轮对参数在线自动检测方法与系统的研究

介绍了一种针对运行列车基于激光三角法原理的轮对参数在线自动检测系统,论述了其测量原理和工作方法。该方法是将线激光器和摄像机分布在钢轨的内外两侧,线激光器投射到车轮的踏面上,外时钟同步触发摄像机,获取车轮截面轮廓图像,采用基于平面靶标的方法实现CCD摄像机的标定,通过坐标变换,求解算出轮对的各个参数。实测表明,该系统可完成运行列车轮对参数的自动测量。     

钢轨磨耗测量中的光平面标定

针对高速铁路钢轨磨耗测量中如何得到光平面和摄像机之间的映射关系问题,提出一种基于标定板的光平面参数标定法。该方法采用2个CCD摄像机和2个扇形激光光源构成钢轨轮廓获取系统,分别布置在左右钢轨内侧。与以往的磨耗测量系统比较,该方法使用的设备较少,降低了检测成本,也减少了图像处理、分析等工作。通过定标,可直接得到光平面系数,进而推导出与摄像机的几何关系。试验结果表明,该方法获得的光平面精度较高,从而保证了光平面与摄像机之间映射关系的精度,满足磨耗测量的要求。     

轨道检测系统钢轨图像标定误差试验研究

GJ-6型轨道检测系统采用线结构光视觉测量组件动态采集钢轨图像,实时测量钢轨横向位移、钢轨垂向位移、钢轨磨耗等重要轨道几何参数。钢轨图像线结构光视觉测量组件采用针板靶标进行标定。本文基于线结构光视觉测量原理,从几何光学角度建立靶标深度方向一维相机投影模型,在此基础上设计钢轨图像标定试验,研究钢轨图像针板靶标标定误差的成因及大小。试验结果表明:针板靶标靶面倾斜及成像像素点偏移导致钢轨图像标定产生误差;随着针板靶标靶面倾斜及成像像素点偏移增大,钢轨图像标定误差不断增大。     

隧道净空全断面测量中多视觉传感器全局标定方法

隧道净空全断面视觉检测系统空间测量尺度大、视觉传感器分布广、不同视觉传感器无公共视角。采用合适方法对其进行高精度全局标定,是实现隧道净空全断面高精度测量的关键。本文将二维平面靶标与一维靶标相结合,对视觉测量系统进行全局标定:采用二维平面靶标对单个摄像机内部参数进行离线标定;借助一维靶标上距离已知的共线特征点作为约束条件,求解相邻摄像机外部参数,通过相邻摄像机外部参数两两换算,逐个求取单个摄像机坐标系与全局坐标系外部参数,同理求得激光平面方程系数。综合所有摄像机内外部参数、激光平面方程系数,建立隧道净空全断面视觉测量模型。对研制的隧道净空全断面动态测量系统进行标定和动态测量试验,结果表明该标定方法切实可行。     

线激光辅助单目视觉测量铁路侵限异物尺寸

异物入侵铁路线路严重危害行车安全,为及时发现异物并测量其尺寸,提出一种利用相机、异物和线激光空间几何关系计算图像中目标点世界坐标实现异物尺寸检测的方法。相机标定能够得到相机光心与目标点连线的直线方程,线激光投影中的点同时存在于线激光扫描平面和相机光心与该点的连线上。由于钢轨的约束,利用相机标定可以计算钢轨上线激光投影目标点的世界坐标,结合线激光光源坐标标定光平面方程。光平面方程和相机光心与该点连线方程的公共解为目标点的世界坐标。旋转线激光光源,求解异物多个断面关键目标点世界坐标,从而计算异物的三维尺寸。建立测量方法的数学模型并进行现场试验验证,结果表明,该测量方法能够较为准确地测量异物尺寸。     

