一种铁路轨道弹条扣件状态自动检测装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及
钢轨检测技术领域，具体而言，涉及一种
铁路轨道弹条扣件状态自动检测装置。
背景技术
[0002] 随着交通运输行业的发展，轨道交通的发展越来越迅速；在铁路轨道中，会应用到许多不同的铁路
轨道扣件，以辅助完成轨道之间的安装、固定与连接，其中弹条扣件是十分常见的一种扣件；为确保轨道交通运行的安全性，需要对铁路轨道扣件进行沿路检查，
现有技术中，对铁路轨道扣件的检查还处于人工操作的阶段，并且铁路轨道扣件的检查工作主要包括：检查是否出现松动以及是否有裂纹，其中是否出现松动的情况可以由检修人员通过使用工具进行检测，但是人工判断扣件是否存在裂纹则比较困难；并且由于铁路往往会绵延数十公里，其所处的环境有时会比较恶劣，单单采用靠人工进行检修的方式，会存在着劳动量巨大、费时费
力的
缺陷。
[0003] 目前，本领域以及相近的技术领域的现有技术中还未出现一种能够自动进行铁路轨道扣件检测的装置或者设备。实用新型内容
[0004] 有鉴于此，本实用新型
实施例的目的在于提供一种铁路轨道弹条扣件状态自动检测装置，以解决上述问题。
[0005] 第一方面，本实用新型实施例提供了一种铁路轨道弹条扣件状态自动检测装置，包括：
[0006] 行走机构，所述行走机构连接有行走控制机构，所述行走机构上安装固定有：弹条扣件测距模
块、
图像采集模块、弹条扣件表面三维点
云获取模块和
数据处理和判断模块，所述弹条扣件表面三维点云获取模块用于采集完整的弹条扣件的三维点云数据；
[0007] 所述行走控制机构包括：无线接收器、
微处理器和驱动
电机，所述
驱动电机的电机轴与所述行走机构的行走轮相连接，所述无线接收器用于接收手持终端的无线遥控
信号，并将所述信号发送至微处理器，所述微处理器通过控制所述驱动电机控制所述行走机构前进、倒退以及
加速、减速；
[0008] 所述行走机构沿铁路轨道运行，所述弹条扣件测距模块用于在行走机构运行过程中对所述弹条扣件进行测距
定位，当所述弹条扣件测距模块检测到所述行走机构到达所述弹条扣件
位置以后，所述图像采集模块对所述弹条扣件进行图像
数据采集，所述图像采集模块将采集到的图像数据发送至所述数据处理和判断模块，所述数据处理和判断模块基于所述三维点云数据和图像数据，确定弹条扣件平面图像中的扣件边缘，并提取弹条扣件的图像，所述判断模块用于根据提取的所述弹条扣件的图像判断弹条扣件是否存在裂纹。
[0009] 结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中：
[0010] 所述图像采集模块包括：多个图像采集单元，所述图像采集单元包括：图像采集相机和
光源；
[0011] 其中，所述图像采集相机为面阵相机，所述光源为LED面阵光源；
[0012] 或者，
[0013] 所述图像采集相机为线阵相机，所述光源为LED线阵光源。
[0014] 结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中：
[0015] 所述弹条扣件测距模块包括：点状激光测距
传感器；
[0016] 所述点状激光测距传感器用于
感知所述图像采集模块是否到达弹条扣件图像采集区。
[0017] 结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中：
[0018] 所述行走机构上还设置有：弹条扣件定位模块；
[0019] 所述弹条扣件定位模块，包括：GPS定位器和
编码器，所述GPS定位器用于获取铁路轨道扣件的绝对位置坐标，所述编码器用于获取行走机构的位移和速度，并根据
轨枕序号，最终获取铁路弹条扣件的定位数据；
[0020] 所述弹条扣件表面三维点云获取模块通过：线结构激光传感器、
双目视觉相机或者
激光雷达中的任意一种进行采集完整的弹条扣件的三维点云数据；
[0021] 所述数据处理和判断模块还用于对所述三维点云数据进行分离、识别，提取铁路轨道扣件各个部件的三维空间数据，并根据所述三维空间数据建立铁路轨道扣件的三维模型；
[0022] 所述数据处理和判断模块还用于在铁路轨道扣件三维模型的
基础上，分析计算弹条扣件与垫板、弹条扣件与绝缘板的间隙尺寸，并结合预先设定的铁路检查规则，判断弹条扣件紧固状态是否满足需求，获取弹条扣件紧固状态的判断数据。
