本发明属于铁路轨道检测领域，涉及高速铁路无砟轨道标志物CP III的动态获取装置和获取方法。本发明获取装置由轨道车、编码器1、控制触发器2、第一高性能工业线阵相机3、第二高性能工业线阵相机4、第二激光照明器5、第一激光照明器6、计算机7、相机支架[8]和电源组成。本发明获取方法的步骤是：采集线阵图像，坐标转换，计算标志物CP III与轨道车的相对位置。本发明可以实现CP III与轨道检测设备相对位置的动态获取，缩短了轨道检测工作时间，提高了工作效率。
1.一种高速铁路标志物CPⅢ的动态获取装置，其特征在于：它由一个轨道车、编码器[1]、控制触发器[2]、第一高性能工业线阵相机[3]、第二高性能工业线阵相机[4]、第二激光照明器[5]、第一激光照明器[6]、计算机[7]、相机支架[8]和电源组成；
（1）编码器[1]的输出端与控制触发器[2]的输入端连接，控制触发器[2]的输出端分别与第一高性能工业线阵相机[3]、第二高性能工业线阵相机[4]、第一激光照明器[6]和第二激光照明器[5]的控制信号输入端连接，第一高性能工业线阵相机[3]、第二高性能工业线阵相机[4]、第一激光照明器[6]和第二激光照明器[5]均工作于外触发模式；第一高性能工业线阵相机[3]和第二高性能工业线阵相机[4]的输出端分别与计算机[7]相应的输入端连接；
（2）相机支架[8]是一个由长方体形状的框架和覆盖框架的上面板、下面板、前面板、后面板和右面板组成的左面敞开的箱体，上面板是尺寸为a*b的矩形，箱体的高度为c，a=0.3～0.6m,b=0.3～0.6m,c=2.3～2.9m;相机支架[8]垂直安装在轨道车内，相机支架[8]敞开的左面与轨道车左侧壁内侧贴合，在轨道车的底板上、与相机支架[8]的底面对应的位置有一个矩形安装孔，相机支架[8]的底面穿过上述矩形安装孔伸到轨道车底板的下面；
（3）在相机支架[8]内从上至下安装有第一高性能工业线阵相机[3]、第一激光照明器[6]、第二高性能工业线阵相机[4]和第二激光照明器[5]，第一高性能工业线阵相机[3]、第一激光照明器[6]、第二高性能工业线阵相机[4]和第二激光照明器[5]的轴线共面，第一高性能工业线阵相机[3]的理论光心和第二高性能工业线阵相机[4]的理论光心之间的距离d=2.0～2.6m；第一高性能工业线阵相机[3]和第一激光照明器[6]位于轨道车底板的上面，第一高性能工业线阵相机[3]的理论光心到轨道车底板的距离e=1.5～1.8m，在轨道车左侧壁上与第一高性能工业线阵相机[3]的镜头对应的位置开有一个拍摄窗口，使待获取的高速铁路标志物CPⅢ位于第一高性能工业线阵相机[3]的视角范围内，在轨道车左侧壁上上述拍摄窗口的下面开有一个照明窗口，第一激光照明器[6]射出的光带为第一高性能工业线阵相机[3]提供照明；第二高性能工业线阵相机[4]和第二激光照明器[5]位于轨道车底板的下面，第二高性能工业线阵相机[4]的镜头的朝向与第一高性能工业线阵相机[3]一致，第 二激光照明器[6]射出的光带为第二高性能工业线阵相机[3]提供照明。
2.使用如权利要求1所述的装置动态获取铁路标志的方法，其特征在于，获取的步骤如下：
2.1.1、触发：检测装置上电后，编码器[1]开始工作，轨道车每前进一个距离L，编码器[1]向控制触发器[2]发送一个触发信号；然后控制触发器[2]将该触发信号分别发送给第一高性能工业线阵相机[3]、第二高性能工业线阵相机[4]、第一激光照明器[6]和第二激光照明器[5],L的取值范围为0.0005-0.001m；
