一种铁路轮对尺寸检测装置及其标定方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种铁路轮对尺寸检测装置及其标定方法，相机和激光器的相对位置具有更高的稳定性，可以实现相机与光源一体化标定，大大缩小设备使用现场的标定时间，标定方法包括以下步骤：步骤a：以平面靶标为成像目标，提取空间靶标点计算出靶标平面和图像平面之间的单应矩阵；步骤b：启动光源，将激光光条打在平面靶标上，通过空间靶标点确定的单应矩阵将光条标定点映射到三维空间，得出空间中激光光条在相机坐标系下的三维坐标；步骤c：多次移动平面靶标，得出相机内参的约束方程以及光平面三维坐标点的约束方程，通过约束方程构建目标函数，通过目标函数计算相机内参与光平面参数，通过非线性优化得出光平面参数的最优解。

【技术实现步骤摘要】
一种铁路轮对尺寸检测装置及其标定方法
本专利技术涉及铁路线路运维检测设备领域，具体涉及一种铁路轮对尺寸检测装置及其标定方法。
技术介绍
我国拥有全世界最广最长的运营铁路，在线运行车辆越来越多，为了实现线路上的火车在不停车的情况下实现车轮直径的在线动态尺寸测量，需要一种可靠的激光视觉测量传感器对车轮进行非接触式测量。采用激光视觉测量、图像处理及人工智能等技术，可在正线/出入库段实现列车轮对尺寸检测，并通过大数据分析实现列车车轮运行状况的评估及预警，为铁路部门运营、维护、调度等提供技术支持。目前市场上最可见的两种技术形式：1、相机与激光器为平行夹角布置的一体式传感器，单个外形尺寸大，不易调整测量区域的视角，内部元件布置紧凑，激光器的功率无法做大，优点是可以模块生产及标定。存在的问题：无法实现户外环境的高速高动态的实时检测；2、采用球台单独对相机及激光器进行固定，倾斜夹角布置，优点是调整自由大，可以最佳调整角度，缺点：球台的安装方式，结构不稳定，有存在松动的风险，导致需要进行重新标定，而且每套传感器都需要进行精确调整和标定，调整工装量大，无法实现产品模块化和标准化作业。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种铁路轮对尺寸检测装置及其标定方法，结构简单可靠，相机和激光器的相对位置具有更高的稳定性，同时本专利技术的标定方法可以实现相机与光源一体化标定，大大缩小设备使用现场的标定时间。其技术方案是这样的：一种列车轮对尺寸检测装置，包括设置在防护壳体内的光源和相机，其特征在于：所述防护壳体上对应光源和所述相机设有窗口，所述光源和所述相机通过防松紧固件固定在所述保护壳体内，所述光源和所述相机之间的相对夹角保持不变。一种铁路轮对尺寸检测装置的标定方法，其特征在于,包括以下步骤：步骤a：以平面靶标为成像目标，提取空间靶标点计算出靶标平面和图像平面之间的单应矩阵；步骤b：启动光源，将激光光条打在平面靶标上，通过空间靶标点确定的单应矩阵将光条标定点映射到三维空间，得出空间中激光光条在相机坐标系下的三维坐标；步骤c：多次移动平面靶标，得出相机内参的约束方程以及光平面三维坐标点的约束方程，通过约束方程构建目标函数，通过目标函数计算相机内参与光平面参数，通过非线性优化得出光平面参数的最优解。进一步的，在步骤a中，空间靶标点通过透视投影模型、镜头畸变模型、图像噪声叠加模型，获得图像点。进一步的，在步骤a中，通过相机拍摄三维空间内的平面标靶，建立空间靶标点与其对应的图像点之间的透视投影模型，空间靶标点Q＝[x,y,1]T与其对应的图像点pu＝[uu,vu,1]T之间的透视投影模型表示为：其中，其中H3×3为靶标平面和图像平面之间的单应矩阵，单应矩阵包括相机内参和外参，ρ是常量系数，K为相机内参矩阵，r1、r2t分别相机外参，具体为旋转矩阵的前两列以及平移向量；设pu＝[uu,vu,1]T、pd＝[ud,vd,1]T与pn＝[un,vn,1]T分别为图像坐标系下无畸变点、畸变点与实际成像点坐标，镜头畸变模型表示为：ud＝uu+(uu-u0)(k1r2+k2r4)vd＝