专利名称：一种光电铁路轨距-站台间距测量方法
技术领域：
本发明属于精密测量方法，特别涉及一种基于双线结构光视觉传感器实现测量轨距中心与站台侧面之间距离的测量方法。
背景技术：
在铁道测量等需要精密测量的应用中，需要对轨距中心与站台侧面之间距离进行 几何参数的测量，从而保证火车、铁轨、站台等在安全范围内，保证铁道部门工作的安全运 行，并为铁道部门进行维护提供必要的数据。传统的轨距中心与站台侧面之间距离的测量主要采用以机械结构为基础的专用 的站台测量尺，体型笨重，使用复杂，测量效率低，劳动强度大，维护困难。随着具有非接触、 操作简单、效率高、精度高等优点的计算机视觉测量技术的出现，基于线结构光传感器的测 量方法逐步在工业、交通等精密测量现场得到了应用。线结构光传感器由一个摄像机和一 个一字型激光器组成，成本低，体积小，重量轻，在三维视觉测量中具有广阔的应用前景，适 用于工业机器人平台的测量系统，也适用于室外可编程移动测量系统。但是对于铁道交通、 室外大型的轨距中心与站台侧面之间距离还没有相应的测量方法。当今的测量仪器正由传 统的接触式直接测量向非接触、轻便、可移动测量发展，因此如何采用线结构光视觉传感器 对轨距中心与站台侧面之间距离参数进行测量成为铁道交通部门亟待解决的重要问题。
发明内容
技术问题克服现有技术的不足，提供一种基于线结构光传感器实现轨距中心与 站台侧面之间距离测量方法，满足铁轨测量系统中非接触式、轻便、可移动、高精度、易校准 的要求。技术方案基于线结构光视觉传感器的原理，采用双线结构光，实现轨距中心与站 台侧面之间距离测量，包括下列步骤该方法基于线结构光视觉传感器的原理，采用双线结构光，实现轨距中心与站台 侧面之间距离测量第一两激光器、第二两激光器分布于摄像机两侧俯视铁轨构成光视觉传感器的测 量仪器；测量仪器与站台之间通过机械卡口固定，机械卡口与站台第一接触点、第二接触点 相对于摄像机光心位置0。固定；测量时，需满足第一两激光器、第二两激光器及摄像机的工 作范围及测量景深的前提要求，并保证第一激光平面、第二激光平面与铁轨相交；得到结构光的光条图像，根据图像特征得到铁轨面与第一激光平面、第二激光平 面相交的光条重心点A、B、C、D四点的图像坐标，根据线结构光视觉传感器测量模型，由光 条重心点A、B、C、D四点的图像坐标得到被测铁轨面即第一平面相对于摄像机光心0。的空 间位置；根据线结构光视觉传感器测量模型，由光条重心点A、B、C、D四点的空间坐标，得 到AB中点E和CD中点F的坐标，由直线EF的方向向量和铁轨面即第一平面的法向量计算得到轨距中心垂面即第二平面相对于摄像机光心O。的空间位置；利用已求得被测轨距中心 垂面即第二平面的相对于摄像机光心O。的空间位置，以及被测站台边缘机械卡口相对于摄 像机光心O。位置第一接触点、第二接触点两点坐标，得到轨距中心与站台侧面之间的距离 L0根据线结构光视觉传感器测量模型，计算被测铁轨面相对于摄像机光心的空间位 置；根据线结构光视觉传感器测量模型，计算轨距中心垂面相对于摄像机光心的空间 位置；利用已求得被测轨距中心垂面的相对于摄像机光心的空间位置，以及被测站台边 缘机械卡口相对于摄像机光心位置，求取轨距中心与站台侧面之间的距离。有益效果本发明方法突破了传统站台测量尺的测量方案，基于线结构光视觉传 感器原理，设计了双线结构光传感器，实现了空轨距中心与站台侧面之间距离的测量，实现 了非接触式、轻便、可移动、高精度测量，进一步促进了视觉测量技术的广泛应用。
图1为本发明测量仪器测量的示意图及测量仪器测量空间站台与轨距中心距离 的数学原理图。图2为线结构光视觉传感器的透视模型。图3为本发明测量仪器测量时铁轨面与光平面相交光条示意图。以上的图中有站台平面1、测量仪器2、测量仪器与站台的卡口 3、第一线激光投 射器4、第二线激光投射器5、摄像机6、第一激光光平面7、第二激光光平面8、铁轨9、铁轨 面10、轨距中心垂面11、激光光平面与铁轨面相交部分12、主光条直线13。
