WO2012175773A1 - Sistema y procedimiento de medicion del espesor de frotadores de pantografo. - Google Patents

Sistema y procedimiento de medicion del espesor de frotadores de pantografo. Download PDF

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Fernando VÁZQUEZ NUÑEZ
Ricardo SAMANIEGO LÓPEZ
Ícaro ÁLVAREZ GIMÉNEZ
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    • G06T2207/30108—Industrial image inspection
    • G06T2207/30164—Workpiece; Machine component

Definitions

  • the present invention is included in the field of inspections of rubbers of railway pantographs, where said inspection is carried out in real time and automatically, by artificial vision, without the need to stop the train or climb personnel to the roof of the same.
  • the pantograph consists of an articulated system that holds a skate or rub, pressing it against the catenary, under which it slides. It is located on the roof of the tractor unit and is automatically adjustable in height, in order to reach the catenary regardless of the height at which the aerial conductor wire is. To prevent e! The rubbing is worn at a single point, the trajectory of the catenary is arranged in a zigzag way, so that it is sweeping most of the rubbing causing a more or less uniform wear on its entire surface.
  • Pancam is a pantograph inspection system based on artificial vision, developed and marketed by the Australian company HameyVision. This system uses two cameras and a controlled lighting environment to obtain various images of the rubbers, which are subsequently analyzed using recognition algorithms. patterns in search of fractures, areas of excessive wear and other pathologies in their profile. The result of the analysis is presented to the operator on a computer through a web interface accessible by local network.
  • PCMS Panograph Carbon Monitoring System
  • the APIS system Automated Pantograph Inspection System
  • the APIS system uses a similar principle.
  • the main difference lies in the use of infrared lighting and in the fact that the algorithm used, instead of applying pattern recognition techniques, compares the images taken with other reference ones stored in a local database. In this way, the defects. they are detected by comparisons with pantograph images in good condition.
  • the use of infrared cameras makes artificial vision systems more robust to local lighting changes, although they are still very vulnerable to direct sunlight.
  • the APIS system is based on a totally different principle, as it does not provide quantitative measures of the quantities to be measured. Thus, it is limited to "marking" pantographs in possible bad condition, so that an operator can examine in detail the images taken of these and, if appropriate, the physical equipment.
  • Pantographs should be checked periodically to ensure the safety of vehicle operation. In many cases, these maintenance operations are carried out several times per week for each and every one of the machines in circulation.
  • the objective of the present invention is a system that is responsible for to inspect the pantographs while the train is in service; that is, without the need to divert the train to a special route! or immobilize it in a maintenance shop.
  • the main technology used is artificial vision.
  • inspection systems must have high reliability and not require complex and costly maintenance.
  • the precision achieved must comply with the requirements specified in the technical standard of maintenance of the trains to be inspected, the inspection being carried out at the speed of the train passing.
  • these systems must be able to be easily integrated on track, adapting to existing infrastructure in terms of fixing, power and communications; or they must resolve these aspects autonomously without requiring additional infrastructure.
  • the present invention allows the inspection of high value-added components for the railway sector, without the need to divert trains to special roads or maintenance workshops.
  • Artificial vision techniques are used to inspect pantograph rubbers.
  • the present invention is a device that measures the thickness of the graphite layer by triangulation with structured light as the train passes under the sensors (i.e. entering a workshop or a station). Subsequently a 3D model is composed with the information obtained and analyzed for excessive wear, cracks or impacts.
  • the exploration process takes a few seconds, the results being in the databases of the maintenance company and / or available to the workshop operators before even the train stops.
  • the results are provided in the form of a complete report, which includes:
  • the proposed autonomous system is capable of measuring the graphite surface with precision and sub-millimeter resolutions, storing the data of all the explorations performed and allowing comparisons between different rubbers of the same train, different trains, different routes, or any other set of ' Stored data as desired. This allows detecting, in addition to the wear and tear in the rubbers themselves, which trains are more prone to early wear, which travel lines produce greater wear, etc.
  • the development set forth in the present invention in addition to providing qualitative and quantitative data of the graphite layer thickness, is a compact system, located only at the top of the path to be measured and respecting not only the gauges of this one, but also those of any adjacent roads that exist.
  • the technique of triangulation with structured laser light it does not require complexes of controlled lighting systems or screens as a neutral background, with which it can be installed virtually anywhere, including outdoors, by simply adding an opaque cover as a parasol.
  • the thickness measuring system of pantograph rubbers object of the invention comprises:
  • main laser lighting means configured to, in the face of the scrubber, illuminate the upper face of the scrubber according to a plane parallel thereto to project a horizontal laser line on said upper face;
  • auxiliary laser lighting means configured to, in the face of the scrubber, obliquely illuminate the scrubber according to two transverse planes thereto, to project two auxiliary laser lines on the scrubber;
  • image capturing means configured to, at the passage of the scrubber, capture at least one image of the scrubber that includes the auxiliary laser lines and at least the portion of the horizontal laser line comprised between said auxiliary laser lines;
  • data processing means responsible for analyzing the at least one image taken by the image capture means for, in each image:
  • the system comprises presence detection means to detect the passage of the scrubber and thus activate / deactivate the chamber.
  • the system may include:
  • the image collection means preferably comprise a camera with an optical filter tuned to the wavelength of the laser illuminators.
  • the baseline is the intersection of the illumination plane of the main laser with the underside of the rubbing plate.
  • the data processing means are configured to calculate said baseline from the positions of the lower points of the auxiliary laser lines and depending on the perspective of the image.
  • Another aspect of the present invention is a method of measuring the thickness of pantograph rubbers, the measurement of the thickness of the scrubber being performed while the train is running.
  • the procedure includes:
  • ⁇ Detect taking as reference the position of said auxiliary laser lines, the horizontal laser line;
  • the method preferably comprises detecting the passage of the scrubber.
  • the method comprises a process of correcting the image distortions produced by the optics.
  • the procedure may include:
  • threshold the image, obtaining a black and white image, so that the pixels whose value exceeds the average of those in their immediate environment plus a threshold are saturated while the rest are desaturated;
  • the method preferably comprises thinning the horizontal laser line by calculating the center of gravity of the intensity curve performed on the original image on which the final image is applied as a mask with the horizontal laser line.
  • the method may comprise a correction of the thickness measurement of the scrubber obtained as a function of the curvature of the lower face of the scrubber plate.
  • Figure 1 represents the principle of operation of a triangulation laser sensor.
  • FIG. 2 shows a complete pantograph
  • Figure 3 shows a front view of a scrubber.
  • Figure 4 shows the track assembly of the system object of the invention.
  • Figure 5 shows a logical scheme of the interconnection of System Components.
  • Figure 6 shows the laser lines on the surface of the scrubber, as they are captured by the camera.
  • Figure 7 shows the elevation differences between the actual baseline and the bottom line of the deck that can be obtained from the camera's point of view.
  • Figures 8A and 8B show the distortion in the image obtained before and after, respectively, of applying keystone correction.
  • Figure 9 shows the adjustment of the base of the plate.
  • Figure 10 shows a scheme of a typical image obtained in operation by the camera.
  • Figure 11 shows the image of Figure 10 once the catenary has been removed.
  • Figure 12 shows the adaptive filtering of the image of Figure 11.
  • Figure 13 shows a crop of the image of Figure 12.
  • Figure 14 shows the mask to be applied to the laser line, which is calculated by the system in real time.
  • Figure 15 shows the procedure for calculating the coordinate origin of the measurement.
  • Figure 16 shows the method of correcting the thickness measurements to take into account the curvature of the base of the plate.
  • Figure 17 shows the 3D graphic representation of the point cloud obtained.
  • the system object of the invention is responsible for making thickness measurements of the graphite layer of pantograph rubbers.
  • Said graphite profile thickness measurement is carried out by laser triangulation (Bibliographic reference [1]).
  • This 3D laser triangulation technique represented in Figure 1, allows to obtain the vertical coordinate of each point (height) measured from the deviation produced in a laser line projected on it.