2.1.2、图像获取：第一激光照明器[6]和第二激光照明器[5]接收到触发信号后，启动工作，为第一高性能工业线阵相机[3]和第二高性能工业线阵相机[4]提供照明；第一高性能工业线阵相机[3]和第二高性能工业线阵相机[4]接收到触发信号后，启动工作，将视角范围内的物体在各自相机内成像并发送给计算机[7]；
2.1.3、图像识别：计算机[7]对收到的第一高性能工业线阵相机[3]和第二高性能工业线阵相机[4]的图像进行图像识别，计算出高速铁路标志物CPⅢ在第一高性能工业线阵相机[3]内的成像点偏离相机光心的距离Δ1以及高速铁路标志物CPⅢ在第二高性能工业线阵相机[4]内的成像点偏离相机光心的距离Δ2；
2.2、坐标转换:按下述方法建立坐标系，将相机支架[8]的几何中心点作为原点O，将原点至第一高性能工业线阵相机[3]的理论光心点的连线作为X轴，X轴的正方向朝向第一高性能工业线阵相机[3]的理论光心点，Y轴与第一高性能工业线阵相机[3]和第二高性能工业线阵相机[4]的轴线所在的平面平行，Y轴的正方向朝向轨道车的左侧壁；
2.2.1、根据Δ1计算标志物的成像点在X-O-Y坐标系内的坐标P1(m1,n1)：
p1(m1,n1)＝(xs1-f1cosα1+Δ1sinα1,ys1-f1sinα1+Δ1cosα1)………………(1)式中，f1为第一高性能工业线阵相机[3]的焦距；α1为第一高性能工业线阵相机[3]的光轴相对于水平轴的夹角；S1(xs1,ys1)为第一高性能工业线阵相机[3]的光心点在X-O-Y坐标系的坐标；
2.2.2、根据Δ2计算标志物在X-O-Y坐标系的坐标P2(m2,n2)：
p2(m2,n2)＝(xs2-f2cosα2+Δ2sinα2,ys2-f2sinα2+Δ2cosα2)……………(2)式中，f2为第二高性能工业线阵相机[4]的焦距；α2为第二高性能工业线 阵相机[4]的光轴相对于水平轴的夹角；S2(xs2，ys2)为第二高性能工业线阵相机[4]的光心在X-O-Y坐标系的坐标；
式中，XCP为CPⅢ在X-O-Y坐标系中的X轴坐标，YCP为CPⅢ在X-O-Y坐标系中的Y轴坐标；
至此，已经获取到了高速铁路标志物CPⅢ，计算得到了高速铁路标志物CPⅢ与轨道车的相对位置。
一种轨道标志物动态获取装置和获取方法
技术领域
[0001] 本发明属于铁路检测技术，涉及一种对高速铁路标志CPⅢ的动态获取装置和获取方法。
背景技术
[0002] 本发明提到的高速铁路无砟轨道标志为CPⅢ点，用于控制高速铁路无砟轨道的铺设线形。这种标志点一般成对出现在无砟轨道两侧，距轨道中心3～4m。在正线上，CPⅢ设置在铁路两侧的水泥基桩上，50～60m出现一次。在桥梁或隧道里，CPⅢ设置在铁路两侧的防撞墙上，120m出现一次。由于CPⅢ的位置是已经确定的，获取CPⅢ点与轨道车的相对位置对轨道几何参数的检测和故障定位具有重要意义。目前，多采用全站仪获取CPⅢ点与轨道检测设备的相对位置，具体方法参见天宝手推式轨检仪的产品说明书。该方法属于静态测量，一天只能检测700米左右，工作效率较低。
发明内容
[0003] 本发明的目的是：提供一种工作效率高的轨道标志物动态获取装置和获取方法。
[0004] 本发明的技术方案是：一种高速铁路标志物CPⅢ的动态获取装置，其特征在于：它由一个轨道车、编码器、控制触发器、第一高性能工业线阵相机、第二高性能工业线阵相机、第二激光照明器、第一激光照明器、计算机、相机支架和电源组成；
