一種視覺控制鋼軌缺陷位置檢測方法及系統

2023-05-13 00:32:53 1

1.本發明涉及超高壓水射流打磨技術領域，尤其涉及一種視覺控制鋼軌缺陷位置檢測方法及系統。


背景技術：

2.在超高壓水射流打磨已經鋪設的軌道過程中，需要一種非接觸的檢測手段來探測鋼軌的外觀尺寸(截面尺寸)，探測鋼軌的頂部和兩側的表面行程輪廓圖像數據，根據形成的表面圖像參照標準鋼軌的表面圖像進行對比，判斷鋼軌的質量情況，並定位缺陷位置。
3.然而，現有的對於鋼軌的外觀尺寸的檢測，都是通過人工進行，通過工作人員根據經驗進行判斷鋼軌的質量情況，並定位缺陷位置，這種工作效率很低，人力成本也大。
4.為此，我們急需一種自動的視覺控制鋼軌缺陷位置採集系統，將雙目相機應用到鋼軌的外觀尺寸的探測上，根據需要實時探測與反饋鋼軌的外觀尺寸。
5.其中，雙目相機是一種能夠提供立體視覺的設備。利用雙目相機獲得的圖像，通過雙目視差原理，能夠計算出雙目相機所拍攝到的物體相對於相機的三維空間位置。雙目相機的兩個鏡頭具有彼此平行的光軸，兩個鏡頭在垂直於光軸的方向上並排布置並且具有彼此分開的取景窗口，對於同一被成像物體具有不同的視角，從而獲得不同的圖像。不同圖像之間的差異就可以用來計算物體距離雙目相機之間的距離。
6.為此，將雙目相機應用於鋼軌打磨探測中，當採集系統沿著軌道方向移動的同時，雙目相機對鋼軌上三側面多點位進行測量，利用中央處理器計算，形成鋼軌外輪廓尺寸，形成廓圖像數據。
7.由此，我們提出了本發明的一種視覺控制鋼軌缺陷位置檢測系統，將雙目相機應用到鋼軌的外觀尺寸的探測上，根據需要實時探測與反饋鋼軌的外觀尺寸。


