[发明专利]一种铁路检测车沉降和位姿的高精度摄像测量方法

摘要

本发明提供一种铁路检测车沉降和位姿的高精度摄像测量方法，包括两种实现方案，方案一为基于立体分布标志摄像测量方案，在铁轨旁边的地面上布置空间立体分布的多个摄像测量标志，摄像标志间的相对关系已知，检测车行驶经过地面标志时，利用检测车平台上安装的摄像测量系统观测标志，通过对标志图像的分析，实现对检测车沉降和姿态参数的动态高精度测量；方案二为基于平面反射镜的摄像测量方案，在铁路外地面上布置平面镜设施，在检测车上安装摄像机成像分析系统和点光源，当检测车行驶经过平面镜设施时，利用车载摄像系统拍摄并检测平面镜中车载点光源的像点，通过图像分析测量点光源像点在平面镜中的移动，计算检测车平台的高度变化，实现对铁路基础的沉降测量。

主权项

一种铁路检测车沉降和位姿的高精度摄像测量方法，通过在地面设置摄像标志，在检测车上安装摄像测量系统，当检测车行经地面摄像标志处时对地面摄像标志成像，通过对图像的分析，利用摄像测量方法实现对检测车沉降和姿态参数进行动态高精度测量，具体包括：(1)基于立体分布标志的摄像测量，具体为：在铁路外的地面上布置空间立体分布的多个摄像测量标志，摄像标志间的相对关系已知,通过对图像上标志间成像关系的分析，实现对检测车沉降和姿态参数的分别测量，1)基于立体分布标志的沉降摄像测量利用摄像测量系统拍摄垂直铁路线方向布设的地面标志，设前标志距离桥梁分别为L1，前后标志间的距离为L2，前标志高度为H2，后标志高度为H3，摄像测量系统在沉降前高H1，当沉降ΔH1时，前后标志杆相对于摄像测量系统视点产生ΔH2的相对高差，利用该高差成像分析测量得到检测车平台的沉降，立体标志的控制点在沉降前后由于视点的高差变化会在像机图像上发生的位移，沉降前图像中前后标志杆顶端的高差为h0，沉降后，标志杆顶端图像发生了相对位移，图像中标志杆顶端的高差变为h，不同的沉降量引起的位移变化h～h0不同，据此测量摄像测量系统固连的检测车平台的沉降量，前后标志杆的图像位移差Δh＝h0‑h与两个物理位移量ΔH1和ΔH2的关系根据相似三角形原理推得：ΔH1=(L1+L2)ΔH2L2=(L1+L2)KΔhL2---(1)]]>其中ΔH1为桥梁沉降量，也即摄像测量系统下降量，ΔH2为桥梁沉降ΔH1时前后标志杆相对于摄像测量系统视点相对高差变化，L1为前标志到桥梁距离，L2为前后标志间的距离，K为摄像系统1个像素对应的空间高度，Δh为前后标志杆的图像位移差，2)基于立体分布标志的姿态摄像测量通过在铁路外侧沿轨道方向依次布置标志，利用固连于检测车的像机对标志成像，通过图像分析计算检测车姿态，假设沿轨道方向前后标志的顶端处于同一水平面，则根据对前后标志成像的高度差异就可以测量成像系统俯仰角，假设前后标志在图像中的间距为L，双标志成像高度差为Δh，则检测车俯仰角为α=ΔhL---(2)]]>其中α为检测车俯仰角，Δh为前后标志杆的图像位移差，L为前后标志在图像中的间距，考虑到像机视场限制，通过合理设计成像系统和标志间距，检测车俯仰角姿态测量精度可以达到角秒级；(2)基于平面反射镜的摄像测量，具体为：在铁路外地面上布置平面镜设施，在检测车上安装摄像机成像分析系统和点光源，利用车载摄像系统拍摄并检测平面镜中车载点光源的像点，通过图像分析，测量点光源像点在平面镜中的移动，计算检测车平台的高度变化，实现对铁路基础的沉降测量，在桥梁外布置平面镜设施，利用车载摄像系统拍摄并检测平面镜中车载点光源的像点，当发生沉降时，点光源和摄像系统随同检测车沉降，点光源在平面镜中的像点就会发生移动，当摄像机和点光源沉降量为d时，视点从P处变化到P′处，对应平面镜中的点光源的像点平移距离d′，d′和d的关系由平面镜光线反射原理推导得到，如当像机正视平面镜时d＝d′，通过测量平面镜中点光源像点相对平面镜基准线的位移测量检测车平台的沉降量，检测车动态晃动时像机姿态发生变化，但只要位置不变，点光源在平面镜中的像点相对平面镜中心基准线的位置就不变，即本方案的平台沉降测量不受检测车动态晃动的影响，沉降前后与摄像机固连的点光源位置发生变化，经摄像机成像后，由中心透视投影成像原理，物点P到光轴的距离X与像点p到光轴的距离x满足其中X为物点P到光轴的距离，u为物距，x为像点p到光轴的距离，f为焦距，由于故由像点位移d0得像机沉降量为其中ΔH为桥梁沉降量，d0为像点位移变化，u为物距，f为焦距。