维数据，为此，对于这类病害，需要采用暗场照明成像，以凸显出钢轨表面的不平顺性异常(比如裂纹、剥落掉块、擦伤、鱼鳞纹等)。但是，现有可视化视觉检测系统，多采用明场照明(明场照明是指：光源照射方向与摄像机成像方向相同)方法获取轨道表面图像。明场照明可以很清楚地拍摄到扣件、道床表面的图像，但是，因日常使用的钢轨被列车车轮长期摩擦，近似于镜面，而存在明显的镜面反射。从而导致，现有明场照明成像方法无法获取轨道表面的裂纹等病害图像。

针对上述钢轨头部遮挡轨距挡板区域和钢轨表面镜面反射的这两个问题，中国专利cn201811188680.9提出采用2个线结构光布局于摄像机两侧提供照明，用于解决遮挡问题，但该方法的缺点是线结构光数量多，成本高。针对钢轨表面镜面反射干扰问题，采用斜向下照明的线光源为钢轨和扣件提供暗场照明，用于钢轨和扣件区域二维成像，用于解决钢轨表面镜面反射干扰问题，拍摄钢轨表面的裂纹等病害图像，但以这种方式同时为钢轨和两侧扣件区域提供照明，显著增加了线光源照射区域宽度。在专利cn201811188680.9实施例2中，光源照明方向与成像方向角度为60度，常规钢轨高度为176mm，线光源照明区域最小宽度为：176*tan(60)＝56.3mm，照射区域的长度一般为800mm，则需要800*56.3mm的照明区域，显著增加了led阵列线光源的功率要求。特别是将该成像装置应用于轨检车或电客车等高速运载平台上时，为满足成像速度要求，所需功率要求更高。照明功率升高还会带来系统散热难度增加，应用范围受限(比如：难以在依赖电池供电的智能巡检机器人等小型化巡检平台使用)、光源尺寸增大增加安装复杂度等其他问题。

技术实现要素：

为解决背景技术中在解决钢轨头部遮挡轨距挡板区域和钢轨表面镜面反射的问题时不能兼顾成像设备功率低的问题，本发明提供了一种轨道可视化巡检成像系统，能兼顾钢轨表面病害暗场照明成像和钢轨两侧区域扣件及道床区域明场照明成像需求，同时有效降低功耗、减小设备尺寸。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种轨道可视化巡检成像系统，该系统包含：

1台2d成像模块a4，位于所述轨道的道床中心正上方；

2台2d成像模块b3-1、3-2，位于所述轨道的两侧钢轨中心正上方，与所述2d成像模块a呈一字排列；以及

3台3d成像模块5-1、5-2、5-3，该3台3d成像模块位于同一平面并分别位于所述轨道的两侧钢轨中心正上方和道床中心正上方；

3台2d成像模块成像区域部分重叠，对轨道进行全断面2d扫描成像；3台3d成像模块成像区域部分重叠，对轨道进行全断面3d扫描成像。

进一步的，所述2d成像模块a由线结构光发生器6和线阵摄像机7组成，线阵摄像机成像平面9与线结构光8照射平面共面。

进一步的，所述线结构光发生器6为线激光器，产生的线结构光8的厚度为4mm，线结构光为线阵摄像机提供照明。

进一步的，所述2d成像模块b由线结构光发生器6、线阵摄像机7和半透半反镜12组成；

进一步的，3台线阵摄像机的成像平面共面。

其中，线结构光发生器6平行放置于所述轨道平面，线阵摄像机7垂直放置于所述轨道平面，半透半反镜12与线结构光8和线摄像机成像平面9各成45度角。

进一步的，所述线结构光发生器6的光心(即激光器的出发点)与线阵摄像机7的光心位于钢轨横截面中轴线13上，线阵摄像机光心到所述轨道的钢轨顶面的光路距离不小于500mm，线结构光的光心到钢轨顶面的光路距离不小于500mm，以避免钢轨顶部遮挡扣件的轨距挡板区域；对钢轨、钢轨两侧扣件和部分道床区域进行成像。

进一步的，所述3d成像模块由线结构光发生器6和3d摄像机14组成；

其中，线结构光发生器6垂直放置于所述轨道的钢轨顶面，产生垂直于钢轨纵向的线结构光，3d摄像机斜向下拍摄线结构光，通过线结构光成像方法，进行线结构光3d成像。

进一步的，3台3d成像模块的线结构光平面共面。

进一步的，所述线结构光发生器6的光心与3d摄像机14的光心位于所述轨道的钢轨横截面中轴线上，线结构光的光心、3d摄像机的光心到钢轨顶面的光路距离不小于500mm。

进一步的，线结构光发生器产生的线结构光厚度不超过1mm。

进一步的，所述3台线阵摄像机的成像平面共面，3台3d成像模块的线结构光平面共面；选择合适的线结构光、成像镜头参数，使3台2d成像模块成像区域部分重叠，对轨道进行全断面2d扫描成像；使3台3d成像模块成像区域部分重叠，对轨道进行全断面3d扫描成像。