  • a laser emitter 1 emits a beam that is reflected in the object to be measured 2 and hits a sensor 3 through an optics 4.
  • Objects or parts of the initial object at different height 5 will reflect the laser beam at different points of the sensor.
  • This position difference in the sensor is proportional to the height of the object and the relative positions of illuminator 1, optics 4 and sensor 3 (known).
  • This technique is called triangulation because the laser point reflected in the object 2, the sensor 3 and the laser emitter 1 form a triangle.
  • the laser emitters used in the system set forth herein are provided with heads containing cylindrical optics, so that they project a line instead of a single point. This allows to extract complete profiles in each image taken, that is, a set of points instead of just one.
  • an optical filter tuned to the wavelength of the laser illuminators, so as to prevent the arrival of most of the light coming from the sensor.
  • pantographs such as that of Figure 2, which represents a typical pantograph 6.
  • the pantograph is an articulated system that supports in its upper part a bedside table 7 that has two rubbers 8, on which the catenary 9 slides.
  • These rubbers whose front view is represented in Figure 3, consist in turn of a layer of graphite 10, a metal clamping plate 1 1 and lateral horns 12.
  • the central area of the lower face 13 of said metal clamping plate 11 is not really straight, but has a slight quasi-parabolic curvature.
  • the main problem of the exposed triangulation technique is obtaining the origin of coordinates for thickness measurements; that is, the height of the lower face 13 of the metal clamp plate 11 of the scrubber (which we will call “zero level”).
  • This problem is due to the fact that the rubbers 8 can be placed at different heights depending on the force exerted on the catenary 9. They can also be tilted laterally due to the force exerted by the catenary or misalignment produced during installation.
  • Another important problem is the thinning of the laser line. That is, obtaining the coordinates of each laser point on the camera sensor.
  • the laser does not provide a single pixel line of thickness, but rather produces a "spot" of varying thickness and intensity. This diffuse figure has to be thinned until a single pixel line is thick.
  • the variable lighting conditions to which the device may be subjected cause, despite the optical filter that the camera is equipped with, an appreciable amount of light not coming from the laser emitters reaches the sensor, producing a fine image ! in which the signal to be obtained is mixed with a large amount of noise. Therefore, a previous segmentation stage is necessary to obtain the diffuse laser line to lose weight.
  • the arrangement of the track elements of the system object of the invention can be seen in Figure 4.
  • the scrubbers 8 are inspected as they pass under the system (with an arrow v the direction of advance of the scrubber is shown), in which a metal frame 14 supports the different electronic equipment: presence and exit presence sensors (15.15 ') of the scrubber; main laser illuminator!
  • the main laser illuminator 17 illuminates with a certain opening angle the upper face of the scrubber according to a plane 22 parallel to the plane of the scrubber.
  • the intensity and wavelength of the laser illuminators there is no specific requirement regarding the intensity and wavelength of the laser illuminators, as long as they have sufficient intensity so that their light can be captured by the camera chosen at the exposure time being used, although it is It is advisable to select lasers whose wavelength is in the area where the sensitivity of the camera sensor is maximum.
  • the auxiliary laser illuminators (18,18 ') illuminate the scrubber obliquely according to two transverse planes (23,23') thereto, preferably vertical, said planes separated by a certain distance L. It is considered in the previous explanation that the The plane of the scrubber is the one formed by the scrubber assuming width 0 (ie the plane that shows the front view of the scrubber of Figure 3).
  • the assembly can be attached to the structure of a workshop or to an archway located on the track by means of a metal column 21, which positions it at the appropriate height above the catenary 9 (not shown in the figure).
  • the entire assembly with the exception of the clamping column 21, is enclosed in a metal cage not shown in the figure for reasons of clarity.
  • This cage connected to ground, fulfills the double function of protecting the equipment located inside it and providing the electromagnetic insulation necessary to work in the vicinity of a high voltage electrified catenary.
  • the laser illuminators (17, 18, 8 ') and the camera 20 are turned on when the presence sensors (15.15') detect the arrival of a 8 rub and turn off when its output is detected.
  • the direction and speed of the train can be obtained.
  • the input presence sensor would be sensor 15 while the output presence sensor would be sensor 15 ', being the other way around (input sensor 15', output sensor 15) in the event that the direction of advance of the scrubber is the opposite.
  • the system object of the invention consists of camera 20, laser illuminators (17,18,18 '), presence detectors (15,15') and data processing means 19 (for for example, a computer or any device capable of handling camera images), connected by auxiliary power supply and signal adaptation 24.
  • the projection of the laser lines on the scrubber 8 is captured by the camera in the manner shown in Figure 6, where it is observed that the three laser illuminators (17,18,18 ') are arranged so that a horizontal laser line 25 on the upper face of the scrubber and two auxiliary laser lines (26,26 '), preferably vertical.
  • said auxiliary lines (26,26 ') are vertical, but could form different angles with the horizontal (for example, 45 °) so that the lowest point of the line can be detected and the patterns used to detect them in step S2 described below coincide with the position of the lasers, said patterns being generated from reference images taken with rubbers in perfect condition.
  • a section of the central part of a scrubber is shown in Figure 7, in which the horizontal laser 25 and the auxiliary laser lines (26, 26 ') are appreciated.
  • FIG. 1 the trapezoidal distortion of the image taken is corrected, which is produced by the geometric arrangement of the system elements ( Figure 1).
  • Figures 8A and 8B show, respectively, the image obtained from the calibration grid before and after applying the keystone correction. It can be seen that after correction, both vertical and horizontal lines are parallel to each other.
  • the useful length in pixels of the horizontal laser line projected on the camera sensor and the sensor coordinates (that is, in pixels) of the vanishing point of the longitudinal lines of the scene is the horizontal distance between crossings of laser lines, as shown in Figure 6 (crossing of line 25 with 26 and line 25 with 26 '). In Figure 7 this distance coincides with that which separates points 33 and 33 'when the horizontal laser line 25 coincides with the front edge of the scrubber 35.
  • the second data is the point 39 observed in Figure 15, which is will explain in detail later, in e! that all longitudinal lines are crossed according to the perspective of the camera. It is possible to obtain this point from an image taken at the installation point of the system where the railway tracks are appreciated, prolonging them to obtain their crossing point.
  • the first step is to obtain the points of the horizontal laser line 25 in sensor coordinates (that is, in pixels) from the final images of rubbers obtained by the camera once corrected distortions These images are similar to that shown in Figure 10.
  • a black and white camera is used, which are more economical and usually have greater sensitivity.
  • a black and white camera presents an image in shades of gray, with Figure 10 being a schematic representation in black and white of what you see in the camera (which actually captures intermediate shades of gray, which are not represented for a simplification and greater clarity in the image).
  • auxiliary laser lines 26,26 '
  • pattern recognition techniques are applied, abundantly described in the bibliographic reference [7], in which a known pattern is compared pixel by pixel with all the possible areas of the original image to obtain the position of greatest coincidence. The coincidence errors of all the pixels of the image are added and if the total error in this position is below a given threshold, it is assumed that the operation has been successful. If not, it is assumed that the processed image does not contain the desired pattern (the vertical laser line) and is discarded, assuming that there will not be a valid profile to measure either.
  • Figure 7 shows the section of the central part of a scrubber, with the perspective with which it is captured by the chamber 20 of the system.
  • the line 30 ' is the one that marks the height of the zero dimension, since it is the intersection between the lower face 13 and the plane 22 that contains the main laser beam We will call this line 30 '"baseline".
  • one possibility to obtain the graphite thickness is to subtract the height of this line from the vertical coordinate of each point of the laser line 25.
  • this line remains hidden for the camera except in the case where the plane that It contains the main laser beam 22 coincides with the front face of the scrubber, at which point line 30 coincides with line 30 '.
  • Line 30, which we will call “apparent baseline” can be obtained through the two auxiliary laser lines (26,26 '), from which their lower points (33,33') are extracted.
  • the apparent baseline 30 is that which joins these two points when the horizontal laser line 25 coincides with the upper front edge 35 of the scrubber.