[0005] （1）编码器的输出端与控制触发器的输入端连接，控制触发器的输出端分别与第一高性能工业线阵相机、第二高性能工业线阵相机、第一激光照明器和第二激光照明器的控制信号输入端连接，第一高性能工业线阵相机、第二高性能工业线阵相机、第一激光照明器和第二激光照明器均工作于外触发模式；第一高性能工业线阵相机和第二高性能工业线阵相机的输出端分别与计算机相应的输入端连接；
[0006] （2）相机支架是一个由长方体形状的框架和覆盖框架的上面板、下面板、前面板、后面板和右面板组成的左面敞开的箱体，上面板是尺寸为a*b的矩形，箱体的高度为c，a=0.3～0.6m,b=0.3～0.6m,c=2.3～2.9m;相机支架垂直安装在轨道车内，相机支架敞开的左面与轨道车左侧壁内侧贴合，在轨道车的底板上、与相机支架的底面对应的位置有一个矩形安装孔，相机支架的底面穿过上述矩形安装孔伸到轨道车底板的下面；
[0007] （3）在相机支架内从上至下安装有第一高性能工业线阵相机、第一激光照明器、第二高性能工业线阵相机和第二激光照明器，第一高性能工业线阵相机、第一激光照明器、第二高性能工业线阵相机和第二激光照明器的轴线共面，第一高性能工业线阵相机的理论光心和第二高性能工业线阵相机的理论光心之间的距离d=2.0～2.6m；第一高性能工业线阵相机和第一激光照明器位于轨道车底板的上面，第一高性能工业线阵相机的理论光心到轨道车底板的距离e=1.5～1.8m，在轨道车左侧壁上与第一高性能工业线阵相机的镜头对应的位置开有一个拍摄窗口，使待获取的高速铁路标志物CPⅢ位于第一高性能工业线阵相机的视角范围内，在轨道车左侧壁上上述拍摄窗口的下面开有一个照明窗口，第一激光照明器射出的光带为第一高性能工业线阵相机提供照明；第二高性能工业线阵相机和第二激光照明器位于轨道车底板的下面，第二高性能工业线阵相机的镜头的朝向与第一高性能工业线阵相机一致，第二激光照明器射出的光带为第二高性能工业线阵相机提供照明。
[0008] 使用如上面所述的装置动态获取铁路标志的方法，其特征在于，获取的步骤如下：
[0009] 1、采集线阵图像：
[0010] 1.1、触发：检测装置上电后，编码器开始工作，轨道车每前进一个距离L，编码器向控制触发器发送一个触发信号；然后控制触发器将该触发信号分别发送给第一高性能工业线阵相机、第二高性能工业线阵相机、第一激光照明器和第二激光照明器，L的取值范围为0.0005-0.001m；
[0011] 1.2、图像获取：第一激光照明器和第二激光照明器接收到触发信号后，启动工作，为第一高性能工业线阵相机和第二高性能工业线阵相机提供照明；第一高性能工业线阵相机和第二高性能工业线阵相机接收到触发信号后，启动工作，将视角范围内的物体在各自相机内成像并发送给计算机；
[0012] 1.3、图像识别：计算机对收到的第一高性能工业线阵相机和第二高性能工业线阵相机的图像进行图像识别，计算出高速铁路标志物CPⅢ在第一高性能工业线阵相机内的成像点偏离相机光心的距离Δ1以及高速铁路标志物CPⅢ在第二高性能工业线阵相机内的成像点偏离相机光心的距离Δ2；
[0013] 2、坐标转换:按下述方法建立坐标系，将相机支架的几何中心点作为原点O，将原点至第一高性能工业线阵相机的理论光心点的连线作为X轴，X轴的正方向朝向第一高性能工业线阵相机的理论光心点，Y轴与第一高性能工业线阵相机和第二高性能工业线阵相机的轴线所在的平面平行，Y轴的正方向朝向轨道车的左侧壁；
[0014] 2.1、根据Δ1计算标志物的成像点在X-O-Y坐标系内的坐标P1(m1,n1)：