基于摄像机标定的非接触式接触线导高和拉出值的检测

提出一种基于摄像机标定的非接触式接触线几何参数检测方法:在Matlab软件平台基础上,对CCD摄像机采集到的接触线二维图像进行预处理;利用迭代阈值法,对图像中由车载激光器发射到接触线上所形成的激光光斑的中心点进行定位;最后,根据摄像机针孔成像模型,将该激光光斑点在图像坐标系中的坐标与该点由摄像机标定的世界坐标系中的三维空间坐标建立对应关系,并据其算出接触线的几何参数。将用此方法计算与用光学测量仪对同一段实际线路测量的结果进行比较得知,此方法求得的拉出值与光学测量仪的实测值之差小于11mm,所得导高之差小于10mm。该结果表明:此方法较准确地计算出接触线导高、拉出值,可满足检测的需求。     

钢轨廓形测量系统准确度的验证方法

钢轨廓形测量系统已被工务部门广泛使用,为了进一步提高其现场应用水平,本文提出了可验证钢轨廓形测量系统准确度的新方法。首先制作钢轨标准模块,给出钢轨廓形的对比约定真值;由于系统的测量结果与钢轨标准模块的计量结果相互独立,二者不能直接比对,给廓形测量系统准确度的验证带来困难,因此接着提出一种基于迭代最近点的廓形对齐方法,在系统测量的与标准模块计量的廓形数据点集之间建立匹配关系;最后使用均方根误差来衡量测量值与计量真值之间的偏差,以及使用系统多次测量结果的标准差来描述测量的离散程度,从而验证廓形测量系统的准确度。由试验结果可知,测量的平均均方根误差为0.132 mm,平均标准差为0.035 mm,为制定钢轨廓形测量系统准确度的评定标准提供了参考。     

光测轨检系统的高精度摄像机标定

将靶标设定为一个辅助平面,建立辅助平面坐标系进行2步标定:第1步求取靶标面与像平面的对应透视关系;第2步求取空间坐标系与辅助平面坐标系的透视关系。研究结果表明:相对于传统标定法,该方法同时考虑径向畸变和切向畸变,提高了目标点定位精度;建立隐式数学模型而非直接标定摄像机内外参数,简化了标定。且将畸变量包含与隐式方程中不用实际求出畸变量,所以不要求靶标与摄像机成特殊位置;两步均用最小二乘法快速求解线性方程,简便快速;采用对特征圆标号的高精度标定模板,特征圆心可以精准提取,标定图像有较高的鲁棒性。     

线结构光视觉系统标定方法研究

在采用传统的线结构光平面标定方法时，一般采取有限个点，个别误差点的存在会导致标定过程失败。为了解决这一问题，提出线结构光视觉系统标定方法。这种方法利用多视觉下靶标图像获取摄像机内部参数和畸变系数，采用直线拟合方法扩展点的数量，并用随机采样一致性算法筛选出有效点，这些点用于计算光平面参数。开展线结构光视觉系统标定方法验证试验。试验结果表明，标定精度可达到0.317 1 mm；与传统标定方法相比，线结构光视觉系统标定方法能够增加特征点的数量，提高光平面的计算准确度，具有较好的鲁棒性和较高的标定精度。     

钢轨焊前断面廓形参数检测方法研究

钢轨断面的廓形参数对钢轨焊接后的平直度、焊后打磨、钢轨品质等影响重大。针对钢轨焊接前的轨端廓形检测,在激光传感器采集的廓形数据基础上,详细论述数据的处理方法和过程,主要包括数据的预处理、数据的融合、分段拟合、廓形的计算等,分析不同方法针对该研究目的的可行性、适应性以及准确性,最终选择移动平均法进行数据的预处理,采用矩形标准块和圆柱标准块标定进行数据融合,基于协方差矩阵的特征值选取分段点,最小二乘法进行分段拟合。试验数据表明,该方法对数据处理的效果良好,可以高效精确地检测出钢轨焊前断面的廓形尺寸。     

