线结构光测量技术在接触轨几何参数检测中的应用研究

【摘要】：近年来,各大城市都在大力发展城市轨道交通系统,城市轨道交通已经成为大部分人的出行选择,城市轨道交通系统为现代城市的公共交通提供了很大的运输能力,已经成为解决城市拥堵的重要方法。接触轨在城市轨道交通供电系统中有着广泛的应用,接触轨几何参数成为了衡量地铁供电系统是否正常的重要标准,若接触轨几何参数偏离正常值范围,则会对地铁机车的供电产生影响,可能发生严重的交通事故。所以接触轨几何参数对城市交通轨道供电系统有着重要的意义。相对于人工检测方式,自动检测系统效率高、精度高,在地铁供电系统中发挥着重要的作用。本文从接触轨几何参数检测的高精度和高效率的两个指标为基础,对接触轨几何参数检测系统进行了深入的研究工作。结合激光三角测距原理和接触轨几何参数检测原理,分析接触轨几何参数求解中的关键参数。接触轨检测系统采用4个激光摄像传感器对接触轨及行走轨进行图像采集,将采集到的图像进行特征点分析,得到摄像机中心到特征点的真实距离。运用激光三角测距原理,将所测量的值转化成我们所要解决的参数,最终获得我们所要求解的接触轨几何参数值。针对待检测的接触轨几何参数,对摄像机标定。首先建立世界坐标系,图像坐标系,图像像素坐标系,摄像机坐标系之间的关系,在不考虑摄像机镜头畸变的前提下建立世界坐标系和图像坐标系之间的线性模型,在线性模型的基础上考虑镜头畸变因子,建立世界坐标系和图像坐标系之间的非线性模型,基于共面标定法对两个模型的标定参数给出了求解。根据摄像机标定模型,对标定图像特征点世界坐标和图像像素坐标的提取进行研究。首先介绍了Harris角点检测算法,分析了其算法的优缺点,并在Harris角点检测算法的基础上进行改进,实现了对像素级角点的检测。针对标定所用的黑白棋盘格图片进行角点的检测,试验表明改进算法可以很好的检测到所有角点及其精确的像素级坐标。在改进的Harris算法的基础上研究了基于插值法、梯度灰度法、灰度平方重心法的亚像素角点提取,将这三种方法和改进Harris角点检测算法相结合,分别用上述三种方法进行了亚像素级角点检测试验,试验结果表明：插值法所得到的误差数据最小,其误差可以控制在0.5mm以内,其他方法次之。用该算法所获得的亚像素级角点坐标及其世界坐标对试验结果进行分析,对比两个模型的标定精度。线性模型的标定误差在2mm以内,而非线性模型的标定误差在0.5mm以内；基于接触轨几何参数检测系统中采集图像为线结构光图像,本文结合了线结构光的特点和图像处理的方法对线结构光图像进行图像预处理以减小噪声的干扰,然后再对线结构光图像进行边缘检测,提取图像的光条边缘。本文应用了基于灰度重心法和高斯曲线拟合法的光条中心提取算法对线结构光光中心进行提取试验。试验结果表明,灰度重心法受噪声干扰影响严重,其效果没有高斯曲线拟合法好。针对以上试验中灰度重心法的不足,对其进行改进,得到本文的算法并进行试验,将改进算法的试验结果和高斯曲线拟合法的试验结果对比,可以发现本文改进算法检测到的光条中心线的效果明显好于高斯曲线拟合法。本文最后根据广州市地铁4号线现场测得的试验数据,对本文的算法进行重复性试验及精度验证,验证本文算法的可靠性及精确性。