  • the first presence sensor that detects a scrubber activates the chamber, which is done before the horizontal laser line 25 coincides with the upper front edge 35 of the scrubber. The camera then takes pictures continuously until the scrubber passes by, which is detected by the other presence sensor.
  • the vertical position of these points 33 and 33 'after the trapezoidal correction already described depends only on the horizontal distance at which the scrubber 8 of the chamber 20 is located.
  • knowing the geometry of the installation and measuring the distance between auxiliary lines in the image it is possible to determine the horizontal distance at which the scrubber is in relation to the camera. With this distance, the installation data and the height of these lines in the image, it is possible to determine the height of the scrubber, which will give us the baseline of our measurement.
  • the position of the baseline 30 'of the measurements can be calculated from the positions of the lower points (33.33' ) of the auxiliary laser lines ⁇ 16,16 ') and of the perspective data previously obtained during the system calibration stage. To do this, as shown in Figure 15, these two points (33.33 ') are joined with the leakage point 39 of the longitudinal lines (ie of the horizontal sections, in perspective in the image, of the auxiliary laser lines (26.26 ')).
  • the baseline 30 'sought (that is, the one that marks the zero level) will be that parallel to the apparent baseline 30 that joins the lower points (33.33') of the auxiliary laser lines (26.26 ') and whose Horizontal length between these leakage lines is equal to the reference length calculated during the equipment calibration.
  • the average of the lines 30 'obtained in all the images of that scrubber can be taken as the baseline for each scrubber.
  • the actual thickness of the graphite layer would be calculated as the difference between vertical coordinates of the horizontal laser line 25 and the base line 30 'minus the maximum thickness of the metal plate 11, although the measure really interesting for technicians Maintenance is the measurement of the thickness from the underside of the metal plate, which is as indicated in the technical regulations of manufacturers maintenance. The objective is therefore to obtain the full thickness of the scrubber, including the metal plate, hence the need for correction.
  • S12.- Preparation and sending of reports All the information obtained in the process is included in one or several reports to be saved a. disk, database storage and / or sending to interested parties.
  • a series of alarm conditions that a! be fulfilled generate one or more events: sending SMS or emails, acting on railway traffic signals, triggering visual / auditory alerts, etc.
  • the alarm conditions can be multiple: presence / magnitude of chipping, excessive train speed, excessive rubbing wear, tilting them above a certain range, system failure, etc.

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Abstract

Sistema y procedimiento de medición del espesor de frotadores de pantógrafo. El sistema comprende: medios de iluminación láser principal (17) que proyectan una línea láser horizontal (25) sobre la cara superior del frotador (8) según un plano (22) paralelo al frotador; medios de iluminación láser auxiliares (18,18') que iluminan oblicuamente al frotador (8) según dos planos transversales (23,23') al mismo, proyectando dos líneas láser auxiliares (26,26') sobre el frotador (8); medios de captación de imágenes (20) que capturan imágenes del frotador (8) incluyendo las líneas láser auxiliares (26,26') y la línea láser horizontal (25); medios de procesamiento de datos (19) que analizan las imágenes para: - detectar las líneas láser auxiliares (26,26'); - detectar la línea láser horizontal (25); - calcular una línea base (30') empleada como origen para las medidas del espesor; - obtener el espesor del frotador a partir de la diferencia en coordenadas verticales entre la línea láser horizontal (25) y la línea base (30').

Description

Sistema y procedimiento de medición del espesor de frotadores de pantógrafo
Campo de la invención
La presente invención se engloba en el campo de las inspecciones de frotadores de pantógrafos ferroviarios, donde dicha inspección se realiza en tiempo real y automáticamente, mediante visión artificial, sin necesidad de detener el tren ni subir personal al techo del mismo.
Antecedentes de la invención
El pantógrafo consiste en un sistema articulado que sujeta un patín o frotador, presionándolo contra la catenaria, bajo la que se desliza. Se sitúa en el techo de la unidad tractora y es regulable en altura de forma automática, para poder alcanzar la catenaria independientemente de la altura a la que se encuentre el hilo conductor aéreo. Para evitar que e! frotador se desgaste en un sólo punto, la trayectoria de la catenaria se dispone en zigzag, de modo que va barriendo la mayor parte dei frotador provocando un desgaste más o menos uniforme en toda su superficie.
En la actualidad, la inspección de frotadores de pantógrafos ferroviarios se realiza mediante inspección visual, para lo que es necesario elevar al personal de taller hasta el techo del tren, asegurándose previamente de cortar la energía de la - catenaria electrificada. Para ello, debido a lo delicado de la operación, son necesarios múltiples sistemas de seguridad. Esta inspección visual, además de los riesgos inherentes al proceso, lleva un tiempo elevado, es propenso a fallos y no facilita el disponer de información detallada del perfil para realizar un mantenimiento predictivo fiable.
Además de la inspección manual, comúnmente utilizada, existen sistemas automáticos en el mercado que realizan la inspección de frotadores de pantógrafos ferroviarios.
Pancam es un sistema de inspección de pantógrafos basado en visión artificial, desarrollado y comercializado por la empresa australiana HameyVision, Este sistema utiliza dos cámaras y un entorno de iluminación controlada para obtener diversas imágenes de los frotadores, que son posteriormente analizadas mediante algoritmos de reconocimiento de patrones en busca de fracturas, zonas de excesivo desgaste y otras patologías en el perfil de los mismos. El resultado del análisis se presenta al operario en un ordenador mediante un interfaz web accesible por red local.
La empresa australiana MRX Technologies desarrolla y comercializa un sistema similar llamado PCMS (Pantograph Carbón Monitoring System) basado en el mismo principio que el anterior. La principal diferencia radica en que este último, mediante un complejo sistema de múltiples cámaras, iluminadores y reflectores, es capaz de proveer mayor precisión y resolución, así como ciertos datos adicionales, como son los ángulos de inclinación de los frotadores.
El sistema APIS (Automated Pantograph Inspection System), de la empresa norteamericana Duostech, utiliza un principio similar. La principal diferencia radica en la utilización de iluminación infrarroja y en el hecho de que el algoritmo utilizado, en lugar de aplicar técnicas de reconocimiento de patrones, compara las imágenes tomadas con otras de referencia almacenadas en una base de datos local. De esta manera, los defectos . se detectan mediante comparaciones con imágenes de pantógrafos en buen estado. La utilización de cámaras infrarrojas hace los sistemas de visión artificial más robustos a cambios de iluminación local, aunque siguen siendo muy vulnerables a la luz solar directa.
Los sistemas comentados requieren de complejas instalaciones en entornos de iluminación controlados. Estas instalaciones constan de varias cámaras e iluminadores situados todos ellos en diferentes puntos de la instalación ferroviaria (tanto en los laterales del tren como en su parte superior, en el caso de Pancam).
En los dos primeros casos, además, se requieren aparatosas pantallas que sirvan de fondo neutro para las imágenes tomadas por las cámaras, que ocupan un considerable espacio en la instalación, afectando no ya a fa vía en la que se realizará la medición, sino también a cualquier vía adyacente.
El sistema APIS se basa en un principio totalmente diferente, al no proveer medidas cuantitativas de las magnitudes a medir. Asi, se limita a "marcar" pantógrafos en posible mal estado, para que un operador pueda examinar en detalle las imágenes tomadas de estos y, si procede, el equipo físico.
El desarrollo de estas tecnologías viene motivado por la necesidad de los operadores ferroviarios de realizar el mantenimiento de los vehículos de la manera más óptima posible.
Los pantógrafos deben revisarse periódicamente para garantizar la seguridad de operación de los vehículos. En muchos casos, estas operaciones de mantenimiento se realizan varias veces por semana para todas y cada una de las máquinas en circulación.
Actualmente la mayoría de estas comprobaciones se realizan mediante inspección manual. El objetivo de la presente invención es un sistema que se encarga de inspeccionar los pantógrafos mientras el tren se encuentra en servicio; es decir, sin necesidad de desviar el tren a una vía especia! o inmovilizarlo en un taller de mantenimiento. Para realizar esta inspección sin detener el tren la principal tecnología empleada es la visión artificial.