基于动态测量的钢轨廓形打磨智能分析系统的研发

开发了一套基于动态测量的钢轨廓形打磨智能分析系统。该系统由钢轨廓形动态测量子系统、打磨策略子系统和接口子系统3个子系统构成。钢轨廓形动态测量子系统采用线结构光视觉技术对钢轨廓形进行动态测量;打磨策略子系统根据钢轨廓形动态测量子系统获得的现场钢轨廓形数据,实时生成可供钢轨打磨列车使用的打磨策略;接口子系统通过TCP/IP协议与打磨策略子系统通信,将打磨策略子系统生成的打磨策略传输给钢轨打磨列车的作业控制系统,从而控制钢轨打磨列车作业。     

一种新的轨距动态检测方法研究

提出一种基于激光摄像检测的轨距计算新算法,该算法将按照轨距定义寻找轨顶踏面下16 mm内2股钢轨工作边之间的最小距离作为轨距测量值。考虑摄像机镜头畸变影响,建立2个激光摄像式传感器之间空间姿态关系的非线性标定模型,并给出一种标定方案。为了能快速定位轮廓特征点,提出钢轨轮廓特征曲线的概念,并给出特征曲线的一种定义方式,利用特征曲线能快速寻找轮廓特征点。与传统检测方法相比,新算法只用了2个激光摄像式传感器,不需要其他辅助传感器来对车体振动进行修正。最后通过实际地铁线路设置障碍试验,验证了该检测方法具有一定的抗干扰能力、稳定性高、结构简单、在线计算实时性强和检测精度高等特点。     

钢轨焊接接头平直度测量方法及效果研究

钢轨焊接接头平直度的测量一般采用电子平尺或钢板尺进行。根据中华人民共和国铁道行业标准规定,钢轨焊接接头平直度测量位置分别为轨顶面纵向中心线、轨头侧面工作边上距轨顶面16 mm处的纵向线。在实践中,由于钢轨轨头部位廓形由多个弧面衔接而成,因此,行业标准中对于钢轨焊接接头轨距角处纵向平直度测量尚无要求。轨距角是与车轮匹配的关键位置,其平直度直接关系到车轮运行的平顺性,通过对60N新廓形钢轨轨头廓形弧面和工作面平直度测量结果研究,提出钢轨焊接接头平直度测量的新方法——四位置测量法。对测量效果进行比较,为完善钢轨焊接接头外观质量测量标准及提高钢轨焊接接头质量提供参考。     

车载非接触式钢轨磨耗测量方法研究及应用

车载非接触式钢轨磨耗测量方法基于激光摄像三角测量原理,利用安装在列车转向架端头的图像采集设备获取钢轨断面结构光图像,将其传输至图像处理单元进行图像预处理、图像匹配、坐标转换,得到钢轨轮廓的实测值,并与标准轨进行比对得出钢轨的实测磨耗值。采用该方法对京承铁路、宝成铁路、成昆铁路、大秦重载铁路等线路进行了多次线上试验,结果表明,测量结果的重复性误差低于0.2 mm,满足现场作业要求。     

基于钢轨实测廓形的智能打磨策略

针对现有钢轨打磨策略存在打磨结果不可控和依赖人为经验设定打磨参数的缺点,提出基于钢轨实测廓形的智能打磨策略。首先根据实测的钢轨廓形确定钢轨的目标廓形,然后根据实测廓形与目标廓形的差异得到终止打磨的阈值;基于三角形面积法和钢轨打磨车单个砂轮的作业能力,计算打磨车的作业速度和功率;定位实测廓形与目标廓形之间差值最大的点,计算打磨该点时砂轮所需的偏转角度,进而再计算单个砂轮以固定功率打磨实测廓形之后得到的新廓形;将新廓形与目标廓形比较,定位新廓形和目标廓形之间差值最大的点,若该点的差值小于阈值则终止打磨,否则继续重复上述过程,直到打磨后得到的新廓形与目标廓形的最大差值小于阈值;从而得到将实测廓形打磨成目标廓形所需的每个打磨砂轮的偏转角度,并形成打磨方案。试验验证了基于钢轨实测廓形的智能打磨策略的有效性。     

