本发明专利技术公开了一种轮对踏面参数测量方法及装置。测量包括龙门立柱基底、驱动装置、定位支撑模块、两个测量模块和计算模块。测量模块中的线结构光传感器采集轮对踏面点云数据发送给计算模块。计算模块对点云数据进行点云拼接，得到拼接数据；对拼接数据进行坐标换算，得到换算后的数据；对换算后的数据进行点云配准，得到配准数据，得到配准数据；构建拟合车轮内侧面；根据配准数据对拟合车轮内侧面进行三维重建，获取车轮的三维模型；以三维模型的车轮内侧面为基准面，根据三维模型的车轮参数与基准面之间的几何关系确定轮对踏面参数。轮对踏面参数测量装置实现对整个轮对踏面的进行三维重建，确定轮对踏面参数，提高了测量的精确性和效率。确性和效率。确性和效率。
【技术实现步骤摘要】
一种轮对踏面参数测量方法及装置
[0001]本专利技术涉及轨道列车轮对测量
，特别是涉及一种轮对踏面参数 测量方法及装置。
技术介绍
[0002]轨道列车轮对作为列车的承重和运动部件，承受着较大的负载和冲击力， 而轮对踏面是车轮与铁轨直接接触的面，对于需要高速行驶的列车，轮对踏 面的几何参数尤为重要。由于轮对踏面是不规则曲面，传统测量方式测量轮 对踏面误差较大，效率低，已经不能满足当下的生产需求。随着计算机视觉 相关领域的发展，如摄像机标定技术、计算机图像处理技术的进步，结构光 测量法逐渐被应用在测量轮对几何参数的测量中。线结构光传感器单次测量 可获得一条二维轮廓，虽获取的数据量小于面结构光传感器，但远大于点激 光位移传感器，其组成结构简单、成本低廉、测量速度快，易于与其他运动 坐标相集成，是实现复杂曲面完整测量的理想选择。而线结构光测量轮对踏 面几何参数时，激光平面不通过车轮中心轴线或者激光平面与车轮踏面母线
ꢀ‑
中心轴平面存在一定夹角，都会使测量出的轮对踏面几何参数出现较大误 差，而如何减小或者消除这种测量误差，实现三维重建，获取更多的踏面几 何参数，是线结构光测量轮对踏面几何参数一个重要发展方向。
技术实现思路
[0003]本专利技术提供了一种轮对踏面参数测量方法及装置，能够实现对整个轮对 踏面的进行三维重建，确定轮对踏面参数，提高了测量的精确性和效率。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0005]一种轮对踏面参数测量方法，所述方法包括：
[0006]采集轮对踏面点云数据；
[0007]对所述点云数据进行预处理，得到配准数据；
[0008]构建拟合车轮内侧面；
[0009]根据所述配准数据对拟合车轮内侧面进行三维重建，获取车轮的三维模 型；
[0010]以所述三维模型的车轮内侧面为基准面，根据所述三维模型的车轮参数 与基准面之间的几何关系确定轮对踏面参数。
[0011]优选地，所述对所述点云数据进行预处理，得到配准数据，具体包括：
[0012]对所述点云数据进行点云拼接，得到拼接数据；
[0013]对所述拼接数据进行坐标换算，得到换算后的数据；所述换算后的数据 包括车轮内侧面踏面点云数据M和车轮外侧面踏面点云数据N；
[0014]对换算后的数据进行点云配准，得到配准数据。
[0015]优选地，所述对换算后的数据进行点云配准，得到配准数据，具体包括：
[0016]对所述换算后的数据进行粗配准，得到配准数据；
[0017]或对所述换算后的数据进行精配准，得到配准数据；
[0018]或对所述换算后的数据依次进行粗配准和精配准，得到配准数据。
[0019]优选地，对所述换算后的数据进行粗配准，得到配准数据，具体包括：
[0020]根据换算后的点云数据计算得到点云数据M的质心以及点云数据N的 质心；
[0021]对换算后的数据使用内在形状签名ISS算法，求得点云数据M和点云 数据N的关键点；
[0022]使用FPFH算法提取各关键点的特征描述子，对两个所述特征描述子比 较，得到点云数据M关键点相对于点云数据N关键点的对应点，并确定两 关键点的一一对应关系；
[0023]根据一一对应关系、点云数据M的质心以及点云数据N的质心求对应 点协方差矩阵，并进行奇异值分解，得到旋转矩阵R1和平移矩阵T1；
[0024]根据旋转矩阵R1和平移矩阵T1得到配准数据。
[0025]优选地，对所述换算后的数据进行精配准，得到配准数据，具体包括：
[0026]对换算后的数据采用最近点迭代ICP算法进行点云精配准，具体包括：
[0027]根据点云数据M和点云数据N的曲率特征确立对应点集P与Q，其中 对应点的个数为n；
[0028]选择三维空间中两个对应点P
i
和q
j
，计算两个对应点P
i
和q
j
之间的欧式距 离，P
i
为P中的一点，q
j
为Q中的一点；
[0029]根据所述欧式距离对所述对应点集P与Q进行平移和旋转，得到旋转矩 阵R2和平移矩阵T2；
[0030]基于最小二乘法根据旋转矩阵R2和平移矩阵T2确定误差；
[0031]判断误差是否满足设定阈值；如果误差满足设定阈值，则根据旋转矩阵 R2、平移矩阵T2和误差得到配准数据；如果误差不满足设定阈值，则返回
ꢀ“
基于最小二乘法根据旋转矩阵R2和平移矩阵T2确定误差”；
[0032]或判断迭代次数是否大于设定迭代次数；如果迭代次数大于设定迭代次 数，则根据旋转矩阵R2、平移矩阵T2和误差得到配准数据；如果迭代次数 小于或等于设定迭代次数，则令迭代次数加一，并返回“基于最小二乘法根 据旋转矩阵R2和平移矩阵T2确定误差”。