[0015] p1(m1，n1)＝(xs1-f1cosα1+Δ1sinα1，ys1-f1sinα1+Δ1cosα1)………………(1)[0016] 式中，f1为第一高性能工业线阵相机的焦距；α1为第一高性能工业线阵相机的光轴相对于水平轴的夹角；S1(xs1，ys1)为第一高性能工业线阵相机的光心点在X-O-Y坐标系的坐标；
[0017] 2.2、根据Δ2计算标志物在X-O-Y坐标系的坐标P2(m2,n2)：
[0018] p2(m2,n2)＝(xs2-f2cosα2+Δ2sinα2,ys2-f2sinα2+Δ2cosα2)……………[2][0019] 式中，f2为第二高性能工业线阵相机的焦距；α2为第二高性能工业线阵相机的光轴相对于水平轴的夹角；S2(xs2，ys2)为第二高性能工业线阵相机的光心在X-O-Y坐标系的坐标；
[0020] 3、计算标志物CPⅢ与轨道车的相对位置：
[0021]
[0022] 式中，XCP为CPⅢ在X-O-Y坐标系中的X轴坐标，YCP为CPⅢ在X-O-Y坐标系中的Y轴坐标；
[0023]
[0024]
[0025] 至此，已经获取到了高速铁路标志物CPⅢ，计算得到了高速铁路标志物CPⅢ与轨道车的相对位置。
[0026] 本发明的优点是：可以实现CPⅢ与轨道检测设备相对位置的动态获取，缩短了轨道检测工作时间，提高了工作效率。
附图说明
[0027] 图1是本发明获取装置的结构原理框图。
具体实施方式
[0028] 下面对本发明做进一步详细说明。为了便于说明，规定方位如下：以轨道车的前进方向为前方，面向前方，左手边为左方。参见图1，一种高速铁路标志物CPⅢ的动态获取装置，其特征在于：它由一个轨道车、编码器1、控制触发器2、第一高性能工业线阵相机3、第二高性能工业线阵相机4、第二激光照明器5、第一激光照明器6、计算机7、相机支架8和电源组成；
[0029] （1）编码器1的输出端与控制触发器2的输入端连接，控制触发器2的输出端分别与第一高性能工业线阵相机3、第二高性能工业线阵相机4、第一激光照明器6和第二激光照明器5的控制信号输入端连接，第一高性能工业线阵相机3、第二高性能工业线阵相机4、第一激光照明器6和第二激光照明器5均工作于外触发模式；第一高性能工业线阵相机
3和第二高性能工业线阵相机4的输出端分别与计算机7相应的输入端连接；
[0030] （2）相机支架8是一个由长方体形状的框架和覆盖框架的上面板、下面板、前面板、后面板和右面板组成的左面敞开的箱体，上面板是尺寸为a*b的矩形，箱体的高度为c，a=0.3～0.6m,b=0.3～0.6m,c=2.3～2.9m;相机支架8垂直安装在轨道车内，相机支架8敞开的左面与轨道车左侧壁内侧贴合，在轨道车的底板上、与相机支架8的底面对应的位置有一个矩形安装孔，相机支架8的底面穿过上述矩形安装孔伸到轨道车底板的下面；
[0031] （3）在相机支架8内从上至下安装有第一高性能工业线阵相机3、第一激光照明器6、第二高性能工业线阵相机4和第二激光照明器5，第一高性能工业线阵相机3、第一激光照明器6、第二高性能工业线阵相机4和第二激光照明器5的轴线共面，第一高性能工业线阵相机3的理论光心和第二高性能工业线阵相机4的理论光心之间的距离d=2.0～2.6m；
第一高性能工业线阵相机3和第一激光照明器6位于轨道车底板的上面，第一高性能工业线阵相机3的理论光心到轨道车底板的距离e=1.5～1.8m，在轨道车左侧壁上与第一高性能工业线阵相机3的镜头对应的位置开有一个拍摄窗口，使待获取的高速铁路标志物CPⅢ位于第一高性能工业线阵相机3的视角范围内，在轨道车左侧壁上上述拍摄窗口的下面开有一个照明窗口，第一激光照明器6射出的光带为第一高性能工业线阵相机3提供照明；第二高性能工业线阵相机4和第二激光照明器5位于轨道车底板的下面，第二高性能工业线阵相机4的镜头的朝向与第一高性能工业线阵相机3一致，第二激光照明器6射出的光带为第二高性能工业线阵相机3提供照明。
