【技术实现步骤摘要】
一种列车轮对几何参数在线检测方法及系统
[0001]本专利技术涉及列车轮对检测的
，尤其涉及一种列车轮对几何参数在线检测方法及系统，综合光电检测技术、图像处理技术和自动控制技术对运动列车轮对进行几何参数在线测量。
技术介绍
[0002]随着我国轨道交通列车的运输速度、运输密度、载重量的大幅度提升，列车的安全运营面临着更大的挑战。轮对是列车最重要的运动部件和受力部件，其运行环境复杂恶劣，存在带伤作业、频繁作业、在轨年限长等问题。轮对几何参数是评判轮对健康状况的重要指标，而日常周期性检查存在诸多不足：人工使用轮径尺、第四检查器等工具受主观判断影响、误差大效率低；离线落轮检查步骤繁琐、消耗大量人力物力，而且在春运等运输密集期，更需庞大人员设备支持，数据信息处理上缺乏实时性，因此对列车轮对几何参数的智能快速准确检测亟需提升。
[0003]标定相机内、外参数的和确立光平面方程是线结构光传感器标定核心部分，目前通常人为手持靶标结合背光或同轴照明方式，使用张氏标定法进行相机标定，但存在人为手持产生抖动形成噪声干扰、个别图像位姿重复影响标定效率等问题，而圆形靶标标定时精度更高但存在偏心误差；在拟合光平面时存在空间特征点较少，光平面拟合精度低的问题，因此较传统方法高精度标定相机内、外参数和确立光平面方程是轮对几何参数测量的前提关键步骤。
[0004]申请号为202011567389.X的专利技术专利公开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...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种列车轮对几何参数在线检测方法，其特征在于，其步骤如下：(a)基于平面棋盘格
‑
同心圆互补靶标静态标定测量系统的相机的内参数、外参数，确定光平面方程，完成相机的光平面标定；(b)激光对射传感器获取来车信号，上位机发出指令开启补光装置，并利用光平面标定后的相机采集列车轮对图像；(c)基于IMU陀螺仪传感器和改进PID负反馈算法实时补偿相机姿态误差；(d)对采集到的列车轮对图像进行预处理，利用Steger算法在线提取激光光条中心线；(e)利用步骤(a)得到的光平面方程在线计算列车轮对内径、外径、轮辋宽度、轮缘厚度的几何参数，检测结果实时上传。2.根据权利要求1所述的列车轮对几何参数在线检测方法，其特征在于，所述步骤(a)的实现方法为：(a1)列车经过前，在钢轨轮对经过位置放置平面棋盘格
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同心圆互补靶标，调整平面棋盘格
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同心圆互补靶标高度保持在列车轮对位置高度，多次改变靶标位姿，相机依次采集多幅标定图像；(a2)利用Matlab读入标定图像的棋盘格角点为输入点，计算相机内参、外参以及单应性矩阵；(a3)利用相机采集的互补靶标图像，基于非线性优化最优解模型的偏心误差补偿算法得到圆心补偿点坐标；(a4)当前后两次计算得圆心补偿点位置小于零点零一个像素停止迭代优化，更新求解相机的内参数、外参数，获取从三维世界坐标系到二维图像坐标系的单应性矩阵；(a5)开启网格激光光源与补光装置，使网格激光投射至平面棋盘格
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同心圆互补靶标，利用位姿调节器多次改变靶标位姿，相机依次采集多幅包含光条的图像；(a6)利用Steger算法对投射在待测物上的光条的中心线进行提取，提取光条中心线上多个三维坐标点信息，应用最小二乘法拟合确定三维相机坐标系O
c
X
c
Y
c
Z
c
下线结构光光平面方程，完成光平面标定。3.根据权利要求2所述的列车轮对几何参数在线检测方法，其特征在于，所述平面棋盘格
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同心圆互补靶标包括基板，基板上设有激光直写棋盘格
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同心圆互补二维标志靶物，基板固定设置在壳体上，基板的背面设有矩形排列的自背光高亮LED集成光源，壳体的后部设有位姿调节器，位姿调节器与伸缩高度连杆；采集标定图像时，整个平面棋盘格