Para representar una ventaja competitiva, los sistemas de inspección deben presentar una fiabilidad elevada y no requerir a su vez de mantenimientos complejos y costosos. Además, !a precisión alcanzada debe cumplir con los requisitos especificados en la norma técnica de mantenimiento de los trenes a inspeccionar, realizándose la inspección a la velocidad de paso del tren. Por último, estos sistemas deben poder integrarse fácilmente en vía, adecuándose a las infraestructuras existentes en lo que a fijación, alimentación y comunicaciones se refiere; o bien deben resolver estos aspectos de forma autónoma sin requerir infraestructuras adicionales.
El desarrollo de técnicas que permitan la obtención fiable y precisa de un gran volumen de datos acerca de los componentes de la rodadura a inspeccionar puede permitir la realización de mantenimiento predictivo a estos equipos, suponiendo así un salto cualitativo importante para estas operaciones.
Referencias bibliográficas:
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[5] Z. Zhang, "A flexible new technique for camera caiibration", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 22 (2000): 1330-1334.
[6] P. F. Sturm añd 5. J. aybank, "On plane-based camera caiibration: A general algorithm, singularities, applications", IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, 1999.
[7] R. Brunelli, "Témplate Matching Techniques in Computer Vision: Theory and Practice", Wiley, ISBN 978-0-470-51706-2, 2009
[8] A. Jain, "Fundamentáis of Digital Image Processing", Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1986
Descripción de la invención
La presente invención permite la inspección en vía de componentes de elevado valor añadido para el sector ferroviario, sin necesidad de desviar los trenes a vías especiales o talleres de mantenimiento. Se utilizan técnicas de visión artificial para inspeccionar frotadores de pantógrafos.
La presente invención se trata de un equipo que realiza una medición de espesor de la capa de grafito mediante triangulación con luz estructurada a medida que el tren pasa bajo los sensores (i.e. entrando a taller o a una estación). Posteriormente se compone un modelo en 3D con la información obtenida y se analiza en busca de desgastes excesivos, grietas o impactos. El proceso de exploración tarda unos pocos segundos, estando los resultados en las bases de datos de la empresa de mantenimiento y/o disponibles para los operarios del taller antes incluso de que el tren llegue a detenerse. Los resultados se facilitan en forma de un informe completo, que incluye:
- Perfil en 3D de cada uno de los frotadores del tren.
- Informe de estado de los frotadores, detallando inclinaciones, defectos' encontrados, cotas máximas y mínimas de grafito, número de impactos, superficie de éstos y superficie total afectada.
- Datos secundarios: fecha y hora de la exploración, velocidad del tren, altura media del pantógrafo, etc.
El sistema autónomo planteado es capaz de medir la superficie de grafito con precisiones y resoluciones submilimétricas, almacenando los datos de todas las exploraciones realizadas y permitiendo hacer comparaciones entre distintos frotadores de un mismo tren, distintos trenes, distintos recorridos, o cualquier otro conjunto de' datos almacenados que se desee. Esto permite detectar, además de los desgastes y roturas en los propios frotadores, qué trenes son más propensos a desgastes tempranos, qué líneas de recorrido producen mayores desgastes, etc.
Por tanto, la inspección de frotadores de pantógrafos ferroviarios se realiza en tiempo real y sin necesidad de detener el tren ni subir personal ai techo del mismo. Se posibilita de esta forma:
- Ahorro de tiempo en el proceso de mantenimiento periódico de los trenes.
- Aumento de seguridad en la operación de los trenes y reducción de riesgos laborales (riesgo de electrocución y caídas)
- Mantenimiento predictivo gracias ai aumento de precisión, resolución y fiabilidad de los datos.
- Comparación de históricos de datos entre distintos trenes y/o líneas de recorrido, en busca de problemas que acorten la vida útil de los frotadores.
A diferencia de los sistemas conocidos, et desarrollo expuesto en la presente invención, además de proveer datos cualitativos y cuantitativos del espesor de la capa de grafito, es un sistema compacto, situado únicamente en la parte superior de la vía a medir y respetando no sólo los gálibos de ésta, sino también los de cualesquiera vías adyacentes que existan. Además, al aplicar la técnica de triangulación con luz láser estructurada no precisa de compiejos sistemas de iluminación controlada o pantallas a modo de fondos neutros, con lo que puede ser instalado en prácticamente cualquier lugar, incluyendo exteriores, mediante la simple adición de una cubierta opaca a modo de parasol.
El sistema de medición del espesor de frotadores de pantógrafo objeto de la invención comprende:
- medios de iluminación láser principal configurados para, ante el paso del frotador, iluminar la cara superior del frotador según un plano paralelo al mismo para proyectar una línea láser horizontal sobre dicha cara superior;
medios de iluminación láser auxiliares configurados para, ante el paso del frotador, iluminar oblicuamente al frotador según dos planos transversales ai mismo, para proyectar dos líneas láser auxiliares sobre el frotador;
medios de captación de imágenes configurados para, ante el paso del frotador, capturar al menos una imagen del frotador que incluya las líneas láser auxiliares y al menos la porción de línea láser horizontal comprendida entre dichas líneas láser auxiliares;
medios de procesamiento de datos encargados de analizar la al menos una imagen tomada por los medios de captación de imágenes para, en cada imagen:
- detectar las líneas láser auxiliares;
- detectar, tomando como referencia la posición de dichas líneas láser auxiliares, la línea láser horizontal;
- calcular una línea base empleada como origen para las medidas del espesor del frotador;
- obtener el espesor del frotador a partir de la diferencia en coordenadas verticales entre la línea láser horizontal y la línea base. En una realización preferente el sistema comprende medios de detección de presencia para detectar el paso del frotador y activar/desactivar así la cámara.
El sistema puede comprender:
- un armazón metálico para soportar los medios de detección de presencia, los medios de iluminación y los medios de captación de imágenes;
- una columna metálica que posiciona ai armazón metálico a una altura adecuada sobre la catenaria;
- una jaula metálica para proporcionar aislamiento electromagnético a los elementos soportados por el armazón metálico.
Los medios de captación de imágenes comprenden preferiblemente una cámara con filtro óptico sintonizado con la longitud de onda de los iluminadores láser.
La línea base es la intersección del plano de iluminación del láser principal con la cara inferior de la pletina deí frotador. Los medios de procesamiento de datos están configurados para calcular dicha línea base a partir de las posiciones de los puntos inferiores de las líneas láser auxiliares y en función de la perspectiva de la imagen.
Otro aspecto de la presente invención es un procedimiento de medición del espesor de frotadores de pantógrafo, realizándose la medición deí espesor del frotador estando el tren en marcha. El procedimiento comprende:
- iluminar, ante el paso del frotador, la cara superior del frotador según un plano paralelo al mismo para proyectar una línea láser horizontal sobre dicha cara superior;
- iluminar, ante el paso del frotador, oblicuamente al frotador según dos planos transversales al mismo, para proyectar dos líneas láser auxiliares sobre el frotador;
- capturar, ante l paso del frotador, al menos una imagen del frotador que incluya las líneas láser auxiliares y ai menos la porción de línea láser horizontal comprendida entre dichas líneas láser auxiliares;
- analizar la al menos una imagen tomada por los medios de captación de imágenes para, en cada imagen:
• detectar las líneas láser auxiliares;
· detectar, tomando como referencia la posición de dichas líneas láser auxiliares, la línea láser horizontal;
• calcular una línea base empleada como origen para las medidas del espesor del frotador;
• obtener el espesor del frotador a partir de la diferencia en coordenadas verticales entre la línea láser horizontal y la línea base. El procedimiento comprende preferentemente detectar el paso del frotador.
En una realización preferida el procedimiento comprende un proceso de corrección de las distorsiones de la imagen producidas por la óptica.
Así mismo, el procedimiento puede comprender:
- un proceso de corrección de la distorsión trapezoidal de la imagen producida por la perspectiva de la disposición geométrica de los elementos del sistema.
