地铁接触网几何参数测量仪及测量方法

摘要

本发明涉及一种地铁接触网几何参数智能精密测量仪和测量方法，测量仪为移动式小车结构，包括车体走行、测量主机、电气控制、识别相机、推杆及线结构光指示部分。采用高精度激光测距、谐波传动精密控制、绝对式高精度光栅测角技术，实现了地铁接触网高度和拉出值等几何参数的高精度测量。同时，该测量仪利用线结构光激光图像、图像分析、图像处理和计算机图形学等技术，实现了接触网的自动跟踪和测量，以及接触网吊弦和定位点等特征的自动识别。测量仪可以满足在夜晚条件下对地铁刚性悬挂和柔性悬挂接触网的测量，具有实时保存测量数据、自动提取识别的特征点数据、在线生成接触网几何参数波形图以及自动生成接触网几何参数台账功能。

说明书

技术领域

本发明属于地铁建设与运营技术领域，具体涉及一种地铁接触网几何参数智能精密测量仪及测量方法，尤其是一种利用线激光图像实现自动跟踪接触网并识别吊弦、定位点等特征的移动小车式地铁接触网几何参数测量仪。

背景技术

为了降低地铁隧道施工的成本，地铁隧道内接触网一般采用刚性悬挂的形式。与柔性悬挂的接触网相比，刚性悬挂接触网具有占用净空小、结构简单、无外加张力、不存在接触线断线的风险、方便维护等优点。但是，刚性悬挂接触网的缺点是弹性差，列车运行时受电弓和接触线间容易出现拉弧现象。

为了保证地铁刚性悬挂的弓网受电质量，提高地铁运行的稳定性，地铁接触网的接触线高度范围的精度要求控制在1～2mm以内。目前，地铁维护和检修时一般采用DJJ-8接触网激光测量仪进行接触网几何参数的测量，存在测量效率慢、工人劳动强度大的问题。伴随着城市轨道交通规模的提高，地铁运营里程呈现了爆发增长，提高地铁接触网检修工作的效率，逐步实现检测的自动化已成为地铁部门的共识，这也将是地铁接触网检测的发展趋势。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种地铁接触网几何参数智能精密测量仪和测量方法。本发明融合了高精度激光测距技术、谐波传动精密控制技术、绝对式高精度光栅测角技术等，实现了地铁接触线高度和拉出值等几何参数的高精度测量；移动式小车结构，可以在轨道上连续推行和动态测量；利用线结构光激光图像、图像分析、图像处理和计算机图形学等技术，实现了地铁接触线的自动跟踪和测量以及接触网吊弦和定位点等特征的自动识别；具有实时保存测量数据、自动提取识别的特征点数据、在线生成接触网几何参数波形图以及自动生成接触网几何参数台账等功能。本发明主要用于地铁硬悬挂接触网的测量，同时也适用于夜晚条件下地铁软悬挂接触网的测量。地铁的维修保养都在晚上进行，本发明采用的激光指示部分的功能仅限于隧道内以及隧道外的夜晚条件，白天强光下无法使用。本发明所采用的技术方案如下：

一种地铁接触网几何参数测量仪，包括：车体走行机构、测量主机、电气控制装置、识别相机、推杆显示机构及线结构光指示机构；车体走行机构用于实现测量仪在地铁轨道上快速推行，在车体走行机构的前进方向上从左至右依次布置：电气控制装置、推杆显示机构、识别相机、测量主机、线结构光指示机构，测量主机、识别相机、推杆显示机构分别与电气控制装置连接；

测量主机位于车体走行机构的横梁上表面的中间位置，用于测量接触线与测距仪的距离，测量主机通过外壳整体封装；电气控制装置位于车体走行机构的横梁上表面的偏左位置，用于处理图像、控制测量主机转动、实现接触线的自动瞄准；识别相机位于车体走行机构的横梁前表面，用于采集测量仪上方区域内线激光在接触网上的图像；推杆显示机构位于车体走行机构的横梁后表面的型材上，用于显示测量仪上方的接触网图像、测量数据和接触网几何参数波形图；线结构光指示机构用于向接触线上投射一条或者多条平行的线结构激光线条指示接触线的位置、区分吊弦和定位器，位于车体走行机构的横梁前表面。