[0023] 结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中：
[0024] 所述数据处理和判断模块，还用于：
[0025] 将所述弹条扣件表面三维点云获取模块获取的弹条扣件三维点云与标准弹条扣件的三维点云进行比对，判断弹条扣件是否存在缺失、断裂、错位和异物入侵。
[0026] 结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中：
[0027] 所述行走机构上还设置有：数据无线传输模块，所述数据无线传输模块包括：射频单元和信息发送单元，所述信息发送单元包括：GPRS通讯设备、3G通讯设备、4G通讯设备中的任意一种；
[0028] 所述射频单元用于将所述数据处理和判断模块的判断结果数据发送至远程监控上位机；
[0029] 所述信息发送单元用于将所述数据处理和判断模块的判断结果数据发送至检测信息接收人的手机上。
[0030] 结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中：
[0031] 所述行走机构包括：巡检小车；
[0032] 所述巡检小车包括：车体，所述车体包括：横梁、左
纵梁、右纵梁和至少四个行走轮，该行走轮与钢轨顶面紧密
接触，所述车体上还设置有定位轮和张紧轮，其中，所述定位轮始终紧贴着钢轨的内侧面，所述张紧轮随着轨道的轨距变化而调节张紧程度；所述左纵梁和右纵梁的中心位置分别与横梁的左、右两端连接，所述行走轮分别设置于左纵梁和右纵梁的底部两端，所述行走轮贴合铁路轨道运行；所述左纵梁、右纵梁的中间位置分别设置有第一元件安装板和第二元件安装板；
[0033] 所述图像采集模块包括：第一图像采集单元、第二图像采集单元、第三图像采集单元和第四图像采集单元；
[0034] 所述第一图像采集单元与所述第二图像采集单元分别设置于所述第一元件安装板下方的内外两侧，所述第三图像采集单元与所述第四图像采集单元分别设置于第二元件安装板下方的内外两侧；
[0035] 所述弹条扣件测距模块，包括：点状激光测距传感器，该点状激光测距传感器设置于左纵梁中心位置的外侧；
[0036] 所述弹条扣件表面三维点云获取模块，包括：第一线结构激光传感器、第二线结构激光传感器、第三线结构激光传感器和第四线结构激光传感器；
[0037] 所述第一线结构激光传感器与第二线结构激光传感器分别设置于所述第一元件安装板上方的内外两侧，所述第三线结构激光传感器与所述第四线结构激光传感器分别设置于第二元件安装板上方的内外两侧；
[0038] 所述编码器安装于所述行走轮的中
心轴上；
[0039] 所述数据处理和判断模块，包括：
嵌入式计算机，所述嵌入式计算机安装于所述横梁内，所述横梁内还设置有电源模块。
[0040] 结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中：
[0041] 所述电源模块包括：半球形光伏板主体、储能装置和
电压转换器。
[0042] 结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中：
[0043] 所述编码器为：光电编码器和
旋转编码器中的任意一种。
[0044] 结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中：
[0045] 所述编码器和GPS定位器通过同步控制
电路与线结构激光传感器相连接。
[0046] 本实用新型实施例所提供的一种铁路轨道弹条扣件状态自动检测装置，能够自动控制行走机构沿铁路轨道运行，在运行过程中，到达弹条扣件位置，通过使用图像采集模块对弹条扣件进行图像采集，并通过对采集到的图像数据进行处理，提取弹条扣件的图像，并根据提取的弹条扣件的图像判断弹条扣件是否存在裂纹；本实用新型实施例所提供的铁路轨道弹条扣件自动检测装置及方法，能够实现对弹条扣件是否具有裂纹进行自动检测。
[0047] 为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附
附图，作详细说明如下。
附图说明
[0048] 为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0049] 图1示出了本实用新型实施例一所提供的一种铁路轨道弹条扣件状态自动检测装置的结构示意图；
