[發明專利]一種鐵路檢測車沉降和位姿的高精度攝像測量方法

有效

• 申請號: 201610484015.9
• 申請日: 2016-06-28
• 公開（公告）號: CN106043355B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 于起峰;張紅良;尚洋;張小虎;楊夏
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: B61K9/08
• 分類號: B61K9/08
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心43102
• 代理人: 馮青

1.一種鐵路檢測車沉降和位姿的高精度攝像測量方法，通過在地面設置攝像標志，在檢測車上安裝攝像測量系統，當檢測車行經地面攝像標志處時對地面攝像標志成像，通過對圖像的分析，利用攝像測量方法實現對檢測車沉降和姿態參數進行動態高精度測量，具體包括：

(1)基于立體分布標志的攝像測量，具體為：

在鐵路外的地面上布置空間立體分布的多個攝像測量標志，攝像標志間的相對關系已知,通過對圖像上標志間成像關系的分析，實現對檢測車沉降和姿態參數的分別測量，

1)基于立體分布標志的沉降攝像測量

利用攝像測量系統拍攝垂直鐵路線方向布設的地面標志，設前標志距離橋梁分別為L1，前后標志間的距離為L2，前標志高度為H2，后標志高度為H3，攝像測量系統在沉降前高H1，當沉降ΔH1時，前后標志桿相對于攝像測量系統視點產生ΔH2的相對高差，利用該高差成像分析測量得到檢測車平臺的沉降，立體標志的控制點在沉降前后由于視點的高差變化會在像機圖像上發生的位移，沉降前圖像中前后標志桿頂端的高差為h0，沉降后，標志桿頂端圖像發生了相對位移，圖像中標志桿頂端的高差變為h，不同的沉降量引起的位移變化h～h0不同，據此測量攝像測量系統固連的檢測車平臺的沉降量，前后標志桿的圖像位移差Δh＝h₀-h與兩個物理位移量ΔH₁和ΔH₂的關系根據相似三角形原理推得：

ΔH1=(L1+L2)ΔH2L2=(L1+L2)KΔhL2---(1)]]>

其中ΔH₁為橋梁沉降量，也即攝像測量系統下降量，ΔH₂為橋梁沉降ΔH₁時前后標志桿相對于攝像測量系統視點相對高差變化，L₁為前標志到橋梁距離，L₂為前后標志間的距離，K為攝像系統1個像素對應的空間高度，Δh為前后標志桿的圖像位移差，

2)基于立體分布標志的姿態攝像測量

通過在鐵路外側沿軌道方向依次布置標志，利用固連于檢測車的像機對標志成像，通過圖像分析計算檢測車姿態，假設沿軌道方向前后標志的頂端處于同一水平面，則根據對前后標志成像的高度差異就可以測量成像系統俯仰角，假設前后標志在圖像中的間距為L，雙標志成像高度差為Δh，則檢測車俯仰角為

α=ΔhL---(2)]]>

其中α為檢測車俯仰角，Δh為前后標志桿的圖像位移差，L為前后標志在圖像中的間距，考慮到像機視場限制，通過合理設計成像系統和標志間距，檢測車俯仰角姿態測量精度可以達到角秒級；

(2)基于平面反射鏡的攝像測量，具體為：

在鐵路外地面上布置平面鏡設施，在檢測車上安裝攝像機成像分析系統和點光源，利用車載攝像系統拍攝并檢測平面鏡中車載點光源的像點，通過圖像分析，測量點光源像點在平面鏡中的移動，計算檢測車平臺的高度變化，實現對鐵路基礎的沉降測量，

在橋梁外布置平面鏡設施，利用車載攝像系統拍攝并檢測平面鏡中車載點光源的像點，當發生沉降時，點光源和攝像系統隨同檢測車沉降，點光源在平面鏡中的像點就會發生移動，

當攝像機和點光源沉降量為d時，視點從P處變化到P′處，對應平面鏡中的點光源的像點平移距離d′，d′和d的關系由平面鏡光線反射原理推導得到，如當像機正視平面鏡時d＝d′，通過測量平面鏡中點光源像點相對平面鏡基準線的位移測量檢測車平臺的沉降量，

檢測車動態晃動時像機姿態發生變化，但只要位置不變，點光源在平面鏡中的像點相對平面鏡中心基準線的位置就不變，即本方案的平臺沉降測量不受檢測車動態晃動的影響，

沉降前后與攝像機固連的點光源位置發生變化，經攝像機成像后，由中心透視投影成像原理，物點P到光軸的距離X與像點p到光軸的距離x滿足其中X為物點P到光軸的距離，u為物距，x為像點p到光軸的距離，f為焦距，

由于故由像點位移d₀得像機沉降量為其中ΔH為橋梁沉降量，d₀為像點位移變化，u為物距，f為焦距。