vu+(vu-v0)(k1r2+k2r4)其中，k1,k2镜头前两阶畸变系数，[xn,yn]表示归一化的图像坐标；设由于图像噪声导致的图像偏差为Δu,Δv，则畸变点pd到实际成像点pn的图像噪声叠加模型表示为：靶标在第i个摆放位置下，第j个点空间靶标点和图像点的齐次坐标分别为Qj＝[xj,yj,1]T和通过透视投影模型、镜头畸变模型、图像噪声叠加模型计算出pu(ij)，pu(ij)为靶标在第i个摆放位置下，第j个点空间靶标点的无畸变点坐标，再将pu(ij)与Qj＝[xj,yj,1]T通过透视投影模型求解得到靶标平面和图像平面之间的单应矩阵进一步的，在步骤a中，其中fx，fy分别为在像素坐标系中u方向和v方向上的比例系数，γ为图像两轴的倾斜因子，u0，v0为像面主点坐标，k1，k2为镜头的径向畸变系数。进一步的，在步骤b中，由空间靶标点确定的单应矩阵将光条标定点映射到三维空间，得到光条标定点与靶标交线在相机坐标下三维坐标点，去除畸变后的光条标定点坐标表示为光条标定点在靶标坐标系点坐标表示为根据透视投影模型，表示为其中s为非零系数，光条标定点前向投影与靶标在相机坐标下相交于空间三维点表示为和分别为单应矩阵分解的旋转矩阵与平移矢量进一步的，在步骤c中，将靶标特征点反投影到空间靶标平面，以其对应的空间靶标距离最小为约束；将光条标定点反投影到靶标平面，以其三维点坐标到平面靶标之间距离最小为约束；建立目标函数，求解出相机内参数与激光平面内参数。进一步的，在步骤c中，设定靶标在第i个摆放位置下，第j个点空间靶标点的齐次坐标为pij，靶标在第i个摆放位置下，第j个点空间靶标点的无畸变点坐标pu(ij)，以pij与pn(ij)之间距离最小和图像统计中心点距离最小为约束建立第一目标函数如下：其中，D(pij,pn(ij))表示pij与pn(ij)距离,M表示靶标摆放位置数,N表示空间靶标点数；通过透视投影模型计算pij反向投影到靶标坐标系下点的齐次坐标靶标在第i个摆放位置下，第j个点空间靶标点Qj＝[xj,yj,1]T，以Qj与之间距离最小和靶标点与投影点统计中心距离最小为目标函数建立第二目标函数：将空间靶标点图像坐标与靶标之间建立交比约束，建立第三个目标函数如下：式中CRh、CRv分别表示水平和竖直方向交比，第三目标函数中取四个点参与计算，靶标在第i个摆放位置下，第j、j+1、j+2、j+3个点空间靶标点分别为Qj、Qj+1、Qj+2、Qj+3，靶标在第i个摆放位置下，第j、j+1、j+2、j+3个点空间靶标点的无畸变点坐标分别为pu(ij)、pu(i(j+1))、pu(i(j+2))、pu(i(j+3))，为达到约束的强度，同时提高计算效率，本实施例中取四个点参与计算，保证靶标点中均匀的覆盖整个像面；设光条标定点前向投影与靶标相交于空间三维点且与pij在靶标坐标系下投影点的齐次坐标拟合的靶标平面距离最小，以点到平面之间距离最小建立第四目标函数如下：其中Fi表示靶标摆放第i个位置靶标点拟合的平面方程，表示点到平面之间距离；设中第k列拟合直线为拟合直线为与交点为以与之间距离最小建立第五个目标函数如下：通过第一目标函数、第二目标函数、第三目标函数、第四目标函数、第五目标函数得到联合目标函数：E(a)＝E1+E2+E3+E4+E5其中，a＝[fx,fy,γ,u0,v0,k1,k2,a,b,c,d]，fx,fy,γ,u0,v0,k1,k2分别为相机内参，a,b,c,d为光平面方程参数，设光平面方程表示为ax+by+cz+d＝0，其中，将代入Ransac约束的最小二乘法中，得到光平面方程初解通过非线性优化得到光平面的在最大似然条件下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种列车轮对尺寸检测装置，包括设置在防护壳体内的光源和相机，其特征在于：所述防护壳体上对应光源和所述相机设有窗口，所述光源和所述相机通过防松紧固件固定在所述保护壳体内，所述光源和所述相机之间的相对夹角保持不变。/n

