基于体视成像的铁路接触线测量系统概述

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1、基于体视成像的铁路接触线测量系统概述第一章绪论1.1课题背景及研究意义为了保障电气化铁路的正常运行，及时发现安全隐患，日常化的接触网检测是不可或缺的。接触网检测类目繁多，其中重要的检测项目有接触线高度、拉出值、接触线高度变化率、跨中最大偏移值、锚段关节处两接触线水平距离、垂直距离、线岔处受电弓始触区、定位器坡度、支柱侧面限界。接触网检测工具有检测车和便携式检测设备。用于日常检修和施工过程的便携式检测设备包括绝缘杆、线坠、道尺、卷尺、激光测距检测仪、激光扫描仪等。目前，铁路中主要使用激光测量仪，利用激光测距传感器与角度传

2、感器对接触线的空间参数进行测量，该测量仪首先测出激光传感器与接触线间距离和激光传感器与轨道平面的夹角，然后根据三角关系计算得到接触线的导高值及拉出值。这种测量方法需要人工将激光束对准接触线，然后再进行测量，工作步骤繁复，瞄准困难、测量速度慢、自动化程度低，且只能对瞄准的目标进行定点检测。随着列车运行速度的不断提高、铁路运输任务的不断加重，铁路部门对接触网检测效率的要求越来越高，因此必须研发一种更为高效的便携式测量工具，实现快速、精确、自动检测。近几年来，随着图像传感技术的发展以及计算机计算能力的提高，许多研究人员将视觉

3、成像和图像处理应用到接触线空间参数测量之中，并取得良好的效果。基于体视成像的测量仪可有效提高在线检测的效率，具有极大的优越性。.1.2立体视觉技术研究动态立体视觉技术通过二维图像信息来认知三维环境中物体的形状、位置、姿态运动等几何信息。双目立体视觉是实现机器视觉的基础，利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算对应点在图像中的位置，来获取物体三维几何信息。一个完整的立体视觉系统通常包含图像获取、摄像机标定、特征提取、立体匹配、三维恢复等。1.2.1标定技术研究立体视觉系统的标定精度直接影响系统的测量精度，

4、为了提高标定精度，许多研究人员不断创新标定模板与标定算法，不断推动标定技术的发展。2008年，哈尔滨工业大学的徐巧玉等人研究了一种基于光学参考棒的立体视觉系统标定技术，该光学参考棒可视为一种新型的靶标，参考棒上固定有5个红外LED作为特征点，LED的相对位置已知。摄像机内部参数已知。将参考棒放置在测量范围内的8个不同位置，并进行图像采集，之后利用双线性插值高斯曲面多次拟合定位算法确定LED特征点在图像中的位置，得到16组以上的匹配点信息。最后利用最小二乘法和最大似然迭代算法求解摄像机的平移矩阵和旋转矩阵两个外部参数。标

5、定后最大测量误差为0.18mm[3]。2012年南京航空航天大学的孙楠等人提出了一种基于十字靶标的标定方法。十字靶标易于加工，由靶尺交叉而成，靶标上有若干靶点，靶标上的靶点间物理距离已知，靶点由定位圆和编码环构成，编码环为靶点的识别码，方便图像匹配。采用最小二乘椭圆拟合法和质心法对定位圆图像中心进行定位。首先，两摄像机分别采集十字靶图像，利用光束平差优化算法确定两个摄像头内部参数和畸变系数；然后，两摄像机同时采集十字靶图像，利用奇异值分解最小优问题，得出左右摄像头坐标系点集的刚性变化关系。标定后测量611.800mm标

6、尺长度，测量结果的标准差为0.030mm[4]。第二章系统测量原理及数学模型2.1测量原理本课题所研究的测量系统用于铁路接触线导高及拉出值测量，具有快捷，环境适应性好的特点，相对激光测距方式具有可连续测量的潜在优势。测量系统工作基于智能视觉原理，采用自主研发的专用极坐标测量镜头，镜头配备百万像素级CCD/CMOS图像传感器件。测量主机采用10寸平板电脑（也可自行配置其他型号的计算机），使用通用的OS组成的角度传感器进行图像采集，通过计算机软件中的图像处理算法对导线位置进行识别，确定相对角度，根据图中测量三角形计算出导线

7、高度与拉出值。白天测量时可直接使用天空背景作为照明光源，夜间则增加一个人工辅助照明装置，为提高图像成像质量，在光学系统中，设计并加入窄带带通滤光片。.2.2系统数学模型双目立体视觉是基于视差，由三角法原理进行三维信息的获取，即由两个摄像机的图像平面和被测物体之间构成一个三角形。已知两摄像机之间的位置关系，便可以获取两摄像机公共视场内物体的三维尺寸及空间物体特征点的三维坐标。双目立体视觉三维测量是基于视差原理。如下图所示为简单的平视双目立体成像原理图。两摄像机在同一时刻观看空间物体的同一特征点，分别在左眼和右眼上获取了点

8、的图像。为了表述方便，不妨将左右视觉的交线分别称为左极线和右极线。图2-6中，左右图像的横向虚线分别表示左极线、右极线。图2-6是两个摄像机拍到的图像的示意图，纵向虚线为图像中心线（其与光轴相交），灰色条状物示意接触线图像，我们将接触线中轴线与极线的交点作为匹配点。..第三章测量系统设计......153.1系统概述.......