进一步的，所述2d成像模块b安装于3d成像模块靠近3d摄像机一侧，将2d成像模块a安装于3d成像模块靠近3d摄像机一侧，以避免2d成像模块中的线结构光对3d成像模块造成干扰。

进一步的，所述2d成像模块b中还包含：

位于线结构光发生器6出光口距离l的宽度为w的反射镜15；以及

斜向下照射的线光源16；

其中，反射镜15与线结构光平面的夹角为g，g不小于5度；线光源照射平面18与线阵摄像机成像平面的夹角为a，a的取值范围为60-90度；w＝l/h*u，单位为mm，其中，h为线结构光光心到钢轨顶面的光路距离，u为钢轨顶面宽度，所述光路距离是指光线从光心出发经过半透半反镜到达钢轨顶面的距离。

进一步的，调整2d成像模块中线结构光、线光源的亮度，使线阵摄像机在同一曝光参数条件下，同时拍清钢轨和扣件区域。

进一步的，所述3d成像模块的线结构光波长为n1，2d成像模块的线结构光波长为n2、线光源的波长为n3，n1≠n2，n2＝n3，且在3d摄像机前端设置波长为n1的窄带滤光片，避免2d成像模块对3d成像模块造成干扰。

进一步的，所述线光源为led线形光源、led线形平行光源和激光器线结构光中任一种，在钢轨表面的照射区域不小于20*umm。

进一步的，线阵摄像机采用分区曝光或分区增益技术，对钢轨成像区域和两侧扣件成像区域设置不同的曝光或增益系数，以获取合适的成像图像。

进一步的，所述2d成像模块b的线阵摄像机7、线结构光发生器6放置于3d成像模块线结构光发生器6一侧，线光源16放置于3d成像模块的3d摄像机14下方，并将其封装于工装a20；将2d成像模块a的线阵摄像机7、线结构光发生器6放置于3d成像模块线结构光发生器一侧，并将其封装于工装b21。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.与专利cn201811188680.9相比，本发明通过调整3d成像模块中线结构光光心、3d摄像机光心的位置，使得成像系统只需采用1个线结构光就可有效解决三维成像中钢轨顶部对扣件轨距挡板的遮挡问题；并采用半透半反镜，使线结构光的光心位于钢轨横截面中轴线上，使线阵摄像机的光心位于钢轨横截面中轴线上，并设置合适的光路距离，有效解决了二维成像中钢轨顶部对扣件轨距挡板的遮挡问题。

2.本发明采用线结构光为钢轨两侧区域进行明场照明，采用线光源倾斜照明，降低了光源的功率要求，且采用激光器线结构光，可有效减小设备体积和重量。

3.本发明采用反射镜将投射到线阵摄像机钢轨顶部成像区域的线结构光反射到成像区域以外，并采用线光源对钢轨顶部成像区域进行暗场照明，可有效消除钢轨表面的镜面反射干扰，以暗场照明方式凸显钢轨表面的病害，比如裂纹、鱼鳞纹、剥落掉块、擦伤等。

附图说明

图1为实施例1的轨道可视化巡检成像系统的俯视图；

图2为实施例1的2d成像模块a系统组成示意图；

图3、4分别为实施例1的2d成像模块b系统组成的正视图、左视图；

图5为实施例1的3d成像模块系统组成示意图；

图6为实施例1钢轨上方2d成像模块b与3d成像模块沿钢轨纵向的布局示意图；

图7为实施例1道床上方2d成像模块a与3d成像模块布局示意图；

图8、9为实施1的3d、2d成像效果图；

图10、11分别为实施例2的2d成像模块b系统组成的正视图、左视图；

图12为实施例2钢轨上方2d成像模块b与3d成像模块布局示意图；

图13为实施例2中反射镜宽度w计算示意图；

图14为实施例6中钢轨上方2d成像模块b与3d成像模块内设备布局图；

图15为实施例6中钢轨上方2d成像模块a与3d成像模块内设备布局图；

图16为实施例6中轨道可视化巡检成像系统布局图；

图中：1-钢轨、2-检测梁、3-2d成像模块b、4-2d成像模块a、5-3d成像模块、6-线结构光发生器、7-线阵摄像机、8-线结构光、9-线阵摄像机成像平面、10-道床、11-道床中心垂线、12-半透半反镜、13-钢轨横截面中轴线、14-3d摄像机、15-反射镜、16-线光源、17-反射镜反射光、18-线光源照射平面、19-线结构光光心、20-工装a、21-工装b。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种轨道可视化巡检成像系统，该系统包含：

1台2d成像模块a4，位于所述轨道的道床中心正上方；

2台2d成像模块b3-1、3-2，位于所述轨道的两侧钢轨中心正上方，与所述2d成像模块a呈一字排列；以及

3台3d成像模块5-1、5-2、5-3，该3台3d成像模块位于同一平面并分别位于所述轨道的两侧钢轨中心正上方和道床中心正上方。

如图2所示，2d成像模块a由线结构光发生器6和线阵摄像机7组成；其中线结构光发生器为线激光器，产生厚度为4mm的线结构光8，线阵摄像机成像平面9与线结构光8照射平面共面，线结构光为线阵摄像机提供照明。