[0050] 图2示出了本实用新型实施例二所提供的一种铁路轨道弹条扣件状态自动检测装置的结构示意图。
[0051] 图示说明:
[0052] 101-弹条扣件测距模块；102-图像采集模块；103-数据处理和判断模块；104-行走控制机构；105-行走机构；106-弹条扣件表面三维点云获取模块；
[0053] 200-第四图像采集单元；201-GPS定位器；202-同步控制电路；203-嵌入式计算机；204-电源模块；205-定位轮；206-第三线结构激光传感器；207-编码器；208-第四线结构激光传感器；210-第三图像采集单元；213-第二图像采集单元；214-第二线结构激光传感器；
215-第一线结构激光传感器；216-点状激光测距传感器；217-第一图像采集单元；218-横梁；219-左纵梁；220-右纵梁；221-第一元件安装板；222-第二元件安装板；223-行走轮；
224-张紧轮。
具体实施方式
[0054] 为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的
选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0055] 现有技术中，为确保轨道交通运行的安全性，需要对铁路轨道进行检查，对铁路轨道的检测工作多由人工的方式进行，具有劳动量较大，且检测效率比较低的缺陷，并且对铁路轨道扣件是否存在裂纹的人工检测工作比较困难，准确率较低。
[0056] 为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种铁路轨道弹条扣件状态自动检测装置进行详细介绍；
[0057] 如图1所示的实施例一，本实施例中公开了一种铁路轨道弹条扣件状态自动检测装置，包括：行走机构105，该行走机构105连接有行走控制机构104，上述行走机构105上安装固定有：弹条扣件测距模块101、图像采集模块102、弹条扣件表面三维点云获取模块106和数据处理和判断模块103，所述弹条扣件表面三维点云获取模块106用于采集完整的弹条扣件的三维点云数据；
[0058] 上述行走控制机构104包括：无线接收器、微处理器和驱动电机，行走机构设置有行走轮，沿铁路
导轨运行，驱动电机的电机轴与行走机构的行走轮相连接，无线接收器用于接收工作人员手持遥控终端发送的无线遥控信号，并将该无线遥控信号发送至微处理器，进一步的，微处理器通过控制驱动电机进行控制行走机构105前进、倒退以及加速、减速；进一步的，本实施例中上述微处理器还连接有GPS定位器，该GPS定位器还用于对行走机构进行定位，以避免行走机构发生丢失无法找到的情况。
[0059] 行走机构105沿铁路轨道运行，弹条扣件测距模块101用于在行走机构运行过程中对弹条扣件进行测距定位，当弹条扣件测距模块101检测到行走机构105到达弹条扣件位置以后，图像采集模块102对该弹条扣件进行图像数据采集，图像采集模块102将采集到的图像数据发送至数据处理和判断模块103，进而由数据处理和判断模块103对该图像数据进行处理，并基于弹条扣件的三维点云数据确定弹条扣件平面图像中的扣件边缘，并提该取弹条扣件的图像，数据处理和判断模块103进一步根据提取的弹条扣件的图像判断弹条扣件是否存在裂纹。
[0060] 本实施例中提供的一种铁路轨道弹条扣件状态自动检测装置，能够实现对轨道弹条扣件裂纹的自动检测，具有效率高和检测准确的积极效果。
[0061] 上述的图像采集模块包括：多个图像采集单元，每个图像采集单元均包括：图像采集相机和光源；
[0062] 进一步的，上述图像采集相机为面阵相机，并且相对应的光源为LED面阵光源；
[0063] 或者，上述的图像采集相机为线阵相机，相对应的光源为LED线阵光源。
[0064] 上述弹条扣件测距模块包括：点状激光测距传感器；该点状激光测距传感器用于感知行走机构上的图像采集模块是否到达弹条扣件图像采集区，当到达弹条扣件图像采集区时，图像采集模块会进行对该弹条扣件抓拍采集图像。
[0065] 在某一具体实施例中，上述行走机构上还设置有：弹条扣件定位模块；
[0066] 其中，弹条扣件定位模块，包括：GPS定位器和编码器，GPS定位器用于获取铁路轨道扣件的绝对坐标，编码器用于获取行走机构的位移和速度，并根据行走机构所处的铁路轨道的轨枕序号，最终获取铁路弹条扣件的定位数据；