一种地铁接触网几何参数测量方法，应用前述的测量仪，包括以下步骤：

步骤1、测量仪工作时，根据工作场景选择接触网刚性悬挂工作模式或者接触网柔性悬挂工作模式；

步骤2、利用车体走行机构使测量仪在地铁轨道上快速推进，通过工业主机、识别相机、跟踪用工业相机和高精度激光测距仪，自动跟踪完成地铁接触网几何参数的测量，得到基础数据；

步骤3、根据基础数据生成接触网的接触线高度和拉出值等参数的波形图、接触网几何参数台账，实现数据超限告警功能。

本发明的工作原理：

无论地铁接触网的布置形式是刚性悬挂还是柔性悬挂，给地铁机车供电的接触线都处于轨道线路上方的最低高度。根据不同高度或者距离的目标在相机中的图像位置不同的特点，可以排除杂散目标干扰并确定出接触线。

本发明的有益效果：

本发明的移动式小车结构，可对接触网进行自动跟踪和动态连续测量。

本发明实现了地铁刚性悬挂接触网几何参数的精密、连续和快速测量，同时兼容夜晚条件时地铁柔性悬挂接触网几何参数的测量。

本发明具有自动瞄准跟踪接触线和自动提取吊弦和定位点等特征数据的功能，自动提取定位器和吊弦等特征点的数据并生成接触网几何参数台账等。

本发明还具有在线生成接触网几何参数波形图以及测量参数超限告警、地铁标准台账生成，测量数据对比等功能。

本发明大大地降低了工人的劳动强度，提高了接触网检修工作的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的具体实施方式、或者现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的属于本申请保护范围之内的附图。

图1为本发明实施例的智能精密测量仪的整体结构立体图；

图2为本发明实施例的智能精密测量仪的整体结构俯视图；

图3为本发明实施例的车体走行机构的主视图；

图4为本发明实施例的车体走行机构的俯视图；

图5为本发明实施例的测量主机的主视图；

图6为本发明实施例的测量主机的俯视图；

图7为本发明实施例的测量主机壳体的立体图；

图8为本发明实施例的电气控制装置的结构示意图；

图9为本发明实施例的推杆显示机构的结构示意图；

图10为本发明实施例的推杆显示机构的使用状态示意图；

图11为本发明实施例的线结构光指示机构的伸缩状态示意图；

图12为本发明实施例的线结构光指示机构的折叠状态示意图；

图13为线结构光指示机构折叠状态时的测量仪的俯视图；

图14为地铁硬悬挂接触网示意图；

图中，1-车体走行机构，2-测量主机，3-电气控制装置，4-识别相机，5-推杆显示机构，6-线结构光指示机构，7-侧梁，8-横梁，9-走行轮，10-固定侧轮，11-活动侧轮，12-位移传感器，13-倾角传感器，14-里程传感器，15-主支架，16-固定框，17-主轴，18-绝对式高精度光栅编码器，19-五相谐波减速电机，20-高精度激光测距仪，21-跟踪用工业相机，22-照明手电，23-外壳，24-控制板，25-工业主机，26-转动和锁紧机构，27-推杆，28-液晶显示组件，29-阻尼铰链，30-铝合金型材，31-激光器组件，32-连接板，33-轴承固定座，34-轴承。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的实施方式。