技術實現要素：

8.本發明的目的是提供一種視覺控制鋼軌缺陷位置檢測方法及系統，用於解決人工檢測過程中的效率低下，以及人工成本高的問題。本發明系統將雙目相機應用於鋼軌打磨探測中，當採集系統沿著軌道方向移動的同時，雙目相機對鋼軌上三側面多點位進行測量，利用中央處理器計算，形成鋼軌外輪廓尺寸，形成廓圖像數據。
9.為了實現上述目的，本發明採用了如下技術方案：
10.本發明提供一種視覺控制鋼軌缺陷位置檢測方法，包括以下步驟：
11.s1.通過雙目相機採集待檢測鋼軌的表面圖像；
12.s2.根據所述採集到的待檢測鋼軌的表面圖像，劃定若干個測量點；
13.計算所述若干個測量點的相對於所述雙目相機的垂直高度值；
14.s3.將所述待檢測鋼軌的若干個測量點的相對於所述雙目相機的垂直高度值，與標準鋼軌的對應位置的測量點的相對於所述雙目相機的高度值進行對比，計算其差值；
15.如果差值在閾值範圍內，則判定為正常；如果差值不在閾值範圍內，則判定為異
常。
16.進一步地，所述計算所述若干個測量點的相對於所述雙目相機的垂直高度值，包括：
17.設所述雙目相機的兩個相機分別為相機l、相機r，以相機l、相機r以及測量點p建立平面lrp；
18.在平面lrp內，以相機l所在位置為原點、豎直方向為z軸、水平方向為x軸，建立坐標系，設測量點p坐標為(x，z)，則：
19.z/f＝x/xl
20.z/f＝xb/xr
21.x＝b+xb
22.可得：
23.z＝b*f/(xl-xr)
24.其中，f為相機焦距，xl和xr分別為相機l、相機r的相機鏡頭像寬，b為相機l和相機r之間視差；
25.z即為測量點p到雙目相機之間的距離；
26.則測量點p到雙目相機之間的垂直高度為：
27.z』＝√(z2-d2)
28.d＝v*t
29.其中，z』為測量點p到雙目相機之間的垂直高度，v為待檢測鋼軌與鋼軌表面信息採集模塊之間的相對運動速度，t為運動時間。
30.進一步地，所述測量點包括：
31.位於所述待檢測鋼軌頂部頂面的7個點，且按照所述待檢測鋼軌頂部頂面寬度進行等分設定；
32.位於所述待檢測鋼軌頂部左側面的3個點和右側面的3個點，且按照所述待檢測鋼軌頂部左側面和右側面高度進行等分設定。
33.進一步地，還包括以下步驟：
34.輸出判定為異常的測量點的位置信息。
35.本發明還提供一種視覺控制鋼軌缺陷位置檢測系統，所述系統包括：
36.待檢測鋼軌；
37.鋼軌表面信息採集模塊，用於採集所述待檢測鋼軌頂部的表面信息；
38.相對運動驅動模塊，用於驅動所述待檢測鋼軌與所述鋼軌表面信息採集模塊產生相對運動，保證鋼軌表面信息採集模塊採集到所有的待檢測鋼軌頂部的表面信息；
39.信息處理模塊，用於根據所述鋼軌表面信息採集模塊採集到的所述待檢測鋼軌的表面信息，分析所述待檢測鋼軌表面是否存在缺陷。
40.進一步地，所述鋼軌表面信息採集模塊包括：
41.設置在所述待檢測鋼軌上方位置以及左右位置的三組雙目相機；
42.且每組所述雙目相機均包括兩個相機：相機l、相機r。
43.進一步地，所述相對運動驅動模塊被設置為：
44.使所述待檢測鋼軌保持固定，且使所述鋼軌表面信息採集模塊運動；
45.或者，
46.使所述鋼軌表面信息採集模塊保持固定，且使所述待檢測鋼軌運動；
47.或者，
48.使所述鋼軌表面信息採集模塊與所述待檢測鋼軌相向運動。
49.進一步地，所述信息處理模塊集成於一中央處理器中。
50.進一步地，所述相機l和相機r的焦距相等。
51.本發明至少具備以下有益效果：
52.本發明將雙目相機應用於鋼軌打磨探測中，在採集系統與待檢測鋼軌相對運動中，通過對鋼軌上三側面的圖像實時採集，並進行實時計算，可以高效率進行缺陷位置的檢測並定位，有效規避傳統人工檢測帶來的高成本和低效率問題。
附圖說明
53.為了更清楚地說明本發明實施例技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
54.圖1為本發明系統示意圖；
55.圖2為雙目相機與鋼軌的示意圖；
56.圖3為相對運動驅動模塊效果示意圖；
57.圖4為p點與雙目相機距離計算示意圖；
58.圖5為p點與雙目相機垂直高度距離計算示意圖。
具體實施方式
59.為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
60.實施例1：
61.本發明用於公開一種視覺控制鋼軌缺陷位置檢測系統。
62.具體的，如圖1所示，所述系統包括：
63.待檢測鋼軌；
64.鋼軌表面信息採集模塊，用於採集所述待檢測鋼軌頂部的表面信息；
65.相對運動驅動模塊，用於驅動所述待檢測鋼軌與所述鋼軌表面信息採集模塊產生相對運動，保證鋼軌表面信息採集模塊採集到所有的待檢測鋼軌頂部的表面信息；
66.信息處理模塊，用於根據所述鋼軌表面信息採集模塊採集到的所述待檢測鋼軌的表面信息，分析所述待檢測鋼軌表面是否存在缺陷。