[0067] 弹条扣件表面三维点云获取模块，包括：多个线结构激光传感器；该线结构激光传感器采集完整的弹条扣件的三维点云数据；进一步的，上述的弹条扣件表面三维点云获取模块也可以通过双目视觉相机或者激光雷达获取弹条扣件的三维点云数据；上述数据处理和判断模块还用于对所述三维点云数据进行分离、识别，提取铁路轨道扣件各个部件的三维空间数据，并根据所述三维空间数据建立铁路轨道扣件的三维模型；
[0068] 进一步的，上述数据处理和判断模块，在铁路轨道扣件三维模型的基础上，分析计算弹条扣件与垫板、弹条扣件与绝缘板的间隙尺寸，并结合预先设定的铁路检查规则，判断弹条扣件紧固状态是否满足需求，获取弹条扣件紧固状态的判断数据；并将上述铁路弹条扣件的定位数据和弹条扣件紧固状态的判断数据相结合完成铁路弹条扣件紧固状态的检查。
[0069] 进一步的，上述数据处理和判断模块，还用于：将弹条扣件表面三维点云获取模块获取的弹条扣件三维点云与标准弹条扣件的三维点云进行比对，判断弹条扣件是否存在缺失、断裂、错位和异物入侵。
[0070] 本实施例中所提供的一种轨道扣件自动检测装置，不仅能够实现自动对弹条扣件的裂纹检测，还能够实现对弹条扣件紧固状态的检测，以及能够判断弹条扣件是否存在缺失、断裂、错位和异物入侵。
[0071] 进一步的，上述实施例中的行走机构上还可设置安装有：数据无线传输模块，该数据无线传输模块包括：射频单元和信息发送单元，该信息发送单元包括但不限于：GPRS(通用分组无线服务技术，General Packet Radio Service)通讯设备、3G(第三代移动通信技术，3rd-Generation)通讯设备、4G(第四代移动通讯技术)通讯设备以及未来可能出现的比如5G等无线通讯技术中的设备；
[0072] 射频单元用于将数据处理和判断模块的判断结果数据发送至远程监控上位机，由工作人员进行远程监控；
[0073] 上述信息发送单元用于将数据处理和判断模块的判断结果数据发送至检测信息接收人的手机上。
[0074] 进一步的，在某一具体实施例中，上述数据处理和判断模块还连接有报警模块，当数据处理和判断模块判断弹条扣件存在裂纹或者弹条扣件出现松动时，报警模块会进行声光报警，以提示工作人员进行人工处理。
[0075] 如图2所示的实施例二，本实施例中的轨道弹条扣件状态自动检测装置中，行走机构包括：巡检小车；
[0076] 该巡检小车包括：车体，该车体包括：横梁218、左纵梁219、右纵梁220和至少四个行走轮223，该行走轮223与钢轨顶面紧密接触，避免车体上下颠簸，上述车体上还设置有定位轮205和张紧轮224，其中，定位轮205始终紧贴着钢轨的内侧面；张紧轮224随着轨道的轨距变化而调节张紧程度，避免车体左右晃动；上述左纵梁219和右纵梁220的中心位置分别与横梁218的左、右两端连接，行走轮223分别设置于左纵梁219和右纵梁220的底部两端，行走轮223贴合铁路轨道运行；上述左纵梁219、右纵梁220的中间位置分别设置有第一元件安装板221和第二元件安装板222；
[0077] 上述图像采集模块包括：第一图像采集单元217、第二图像采集单元213、第三图像采集单元210和第四图像采集单元200；其中每个图像采集单元均包括：图像采集相机和光源，该相机可以为面阵相机或者线阵相机，相应的，该光源为LED面阵光源或者LED线阵光源，进一步的该光源可以为白光光源或者红外光源。
[0078] 第一图像采集单元217与第二图像采集单元213分别设置于第一元件安装板221下方的内外两侧，第三图像采集单元210与第四图像采集单元200分别设置于第二元件安装板222下方的内外两侧。
[0079] 上述弹条扣件测距模块包括：点状激光测距传感器216，该点状激光测距传感器216设置于左纵梁219中心位置的外侧；本实施例中点状激光测距传感器检测到巡检小车到达弹条扣件位置后，上述图像采集单元进行抓拍。
[0080] 需要说明的是，上述实施例中仅是举例说明，不应当看作是对本实用新型技术方案的限定，点状激光测距传感器的安装位置也可以是在左纵梁中心位置的内侧、右纵梁中心位置左侧或者右纵梁中心位置的右侧。
[0081] 本实施例中，上述弹条扣件表面三维点云获取模块，包括：第一线结构激光传感器215、第二线结构激光传感器214、第三线结构激光传感器206和第四线结构激光传感器208；