【技术特征摘要】
1.一种列车轮对尺寸检测装置，包括设置在防护壳体内的光源和相机，其特征在于：所述防护壳体上对应光源和所述相机设有窗口，所述光源和所述相机通过防松紧固件固定在所述保护壳体内，所述光源和所述相机之间的相对夹角保持不变。


2.一种权利要求1所述的铁路轮对尺寸检测装置的标定方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤a：以平面靶标为成像目标，提取空间靶标点计算出靶标平面和图像平面之间的单应矩阵；
步骤b：启动光源，将激光光条打在平面靶标上，通过空间靶标点确定的单应矩阵将光条标定点映射到三维空间，得出空间中激光光条在相机坐标系下的三维坐标；
步骤c：多次移动平面靶标，得出相机内参的约束方程以及光平面三维坐标点的约束方程，通过约束方程构建目标函数，通过目标函数计算相机内参与光平面参数，通过非线性优化得出光平面参数的最优解。


3.根据权利要求2所述的一种铁路轮对尺寸检测装置的标定方法，其特征在于：在步骤a中，空间靶标点通过透视投影模型、镜头畸变模型、图像噪声叠加模型，获得图像点。


4.根据权利要求3所述的一种铁路轮对尺寸检测装置的标定方法，其特征在于：在步骤a中，通过相机拍摄三维空间内的平面标靶，建立空间靶标点与其对应的图像点之间的透视投影模型，空间靶标点Q＝[x,y,1]T与其对应的图像点pu＝[uu,vu,1]T之间的透视投影模型表示为：



其中，其中H3×3为靶标平面和图像平面之间的单应矩阵，单应矩阵包括相机内参和外参，ρ是常量系数，K为相机内参矩阵，r1、r2t分别相机外参，具体为旋转矩阵的前两列以及平移向量；
设pu＝[uu,vu,1]T、pd＝[ud,vd,1]T与pn＝[un,vn,1]T分别为图像坐标系下无畸变点、畸变点与实际成像点坐标，镜头畸变模型表示为：
ud＝uu+(uu-u0)(k1r2+k2r4)
vd＝vu+(vu-v0)(k1r2+k2r4)
其中，k1,k2镜头前两阶畸变系数，[xn,yn]表示归一化的图像坐标；
设由于图像噪声导致的图像偏差为Δu,Δv，则畸变点pd到实际成像点pn的图像噪声叠加模型表示为：



靶标在第i个摆放位置下，第j个点空间靶标点和图像点的齐次坐标分别为Qj＝[xj,yj,1]T和通过透视投影模型、镜头畸变模型、图像噪声叠加模型计算出pu(ij)，pu(ij)为靶标在第i个摆放位置下，第j个点空间靶标点的无畸变点坐标，再将pu(ij)与Qj＝[xj,yj,1]T通过透视投影模型求解得到靶标平面和图像平面之间的单应矩阵


5.根据权利要求4所述的一种铁路轮对尺寸检测装置的标定方法，其特征在于：在步骤a中，其中fx，fy分别为在像素坐标系中u方向和v方向上的比例系数，γ为图像两轴的倾斜因子，u0，v0为像面主点坐标，k1，k2为镜头的径向畸变系数。


6.根据权利要求4所述的一种铁路轮对尺寸检测装置的标定方法，其特征在于：在步骤b中，由空间靶标点确定的单应矩阵将光条标定点映射到三维空...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄磊，
申请(专利权)人：江苏集萃智能光电系统研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32