一种铁路道岔参数嵌入式机器视觉在线检测装置及检测方法

本发明主要涉及到轨道交通视觉检测，特指一种铁路道岔参数嵌入式机器视觉在线检测装置及检测方法。

背景技术：

1、目前，在轨道交通技术领域中，针对道岔几何位置的监测方式一般采用的是移动式测量，主要依靠人工定期检查或车载巡检。比如，依靠人工手持测量工具定期检测数字道尺、塞尺(例如铁路线nr/l2/trk/001检测与维修方式)，但这种测量方式效率低下、成本高以及可靠度低。车载巡检主要借助相机与线激光组合测量，例如rusu等基于network rail标准提出了一种道岔激光检测小车用于快速的道岔轮廓检测；又如zarembski等发明了一种全自动检测小车(asiv)来实现道岔全自动检测；又如英国eurailscout公司研发一种道岔检测与测量车(sim)配备8个相机和激光器组合单元，可检测道岔多项不同参数。这种测量方式相对于人工定期检测其自动化程度高、检测效率高，但其受制于天窗时间限制，不能及时检测道岔异常。目前，绝大部分的实践应用过程中，在道岔参数检测方面还停留于人工巡检的方式，而这种人工检测方法占用较大的铁路运营时间，降低了运营效率，且无法实现智能化、信息化的检测。

2、有从业者wang c提出利用单目相机获取道岔图像，提取道岔尖轨与基本轨边界特征，根据像素差值与真实值之间的拟合函数，计算出道岔密贴测量值。

3、又有从业者张宾利提出基于机器视觉的双目结构光成像技术获取道岔的三维点云，但其成像过程中易受到环境光的干扰，其稳定性较差不适合户外场景。

4、又有从业者ye j提出了一种基于线侧非侵入式视觉的监测方式，通过在尖轨上张贴标签并识别标签位置，并通过仿射配准计算出尖轨与基本轨的距离。

5、但是，针对现有技术铁路安全限高、尖轨运动范围和视场宽度等问题，上述所有的传统技术方案的监测方式均存在检测对象单一、精度低、装置限高、道岔边缘点难以捕捉等缺点，无法满足道岔关键参数在线全天候监测的基本需求。

6、又例如，中国专利申请cn112033283a，其公开了一种基于双目视觉成像系统的道岔测量方法及其测量装置，但是这个技术方案在实际使用之后发现其存在较大的问题：首先是双目相机对于检测物的标定存在较为复杂和精确不高的问题；其次是在对图像进行处理时，获得的图像精准性不够，处理效率不高。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低、易于安装、具有自清洁功能的铁路道岔参数嵌入式机器视觉在线检测装置及检测方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种铁路道岔参数嵌入式机器视觉在线检测装置，其包括箱体、激光组件和相机组件，箱体的底部设有安装板，箱体的前侧设置有透明板，激光组件和相机组件安装于安装板上，并朝向透明板，透明板转动安装于箱体上，透明板的上侧设置有用于驱动透明板上侧向箱体外部打开的驱动组件，以及用于将透明板的上侧向箱体内部关闭的拉紧组件。

4、作为本发明装置的进一步改进：所述驱动组件包括驱动电机、凸轮和支架单元，所述凸轮位于驱动电机的输出端，且周侧与支架单元的一端相抵靠，所述支架单元的另一端与透明板相抵靠。

5、作为本发明装置的进一步改进：所述支架单元包括横梁杆、立柱和推动杆，所述横梁杆的侧面与凸轮相抵靠，横梁杆的一端与立柱的一端紧固相连，所述立柱的另一端与推动杆的一端相连，所述推动杆的另一端上设有腰形孔；所述透明板的上侧设有销钉，销钉位于腰形孔内。

6、作为本发明装置的进一步改进：所述拉紧组件包括弹簧，所述弹簧的一端安装于安装板上，另一端则与透明板的上部分相连。

7、作为本发明装置的进一步改进：所述安装板上设有多个安装孔，形成安装孔阵列；所述激光组件包括一字线激光器和短线激光器，所述一字线激光器和短线激光器均通过支柱插设于安装板上的安装孔上；所述相机组件包括左相机和右相机，左相机和右相机形成双目相机。