- para la detección de la línea láser horizontal:
• recortar la imagen para eliminar la catenaria
• umbralizar la imagen, obteniendo una imagen en blanco y negro, de forma que ios píxeles cuyo valor supere la media de los de su entorno inmediato más un umbral se saturan mientras que el resto se desaturan;
• delimitar la imagen umbralizada a un área comprendida entre las líneas láser auxiliares;
• eliminar, en la imagen delimitada, las líneas blancas que no ocupen horizontalmente la anchura definida entre las líneas láser auxiliares, obteniendo una imagen fina! con la línea láser horizontal;
El procedimiento comprende preferentemente adelgazar la línea láser horizontal mediante el cálculo del centro de gravedad de la curva de intensidades realizado sobre la imagen original sobre la que se aplica como máscara la imagen final con la línea láser horizontal.
El procedimiento puede comprender realizar una corrección de la medida del espesor del frotador obtenida en función de la curvatura de la cara inferior de la pletina del frotador. Breve descripción de los dibujos
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
La Figura 1 representa el principio de funcionamiento de un sensor láser de triangulación.
La Figura 2 muestra un pantógrafo completo.
La Figura 3 muestra una vista frontal de un frotador.
La Figura 4 muestra el montaje en vía del sistema objeto de la invención.
La Figura 5 muestra .un esquema lógico de la interconexión de los componentes del sistema.
La Figura 6 muestra las líneas láser sobre la superficie del frotador, tal y como son captadas por la cámara.
La Figura 7 muestra las diferencias de cota entre la línea base real y la línea inferior de la pletina que es posible obtener desde el punto de vista de la cámara.
Las Figuras 8A y 8B muestran la distorsión en la imagen obtenida antes y después, respectivamente, de aplicar corrección trapezoidal.
La Figura 9 muestra el ajuste de la base de la pletina.
La Figura 10 muestra un esquema de una imagen típica obtenida en funcionamiento por la cámara.
La Figura 11 muestra la imagen de la Figura 10 una vez eliminada la catenaria.
La Figura 12 muestra el filtrado adaptativo de la imagen de la Figura 11.
La Figura 13 muestra un recorte de la imagen de la Figura 12.
La Figura 14 muestra ia máscara a aplicar a la línea láser, que es calculada por el sistema en tiempo real.
La Figura 15 muestra el procedimiento de cálculo del origen de coordenadas de la medida.
La Figura 16 muestra el método de corrección de las medidas de espesor para tener en cuenta la curvatura de la base de la pletina.
La Figura 17 muestra la representación gráfica en 3D de la nube de puntos obtenida.
Descripción detallada de la invención
El sistema objeto de la invención se encarga de realizar mediciones de espesor de la capa de grafito de frotadores de pantógrafo. Dicha medición del espesor de perfil de grafito se lleva a cabo mediante triangulación láser (referencia bibliográfica [1]). Esta técnica de triangulación láser 3D, representada en la Figura 1, permite obtener la coordenada vertical de cada punto (altura) medida a partir de la desviación producida en una línea láser proyectada sobre el mismo. Un emisor láser 1 emite un haz que se refleja en el objeto a medir 2 e incide en un sensor 3 a través de una óptica 4. Objetos o partes del objeto inicial a diferente altura 5 reflejarán el haz láser en distintos puntos del sensor. Esta diferencia de posición en el sensor es proporcional a la altura del objeto y las posiciones relativas de iluminador 1 , óptica 4 y sensor 3 (conocidas). Esta técnica se llama triangulación porque el punto de láser reflejado en el objeto 2, el sensor 3 y el emisor láser 1 forman un triángulo. Los emisores láser utilizados en el sistema aquí expuesto están dotados de cabezales que contienen ópticas cilindricas, de manera que proyectan una línea en lugar de un único punto. Esto permite extraer perfiles completos en cada imagen tomada, es decir, un conjunto de puntos en lugar de uno sólo. Delante del sensor se sitúa un filtro óptico sintonizado con la longitud de onda de los iluminadores láser, de forma que se impida la llegada al sensor de !a mayoría de la luz no proveniente de estos.
El sistema de la invención se aplica en pantógrafos como el de la Figura 2, que representa un pantógrafo 6 típico. El pantógrafo es un sistema articulado que soporta en su parte superior una mesilla 7 que posee dos frotadores 8, sobre los que desliza la catenaria 9. Estos frotadores, cuya vista frontal se representa en la Figura 3, constan a su vez de una capa de grafito 10, una pletina metálica de sujeción 1 1 y cuernos laterales 12. La zona central de la cara inferior 13 de la mencionada pletina metálica de sujeción 11 no es realmente recta, sino que presenta una ligera curvatura cuasi- parabólica.
El principal problema de la técnica de triangulación expuesta es la obtención del origen de coordenadas para las medidas de espesor; esto es, la altura de la cara inferior 13 de la pletina metálica de sujeción 11 del frotador (que llamaremos "cota cero"). Este problema se debe a que los frotadores 8 pueden situarse a diferentes alturas en función de la fuerza que ejerzan sobre la catenaria 9. Además pueden inclinarse lateralmente debido a la propia fuerza ejercida por la catenaria o a desalineaciones producidas durante la instalación.
Otro problema importante es el adelgazamiento de la línea láser. Esto es, la obtención de las coordenadas de cada punto láser sobre el sensor de la cámara. En la práctica, el láser no proporciona una línea de un único píxel de grosor, sino que produce más bien una "mancha" de grosor e intensidad variables. Esta figura difusa ha de adelgazarse hasta obtener una línea de un único píxel de grosor. Aún más, las condiciones de iluminación variable a las que puede estar sometido el aparato hacen que, a pesar del filtro óptico de que está dotada la cámara, una cantidad apreciable de luz no procedente de ios emisores láser alcance el sensor, produciendo una imagen fina! en la que la señal a obtener se encuentra mezclada con una gran cantidad de ruido. Por ello, es necesaria una etapa previa de segmentación para obtener la línea láser difusa a adelgazar.
Así pues, si se obtiene la altura a la que se encuentra un punto concreto de la línea láser proyectada sobre la capa de grafito y se obtiene también la altura a la que se encuentra la base de la pletina metálica del frotador, es posible restar ambas alturas para obtener el espesor de grafito en ese punto. Obteniendo múltiples medidas es posible obtener un mapa de espesores completo de la zona central del frotador.
La disposición de los elementos en vía del sistema objeto de la invención puede observarse en la Figura 4. Los frotadores 8 son inspeccionados a su paso bajo el sistema (con una flecha v se muestra el sentido de avance del frotador), en el cual un armazón metálico 14 soporta los diferentes equipos electrónicos: sensores de presencia de entrada y salida (15,15') del frotador; iluminador láser principa! 17, iluminadores láser auxiliares (18,18') paralelos entre sí -los iluminadores han de instalarse paralelos para que sus haces no sean convergentes, pero según como se giren sobre su propio eje longitudinal, los planos de luz generados pueden ser paralelos o situarse en cuña (ya sea en forma de "V" o de "A")-; y cámara 20, pudiendo emplearse cualquier tipo de cámara cuya imagen pueda ser transferida a un ordenador, siendo recomendable emplear cámaras de alta velocidad y sensibilidad. El iluminador láser principal 17 ilumina con un determinado ángulo de apertura la cara superior del frotador según un plano 22 paralelo al plano del frotador. No existe ningún requisito concreto con respecto a la intensidad y longitud de onda de los iluminadores láser, mientras que éstos tengan la intensidad suficiente como para que su luz pueda ser captada por la cámara escogida en el tiempo de exposición que se esté usando, aunque es recomendable seleccionar láseres cuya longitud de onda se encuentre en la zona donde la sensibilidad del sensor de la cámara sea máxima. Por su parte, los iluminadores láser auxiliares (18,18') iluminan oblicuamente al frotador según dos planos transversales (23,23') al mismo, preferentemente verticales, dichos planos separados una determinada distancia L. Se considera en l anterior explicación que el plano del frotador es aquel formado por el frotador suponiendo anchura 0 (i.e. el plano que recoge la vista frontal de! frotador de la Figura 3). El conjunto puede sujetarse a la estructura de un taller o a una arcada situada sobre la vía mediante una columna metálica 21, que lo posiciona a la altura adecuada sobre la catenaria 9 (no mostrada en la figura). Todo el conjunto, con excepción de la columna de sujeción 21 sé encierra en una jaula metálica no mostrada en la figura por motivos de claridad. Esta jaula, conectada a tierra, cumple la doble función de proteger los equipos situados en su interior y proporcionar el aislamiento electromagnético necesario para trabajar en las inmediaciones de una catenaria electrificada en alta tensión.