如图3、4所示，2d成像模块b由线结构光发生器6、半透半反镜12和线阵摄像机7组成；其中线结构光发生器6平行于轨面放置，线阵摄像机7垂直于轨面放置，半透半反镜12与线结构光8和线摄像机成像平面9各成45度角；线结构光的光心(即激光器的出光点)与线阵摄像机的光心位于钢轨横截面中轴线13上，线阵摄像机光心到钢轨顶面的光路距离为500mm，线结构光的光心到钢轨顶面的光路距离不小于500mm，以避免钢轨顶部遮挡扣件的轨距挡板区域；对钢轨、钢轨两侧扣件和部分道床区域进行成像。

如图5所示，3d成像模块由线结构光发生器6、3d摄像机组成；其中线结构光发生器垂直于钢轨顶面放置，产生垂直于钢轨纵向的线结构光，3d摄像机斜向下拍摄线结构光，通过线结构光成像方法，进行线结构光3d成像；线结构光的光心、3d摄像机的光心位于钢轨横截面中轴线上，线结构光的光心、3d摄像机的光心到钢轨顶面的光路距离不小于500mm；3d摄像机的光心为提升精度，线结构光发生器产生的线结构光厚度不超过1mm。

调整检测梁上3台2d成像模块的位置关系，使3台线阵摄像机的成像平面共面；调整检测梁上3台3d成像模块的位置关系，使3台3d成像模块的线结构光平面共面；选择合适的线结构光、成像镜头参数，使3台2d成像模块成像区域部分重叠，对轨道进行全断面2d扫描成像；使3台3d成像模块成像区域部分重叠，对轨道进行全断面3d扫描成像。

如图6所示，将2d成像模块b安装于3d成像模块靠近3d摄像机一侧；如图7所示，将2d成像模块a安装于3d成像模块靠近3d摄像机一侧，以避免2d成像模块中的线结构光对3d成像模块造成干扰。

本实施例所得到3d、2d成像效果图分别如图8、9所示。

实施例2

与实施例1不同之处在于，增加线光源对钢轨区域进行暗场照明，以规避实施例1中，钢轨表面的镜面反射干扰，本实施例中线光源为led线形光源，在钢轨表面照射区域为20*umm。

如图10、11所示，在2d成像模块b中增加一个斜向下照射的线光源16，对钢轨表面进行暗场照明，与此同时，在距线结构光发生器6出光口距离l处设置一个宽度为w的反射镜15，反射镜15与线结构光平面的夹角为g，g不小于5度，反射镜将线结构光斜向下反射。线光源16照射平面与线阵摄像机成像平面的夹角为a，a的取值范围为60-90度。图12是钢轨上方2d成像模块b与3d成像模块布局示意图。

w的取值由l和线结构光出光口到钢轨顶面的光路距离h，以及钢轨顶面宽度u决定，具体公式是：w＝l/h*u，单位为mm，计算示意图如图13所示。

调整2d成像模块中线结构光、线光源的亮度，使线阵摄像机在同一曝光参数条件下，同时拍清钢轨和扣件区域。

实施例3

与实施例2相比，线光源为led线形平行光源，在钢轨表面的照射区域不小于20*umm。

本实施例的成像系统使用平行光源后暗场照明效果更好。

实施例4

与实施例2相比，线光源采用激光器线结构光，在钢轨表面的照射区域不小于20*umm。

本实施例的成像系统，因线阵摄像机一次只拍摄一行，因此，在1*umm区域内，采用激光器产生的线形光源，可近似为平行光，实现与led平行光源相似的效果；同时采用激光器线结构光，其体积小、功耗低。

实施例5

对上述实施例的线阵摄像机采用分区曝光或分区增益技术，对钢轨成像区域和两侧扣件成像区域设置不同的曝光或增益系数，以获取合适的成像图像。

实施6

为增大线光源距离轨面的光路距离，增大线光源与线阵摄像机的角度，对实施例2中的位置关系进行调整。

如图14，将2d成像模块b的线阵摄像机7、线结构光发生器6放置于3d成像模块线结构光发生器一侧，线光源16放置在3d成像模块的3d摄像机14下方，采用一个整体的工装a20对其进行封装。

如图15，将2d成像模块a的线阵摄像机7、线结构光发生器6放置于3d成像模块线结构光发生器6一侧，采用一个整体的工装b21对其进行封装。

如图16所示，采用新的工装20-1、20-2、21，固定于检测梁2上，构成紧凑的轨道可视化巡检成像系统。

其中，3d成像模块的线结构光波长为n1、2d成像模块的线结构光波长为n2、线光源的波长为n3，使n1不等于n2、n3，n2＝n3，并且在3d摄像机前端设置波长为n1的窄带滤光片，避免2d成像模块对3d成像模块造成干扰。

本实施例的成像系统，与实施例2相比，可以缩短整个视觉成像系统沿轨道纵向的长度。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的原理或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。