8、本发明进一步提供一种铁路道岔参数嵌入式机器视觉在线检测方法，用来结合上述装置具体实施检测作业；其包括：

9、步骤s1:标定；

10、步骤s2:向铁轨投射线线结构光作为标志，利用双目相机先后采集一组有激光线和无激光线的图像；

11、步骤s3:对激光图像进行预处理；

12、步骤s4：利用连通区域的划分将激光段进行划分和标记，进而转换成特征点的识别；

13、步骤s5:利用左右相机的特征位置关系完成双目视觉系统的立体匹配；

14、步骤s6:直接利用激光三角原理，计算出若干个监测特征的三维坐标值；

15、步骤s7:利用步骤s6中获取三维特征点的坐标值，转化完成道岔相关参数的测量，最终将测量结果上传至铁路系统。

16、作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s3的流程包括：

17、步骤s301：设定激光条原始处理图像区域，基于自适应双阈值分割激光条纹；

18、步骤s302：对激光条纹进行滑动卷积处理；

19、步骤s303：获得激光条纹中心的亚像素坐标。

20、作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s301的流程包括：

21、步骤s3011：裁剪一定尺寸作为激光条原始处理图像区域roi，用以提高运行速度；

22、步骤s3012：采用双边滤波函数对其处理，保留激光条纹边缘信息；

23、步骤s3013：利用几何约束去除孤立噪声点。

24、步骤s3014：统计处理后的图像灰度直方图，确定图像灰度值阈值；

25、步骤s3015：基于自适应双阈值分割激光条纹。

26、作为本发明方法的进一步改进：在步骤s302中，采用自适应方向模板的条纹细化方法，设计四个不同方向、大小模板t，记为t0,t1,t2和t3，对光条进行滑动卷积处理；选取响应最大的方向作为该列的中心点方向索引，基于灰度重心法:获得条纹粗中心(xc,yc)。

27、作为本发明方法的进一步改进：在步骤s303中，获得激光条纹中心的亚像素坐标，采用基于steger算法获得光条法线方向f＝(nx,ny)，在初始中心(xc,yc)上沿着法线方向f上在光条上下两边取k＝n2作为待计算点，δ为1；最后基于法线方向上的高斯加权灰度重心法，获得光条精提取中心亚像素坐标(xr,yr)。

28、与现有技术相比，本发明的优点就在于：

29、1、本发明的铁路道岔参数嵌入式机器视觉在线检测装置及检测方法，为一种激光打标嵌入式机器视觉原位检测装置。该装置采用扁平式机械结构设计，适合铁路受限空间安装；考虑行车振动问题，引入自标定相机外参修正算法。同时，为克服环境光干扰和轨道复杂表面特性难题，提出了基于光条法向的高斯加权灰度重心法对激光条纹中心亚像素坐标进行提取，提高了实际运行环境下的道岔参数检测精度和稳定性。

30、2、本发明的铁路道岔参数嵌入式机器视觉在线检测装置及检测方法，可避免振动因素对双目视觉系统外参改变，提高测量的稳定性与鲁棒性。本发明采用双目自标定方法，同时本发明针对铁轨露天环境下，克服光条漫反射等因素干扰，基于光条法向的高斯加权灰度重心法对激光条纹中心亚像素坐标进行提取。

31、3、本发明的铁路道岔参数嵌入式机器视觉在线检测装置及检测方法，基于嵌入式tx2平台开发，适合现场工作环境。本发明利用双目视觉成像系统，可完成道岔参数的三维检测，为了特征点的准确定位，采用线激光对道岔进行标记，可提高系统运行速度与测量精度。本发明采用近红外激光激光波段，减少对铁路其他信号的干扰，保证铁路系统安全运行。

32、4、本发明的铁路道岔参数嵌入式机器视觉在线检测装置及检测方法，本固定安装于道岔处，可设置系统检测频率，完成道岔参数的实时检测，减少人工检测成本以及误检、漏检等弊端。此外，本发明结构设计合理，可定期启动自动除尘、防水等功能，减少维护成本，延长设备使用寿命。