67.實施例2：
68.本實施例用於公開上述實施例1的具體組成。
69.所述信息處理模塊集成於中央處理器中。
70.如圖2所示，所述鋼軌表面信息採集模塊包括設置在所述待檢測鋼軌上方位置以及左右位置的三組雙目相機；
71.且每組所述雙目相機均包括兩個相機：相機l、相機r。
72.所述三組雙目相機分別用於拍攝所述待檢測鋼軌頂部的頂面、左側面以及右側面。
73.如圖2所示，所述相對運動驅動模塊能產生的效果為：
74.①
使所述待檢測鋼軌保持固定，且使所述鋼軌表面信息採集模塊運動；
②
使所述鋼軌表面信息採集模塊保持固定，且使所述待檢測鋼軌運動；
③
使所述鋼軌表面信息採集模塊與所述待檢測鋼軌相向運動。
75.以上三種方式，只要使所述待檢測鋼軌與所述鋼軌表面信息採集模塊產生相對運動即可，並不限制其具體形式。
76.另外，關於如何固定鋼軌或者鋼軌表面信息採集模塊，以及如何驅動所述鋼軌或者鋼軌表面信息採集模塊運動，都是常規的技術，本發明也不再進行贅述。
77.由此，通過本發明的上述設置，在具體操作時，通過雙目相機拍攝到待檢測鋼軌的表面圖像，然後上傳給中央處理器(信息處理模塊)，對待檢測鋼軌的多個檢測點進行檢查，就可以通過信息處理模塊分析得到待檢測鋼軌的表面有無缺陷，以及缺陷的標記點的相應位置。
78.關於中央處理器(信息處理模塊)如何進行檢測的，其檢測方法可見下述實施例3。
79.實施例3：
80.本實施例用於公開一種一種視覺控制鋼軌缺陷位置檢測方法。
81.具體的，步驟如下：
82.s1.通過雙目相機採集待檢測鋼軌的表面圖像；
83.s2.根據所述採集到的待檢測鋼軌的表面圖像，劃定若干個測量點；
84.參閱圖2，關於若干個測量點的劃定方案如下：
85.首先在鋼軌的橫截面上(x軸方向)，劃定位於所述待檢測鋼軌頂部頂面的7個點，且按照所述待檢測鋼軌頂部頂面寬度進行等分設定。
86.然後劃定位於所述待檢測鋼軌頂部左側面的3個點和右側面的3個點，且按照所述待檢測鋼軌頂部左側面和右側面高度進行等分設定。
87.當然，在其他實施例中，也可以根據檢測精度的需求，將上述測量點設置的更加密集或者鬆散，具體來說，測量點越多，越密集，則檢測的精度越高。
88.在鋼軌的軸線方向上(y軸方向)，可以人為設定每隔z距離(例如2mm)進行一次檢測，由此，在確定了x軸方向以及y軸方向的交叉點作為監測點時，我們只需要檢測坐標為(x，y，z)的點，其z值的變化量是否超出閾值，就可以判斷其是否存在坑窪，即缺陷位置。
89.為此，需要計算所述若干個測量點的相對於所述雙目相機的垂直高度值(即z點坐標)。
90.參閱圖4，以相機l、相機r以及測量點p建立平面lrp；
91.在平面lrp內，以相機l所在位置為原點、豎直方向為z軸、水平方向為x軸，建立坐標系，設測量點p坐標為(x，z)，則：
92.由圖像幾何尺寸得：
93.z/f＝x/xl
ꢀꢀꢀꢀ
(式1)
94.z/f＝xb/xr
ꢀꢀꢀ
(式2)
95.x＝b+xb
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式3)
96.由(式1)得：
97.x＝xl*z/f
ꢀꢀꢀꢀ
(式4)
98.將(式2)代入(式3)得：
99.x＝b+xr*z/f
ꢀꢀ
(式5)
100.將(式1)代入(式5)得：
101.z＝b*f/(xl-xr)
102.其中，f為相機焦距，xl和xr分別為相機l、相機r的相機鏡頭像寬，b為相機l和相機r之間視差，均可過通過先驗信息或者相機標定得到。
103.參閱圖5：
104.所述z即為測量點p到雙目相機之間的距離；
105.則測量點p到雙目相機之間的垂直高度為：
106.z』＝√(z2-d2)
107.d＝v*t
108.其中，z』為測量點p到雙目相機之間的垂直高度，v為待檢測鋼軌與鋼軌表面信息採集模塊之間的相對運動速度，t為運動時間。
109.s3.將所述待檢測鋼軌的若干個測量點的相對於所述雙目相機的垂直高度值，與標準鋼軌的對應位置的測量點的相對於所述雙目相機的高度值進行對比，計算其差值；
110.如果差值在閾值範圍內，則判定為正常；如果差值不在閾值範圍內，則判定為異常。
111.然後，可以根據是哪個雙目相機拍攝得到的異常點確定出異常點是處於檢測鋼軌頂部的哪個面上；跟拍攝得到的異常點的時間，待檢測鋼軌與鋼軌表面信息採集模塊之間的相對運動速度，可以得到異常點的相對於初始檢測點的距離，即y軸坐標；又因為檢測異常點本身就是對測量點一個一個進行掃描的，只需要記錄是第幾個測量點是異常點，就可以得知異常點在x軸上的坐標。
112.由此，可以根據上述輸出異常點的位置信息，方便檢修人員進行定位。
113.以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明的範圍內。本發明要求的保護範圍由所附的權利要求書及其等同物界定。