[发明专利]一种基于Faster R-CNN的接触网静态几何参数检测方法

摘要

本发明公开了一种基于Faster R‑CNN的接触网静态几何参数检测方法。该方法通过检测装置的线扫描激光传感器以及相机装置对接触网进行图像数据采集，根据采集到的三维图像数据，利用Faster R‑CNN模型对图像关键部件进行有效识别。在识别出接触网定位器、定位器接触点、电线杆及电线杆的支撑杆所在区域后，利用坐标变换计算得到拉出值、导高值、定位器角度值以及线岔高差值，以此获取接触网静态几何参数，进而识别接触网是否发生故障。与现有检测方法相比，本发明的接触网静态几何参数检测方法能够较为精确地识别接触网关键部件，接触网几何参数检测耗时短且结果可靠度高。

主权项

1.一种基于Faster R-CNN的接触网静态几何参数检测方法，其特征在于，包括步骤：/n步骤(1)：利用接触网静态几何参数检测装置所包含的线扫描激光传感器以及相机装置对接触网进行图像数据采集工作，并将所获取的接触网三维图像数据反馈至计算机进行进一步数据处理；/n步骤(2)：通过步骤(1)所获取的图像资料，建立Faster R-CNN模型对待检测图片进行特征提取工作，识别图片中的定位器、定位器接触点、电线杆以及电线杆支撑杆的位置信息，/nFasterR-CNN使用轮流训练方法，该训练过程为：/na.输入接触网训练集图像，使用ImageNet预训练模型初始化各层参数，调整RPN网络参数用于候选区域的提取；/nb.根据步骤a生成的候选区域，训练Fast R-CNN检测网络；/nc.根据步骤b训练好的检测网络训练RPN网络，网络中的共享卷积层固定不变；/nd.保持共享卷积层的固定，根据RPN网络重新生成候选区域，继续微调Fast R-CNN的其他层；/n对于RPN网络的训练，RPN设置固定尺寸的滑动空间窗口，在共享卷积层输出的卷积特征映射上滑动，每滑动一次窗口都将窗内的高维特征向量映射成低维向量，在此基础之上进行卷积运算，并输出带有目标得分的候选区域集合，采用反向传播法和随机梯度下降进行端到端的训练，损失函数为分类误差和回归误差之和；/n对于Fast R-CNN网络的训练，Fast R-CNN网络首先利用输入的任意尺寸图片，向前传播到共享卷积层，然后卷积层一方面将特征映射传入RPN网络，另一方面在Fast R-CNN网络内继续向前传播，得到更高维度的特征映射，对于筛选过后的候选区域和高维特征映射，其将会被传入RoI池化层，在RoI池化层内提取对应区域的特征后，内对图像进行卷积运算得到一个特征映射，最后将该区域特征和全连接层连接输出目标分类和得分，以及boundingbox目标定位框回归值，Fast R-CNN同样采用反向传播法和随机梯度下降法进行训练，通过分类误差和回归误差构成的损失函数进行联合训练；/n步骤(3)：根据步骤(2)所识别定位器、定位器接触点、电线杆以及电线杆支撑杆的位置信息，经过坐标变换计算得到拉出值、导高值、定位器角度值以及线岔高差值，以此获取接触网静态几何参数，进而识别接触网是否发生故障；/n识别出定位器、定位器接触点、电线杆及电线杆的支撑杆后，用opencv函数库中的findContours函数和drawContours函数识别图像轮廓并提取坐标信息；对于所获取的接触网关键部件坐标信息，其相应拉出值、导高值、定位器角度值以及线岔高差值的计算方法如下：/n(1)计算导高值/n导高值的含义是接触点到轨道平面的距离，其计算过程为：1、识别出接触点的坐标信息；2、提取y值；3、根据坐标系转换计算出实际数值并输出，/ny′＝y×k/n其中，y′为实际导高值，y为坐标值，k为y轴对比尺；/n(2)计算拉出值/n拉出值的含义是接触点到轨道中心点的距离，因为轨道中心点的位置是已知值，所以其计算过程为：1、识别出接触点的坐标信息；2、提取x值；3、根据坐标系转换计算出实际数值并与轨道中心点的数值相减，/nx′＝(x-x₁)×k₁/n其中，x′为实际拉出值，x为接触点的坐标值，x₁为轨道中心点的坐标值，k₁为x轴对比尺，/n(3)计算定位器角度/n定位器角度的计算过程为：1、拟合直线；2、取得斜率；3、角度补偿校正，因为图片有一定程度的倾斜角度，所以图中的角度并不是现实世界中的角度，要获得坡度需要经过一次角度补偿校正，/na.拟合直线并取得斜率/n拟合方法选择最小二乘法，因为已经取得了定位器的坐标信息，所以拟合多项式为：/ny_i＝ax_i+b/n式中，x_i代表定位器在图像坐标系中的横坐标，y_i代表定位器在图像坐标系中的纵坐标，a，b是常数，/n平方偏差和为：/n /n式中，n代表待拟合数据的总个数，/n对a、b求偏导：/n /n对上式进行求解即可获得a，b数值，若设相机拍摄仰角为δ，则其计算方式如下：/nδ＝arccos(b/a)/nb.角度补偿校正/n根据定位器角度定义，定位器实际坡度值与图像中测量得到的坡度值之间存在如下关系：/n /n其中，α补偿后定位器角度，β为所采集图像中测量得到的坡度值；/n(4)计算线岔高差值/n线岔高差是在要换线的时候两个要换线的电线杆上的接触点的导高值之差，所以其计算过程为：1、识别出需要计算线岔高度差的图像；2、识别出两个电线杆上接触点的坐标信息；3、提取y₁、y₂值；3、根据坐标系转换计算出实际值并输出：/nY＝(y₁-y₂)×k/n其中，Y为实际高度差值，y₁、y₂分别为两接触点的坐标值，k为y轴对比尺。/n