基于机器视觉技术的列车脱轨试验研究

提出一种基于机器视觉技术的列车脱轨运动检测方法。该方法采用高速摄像机记录脱轨防护器以及脱轨轮对运动情况,利用摄像机标定技术建立图像平面与三维空间的对应关系,完成对列车运动轨迹以及纵向运动参数的测量。该测量方法解决了破坏性试验中测试系统安装的难点,突破传统测试方法,所需设备较少,试验现场适应性强。     

基于LabVIEW的钢轨廓形动态采集系统研究

为解决人工钢轨磨耗检测方法效率低、精度低、结果不易存储等一系列缺点,设计开发基于LabVIEW的钢轨廓形动态采集系统,介绍其硬件组成及软件设计方法。该系统以轨面激光线为检测对象,不易受外界因素影响,测量精度高;检测人员可推动检测车在轨面上连续进行检测,效率高。可实现钢轨垂直磨耗,侧面磨耗和总磨耗的测量以及磨耗超限警报功能并完成测量数据的存储,对改善工务部门磨耗检测现状,保障铁路系统安全运行具有重要的意义。     

钢轨轮廓全断面检测中的匹配方法研究

采用激光视觉测量技术对钢轨全断面廓形进行检测,在动态测量过程中由于车辆的随机振动,会影响钢轨轮廓数据的检测精度。因此,在高速动态条件下实现检测钢轨轮廓与标准廓形高精度自动匹配,是当前轨道廓形检测中面临的关键问题。在分析国内外钢轨廓形检测、廓形匹配现状的基础上,通过对目前采用最多的迭代最近点ICP(Iterative Close Point)算法进行简化,同时优化匹配过程中的对应点搜索策略,在保证匹配精度的前提下,解决了钢轨廓形检测中的匹配问题,达到实时性检测的需求。将该算法运用在地铁轨道检测设备中,验证了该方法的有效性。     

基于激光摄像技术的钢轨磨耗截面积测量方法研究

磨损后的钢轨轨头轮廓极不规整,传统钢轨磨耗计算方法无法准确表征磨损后的钢轨轮廓全貌。最新轨道检测车采用激光摄像技术,实现了钢轨轮廓连续在线检测。本文提出在现有的轨道检测车中添加钢轨磨耗截面积检测功能,以克服传统钢轨磨耗测量存在的不足。建立用于钢轨磨耗检测的激光摄像式传感器标定计算模型。对钢轨磨耗截面积测量中标准钢轨轮廓曲线解析式求解、动态钢轨轮廓基准点对齐、钢轨磨耗截面积数值计算等关键问题进行了详细的阐述。选取深圳地铁龙岗线GJ-2型轨道检测车,在六约至丹竹头区间进行试验。分别采用传统钢轨磨耗计算方法和钢轨磨耗截面积计算方法,同时对左右股钢轨磨耗进行检测,并给出采用上述不同方法在该区间2000m距离检测的数据。     

基于动态参考的钢轨轮廓失真校准方法

有效修正车体运行过程中轮轨振动引起的廓形检测误差是钢轨廓形动态检测的关键。本文对轮轨振动的多个要素进行系统分析,指出引起廓形失真的点头和摇头振动是检测误差的主要来源;与标准轮廓相比,实测正常轮廓更适合作为曲线校准时的参考轮廓,因此本文提出一种参考轮廓构建方法,并通过在参考轮廓与待校准轮廓轨腰曲线上分别构造凸壳,实现特征点对的快速提取与仿射参数的求解。为验证本文方法的有效性,在室内基于二维激光位移传感器搭建钢轨轮廓测量平台,并进行模拟振动试验。试验结果表明:该方法能有效修正轮轨振动引起的廓形检测误差,检测速度可达225 km/h,具有一定的理论及工程应用价值。