具体实施例方式如图1所示，摄像机6俯视铁轨、两激光器分布于摄像机6两侧俯投铁轨9，构成该 传感测量仪器。测量仪器与站台1之间通过机械卡口 3固定，仪器机械卡口 3与站台1接 触点相对于摄像机光心位置固定。测量时，需满足激光器及摄像机6的工作范围及测量景 深的前提要求，并保证两激光平面与铁轨9相交，这在实际测量中是容易实现的。图2所示为线结构光视觉传感器的透视模型。如图中所示，摄像机3D视觉测量 模型通常以针孔模型为基础。世界坐标系与传感器光平面坐标系一致，设为0w-Xwywzw，其 0w_xwyw与光平面重合。像平面坐标系为O1-X1Y1，其中O1为光轴与像平面的交点，是像平面的 光学中心。O1和0。间距离f为物镜成像的有效焦距。其中O1X1轴沿像素横向方向，O1Y1轴 垂直于O1X1轴。在计算机图像中，通常以左上角的点作为图像坐标的原点，即以图2中的0 点为原点建立图像坐标系Ouv。摄像机坐标系0。-x。y。z。，其中O。点为成像透视中心，即物镜 的光学主点，OcZc为摄像机物镜光轴，垂直于CXD像平面。0。x。轴和0。y。轴分别平行于O1X1 轴和O1Y1轴。以线结构光为例，一字线激光器投射出一光平面与待测目标交于线L。Pw是直线L上一点，PW在世界坐标系0w-Xwywzw、摄像机坐标系0。-X。y。z。以及计算机图像平面坐标系Ouv 下的对应坐标分别为(xw，yw，zw)、(xc, y。，zc)以及(Xl，Yl)。则世界坐标系下的三维空间坐标与计算机图像坐标系下的二维坐标转换关系如下式所示<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，s是一个修正因子；R为旋转矩阵，T为平移矢量，R和T决定了摄像机相对 于世界坐标系的方向和位置。矩阵A为线性系统的内部参数矩阵，其中Utl和Vtl为O1在计 算机图像坐标下的坐标，α和β是横纵坐标轴对应于焦距f的尺度因子(或称为有效焦 距)，c是两坐标轴不垂直因子。这样通过事先的标定即可以得到世界坐标系下的三维空间坐标与计算机图像坐 标系下的二维坐标转换关系，容易由计算机图像上点的对应坐标得到三维空间内点的坐 标。如图1所示，测量分析过程采用如下约定 摄像机6光心由符号0。表示，两结构光光源由符号OpO2表示，线结构光视觉传 感器测量坐标系定义为与摄像机坐标系0。-X。y。z。重合； 为简化分析，在测量的小范围内，认为两铁轨9为直线，站台平面突出点边缘亦 为直线。 站台平面1突出点与测量仪卡口 3交于空间M、N点，空间丽连线，极为站台突 出的边缘线；M、N点与摄像机光心的0。相对位置在仪器制造时已知，在摄像机坐标系下，则 M点坐标为(xM，yM，zM)，N点坐标为(xN ，Yn9 7jW ； 光平面π sl与被测铁轨的至高点交于点A、B,光平面π s2与被测铁轨的至高点 交于点C、D ；空间点A、B、C、D共平面于平面Γ ； 在平面Γ上，E为线段AB中点，F为线段⑶中点，直线lmaE、F两点，平面Γω 过平面Γ上直线Im与平面Γ垂直。1.铁轨顶部平面Γ的解析方程当两道一字线激光器的激光平面投降两根铁轨9时，激光平面与轨道平面存在四 个相交的光条区域。如图3所示，由于轨道平面10距地面存在相当的高度，根据透视关系， 原本为图像上得到的一条光条被分为两部分铁轨面与激光平面相交的光条部分12及主 光条直线13，且这两部分光条在图像上存在一定的距离。故在得到的光条图像上，根据这个 特征，通过图像处理算法可以确定图像平面上铁轨面与激光平面相交的光条部分，从而得 到铁轨面与激光平面相交处的四个光条中心点域，然后分别求得这些点域的重心点，即而 得到Α、B、C、D四点的图像坐标。根据线结构光视觉测量模型，分别求得A、B、C、D四点在摄像机坐标系0。-X。y。