基于双目视觉的铁路道岔参数在线检测系统研究

摘要

在高速铁路建设和铁路干线提速过程中，铁路安全检测是保证列车正常安全运行的重要手段。道岔是铁路线路变更的转换设备，作为高速铁路的重要组成部分，同时也是铁路轨道结构中最为薄弱的环节，道岔的安全状况影响列车的行车安全和行车速度，道岔结构的可靠性直接关系到铁路安全。尤其是道岔尖轨的密贴度直接影响行车安全，所以对道岔参数进行准确检测尤为重要。传统人工对道岔进行定期巡检的方式受人工主观性影响较大，测量结果不准确，容易造成误检，并且无法进行实时在线检测，影响检测效率。使用机器视觉三维测量技术可以快速准确地对道岔参数进行实时在线检测，提高检测效率和检测精度，满足道岔检测设备智能化的要求。　　本文设计了一套针对道岔尖轨密贴度、斥离度和爬行量三个参数的在线检测系统，采用双目视觉三维测量方案，通过主动向道岔表面投射近红外线激光克服了外界光照的影响，选用嵌入式板卡作为系统图像处理模块实时计算道岔参数并通过网络通信将计算结果及时返回上位机。本文主要研究内容如下：　　首先，针对铁路道岔现场的复杂环境，详细分析实际道岔检测过程中的需求，采用结构简单、无机械磨损、精度高等特点的双目视觉方法作为系统成像方案，同时使用线激光器主动向道岔表面投射线激光增加特征，解决了道岔表面光滑且特征不明显，容易造成双目视觉立体匹配过程中特征匹配失败的问题。在激光器选型上选择近红外波段的激光器，避免了外界光照变化对成像质量的影响。　　然后，研究相机成像模型和单双目标定方法，通过标定相机内参数矫正图像产生的畸变，对左右相机组成的双目视觉系统外参数进行标定，将左右相机坐标系统一，确定从相机坐标系、图像坐标系与世界坐标系之间的转换关系。在光条纹中心点提取方面，结合灰度重心法和方向模板法的基础上提出一种改进的方向模板光条中心提取算法：首先通过图像预处理进行滤波和边缘提取获得光条纹区域，然后对光条纹进行细化提取骨架，设计四个不同方向的方向模板对光条纹骨架进行滑动卷积操作，在四个方向模板里卷积响应最大的方向上，对每一列求取光条纹的灰度重心作为光条纹的中心坐标，解决了灰度重心法、极值法、方向模板法等传统光条中心提取算法速度慢、结果偏移较大的问题。研究双目立体匹配算法，针对道岔检测实时性的要求，使用极线约束与顺序性约束相结合的方法完成左右图像中光条纹中心点的匹配。通过三角测量法结合系统标定结果计算光条纹中心点的三维坐标，建立合理的几何模型，对中心点数据进行拟合，计算出道岔的密贴度、斥离度和爬行量。　　最后，分析系统软件功能需求，在Windows操作系统下开发双目视觉道岔检测系统的软件界面并对软件进行测试，针对不同状态的道岔进行大量实验，测量精度可以达到0.5mm。当道岔密贴度、斥离度或爬行量发生变化时，系统能够立刻更新测量结果。实验结果表明本文设计的系统能够满足实际的铁路道岔检测要求。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外道岔检测设备研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 机器视觉测量方法概述

1.4 本文主要研究内容与结构安排

第 2 章 道岔参数检测系统设计

2.1 铁路道岔参数检测需求分析

2.1.1 道岔性能参数检测需求

2.1.2 检测系统参数要求

2.2 道岔参数检测系统方案设计

2.3 系统硬件模块选型

2.3.1 工业相机

2.3.2 镜头

2.3.3 线激光器

2.3.4 嵌入式平台

2.4 系统集成

2.5 本章小结

第 3 章 系统标定方法

3.1 相机标定的相关概念

3.1.1 相机成像模型

3.1.2 相机内参

3.1.3 相机外参

3.1.4 镜头畸变系数

3.2 相机标定方法

3.2.1 张正友平面标定法

3.2.2 双目标定

3.3基本矩阵

3.3.1 对极几何

3.3.2 基本矩阵的估计

3.4 系统标定实验结果与误差分析

3.4.1 实验结果

3.4.2 误差分析

3.5 本章小结

第 4 章 道岔图像特征匹配算法与参数测量

4.1 图像预处理

4.1.1 滤波

4.1.2 边缘检测

4.2 光条中心提取

4.2.1 细化提取骨架

4.2.2 可变方向模板卷积

4.3 特征匹配算法

4.3.1 立体匹配算法分类

4.3.2 匹配约束条件

4.3.3 中心点匹配

4.3.3 光条中心三维坐标恢复

4.4 道岔参数测量

4.5 本章小结

第 5 章 软件设计与测试

5.1 需求分析与软件设计

5.1.1 需求分析

5.1.2 软件设计

5.2 开发工具

5.3 软件界面设计

5.3.1 界面组成

5.3.2 嵌入式软件移植

5.4 软件测试结果

5.5 本章小结

总结与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间发表的学术论文和参与的科研项目

致谢