專利名稱：一種光電鐵路軌距-站臺間距測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密測量方法，特別涉及一種基于雙線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器實現(xiàn)測量軌距中心與站臺側(cè)面之間距離的測量方法。
背景技術(shù)：
在鐵道測量等需要精密測量的應(yīng)用中，需要對軌距中心與站臺側(cè)面之間距離進(jìn)行 幾何參數(shù)的測量，從而保證火車、鐵軌、站臺等在安全范圍內(nèi)，保證鐵道部門工作的安全運 行，并為鐵道部門進(jìn)行維護(hù)提供必要的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的軌距中心與站臺側(cè)面之間距離的測量主要采用以機械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的專用 的站臺測量尺，體型笨重，使用復(fù)雜，測量效率低，勞動強度大，維護(hù)困難。隨著具有非接觸、 操作簡單、效率高、精度高等優(yōu)點的計算機視覺測量技術(shù)的出現(xiàn)，基于線結(jié)構(gòu)光傳感器的測 量方法逐步在工業(yè)、交通等精密測量現(xiàn)場得到了應(yīng)用。線結(jié)構(gòu)光傳感器由一個攝像機和一 個一字型激光器組成，成本低，體積小，重量輕，在三維視覺測量中具有廣闊的應(yīng)用前景，適 用于工業(yè)機器人平臺的測量系統(tǒng)，也適用于室外可編程移動測量系統(tǒng)。但是對于鐵道交通、 室外大型的軌距中心與站臺側(cè)面之間距離還沒有相應(yīng)的測量方法。當(dāng)今的測量儀器正由傳 統(tǒng)的接觸式直接測量向非接觸、輕便、可移動測量發(fā)展，因此如何采用線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器 對軌距中心與站臺側(cè)面之間距離參數(shù)進(jìn)行測量成為鐵道交通部門亟待解決的重要問題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于線結(jié)構(gòu)光傳感器實現(xiàn)軌距中心與 站臺側(cè)面之間距離測量方法，滿足鐵軌測量系統(tǒng)中非接觸式、輕便、可移動、高精度、易校準(zhǔn) 的要求。技術(shù)方案基于線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的原理，采用雙線結(jié)構(gòu)光，實現(xiàn)軌距中心與站 臺側(cè)面之間距離測量，包括下列步驟該方法基于線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的原理，采用雙線結(jié)構(gòu)光，實現(xiàn)軌距中心與站臺 側(cè)面之間距離測量第一兩激光器、第二兩激光器分布于攝像機兩側(cè)俯視鐵軌構(gòu)成光視覺傳感器的測 量儀器；測量儀器與站臺之間通過機械卡口固定，機械卡口與站臺第一接觸點、第二接觸點 相對于攝像機光心位置0。固定；測量時，需滿足第一兩激光器、第二兩激光器及攝像機的工 作范圍及測量景深的前提要求，并保證第一激光平面、第二激光平面與鐵軌相交；得到結(jié)構(gòu)光的光條圖像，根據(jù)圖像特征得到鐵軌面與第一激光平面、第二激光平 面相交的光條重心點A、B、C、D四點的圖像坐標(biāo)，根據(jù)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器測量模型，由光 條重心點A、B、C、D四點的圖像坐標(biāo)得到被測鐵軌面即第一平面相對于攝像機光心0。的空 間位置；根據(jù)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器測量模型，由光條重心點A、B、C、D四點的空間坐標(biāo)，得 到AB中點E和CD中點F的坐標(biāo)，由直線EF的方向向量和鐵軌面即第一平面的法向量計算得到軌距中心垂面即第二平面相對于攝像機光心O。的空間位置；利用已求得被測軌距中心 垂面即第二平面的相對于攝像機光心O。的空間位置，以及被測站臺邊緣機械卡口相對于攝 像機光心O。位置第一接觸點、第二接觸點兩點坐標(biāo)，得到軌距中心與站臺側(cè)面之間的距離 L0根據(jù)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器測量模型，計算被測鐵軌面相對于攝像機光心的空間位 置；根據(jù)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器測量模型，計算軌距中心垂面相對于攝像機光心的空間 位置；利用已求得被測軌距中心垂面的相對于攝像機光心的空間位置，以及被測站臺邊 緣機械卡口相對于攝像機光心位置，求取軌距中心與站臺側(cè)面之間的距離。