[0082] 进一步的，上述第一线结构激光传感器215与第二线结构激光传感器214分别设置于第一元件安装板221上方的内外两侧，第三线结构激光传感器206与第四线结构激光传感器208分别设置于第二元件安装板222上方的内外两侧；上述线结构激光传感器用于获取铁路扣件三维空间数据或者三维点云。
[0083] 编码器207安装于行走轮223的中心轴上，该编码器207随着行走轮的运动进行转动，用于记录巡检小车的行走位移和行走速度，从而获取巡检小车的线性参考坐标；上述GPS定位器用于获取铁路轨道扣件的绝对位置坐标；
[0084] 上述的编码器为：光电编码器和旋转编码器中的任意一种；上述编码器和GPS定位器通过同步控制电路202与线结构激光传感器相连接，该同步控制电路202用于处理GPS定位器和编码器输入的信号，并根据处理后的数据输出脉冲信号控制上述线结构激光传感器进行数据采集。
[0085] 进一步的，上述数据处理和判断模块，包括：嵌入式计算机203，该嵌入式计算机203安装于横梁218内，横梁218内还设置有电源模块204和数据无线传输模块，该电源模块
204包括：半球形光伏板主体、储能装置和电压转换器，该电源模块用于为整个装置提供电源；半球形光伏板主体安装于横梁上表面，用于将
太阳能转换成
电能，并由储能装置进行储能，电压转换器进行将电压转换成符合供电条件的电压向各个装置进行供电；上述嵌入式计算机203用于接
收线结构激光传感器采集得到的三维点云数据和图像采集
照相机采集的图像数据，并根据该三维点云数据进行弹条扣件紧固状态的判断，以及根据图像数据进行有无裂纹的判断；进一步的，上述嵌入式计算机将判断结果数据通过数据无线传输模块发送至上位机，并在判断结果数据出现异常时驱动进行声光报警。
[0086] 需要说明的是，上述实施例中，巡检小车可以是在遥控的方式下自动行进，也可以是在车体的横梁的中间位置设置有
推杆，由人力推动小车前进。
[0087] 本实用新型实施例中通过以下方法步骤进行轨道弹条扣件状态自动检测：
[0088] S310、当点状激光测距传感器判断到达弹条扣件位置时，图像采集相机抓拍扣件图像；
[0089] S320、根据扣件三维点云数据，以及预先标定的三维点云数据与图像采集模块中的相机获取的平面图像
像素的对应关系，确定弹条扣件平面图像中弹条扣件边缘，从而将弹条扣件图像从平面图像背景中分割和提取出来；
[0090] S330、根据弹条扣件三维点云数据，获取图像的像素点对应的不同深度，采用局部的二值化
阈值，对提取的扣件图像进行局部二值化处理，膨胀，去噪；得到处理后的弹条扣件图像；
[0091] S340、根据所述处理后的弹条扣件图像，判断是否有裂纹存在，若有，通过
边缘检测算法对裂纹进行验证。
[0092] 进一步的，上述方法步骤还包括：
[0093] 通过行走机构的绝对坐标、位移数据和所处的铁道轨枕序号，获取弹条扣件的定位数据；
[0094] 通过线结构激光传感器获取弹条扣件的三维点云数据，根据所述三维点云数据，判断点云相对于轨道板的标高，根据铁路轨道扣件及轨枕相对于轨道板的标准标高，判断点云是否是铁路轨道扣件的三维点云，如果是，将该线性结构激光传感器所获取的断面数据作为铁路轨道扣件检测的备选数据；
[0095] 将连续的多个铁路轨道扣件检测备选数据整合在一起构成铁路轨道扣件备选三维空间数据，分析备选数据的纵向长度；如果满足实际铁路轨道扣件的长度，判断为一个完整的铁路轨道扣件三维空间数据；
[0096] 对铁路轨道扣件三维空间数据进行分离、识别，提取铁路轨道扣件各个部件的三维空间数据，建立铁路轨道扣件的三维模型；
[0097] 在铁路轨道扣件三维模型的基础上，基于所述弹条扣件的定位数据，分析计算弹条扣件与垫板、弹条扣件与绝缘板的间隙尺寸，完成对弹条扣件紧固状态的检查。
[0098] 需要注意的是，在本实用新型的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“
水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0099] 另外，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0100] 以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以
权利要求的保护范围为准。