En el sistema expuesto, los iluminadores láser (17, 18, 8') y la cámara 20 se encienden cuando los sensores de presencia (15,15') detectan la llegada de un frotador 8 y se apagan cuando se detecta su salida. En función de la secuencia de encendido y apagado de los sensores de proximidad y conociendo previamente las dimensiones de los pantógrafos a inspeccionar pueden obtenerse el sentido y la velocidad de paso del tren. En la Figura 4, y según el sentido de avance v del frotador 8, el sensor de presencia de entrada sería el sensor 15 mientras que el sensor de presencia de salida sería el sensor 15', siendo al revés (sensor de entrada 15', sensor de salida 15) en el caso de que el sentido de avance del frotador sea el opuesto.
Tal y como se muestra en la Figura 5, el sistema objeto de ia invención consta de cámara 20, iluminadores láser (17,18,18'), detectores de presencia (15,15') y medios de procesamiento de datos 19 (por ejemplo, un ordenador o cualquier dispositivo con capacidad para el tratamiento de las imágenes de la cámara), conectados mediante electrónica auxiliar de alimentación y adaptación de señales 24.
La proyección de las líneas láser sobre el frotador 8 es captada por la cámara de la forma mostrada en la Figura 6, en donde se observa que los tres iluminadores láser (17,18,18') están dispuestos de tal forma que se obtenga una línea láser horizontal 25 sobre la cara superior del frotador y dos líneas láser auxiliares (26,26'), preferentemente verticales. En la realización mostrada en la Figura 4 se aprecian que dichas líneas auxiliares (26,26') son verticales, pero podrían formar ángulos diferentes con la horizontal (por ejemplo, 45°) con tal que pueda detectarse el punto más bajo de la línea y los patrones que se utilicen para detectarlas en el paso S2 descrito más adelante coincidan con la posición de los láseres, siendo dichos patrones generados a partir de imágenes de referencia tomadas con frotadores en perfecto estado. En la Figura 7 se muestra una sección de la parte central de un frotador, en la que se aprecian la láser horizontal 25 y las líneas láser auxiliares (26, 26').
Existen múltiples aspectos que introducen errores en la medida de altura, como pueden ser imperfecciones en cámara y óptica, desviaciones en el montaje de los elementos que forman el equipo, inclinación y cabeceo del frotador o la propia curvatura de la base de las pletinas. Para minimizar en lo posible los errores cometidos se introducen diferentes etapas de calibración.
La corrección de la distorsión introducida por las imperfecciones de cámara y lente es un problema abundantemente documentado y analizado en las referencias bibliográficas [2] y [3], existiendo múltiples metodologías para ello (referencia bibliográfica [4]). En una realización preferente se emplea la implementación del ' método propuesto por Zhang (referencia bibliográfica [5]) y Sturm (referencia bibliográfica [6]). Este método consiste en la obtención de una serie de imágenes de patrones en forma de tablero de ajedrez, para posteriormente medir y corregir la distorsión introducida por cámara y lente en estos patrones.
A continuación se procede a la corrección de la distorsión trapezoidal de la imagen tomada, que se produce por la propia disposición geométrica de los elementos del sistema (Figura 1). Para ello se utiliza una pieza patrón en forma de rejilla, de la que se toma una imagen en la que se corregirá la perspectiva mediante una matriz de transformación. Las Figuras 8A y 8B muestran, respectivamente, la imagen obtenida de la rejilla de calibración antes y después de aplicar la corrección trapezoidal. Se puede observar que después de la corrección tanto las líneas verticales como las horizontales son paralelas entre sí.
Una vez corregida esta distorsión es necesario obtener empíricamente dos datos adicionales: la longitud útil en píxeles de la línea láser horizontal proyectada en el sensor de la cámara y las coordenadas de sensor (esto es, en píxeles) del punto de fuga de las líneas longitudinales de la escena. El primero de estos datos, al que llamaremos "longitud de referencia", es la distancia horizontal entre crucés de líneas láser, tal como se observa en la Figura 6 (cruce de línea 25 con 26 y de línea 25 con 26'). En la Figura 7 esta distancia coincide con la que separa los puntos 33 y 33' cuando la línea láser horizontal 25 coincide con el borde frontal del frotador 35. El segundo dato es el punto 39 que se observa en la Figura 15, la cual se explicará en detalle más adelante, en e! que se cruzan todas las rectas longitudinales según la perspectiva de la cámara. Es posible obtener este punto a partir de una imagen tomada en el punto de instalación del sistema en la que se aprecien las vías férreas, prolongando éstas para obtener su punto de cruce.
Para realizar la medición del espesor de grafito con respecto a la cara inferior 13 de la pletina metálica 1 1 es necesario caracterizar la curvatura de ésta. Esto se realiza aproximando la zona central de la pletina (la zona a medir) a una parábola, cuyos parámetros se obtendrán mediante un ajuste mínimo-cuadrático a los puntos tomados de un número elevado de frotadores 8 en buen estado. La Figura 9 muestra el ajuste de la base o cara inferior 13 de la pletina.
A continuación se describe el procedimiento de medida. Para la obtención de los datos de espesor deseados, el primer paso consiste en obtener los puntos de la línea láser horizontal 25 en coordenadas de sensor (esto es, en píxeles) a partir de las imágenes finales de frotadores obtenidas por la cámara una vez corregidas las distorsiones. Estas imágenes son similares a la mostrada en la Figura 10. En una realización preferente se emplea una cámara en blanco y negro, que son más económicas y normalmente presentan mayor sensibilidad. Una cámara en blanco y negro presenta una imagen en tonos de gris, siendo la Figura 10 una representación esquemática en blanco y negro de lo que ve !a cámara (la cua! en realidad capta tonos intermedios de grises, los cuales no se representan para una simplificación y mayor claridad en la imagen). En esta se aprecia la pletina metálica del frotador 11 , la capa de grafito 10 a medir, la línea láser horizontal 25 que deberemos obtener y adelgazar, las líneas láser auxiliares (26,26') y la catenaria 9, que eventuaímente bloquea en parte la visión de la cámara. El resto de la imagen está formada por otros elementos no deseados tales como el techo del tren, piezas del pantógrafo que entran en plano, reflejos o el propio ruido producido por el sensor de la cámara. A continuación se detallan los pasos a seguir para obtener la información anteriormente descrita a partir de estas imágenes:
51. - Recorte de la catenaria: La posición de la catenaria, si es que aparece en la imagen, es fija en cada instalación. Por tanto, ei instalador preconfigura este dato en el sistema y cada imagen se recorta para eliminar el problema, juntando las dos porciones resultantes (izquierda y derecha) como puede apreciarse en la Figura 11.
52. - Localización de las líneas láser auxiliares (26,26'): Para ello se aplican técnicas de reconocimiento de patrones, abundantemente descritas en la referencia bibliográfica [7], en las que un patrón conocido se compara pixel a pixel con todas las zonas posibles de la imagen original para obtener ia posición de mayor coincidencia. Los errores de coincidencia de todos los pixeles de la imagen se suman y si el error total en esta posición se encuentra por debajo de un umbral dado, se asume que la operación ha tenido éxito. Si no, se asume que la imagen procesada no contiene el patrón buscado (la línea láser vertical) y se descarta, asumiendo que tampoco habrá en ella un perfil válido para medir.