[0032] 使用如上面所述的装置动态获取铁路标志的方法，其特征在于，获取的步骤如下：
[0033] 1、采集线阵图像：
[0034] 1.1、触发：检测装置上电后，编码器1开始工作，轨道车每前进一个距离L，编码器1向控制触发器2发送一个触发信号；然后控制触发器2将该触发信号分别发送给第一高性能工业线阵相机3、第二高性能工业线阵相机4、第一激光照明器6和第二激光照明器5,L的取值范围为0.0005-0.001m；
[0035] 1.2、图像获取：第一激光照明器6和第二激光照明器5接收到触发信号后，启动工作，为第一高性能工业线阵相机3和第二高性能工业线阵相机4提供照明；第一高性能工业线阵相机3和第二高性能工业线阵相机4接收到触发信号后，启动工作，将视角范围内的物体在各自相机内成像并发送给计算机7；
[0036] 1.3、图像识别：计算机7对收到的第一高性能工业线阵相机3和第二高性能工业线阵相机4的图像进行图像识别，计算出高速铁路标志物CPⅢ在第一高性能工业线阵相机3内的成像点偏离相机光心的距离Δ1以及高速铁路标志物CPⅢ在第二高性能工业线阵相机4内的成像点偏离相机光心的距离Δ2；
[0037] 2、坐标转换:按下述方法建立坐标系，将相机支架8的几何中心点作为原点O，将原点至第一高性能工业线阵相机3的理论光心点的连线作为X轴，X轴的正方向朝向第一高性能工业线阵相机3的理论光心点，Y轴与第一高性能工业线阵相机3和第二高性能工业线阵相机4的轴线所在的平面平行，Y轴的正方向朝向轨道车的左侧壁；
[0038] 2.1、根据Δ1计算标志物的成像点在X-O-Y坐标系内的坐标P1(m1,n1)：
[0039] p1(m1，n1)＝(xs1-f1cosα1+Δ1sinα1，ys1-f1sinα1+Δ1cosα1)………………(1)[0040] 式中，f1为第一高性能工业线阵相机3的焦距；α1为第一高性能工业线阵相机3的光轴相对于水平轴的夹角；S1(xs1，ys1)为第一高性能工业线阵相机3的光心点在X-O-Y坐标系的坐标；
[0041] 2.2、根据Δ2计算标志物在X-O-Y坐标系的坐标P2(m2,n2)：
[0042] p2(m2,n2)＝(xs2-f2cosα2+Δ2sinα2,ys2-f2sinα2+Δ2cosα2)……………(2)[0043] 式中，f2为第二高性能工业线阵相机4的焦距；α2为第二高性能工业线阵相机4的光轴相对于水平轴的夹角；S2(xs2，ys2)为第二高性能工业线阵相机4的光心在X-O-Y坐标系的坐标；
[0044] 3、计算标志物CPⅢ与轨道车的相对位置：
[0045]
[0046] 式中，XCP为CPⅢ在X-O-Y坐标系中的X轴坐标，YCP为CPⅢ在X-O-Y坐标系中的Y轴坐标；
[0047]
[0048]
[0049] 至此，已经获取到了高速铁路标志物CPⅢ，计算得到了高速铁路标志物CPⅢ与轨道车的相对位置。
[0050] 本发明获取装置的获取原理是：利用两个高性能工业线阵相机对标志物进行连续拍摄，利用图像识别的方法获取到像点在各自相机内的坐标，通过坐标转换的方法得到标志物与轨道车的相对位置，并且本装置设计了激光照明器使检测装置可在光线恶劣的环境下使用。
[0051] 实施例