如图1所示，为本发明实施例的智能精密测量仪的整体结构立体图；如图2所示，为本发明实施例的智能精密测量仪的整体结构俯视图。一种地铁接触网几何参数智能精密测量仪，包括：车体走行机构1、测量主机2、电气控制装置3、识别相机4、推杆显示机构5及线结构光指示机构6。车体走行机构1是地铁接触网几何参数测量仪实现在轨道上快速推行的载体，在车体走行机构1的前进方向上从左至右依次布置：电气控制装置3、推杆显示机构5、识别相机4、测量主机2、线结构光指示机构6，测量主机2、识别相机4、推杆显示机构5分别与电气控制装置3连接。测量主机2位于车体走行机构1的横梁上表面的中间位置，通过螺钉固定连接，用于测量接触线与测距仪的距离。电气控制装置3位于车体走行机构1的横梁上表面的偏左位置，通过螺钉固定连接，用于处理图像、控制测量主机转动、实现接触线的自动瞄准。识别相机4位于车体走行机构1的横梁前表面，通过螺钉固定连接，用于采集测量仪上方区域内线激光在接触网上的图像。推杆显示机构5位于车体走行机构1的横梁后表面的型材上，通过螺钉固定连接，用于显示智能精密测量仪上方的接触网图像、测量数据和接触网几何参数波形图。线结构光指示机构6用于向接触线上投射一条或者多条平行的线结构激光线条指示接触线的位置、区分吊弦和定位器，位于车体走行机构1的横梁前表面，通过螺钉固定连接；不使用时呈折叠状态，紧贴在横梁前表面上，使用时沿推行方向伸展，处于伸展状态。

如图3所示，为本发明实施例的车体走行机构的主视图；如图4所示，为本发明实施例的车体走行机构的俯视图。所述的车体走行机构1由车体框架和走行组件组成。车体框架由铝合金材质的侧梁7和横梁8组成T型结构，用以安装走行组件、测量主机、电气控制装置、识别相机、推杆显示机构、线结构光指示机构以及位移传感器、里程传感器和倾角传感器等。T型结构的车体框架实现了测量仪在轨道上平稳推行；同时与H型结构相比，减小了测量仪的体积和重量。

走行组件包括走行轮9和侧轮，分别作用在地铁轨道的钢轨顶面和内侧，用以保证测量仪在轨道上平稳推行。其中，走行轮9的数量为三个，分别固定安装在T型结构的车体框架的三个端部的位置；相应地，每个走行轮9配合设置一个侧轮，与侧梁7上的走行轮9相配合的为固定侧轮10，固定侧轮10固定设置在车体框架上；与横梁8上的走行轮9相配合的为活动侧轮11，活动侧轮11安装在横梁8下表面的直线导轨上。侧轮的固定和活动均是相对于车体框架而言，固定侧轮固定在车体框架上不动，与车体框架不存在相对位移；活动侧轮与车体框架内的直线导轨连接，可以沿车体横梁方向运动，目的是保证侧轮与钢轨在各个位置都能紧密接触，防止车体走行机构1脱轨。车体框架上安装有位移传感器12，其与活动侧轮11连接，用以实时测量线路轨距值。车体框架上安装有倾角传感器13以实现线路水平(超高)的测量。车体框架上安装有里程传感器14用以记录测量仪的推行里程。侧梁7和横梁8均为中空的铝合金方管，各传感器设计安装在铝合金方管内部，减少了外部走线，提高了线路连接的可靠性。

图3中，横梁8右侧上方的凸起为拉手等小附件，搬运测量仪时起提拉的作用；图4中，横梁8一侧的凸起为80x80x3的铝方管型材，用于安装和固定推杆显示机构5。

如图5所示，为本发明实施例的测量主机的主视图；如图6所示，为本发明实施例的测量主机的俯视图；如图7所示，为本发明实施例的测量主机壳体的立体图。所述的测量主机2由主支架15、固定框16、主轴17、轴承固定座33、轴承34、绝对式高精度光栅编码器18、五相谐波减速电机19、高精度激光测距仪20、跟踪用工业相机21、照明手电22、外壳23等组成。

测量主机壳体由主支架15和固定框16通过主轴17、轴承固定座33和轴承34固定连接为一体，固定框16可以绕着主轴17所在的轴线转动。所述的主支架15为凹型立体结构，固定框16通过主轴17设置在主支架15的凹槽中，主轴17通过轴承固定座33和轴承34固定在主支架15偏上部位。

高精度激光测距仪20和跟踪用工业相机21前后排列，安装在固定框16里面，并且高精度激光测距仪20的光轴和跟踪用工业相机21的光轴平行，同时垂直于固定框16的旋转轴心(即主轴17)。跟踪用工业相机21配有自动光圈且左右两侧设有照明手电22，测量仪可以根据图像图像情况自动调整光圈大小和控制照明手电22的开闭。绝对式高精度光栅编码器18和五相谐波减速电机19分别布置在主支架15的前后两侧外侧面，绝对式高精度光栅编码器18位于主轴17一侧，通过主轴17和固定框16连接，用以精确测量和控制固定框16内的测距仪的转动角度。所述的测量主机2通过外壳23进行整体封装。