Zc下 的空间坐标(xA, yA, zA)、(xB, yB, zB)、(xc, yc, zc)、(xD, yD, zD)，显然此四点中任意三点不共 线，则由此四点利用最小二乘法拟合出平面Γ的解析方程为平面 Γ -.a^+hj+c^+^ = 0则得到平面的法向量为& 二㈣,6,,C1)。2.求取中垂面rm已知A、B、C、D四点坐标，则在平面Γ上，AB中点E的坐标(xE，yE，ζΕ)以及⑶中点F的坐标(xF，yF，zF)分别为点ε 坐标j凡二(h + X9)/2 ’点 F坐标jy,, =(yc+yD)/2
ze=(Za+Zb)/2L =Oc+zD)/2则过￡、？两点直线1 1的方向向量为？=( ,02，￡；2)，其中a2 = xE_xF，b2 = yE-yF, C2 = zE_zF平面rm的法向量T7^与&及？垂直，则石=“？，即i-( ，\,c ,)，其中am = Id1C2-C1Id2, bm = C1B2-B1C2, cm = B1W2则由平面的点法式得到平面Γω的方程表示为am (x-xE) +bm (y-yE) +cm (z_zE) = O3.求站台边缘至中垂面Γ m的距离L已知站台边缘点M(xm，yM，zM)，N(xn, yN，zN)至平面Γ m的距离分别为LM、Ln <formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>由于实际情况中，直线MN不一定与平面Γ m平行，则为保证安全距离，取距离中最小值作为站台至轨距中心的距离L L = min (Lm, Ln)。
权利要求
一种光电铁路轨距-站台间距测量方法，其特征在于该方法基于线结构光视觉传感器的原理，采用双线结构光，实现轨距中心与站台侧面之间距离测量第一激光器(4)、第二激光器(5)分布于摄像机(6)两侧俯视铁轨(9)构成激光视觉传感器的测量仪器(2)；测量仪器(2)与站台(1)之间通过机械卡口(3)固定；机械卡口(3)与站台(1)第一接触点(M)、第二接触点(N)相对于摄像机(6)光心位置Oc固定；测量时，需满足第一激光器(4)、第二激光器(5)及摄像机(6)的工作范围及测量景深的前提要求，并保证第一激光平面(7)、第二激光平面(8)与铁轨(9)相交；得到结构光的光条图像，根据图像特征得到铁轨面(10)与第一激光平面(7)、第二激光平面(8)相交的光条重心点A、B、C、D四点的图像坐标，根据线结构光视觉传感器测量模型，由光条重心点A、B、C、D四点的图像坐标得到被测铁轨面(10)即第一平面(Γ)相对于摄像机光心Oc的空间位置；根据线结构光视觉传感器测量模型，由光条重心点A、B、C、D四点的空间坐标，得到AB中点E和CD中点F的坐标，由直线EF的方向向量和铁轨面(10)即第一平面(Γ)的法向量计算得到轨距中心垂面(11)即第二平面(Γm)相对于摄像机光心Oc的空间位置；利用已求得被测轨距中心垂面(11)即第二平面(Γm)的相对于摄像机光心Oc的空间位置，以及被测站台(1)边缘机械卡口(3)相对于摄像机光心Oc位置第一接触点(M)、第二接触点(N)两点坐标，得到轨距中心与站台侧面之间的距离L。
全文摘要
一种光电铁路轨距-站台间距测量方法涉及一种基于双线结构光视觉传感器实现测量轨距中心与站台侧面之间距离的测量方法，该方法基于线结构光视觉传感器的原理，采用双线结构光，实现轨距中心与站台侧面之间距离测量，设计了双线结构光传感器，实现了空轨距中心与站台侧面之间距离的测量，实现了非接触式、轻便、可移动、高精度测量，进一步促进了视觉测量技术的广泛应用。
文档编号G01B11/14GK101825441SQ20101017360
公开日2010年9月8日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者张旭苹, 张益昕, 徐静珠, 李建华, 王顺 申请人:南京大学