有益效果本發(fā)明方法突破了傳統(tǒng)站臺測量尺的測量方案，基于線結(jié)構(gòu)光視覺傳 感器原理，設(shè)計了雙線結(jié)構(gòu)光傳感器，實現(xiàn)了空軌距中心與站臺側(cè)面之間距離的測量，實現(xiàn) 了非接觸式、輕便、可移動、高精度測量，進(jìn)一步促進(jìn)了視覺測量技術(shù)的廣泛應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明測量儀器測量的示意圖及測量儀器測量空間站臺與軌距中心距離 的數(shù)學(xué)原理圖。圖2為線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的透視模型。圖3為本發(fā)明測量儀器測量時鐵軌面與光平面相交光條示意圖。以上的圖中有站臺平面1、測量儀器2、測量儀器與站臺的卡口 3、第一線激光投 射器4、第二線激光投射器5、攝像機6、第一激光光平面7、第二激光光平面8、鐵軌9、鐵軌 面10、軌距中心垂面11、激光光平面與鐵軌面相交部分12、主光條直線13。
具體實施例方式如圖1所示，攝像機6俯視鐵軌、兩激光器分布于攝像機6兩側(cè)俯投鐵軌9，構(gòu)成該 傳感測量儀器。測量儀器與站臺1之間通過機械卡口 3固定，儀器機械卡口 3與站臺1接 觸點相對于攝像機光心位置固定。測量時，需滿足激光器及攝像機6的工作范圍及測量景 深的前提要求，并保證兩激光平面與鐵軌9相交，這在實際測量中是容易實現(xiàn)的。圖2所示為線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的透視模型。如圖中所示，攝像機3D視覺測量 模型通常以針孔模型為基礎(chǔ)。世界坐標(biāo)系與傳感器光平面坐標(biāo)系一致，設(shè)為0w-Xwywzw，其 0w_xwyw與光平面重合。像平面坐標(biāo)系為O1-X1Y1，其中O1為光軸與像平面的交點，是像平面的 光學(xué)中心。O1和0。間距離f為物鏡成像的有效焦距。其中O1X1軸沿像素橫向方向，O1Y1軸 垂直于O1X1軸。在計算機圖像中，通常以左上角的點作為圖像坐標(biāo)的原點，即以圖2中的0 點為原點建立圖像坐標(biāo)系Ouv。攝像機坐標(biāo)系0。-x。y。z。，其中O。點為成像透視中心，即物鏡 的光學(xué)主點，OcZc為攝像機物鏡光軸，垂直于CXD像平面。0。x。軸和0。y。軸分別平行于O1X1 軸和O1Y1軸。以線結(jié)構(gòu)光為例，一字線激光器投射出一光平面與待測目標(biāo)交于線L。Pw是直線L上一點，PW在世界坐標(biāo)系0w-Xwywzw、攝像機坐標(biāo)系0。-X。y。z。以及計算機圖像平面坐標(biāo)系Ouv 下的對應(yīng)坐標(biāo)分別為(xw，yw，zw)、(xc, y。，zc)以及(Xl，Yl)。則世界坐標(biāo)系下的三維空間坐標(biāo)與計算機圖像坐標(biāo)系下的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系如下式所示<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，s是一個修正因子；R為旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矢量，R和T決定了攝像機相對 于世界坐標(biāo)系的方向和位置。矩陣A為線性系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)矩陣，其中Utl和Vtl為O1在計 算機圖像坐標(biāo)下的坐標(biāo)，α和β是橫縱坐標(biāo)軸對應(yīng)于焦距f的尺度因子(或稱為有效焦 距)，c是兩坐標(biāo)軸不垂直因子。這樣通過事先的標(biāo)定即可以得到世界坐標(biāo)系下的三維空間坐標(biāo)與計算機圖像坐 標(biāo)系下的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，容易由計算機圖像上點的對應(yīng)坐標(biāo)得到三維空間內(nèi)點的坐 標(biāo)。如圖1所示，測量分析過程采用如下約定 攝像機6光心由符號0。表示，兩結(jié)構(gòu)光光源由符號OpO2表示，線結(jié)構(gòu)光視覺傳 感器測量坐標(biāo)系定義為與攝像機坐標(biāo)系0。-X。y。z。重合； 為簡化分析，在測量的小范圍內(nèi)，認(rèn)為兩鐵軌9為直線，站臺平面突出點邊緣亦 為直線。 站臺平面1突出點與測量儀卡口 3交于空間M、N點，空間麗連線，極為站臺突 出的邊緣線；M、N點與攝像機光心的0。相對位置在儀器制造時已知，在攝像機坐標(biāo)系下，則 M點坐標(biāo)為(xM，yM，zM)，N點坐標(biāo)為(xN ，Yn9 7jW ； 光平面π sl與被測鐵軌的至高點交于點A、B,光平面π s2與被測鐵軌的至高點 交于點C、D ；空間點A、B、C、D共平面于平面Γ ； 在平面Γ上，E為線段AB中點，F(xiàn)為線段⑶中點，直線lmaE、F兩點，平面Γω 過平面Γ上直線Im與平面Γ垂直。1.鐵軌頂部平面Γ的解析方程當(dāng)兩道一字線激光器的激光平面投降兩根鐵軌9時，激光平面與軌道平面存在四 個相交的光條區(qū)域。如圖3所示，由于軌道平面10距地面存在相當(dāng)?shù)母叨?，根?jù)透視關(guān)系， 原本為圖像上得到的一條光條被分為兩部分鐵軌面與激光平面相交的光條部分12及主 光條直線13，且這兩部分光條在圖像上存在一定的距離。