所述的测量主机2布置在车体框架的中心(即地铁线路的中心)，举例说明如下：轨距是指两条钢轨的内侧自轨顶向下16mm处位置的水平距离，假设地铁线路的轨距为1435mm，高精度激光测距仪20和跟踪用工业相机21的旋转轴线与一侧钢轨内侧自轨顶向下16mm处位置的水平距离为国际标准轨距1435mm的一半，此时则测量主机2布置在了车体框架的中心。

如图8所示，为本发明实施例的电气控制装置的结构示意图。所述的电气控制装置3是智能精密测量仪的核心组成部分，由控制板24和工业主机25组成。控制板24用于采集测距仪、编码器、电机、相机及位移传感器等各种传感器的测量数据，并反馈给工业主机25，工业主机25对采集的数据进行分析处理后，将结果返回到各传感器。作为优选的实施例，控制板24为集成了STM32F103作为主控芯片的驱动电路；工业主机25为BM77型号的工业主机，集成有4核处理器、板载内存和多个USB端口和串口。

所述的识别相机4由高帧率的工业相机组成，用于高速采集智能精密测量仪上方的地铁接触网的图像。

如图9所示，为本发明实施例的推杆显示机构的结构示意图；如图10所示，为本发明实施例的推杆显示机构的使用状态示意图。所述的推杆显示机构5由转动和锁紧机构26、推杆27和液晶显示组件28等组成。转动和锁紧机构26固定安装在车体框架上，推杆27与转动和锁紧机构26连接，转动和锁紧机构26使推杆27绕着固定在车体框架上的转轴转动，并在推杆27抬升后保持一定的角度，便于工作人员观察和操作；液晶显示组件28安装在推杆27的把手处，用于显示智能精密测量仪上方的接触网图像、测量数据和接触网几何参数波形图等，并可以在测量界面与各传感器进行交互。

如图11所示，为本发明实施例的线结构光指示机构的伸缩状态示意图；如图12所示，为本发明实施例的线结构光指示机构的折叠状态示意图。所述的线结构光指示机构6由阻尼铰链29、铝合金型材30、激光器组件31和连接板32等组成。铝合金型材30为两段可折叠的矩形管，阻尼铰链29用以实现铝合金型材30的伸出和收回、折叠和展开。测量仪不工作的时候，为减小测量仪的体积，铝合金型材30为收回折叠状态。测量仪放入轨道开始工作之前，将线结构光指示机构6展开、伸出。如图13所示，为本发明实施例的线结构光指示机构的折叠状态时的测量仪的俯视图。

连接板32将阻尼铰链29和铝合金型材30、以及两段铝合金型材之间连接起来。激光器组件31安装在铝合金型材30的外端部。

根据检测需求，激光器组件31可向接触线上投射一条或者多条平行的线结构激光线条，用以指示接触线的位置(跟踪和瞄准目标)、区分吊弦和定位器等特征等。举例说明如下：如图14所示，为地铁硬悬挂接触网示意图。由于汇流排将接触线牢固的夹持在一起，因此接触线和汇流排的图像是连续的，为了将接触线和汇流排以及接触线和定位点尽可能的区分开，我们将激光器组件21布置在车体框架的中间位置，并且向车体框架的前方伸出约1m(见图1)。