53. - Umbralización de la imagen: Se extrae la zona de la imagen comprendida entre las dos líneas láser auxiliares previamente localizadas y se somete a un proceso de binarización (obtención de una imagen en blanco y negro puros, sin tonos de grises intermedios), con el fin de separar la línea láser horizontal 25 del fondo. Para ello se utiliza una variante de la técnica conocida como umbral adaptativo (descrita en la referencia bibliográfica [8]), según la cual los pixeles cuyo valor supere la media de los de su entorno inmediato más un umbral dado se saturan (blanco) mientras que el resto se desaturan (negro). En una implementación preferida, esta técnica se aplica considerando una línea estrecha de un único pixel de ancho. De esta forma, sólo los pixeles inmediatamente superiores e inferiores al considerado son tenidos en cuenta para calcular la media antes mencionada. El resultado, mostrado en la Figura 12, es una imagen en blanco y negro en la que, además de ía línea láser deseada, se observa aún mucho ruido adicional en forma de "islas" blancas.
54. - Discriminación: De la imagen anterior es necesario seleccionar la isla correspondiente a la línea láser buscada, eliminando las demás. Esto se consigue en dos pasos. Primero se delimita la imagen mediante cuatro líneas que forman un romboide: el margen derecho del patrón de la línea vertical izquierda 26, el margen izquierdo del patrón de la línea vertical derecha 26', la línea que une los puntos inferiores de ambos patrones y la paralela superior a esta última a una distancia fija previamente configurada. Esto produce la imagen mostrada en la Figura 13. A continuación, de las islas blancas restantes en la imagen, se eliminan todas aquellas que no ocupen horizontalmente la totalidad de !a anchura del romboide previamente descrito. Debido a reflejos producidos en la pletina metálica de los frotadores, es posible que alguna de las imágenes proporcione una o varias islas que no provengan realmente de una línea láser, sino de uno de estos reflejos, que tienen una forma fuertemente lineal. Por elio, en caso de que tras el proceso anterior sobrevivan dos o más islas, se descartan todas excepto la situada más arriba en la imagen. Después de esta operación se obtiene la imagen de la Figura 14.
55. - Adelgazamiento de la línea láser horizontal 25: Esta operación, necesaria por motivos anteriormente expuestos, se realiza sobre la imagen original (Figura 11 ) preferiblemente mediante el cálculo del centro de gravedad de la curva de intensidades (COG), por la mayor precisión de este método (referencia bibliográfica [1]). Sin embargo, mientras que este método utiliza un valor umbral fijo para decidir qué pixeles pertenecen a la línea láser y por tanto se tienen en cuenta para el cálculo del COG, en nuestro caso se utiliza la imagen de !a Figura 14 como máscara, de tal manera que se tendrán en cuenta todos los pixeles de la imagen de la Figura 1 1 cuya posición trasladada a la imagen de la Figura 14 caiga dentro de la zona marcada en blanco en esta última, independientemente de su valor. Este método proporciona precisión, sensibilidad e inmunidad al ruido mucho más altas que el COG original.
56. - Filtrado de líneas: Debido a que es posible que alguno de los reflejos en la pletina metálica comentados en el paso S4 sobreviva al filtrado allí comentado, se desechan aquellas líneas cuya cota media sobre la línea que une los puntos inferiores de los patrones comentados en el paso S2 esté por debajo de un umbral dado.
A continuación, como se comentó anteriormente, es necesario obtener la línea base de esta medida. En la Figura 7 se observa la sección de la parte central de un frotador, con la perspectiva con la que es captada por la cámara 20 del sistema. Como se puede observar, con la perspectiva mencionada y para cada medida obtenida mediante triangulación láser, la línea 30' es la que marca la altura de la cota cero, puesto que es la intersección entre la cara inferior 13 y el plano 22 que contiene el haz láser principal. Llamaremos a esta línea 30' "línea base".
Así pues, una posibilidad para obtener el espesor de grafito es restar la altura de esta línea de la coordenada vertical de cada punto de la línea láser 25. Sin embargo, esta línea permanece oculta para la cámara excepto en el caso en que el plano que contiene el haz láser principal 22 coincida con la cara frontal del frotador, momento en que la línea 30 coincide con la línea 30'. La línea 30, a la que llamaremos "línea base aparente", puede obtenerse mediante las dos líneas láser auxiliares (26,26'), de las que se extraen sus puntos inferiores (33,33'). La línea base aparente 30 es aquella que une estos dos puntos cuando la línea láser horizontal 25 coincide con la arista frontal superior 35 del frotador. Debido a que no puede garantizarse que se obtenga una Imagen justo en el momento en que la línea láser se proyecta sobre esta arista, para obtener la línea base 30' o cota cero es necesario estimar su posición en todas las imágenes captadas. Para ello el primer sensor de presencia que detecte un frotador activa la cámara, lo cual se realiza antes de que la línea láser horizontal 25 coincida con la arista frontal superior 35 del frotador. La cámara toma entonces imágenes ininterrumpidamente hasta que el frotador pasa de largo, lo que se detecta mediante el otro sensor de presencia.
Para realizar esta estimación se tienen en cuenta cuatro hechos diferentes. Primero: la perspectiva de la escena es la misma para todas las imágenes tomadas (ya que depende tan sólo de cámara, óptica, ángulo de instalación y correcciones geométricas realizadas). Segundo: la distancia rea! horizontal en la pletina entre las proyecciones de los puntos inferiores (33, 33') de ambas líneas láser auxiliares (26,26') es siempre la misma independientemente de la posición de dicha pletina, ya que los emisores de ambas líneas láser (18, 18') son paralelos entre sí. Tercero: debido a la perspectiva, la separación horizontal entre los puntos inferiores de estas líneas en las imágenes obtenidas (33 y 33') será mayor cuanto más cerca de la cámara se encuentre el frotador y menor cuanto más lejos. Cuarto: la posición vertical de estos puntos 33 y 33' después de la corrección trapezoidal ya descrita depende únicamente de la distancia horizontal a la que se encuentre el frotador 8 de la cámara 20. Así pues, conociendo ia geometría de la instalación y midiendo la distancia entre líneas auxiliares en la imagen es posible determinar la distancia horizontal a la que se encuentra el frotador con respecto a la cámara. Con esta distancia, los datos de instalación y la altura de estas líneas en la imagen, es posible determinar la altura del frotador, que nos dará la línea base de nuestra medida.
57. - Cálculo de línea base: Una vez procesadas todas las imágenes de un frotador con los pasos descritos anteriormente, puede calcularse la posición de la línea base 30' de las medidas a partir de las posiciones de los puntos inferiores (33,33') de las líneas láser auxiliares {16,16') y de los datos de perspectiva previamente obtenidos durante la etapa de calibración del sistema. Para ello, como se muestra en la Figura 15, se unen estos dos puntos (33,33') con el punto de fuga 39 de las líneas longitudinales (i.e. de los tramos horizontales, en perspectiva en la imagen, de las líneas láser auxiliares (26,26')). La línea base 30' buscada (esto es, aquella que marca la cota cero) será aquella paralela a la línea base aparente 30 que une ios puntos inferiores (33,33') de las líneas láser auxiliares (26,26') y cuya longitud horizontal comprendida entre estas líneas de fuga sea igual a la longitud de referencia calculada durante la calibración del equipo. Con el fin de minimizar el error cometido en el proceso se puede tomar como línea base para cada frotador la media de las líneas 30' obtenidas en todas las imágenes de ese frotador.
58. - Cálculo de las coordenadas reales de la línea: Con las líneas láser horizontales 25 adelgazadas de cada imagen y la línea base 30' se obtienen tos espesores reales del frotador, restando las coordenadas verticales de cada pixel, de izquierda a derecha (posición en línea láser horizontal 25 menos posición en línea base 30'). Este dato estará en pixeles, por lo que para pasarlo a milímetros será necesario multiplicarlo por una constante que se deriva de la disposición geométrica del problema (triangulación expuesta en la referencia bibliográfica [1]). Es importante resaltar que el espesor real de la capa de grafito se calcularía como la diferencia entre coordenadas verticales de la línea láser horizontal 25 y la línea base 30' menos el espesor máximo de la pletina metálica 11 , aunque la medida realmente interesante para los técnicos de mantenimiento es la medida del espesor desde la cara inferior de la pletina metálica, que es como viene indicada en las normativas técnicas de mantenimiento de los fabricantes. El objetivo es por tanto obtener el espesor completo del frotador, incluyendo la pletina metálica, de ahí la necesidad de la corrección.