故在得到的光條圖像上，根據(jù)這個 特征，通過圖像處理算法可以確定圖像平面上鐵軌面與激光平面相交的光條部分，從而得 到鐵軌面與激光平面相交處的四個光條中心點域，然后分別求得這些點域的重心點，即而 得到Α、B、C、D四點的圖像坐標(biāo)。根據(jù)線結(jié)構(gòu)光視覺測量模型，分別求得A、B、C、D四點在攝像機坐標(biāo)系0。-X。y。Zc下 的空間坐標(biāo)(xA, yA, zA)、(xB, yB, zB)、(xc, yc, zc)、(xD, yD, zD)，顯然此四點中任意三點不共 線，則由此四點利用最小二乘法擬合出平面Γ的解析方程為平面 Γ -.a^+hj+c^+^ = 0則得到平面的法向量為& 二㈣,6,,C1)。2.求取中垂面rm已知A、B、C、D四點坐標(biāo)，則在平面Γ上，AB中點E的坐標(biāo)(xE，yE，ζΕ)以及⑶中點F的坐標(biāo)(xF，yF，zF)分別為點ε 坐標(biāo)j凡二(h + X9)/2 ’點 F坐標(biāo)jy,, =(yc+yD)/2
ze=(Za+Zb)/2L =Oc+zD)/2則過￡、？兩點直線1 1的方向向量為？=( ,02，￡；2)，其中a2 = xE_xF，b2 = yE-yF, C2 = zE_zF平面rm的法向量T7^與&及？垂直，則石=“？，即i-( ，\,c ,)，其中am = Id1C2-C1Id2, bm = C1B2-B1C2, cm = B1W2則由平面的點法式得到平面Γω的方程表示為am (x-xE) +bm (y-yE) +cm (z_zE) = O3.求站臺邊緣至中垂面Γ m的距離L已知站臺邊緣點M(xm，yM，zM)，N(xn, yN，zN)至平面Γ m的距離分別為LM、Ln <formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>由于實際情況中，直線MN不一定與平面Γ m平行，則為保證安全距離，取距離中最小值作為站臺至軌距中心的距離L L = min (Lm, Ln)。
權(quán)利要求
一種光電鐵路軌距-站臺間距測量方法，其特征在于該方法基于線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的原理，采用雙線結(jié)構(gòu)光，實現(xiàn)軌距中心與站臺側(cè)面之間距離測量第一激光器(4)、第二激光器(5)分布于攝像機(6)兩側(cè)俯視鐵軌(9)構(gòu)成激光視覺傳感器的測量儀器(2)；測量儀器(2)與站臺(1)之間通過機械卡口(3)固定；機械卡口(3)與站臺(1)第一接觸點(M)、第二接觸點(N)相對于攝像機(6)光心位置Oc固定；測量時，需滿足第一激光器(4)、第二激光器(5)及攝像機(6)的工作范圍及測量景深的前提要求，并保證第一激光平面(7)、第二激光平面(8)與鐵軌(9)相交；得到結(jié)構(gòu)光的光條圖像，根據(jù)圖像特征得到鐵軌面(10)與第一激光平面(7)、第二激光平面(8)相交的光條重心點A、B、C、D四點的圖像坐標(biāo)，根據(jù)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器測量模型，由光條重心點A、B、C、D四點的圖像坐標(biāo)得到被測鐵軌面(10)即第一平面(Γ)相對于攝像機光心Oc的空間位置；根據(jù)線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器測量模型，由光條重心點A、B、C、D四點的空間坐標(biāo)，得到AB中點E和CD中點F的坐標(biāo)，由直線EF的方向向量和鐵軌面(10)即第一平面(Γ)的法向量計算得到軌距中心垂面(11)即第二平面(Γm)相對于攝像機光心Oc的空間位置；利用已求得被測軌距中心垂面(11)即第二平面(Γm)的相對于攝像機光心Oc的空間位置，以及被測站臺(1)邊緣機械卡口(3)相對于攝像機光心Oc位置第一接觸點(M)、第二接觸點(N)兩點坐標(biāo)，得到軌距中心與站臺側(cè)面之間的距離L。
全文摘要
一種光電鐵路軌距-站臺間距測量方法涉及一種基于雙線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器實現(xiàn)測量軌距中心與站臺側(cè)面之間距離的測量方法，該方法基于線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的原理，采用雙線結(jié)構(gòu)光，實現(xiàn)軌距中心與站臺側(cè)面之間距離測量，設(shè)計了雙線結(jié)構(gòu)光傳感器，實現(xiàn)了空軌距中心與站臺側(cè)面之間距離的測量，實現(xiàn)了非接觸式、輕便、可移動、高精度測量，進(jìn)一步促進(jìn)了視覺測量技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
文檔編號G01B11/14GK101825441SQ20101017360
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者張旭蘋, 張益昕, 徐靜珠, 李建華, 王順 申請人:南京大學(xué)