地铁接触网几何参数测量方法，应用前述的测量仪，包括以下步骤：

步骤1、测量仪工作时，根据工作场景选择刚性悬挂工作模式或者柔性悬挂工作模式。

本发明设有2个工业相机，分别是测量主机内的跟踪用工业相机和车体框架侧梁上的识别相机。

在刚性悬挂工作模式时，激光线条投射在汇流排和接触线上。跟踪用工业相机采集测量仪上方区域内线激光在接触网上的投影图像后传输给工业主机，工业主机根据图像中结构光与背景的灰度差异以及接触线和汇流排的结构和位置信息等，对图像进行处理分析后，提取结构光线条在汇流排中心的位置，计算出接触线位置与跟踪用工业相机中心的距离偏差，工业主机将距离偏差转换成脉冲信号发送给五相谐波减速电机，控制驱动五相谐波减速电机进行转动，电机带动跟踪用工业相机所在的固定框转动，使接触线位置和跟踪用工业相机中心重合，从而实现接触线的自动瞄准。因跟踪用工业相机和激光测距仪在固定框内前后平行布置，跟踪用工业相机中心和接触线重合时，高精度激光测距仪的激光光点同时会打在接触线上，从而测量出接触线与高精度激光测距仪的距离。测量仪在走行测量过程中，相机、电机和测距仪持续动作，从而实现了走行过程中的自动跟踪和测量。

为获取最佳的接触线跟踪(瞄准)和测量结果，跟踪用线激光光条在接触线上的投影，尽可能的与测距仪的发射激光光轴靠近。在刚性悬挂工作模式时，接触网的特征主要是定位点和电连接。测量仪工作时，识别相机高速采集测量仪上方区域内线激光在接触网上的图像后传输给工业主机，工业主机对识别相机的图像进行二值化处理后与定位器和电连接等接触网特征的图像样本进行分析对比，从而实现对吊弦、定位器等特征的自动识别。

在柔性悬挂工作模式时，接触线和承力索的高度差一般都在1m以上，激光线条投射在接触线上和承力索上面(有时没有承力索)，在图像上会有很明显的位置差异。同样，根据接触线的位置信息与跟踪用工业相机中心的距离偏差，工业主机控制驱动谐波减速电机进行转动，使得跟踪用工业相机光轴中心和测距仪发射激光光轴中心与接触线重合实现自动瞄准和跟踪。在柔性悬挂工作模式时，接触网的特征主要是吊弦、定位点和电连接等。吊弦特征的识别主要是依据吊弦处线夹比非吊弦处的接触线宽，线激光投射到吊弦时，在相机上的图像是比接触线宽度大的亮斑的特点。工业主机对识别相机的图像进行二值化处理后与吊弦特征的图像样本进行分析对比，从而实现吊弦特征的自动识别。由于软悬挂接触网的吊弦线夹的长宽尺寸较小(小于30mm)，为避免识别相机捕捉不到线夹的图像，我们设计了多条平行线激光器，激光束扇面间距不大于10mm。定位器的识别主要是依据线激光投射到定位器或者腕臂上时，会在图像中产生一条很长的亮条。工业主机对识别相机的图像进行二值化处理后与定位器的图像样本进行分析对比，从而实现定位器特征的自动识别，类似于车牌识别和人脸识别，属现有技术。

步骤2、利用车体走行机构使测量仪在地铁轨道上快速推进，通过识别相机、跟踪用工业相机和高精度激光测距仪，自动跟踪完成地铁接触网几何参数的测量，得到基础数据。

步骤3、根据基础数据生成接触网的接触线高度和拉出值等参数的波形图、接触网几何参数台账，实现数据超限告警功能。

测量仪工作时，在向前推行过程中实时测量并记录小车推行的里程、以及对应里程处的接触网的接触线高度和拉出值等参数。通过数据分析和处理，以里程为横坐标，以接触线高度和拉出值为纵坐标，测量仪可以在线生成接触网的接触线高度和拉出值等参数的波形图。同时，每条接触网线路的参数都有标准的使用要求，工作之前将相应的参数要求输入到测量仪，则测量仪工作时就可以实现数据超限告警的功能，方便工作人员对线路的检修。

结合上述提到的定位器、吊弦的图像识别技术和接触网参数的实时测量技术，测量仪可对定位器和吊弦的测量数据进行自动提取。而地铁接触网几何参数台账的主要内容就是不同位置处定位器和吊弦点的接触线高度和拉出值参数。测量任务完成后，通过提取定位器和吊弦的测量数据，则可生成并导出为地铁的接触网几何参数台账。此外，测量仪通过筛选同一线路在不同时间的测量数据并生产波形图，可直观、快速地比较不同时间的测量数据与标准数据的差异。

最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。