[0052] 在装有检测平台的轨道车上安装如权利要求书1中所述检测装置，其中关键传感器的技术指标分别为：编码器选用3600脉冲/转的编码器，第一高性能工业相机3和第二高性能工业相机4选用像素为4096的线阵相机，第一激光照明器5和第二激光照明器6选用线形激光照明器，相机支架8的上面板是尺寸为a*b的矩形，箱体的高度为c，a=0.5m,b=0.6m,c=2.8m;第一高性能工业线阵相机3的理论光心和第二高性能工业线阵相机4的理论光心之间的距离d=2.0m，第一高性能工业线阵相机3的理论光心到轨道车底板的距离e=1.7m；对采集来的数据作如下处理：
[0053] 1、采集线阵图像：
[0054] 1.1、触发：检测装置上电后，编码器1开始工作，轨道车每前进一个距离L，编码器1向控制触发器2发送一个触发信号；然后控制触发器2将该触发信号分别发送给第一高性能工业线阵相机3、第二高性能工业线阵相机4、第一激光照明器6和第二激光照明器5,L=0.00079m；
[0055] 1.2、图像获取：第一激光照明器6和第二激光照明器5接收到触发信号后，启动工作，为第一高性能工业线阵相机3和第二高性能工业线阵相机4提供照明；第一高性能工业线阵相机3和第二高性能工业线阵相机4接收到触发信号后，启动工作，将视角范围内的物体在各自相机内成像并发送给计算机7；
[0056] 1.3、图像识别：计算机7对收到的第一高性能工业线阵相机3和第二高性能工业线阵相机4的图像进行图像识别，计算出高速铁路标志物CPⅢ在第一高性能工业线阵相机3内的成像点偏离相机光心的距离Δ1以及高速铁路标志物CPⅢ在第二高性能工业线阵相机4内的成像点偏离相机光心的距离Δ2；
[0057] 2、坐标转换:按下述方法建立坐标系，将相机支架8的几何中心点作为原点O，将原点至第一高性能工业线阵相机3的理论光心点的连线作为X轴，X轴的正方向朝向第一高性能工业线阵相机3的理论光心点，Y轴与第一高性能工业线阵相机3和第二高性能工业线阵相机4的轴线所在的平面平行，Y轴的正方向朝向轨道车的左侧壁；
[0058] 2.1、根据Δ1计算标志物的成像点在X-O-Y坐标系内的坐标P1(m1,n1)：
[0059] p1(m1，n1)＝(xs1-f1cosα1+Δ1sinα1，ys1-f1sinα1+Δ1cosα1)………………(1)[0060] 式中，f1为第一高性能工业线阵相机3的焦距；α1为第一高性能工业线阵相机3的光轴相对于水平轴的夹角；S1(xs1，ys1)为第一高性能工业线阵相机3的光心点在X-O-Y坐标系的坐标；
[0061] 2.2、根据Δ2计算标志物在X-O-Y坐标系的坐标P2(m2,n2)：
[0062] p2(m2,n2)＝(xs2-f2cosα2+Δ2sinα2,ys2-f2sinα2+Δ2cosα2)……………(2)[0063] 式中，f2为第二高性能工业线阵相机4的焦距；α2为第二高性能工业线阵相机4的光轴相对于水平轴的夹角；S2(xs2，ys2)为第二高性能工业线阵相机4的光心在X-O-Y坐标系的坐标；
[0064] 3、计算标志物CPⅢ与轨道车的相对位置：
[0065]
[0066] 式中，XCP为CPⅢ在X-O-Y坐标系中的X轴坐标，YCP为CPⅢ在X-O-Y坐标系中的Y轴坐标；
[0067]
[0068]
[0069] 至此，已经获取到了高速铁路标志物CPⅢ，计算得到了高速铁路标志物CPⅢ与轨道车的相对位置。对距铁轨中心线2.2m～5.7m高于轨顶面-0.1m～0.8m范围内的CPⅢ进行捕获，得到的水平距离和垂直距离精度优于0.01m。
