一种高速列车制动盘温度及磨耗量的监测方法技术

本发明专利技术公开了一种高速列车制动盘温度及磨耗量的监测方法，包括高清摄像头、激光发射器、控制箱、红外热成像仪、DSP最小系统板、电源降压模块、ZigBee路由器，由DSP最小系统板控制激光发射器向制动盘发射激光束，形成光截曲线，通过高清摄像头对光截曲线进行拍摄，再传输给DSP最小系统板进行图像处理，通过计算制动盘的像素数来求出制动盘的厚度，将所测厚度与原始厚度进行对比来计算制动盘的磨耗量，通过红外热成像仪采集制动盘的红外图像，并传输给DSP最小系统板进行处理，进而计算出制动表面的温度信息，并由DSP最小系统板控制ZigBee路由器将计算得出的制动盘磨损量、当前温度、缺陷情况实时发送至操控台的PC机上进行实时显示。显示。显示。

【技术实现步骤摘要】
一种高速列车制动盘温度及磨耗量的监测方法


[0001]本专利技术涉及制动盘温度及磨耗量监测领域，尤其涉及一种高速列车制动盘温度及磨耗量的监测方法。

技术介绍

[0002]高速铁路运行过程中具有安全舒适、节能环保、快速方便、输送能力大等优点，在经济发展、人民生活等方面发挥着巨大的作用，受到越来越多的国家所重视。制动技术作为高速列车核心技术之一，直接关系到列车运行安全、列车平稳性和舒适性。在高速列车发展进程中，制动技术已然成为限制列车高速化的核心问题之一。通过不断地积累自身技术成果和对国外先进科技的引进吸收、发展创新，在轮轨系统、制动系统等方面取得巨大进展，让我国高速铁路得以迅速崛起。
[0003]列车制动系统通过制动盘与制动闸片之间的摩擦来实现的。列车制动过程中，高速制动界面的高摩擦热量导致摩擦副表面的温度急剧升高，制动盘与闸片界面局部摩擦特性及周围环境温度场交换引起制动盘在闸片摩擦制动过程中的温度变化幅值可达400～500℃。列车运行速度不断地提高必然导致动能的增加，这导致制动时制动盘产生的热能急剧增加，产生非常大的热负荷，从而使制动盘承受较大的热应力，循环交变的热应力作用下，也会导致制动盘产生疲劳裂纹。此外，冬季的低温服役环境进一步增加了制动盘摩擦表面温度变化幅值，会对制动盘闸片的摩擦磨损机制产生较大影响，使得低温环境下更容易出现制动盘/闸片材料的异常磨耗，严重影响服役过程中制动系统的稳定性和可靠性。
[0004]现有技术中，针对轮对的磨损、缺陷、发热情况的监测研究比较多，而很少有应用到高速列车制动盘上的。而现有用于检测制动盘缺陷的主要有超声检测方法、磁粉探伤方法、电涡流检测方法。这些方法均需要停车后检测，暂不能实现车辆在运行情况中的检测。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种高速列车制动盘温度及磨耗量的监测方法，通过红外热成像仪采集制动盘发出的红外辐射能量，形成红外图像，再对红外热成像图片进行图像处理，识别出制动盘上的温度值；此外，采用图像测量技术和激光线光源相结合的方式来对制动盘的磨耗状态进行检测。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供的一种高速列车制动盘温度及磨耗量的监测方法是这样实现的：
[0007]一种高速列车制动盘温度及磨耗量的监测方法，包括高清摄像头、激光发射器、控制箱、红外热成像仪，控制箱中放置了DSP最小系统板、电源降压模块、ZigBee路由器，高清摄像头、激光发射器、控制箱、红外热成像仪均安装在制动盘斜上方的车底部，且高清摄像头、激光发射器与制动盘在同一水平面，红外热成像仪与制动盘之间夹角为45度，电源降压模块将高速列车的电源降压至12V后为高清摄像头、激光发射器、红外热成像仪、ZigBee路由器、DSP最小系统板供电，采用图像测量技术和激光线光源相结合的方式来对制动盘的磨
耗状态进行监测，由DSP最小系统板控制激光发射器向制动盘发射激光束，形成光截曲线，通过高清摄像头对光截曲线进行拍摄，再传输给DSP最小系统板进行图像处理，通过计算制动盘的像素数来求出制动盘的厚度，将所测厚度与原始厚度进行对比来计算制动盘的磨耗量，通过红外热成像仪采集制动盘的红外图像，并传输给DSP最小系统板进行处理，进而计算出制动表面的温度信息，并由DSP最小系统板控制ZigBee路由器将计算得出的制动盘磨损量、当前温度、缺陷情况实时发送至操控台的PC机上进行实时显示。
[0008]本专利技术的ZigBee路由器要将数据传输至操控台的PC机上进行实时显示，在列车操控台上安装ZigBee协调器，用于接收ZigBee路由器传来的信息，并将信息传输至PC机，在PC机中进行数据的实时显示。
[0009]本专利技术根据红外热成像图片识别制动盘温度的方案为：
[0010]S1.图像预处理
[0011]①
读取待识别的红外图像，进行灰度变换和Gamma矫正；
[0012]②
绘制待识别红外图像的直方图，并自适应地得到直方图波谷处右侧阈值；
[0013]③
采用自适应阈值对图像进行二值化处理；
[0014]S2.图像分割
[0015]①
采用像素累加法定位二值化图像上的矩形框；
[0016]②
根据位置信息确定ROI区域；
[0017]③
采用垂直投影法对ROI区域进行字符分割，建立温度值数据集。
[0018]S3.温度识别
[0019]①
搭建深度为7的CNN网络，并确定网络参数，按照8:2的比例划分温度值训练集和测试集；
[0020]②
训练和测试CNN网络，分析各字符识别结果；
[0021]③