S9.- Corrección de la curvatura: Como se comentó anteriormente, es necesario corregir la distorsión introducida en la medida por la curvatura cuasi-parabólica de la cara inferior de la pletina, que hasta ahora se ha supuesto plana. Las medidas tomadas se corregirán tomando esta curva como origen. Para ello, como se muestra en la Figura 16, la medida final corregida en cada punto 36 será la medida original 37 menos la altura de la curva en ese punto 38.
S10.- Obtención de la nube de puntos: Una vez obtenidos los diferentes perfiles (una línea láser horizontal 25 por cada imagen tomada en el sentido de avance del tren) puede formarse una nube de puntos en 3D situando los perfiles uno a continuación del otro. Para ello puede suponerse constante la velocidad del tren durante el tiempo que duró la exploración (Figura 17). Este tiempo de exploración es de alrededor de 25ms para un tren con frotadores de 35mm de ancho circulando a velocidades de 5km/h.
S - Detección de grietas e impactos en la superficie de grafito: Se obtiene una copia de la nube de puntos del paso anterior a la que se realiza un filtrado paso- bajo, de tal manera que los defectos fuertemente localizados no se trasladan a esta nueva copia. Los puntos de la nube original que estén situados significativamente por debajo de los correspondientes en la filtrada se deberán pues a defectos locales (impactos). Estos impactos pueden filtrarse fácilmente según su magnitud en anchura, área o profundidad.
S12.- Confección y envío de informes: Toda la información obtenida en el proceso se incluye en uno o varios informes para su guardado a . disco, almacenamiento en base de datos y/o envío a los interesados. Además, es posible definir una serie de condiciones de alarma que a! cumplirse generen uno o varios eventos: envío de SMS o correos electrónicos, actuación sobre señales de tráfico ferroviario, disparo de alertas visuales/auditivas, etc. Las condiciones de alarma pueden ser múltiples: presencia/magnitud de desconchones, velocidad excesiva del tren, desgaste excesivo de frotadores, inclinación de los mismos por encima de cierto rango, fallo del sistema, etc.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sistema de medición del espesor de frotadores de pantógrafo, donde el sistema está configurado para realizar la medición del espesor del frotador estando el tren en marcha, caracterizado por que el sistema comprende:
medios de iluminación láser principal (17) configurados para, ante el paso de! frotador (8), iluminar la cara superior del frotador (8) según un plano (22) paralelo al mismo para proyectar una línea láser horizontal (25) sobre dicha cara superior;
medios de iluminación láser auxiliares (18,18') configurados para, ante el paso del frotador (8), iluminar oblicuamente al frotador (8) según dos planos transversales (23,23') al mismo, para proyectar dos líneas láser auxiliares (26,26') sobre el frotador (8);
medios de captación de imágenes (20) configurados para, ante el paso del frotador (8), capturar al menos una imagen del frotador (8) que incluya las líneas láser auxiliares (26,26') y ai menos la porción de línea láser horizontal (25) comprendida entre dichas líneas láser auxiliares (26,26');
medios de procesamiento de datos ( 9) encargados de analizar la al menos una imagen tomada por los medios de captación de imágenes (20) para, en cada imagen:
- detectar las líneas láser auxiliares (26,26');
- detectar, tomando como referencia la posición de dichas líneas láser auxiliares (26,26'), la línea láser horizontal (25);
- calcular una línea base (30') empleada como origen para las medidas del espesor del frotador;
- obtener el espesor del frotador a partir de la diferencia en coordenadas verticales entre ia línea láser horizontal (25) y la línea base (30'),
2. Sistema según !a reivindicación 1 , que comprende medios de detección de presencia (15,15') para detectar el paso del frotador (8).
3. Sistema según la reivindicación 2, que comprende:
un armazón metálico (14) para soportar los medios de detección de presencia (15,15'), los medios de iluminación (17,18,18') y los medios de captación de imágenes (20);
una columna metálica (21 ) que posiciona al armazón metálico (14) a una altura adecuada sobre la catenaria (9);
una jaula metálica para proporcionar aislamiento electromagnético a los elementos soportados por el armazón metálico (14).
4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los medios de captación de imágenes (20) comprenden una cámara con filtro óptico sintonizado con la longitud de onda de los iluminadores láser.
5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la línea base (30') es la intersección del plano (22) de iluminación del láser principal (17) con la cara inferior (13) de fa pletina del frotador, y donde los medios de procesamiento de datos (19) están configurados para calcular dicha línea base (30') a partir de las posiciones de los puntos inferiores (33,33') de las líneas láser auxiliares (16,16') y en función de la perspectiva de la imagen.
6. Procedimiento de medición del espesor de frotadores de pantógrafo, realizándose la medición del espesor del frotador estando el tren en marcha, caracterizado por que comprende:
iluminar, ante el paso del frotador (8), la cara superior del frotador (8) según un plano (22) paralelo al mismo para proyectar una línea láser horizontal (25) sobre dicha cara superior;
iluminar, ante e! paso del frotador (8), oblicuamente al frotador (8) según dos planos transversales (23,23') al mismo, para proyectar dos líneas láser auxiliares (26,26') sobre el frotador (8);
capturar, ante el paso del frotador (8), al menos una imagen del frotador (8) que incluya las líneas láser auxiliares (26,26') y al menos la porción de línea láser horizontal (25) comprendida entre dichas líneas láser auxiliares (26,26');
analizar la al menos una imagen tomada por los medios de captación de imágenes (20) para, en cada imagen:
- detectar las líneas láser auxiliares (26,26');
- detectar, tomando como referencia la posición de dichas líneas láser auxiliares (26,26'), la línea láser horizontal (25);
- calcular una línea base (30') empleada como origen para las medidas del espesor del frotador (10);
- obtener el espesor del frotador a partir de la diferencia en coordenadas verticales entre la línea láser horizontal (25) y la línea base (30').
7. Procedimiento según la reivindicación 6, que comprende detectar el paso del frotador (8).
8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, donde la línea base (30') es la intersección del plano (22) de iluminación del láser principal (17) con la cara inferior (13) de la pletina del frotador, y donde el cálculo de dicha línea base (30') se realiza a partir de las posiciones de los puntos inferiores (33,33') de las líneas láser auxiliares (16,16') y en función de la perspectiva de la imagen-
9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, que comprende un proceso de corrección de las distorsiones de la imagen producidas por la óptica. .
,
10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, que comprende un proceso de corrección de la distorsión trapezoidal de ia imagen producida por la perspectiva de la disposición geométrica de los elementos del sistema.
11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, que comprende, para la detección de la línea láser horizontal (25), recortar la imagen para eliminar la catenaria (9).
12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 11 , que comprende, para la detección de la línea láser horizontal (25):
umbralizar la imagen, obteniendo una imagen en blanco y negro, de forma que los píxeles cuyo valor supere la media de los de su entorno inmediato más un umbral se saturan mientras que el resto se desaturan;
delimitar la imagen umbralizada a un área comprendida entre las líneas láser auxiliares (26,26');
eliminar, en la imagen delimitada, las líneas blancas que no ocupen horizontalmente la anchura definida entre las líneas láser auxiliares (26,26'), obteniendo una imagen final con la línea láser horizontal (25);
13. Procedimiento según la reivindicación 12, que comprende adelgazar la línea láser horizontal (25) mediante el cálculo del centro de gravedad de !a curva de intensidades realizado sobre la imagen original sobre la que se aplica como máscara la imagen final con la línea láser horizontal (25).
14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 13, que comprende realizar una corrección de la medida de! espesor del frotador obtenida en función de la curvatura de la cara inferior (13) de la pletina del frotador.
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