[0033]优选地，所述构建拟合车轮内侧面，具体包括：
[0034]构建含有误差参数的平面方程，具体包括：
[0035]x+v
x
＝b(y+v
y
)+c(z+v
z
)+d
[0036]其中，x、y、z分别为三维平面坐标，v
x
、v
y
、v
z
分别为x、y、z三个方向 上的误差，b、c、d均为未知参数；
[0037]将所述平面方程改写成EIV模型，具体包括：
[0038](A+E
A
)X＝L+E
L
[0039]其中，E
A
和E
L
分别表示矩阵A和向量L的误差；X表示由b、c、d构成 的未知参数矩阵
[0040]利用奇异值解法对EIV模型进行分解，得到未知参数b、c、d最佳估值；
[0041]将b、c、d代入所述含有误差参数的平面方程，得到所述拟合车轮内侧 面。
[0042]优选地，所述根据所述配准数据对拟合车轮内侧面进行三维重建，获取 车轮的三维模型，具体包括：
[0043]将拟合车轮内侧面旋转平移与坐标Z
‑
Y面重合，确定旋转矩阵R0和平移 矩阵T0；
[0044][0045]其中，(X
2 Y
2 Z2)为转换后拟合车轮内侧面内某一点的坐标，(X
1 Y
1 Z1)为转换前拟合车轮内侧面内某一点的坐标，(α β γ)是两个 坐标之间的旋转矩阵R0，(X
0 Y
0 Z0)是两坐标之间的平移矩阵T0；
[0046]将所述配准数据代入旋转矩阵R0和平移矩阵T0进行坐标变换，得到坐 标变换后的踏面点云数据；
[0047]将坐标变换后的踏面点云数据按照直角坐标系与圆柱坐标系的对应关 系进行转换，获得圆周分布的点云数据；
[0048]在MATLAB中根据圆周分本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种轮对踏面参数测量方法，其特征在于，所述方法包括：采集轮对踏面点云数据；对所述点云数据进行预处理，得到配准数据；构建拟合车轮内侧面；根据所述配准数据对拟合车轮内侧面进行三维重建，获取车轮的三维模型；以所述三维模型的车轮内侧面为基准面，根据所述三维模型的车轮参数与基准面之间的几何关系确定轮对踏面参数。2.根据权利要求1所述的轮对踏面参数测量方法，其特征在于，所述对所述点云数据进行预处理，得到配准数据，具体包括：对所述点云数据进行点云拼接，得到拼接数据；对所述拼接数据进行坐标换算，得到换算后的数据；所述换算后的数据包括车轮内侧面踏面点云数据M和车轮外侧面踏面点云数据N；对换算后的数据进行点云配准，得到配准数据。3.根据权利要求2所述的轮对踏面参数测量方法，其特征在于，所述对换算后的数据进行点云配准，得到配准数据，具体包括：对所述换算后的数据进行粗配准，得到配准数据；或对所述换算后的数据进行精配准，得到配准数据；或对所述换算后的数据依次进行粗配准和精配准，得到配准数据。4.根据权利要求3所述的轮对踏面参数测量方法，其特征在于，对所述换算后的数据进行粗配准，得到配准数据，具体包括：根据换算后的点云数据计算得到点云数据M的质心以及点云数据N的质心；对换算后的数据使用内在形状签名ISS算法，求得点云数据M和点云数据N的关键点；使用FPFH算法提取各关键点的特征描述子，对两个所述特征描述子比较，得到点云数据M关键点相对于点云数据N关键点的对应点，并确定两关键点的一一对应关系；根据一一对应关系、点云数据M的质心以及点云数据N的质心求对应点协方差矩阵，并进行奇异值分解，得到旋转矩阵R1和平移矩阵T1；根据旋转矩阵R1和平移矩阵T1得到配准数据。5.根据权利要求3所述的轮对踏面参数测量方法，其特征在于，对所述换算后的数据进行精配准，得到配准数据，具体包括：对换算后的数据采用最近点迭代ICP算法进行点云精配准，具体包括：根据点云数据M和点云数据N的曲率特征确立对应点集P与Q，其中对应点的个数为n；选择三维空间中两个对应点P
i
和q
j
，计算两个对应点P
i
和q
j
之间的欧式距离，P
i
为P中的一点，q
j
为Q中的一点；根据所述欧式距离对所述对应点集P与Q进行平移和旋转，得到旋转矩阵R2和平移矩阵T2；基于最小二乘法根据旋转矩阵R2和平移矩阵T2确定误差；判断误差是否满足设定阈值；如果误差满足设定阈值，则根据旋转矩阵R2、平移矩阵T2和误差得到配准数据；如果误差不满足设定阈值，则返回“基于最小二乘法根据旋转矩阵R2和平移矩阵T2确定误差”；
或判断迭代次数是否大于设定迭代次数；如果迭代次数大于设定迭代次数，则根据旋转矩阵R2、平移矩阵T2和误差得到配准数据；如果迭代次数小于或等于设定迭代次数，则令迭代次数加一，并返回“基于最小二乘法根据旋转矩阵R2和平移矩阵T2确定误差”。6.根据权利要求1所述的轮对踏面参数测量方法，其特征在于，所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘长英，杜闯，王昕，国佳正，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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