结合设计制动盘红外图像温度值识别与记录系统，并选取若干张红外图像测试温度识别结果。
[0022]本专利技术的高清摄像头采集光截曲线的方案为：激光发射器发射激光束照射到制动盘上，形成光截曲线，高清摄像头对光截曲线拍摄时，高清摄像头的中心线与激光束的光平面之间夹角为θ，设高清摄像头拍摄时的物距为μ，像距为ν，焦距为f，制动盘实际厚度为L，放大倍数为β，像素数为n，单位像素长度为p，像长度为l，k表示物象比例系数，那么：
[0023][0024][0025]l＝n
·
p (3)
[0026]由式(1)(2)(3)可以得出物象比例系数k为：
[0027][0028]得出制动盘实际厚度L为：
[0029][0030]通过DSP最小系统板对实际光截曲线进行图像处理后，求出图像中制动盘的像素数，即可计算出制动盘的厚度。
[0031]本专利技术的DSP最小系统板对高清摄像头采集到的光截曲线图像进行处理的方案为：
[0032]S1.图像处理
[0033](1)图像类型转换
[0034]对采集到的图像进行灰度处理，将采集到的彩色图像转换为灰度图，以提高后续的处理速度。
[0035](2)图像反色
[0036]采集到的图像中，光带轮廓区域的灰度比较偏亮，而其他区域的灰度偏暗，为了进一步方便后续的图像处理，利用图像的反色将光带轮廓区域的灰度变得偏暗，而其他区域的灰度变得偏亮，采用灰度变换方程来实现图像的反色，具体为:
[0037]D
B
＝f(D
A
)＝f(A)
·
D
A
+f(B) (6)
[0038]式中，f(A)表示线性函数的斜率，f(B)表示线性函数在Y轴上的截距，D
A
表示输入图像的灰度，D
B
表示输出图像的灰度，当f(A)＞1时，输出图像的对比度将增大，当f(A)＜1时，输出图像的对比度将减小，当f(A)＝1且f(B)≠0时，所有像素的灰度值会增加或降低，对应的图像就会更暗或更亮，当f(A)＜0时，暗区域将变亮，亮区域变暗，当f(A)＝1且f(B)＝0时，输入图像和输出图像相同，当f(A)＝
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速列车制动盘温度及磨耗量的监测方法，其特征在于：包括高清摄像头、激光发射器、控制箱、红外热成像仪，控制箱中放置了DSP最小系统板、电源降压模块、ZigBee路由器，高清摄像头、激光发射器、控制箱、红外热成像仪均安装在制动盘斜上方的车底部，且高清摄像头、激光发射器与制动盘在同一水平面，红外热成像仪与制动盘之间夹角为45度，电源降压模块将机车用的电源降压至12V后为高清摄像头、激光发射器、红外热成像仪、ZigBee路由器、DSP最小系统板供电，采用图像测量技术和激光线光源相结合的方式来对制动盘的磨耗状态进行检测，由DSP最小系统板控制激光发射器向制动盘发射激光束，形成光截曲线，通过高清摄像头对光截曲线进行拍摄，再传输给DSP最小系统板进行图像处理，通过计算制动盘的像素数来求出制动盘的厚度，将所测厚度与原始厚度进行对比来计算制动盘的磨耗量，通过红外热成像仪采集制动盘的红外图像，并传输给DSP最小系统板进行处理，进而计算出制动表面的温度信息，并由DSP最小系统板控制ZigBee路由器将计算得出的制动盘磨损量、当前温度、缺陷情况实时发送至操控台的PC机上进行实时显示。2.根据权利要求1所述的高速列车制动盘温度及磨耗量的监测方法，其特征在于：所述根据红外热成像图片识别制动盘温度的方案为：S1.图像预处理
①
读取待识别的红外图像，进行灰度变换和Gamma矫正；
②
绘制待识别红外图像的直方图，并自适应地得到直方图波谷处右侧阈值；
③
采用自适应阈值对图像进行二值化处理；S2.图像分割
①
采用像素累加法定位二值化图像上的矩形框；
②
根据位置信息确定ROI区域；
③
采用垂直投影法对ROI区域进行字符分割，建立温度值数据集。S3.温度识别
①
搭建深度为7的CNN网络，并确定网络参数，按照8:2的比例划分温度值训练集和测试集；
②
训练和测试CNN网络，分析各字符识别结果；
③
结合设计制动盘红外图像温度值识别与记录系统，并选取若干张红外图像测试温度识别结果。3.根据权利要求1所述的高速列车制动盘温度及磨耗量的监测方法，其特征在于：所述高清摄像头采集光截曲线的方案为：激光发射器发射激光束照射到制动盘上，形成光截曲线，高清摄像头对光截曲线拍摄时，高清摄像头的中心线与激光束的光平面之间夹角为θ，设高清摄像头拍摄时的物距为μ，像距为ν，焦距为f，制动盘实际厚度为L，放大倍数为β，像素数为n，单位像素长度为p，像长度为l，k表示物象比例系数，那么：素数为n，单位像素长度为p，像长度为l，k表示物象比例系数，那么：l＝n
·
p
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(3)
由式(1)(2)(3)可以得出物象比例系数k为：得出制动盘实际厚度L为：通过DSP最小系统板对实际光截曲线进行图像处理后，求出图像中制动盘的像素数，即可计算出制动盘的厚度。4.根据权利要求1、权利要求3所述的高速列车制动盘温度及磨耗量的监测方法，其特征在于：所述DSP最小系统板对高清摄像头采集到的光截曲线图像进行处...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱海燕，曹文琴，肖乾，易勇，蒋益平，周生通，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：