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同心圆互补靶标平面占据相机视场中的二分之一到三分之一的面积；在标定位置前三米距离钢轨一米位置安装激光对射传感器，激光对射传感器获取来车信号传递至下位机主控制器，下位机主控制器通过串口方式与上位机通信，进而控制上位机发出指令开启网格激光光源与补光装置，相机间隔拍摄作业采集来车的轮对图像。4.根据权利要求2或3所述的列车轮对几何参数在线检测方法，其特征在于，所述步骤(a2)中计算相机内、外参以及单应性矩阵的方法为：根据针孔相机模型原理，相机投影成像模型表示为：
其中，s为比例因子，M1、M2分别表示相机的内参矩阵和外参矩阵，R3×3、T3×1分别表示三维的世界坐标系变换为二维的图像坐标系所对应的旋转矩阵、平移矩阵，f
x
、f
y
分别为相机在图像坐标系下u轴和v轴的物理焦距，u0、v0分别表示主点O即图像坐标系的原点在像素坐标系下的相对偏移量；为点在世界坐标系下的齐次坐标，为点在二维的像素坐标系下对应像点的齐次坐标；世界坐标系的原点设置在靶标的左上角，像素坐标系的原点建立在图像的左上角，图像坐标系的原点建立在图像的中心；使用平面棋盘格
‑
同心圆互补靶标标定相机时，将世界坐标系建立在二维标志靶物平面上，z
w
＝0，相机投影成像模型简化表示为：其中，H为通过标定多张图像计算得到的单应性矩阵；r1、r2、r3分别表示旋转矩阵R3×3的列向量，t表示平移矩阵T3×1的列向量；相机畸变模型x、y方向上的表达式为：其中，k1,k2,k3是径向畸变的数学表达式系数，p1,p2是切向畸变的数学表达式系数，r是图像坐标点(x,y)到主点O的距离加入畸变因子，寻找三维投影关键点与二维检测点在最小二乘意义下的最小位置差值为目标，建立最优化目标函数为：其中，m
ij
为第i张拍摄图像的第j个关键标志点的像素坐标，m'(M1,r
i
,t
i
,M
j
')为三维关键标志点M
j
'的投影坐标；n是标定图像数量，m是标定图像中关键标志点数量，r
i
、t i
分别表示第i个平移向量、旋转向量；和前面的r1、r2、r3有重叠的部分不重叠，因为都指的是一个量；通过Matlab求解目标函数得到初始的相机的内参、外参以及单应性矩阵。5.根据权利要求4所述的列车轮对几何参数在线检测方法，其特征在于，所述基于非线性优化最优解模型的偏心误差补偿算法的实现方法为：在像素级边缘约束三个像素单位，亚像素边缘约束半个像素单位，分别对椭圆边缘进行像素级定位和亚像素级定位，其中像素级边缘定位使用一阶图像边缘算子即sobel算子进行，亚像素级定位使用Zernike矩像素定位进行，利用现有的数值分析上的数值拟合方法拟合偏心椭圆方程；根据成像平面圆心真实投影与补偿偏心位置关系，利用三角关系和向量公式，并利用张正友标定方法得到圆心补偿点坐标。
6.根据权利要求5所述的列车轮对几何参数在线检测方法，其特征在于，所述圆心补偿点坐标的计算方法为：拟合偏心椭圆方程的方法为：投影椭圆圆心位置的确定方法为：进行椭圆边缘定位，对椭圆边缘使用定位像素级边缘ξ'，应用Zernike矩像素定位亚像素级边缘ξ，在边缘像素带上取点拟合椭圆方程；在拟合内外偏心圆方程E1、E2时，对像素级边缘ξ'和亚像素级边缘ξ进行像素约束：其中，a1'、b1'、a2'、b2'分别表示拟合内、外偏心椭圆方程的系数；利用数值拟合方法拟合偏心椭圆方程；根据三角关系有：r1、r2分别为平面标靶的同心圆的内外圆直径，O
c
V、O
c
v、O
c
C、O
c
D、O
c
A、O
c
B的长度分别为l、l'、l1、l2、l3、l4，O
C
V与OC、OD、OA、OB的夹角分别为α1、β1、α2、β2；根据张正友标定方法，以平面互补标靶的外棋盘格边缘角点为目标，通过Matlab的标定工具标定相机模型参数f
x
、f
y
、u0、v0作为迭代优化初始值，由向量公式、世界坐标系与二维的像素坐标系的转换关系可得：维的像素坐标系的转换关系可得：求得长度l的参数值：
其中，V点为平面靶标圆心；通过相似关系确定长度l'的参数值大小；根据分别为v1、v2，v'为偏心误差算法补偿后的三维投影输入点坐标，在像素坐标系下，分别将拟合出亚像素点拟合椭圆方程的圆心v1、v2与二维图像平面上靶标圆心真实圆心投影v点带入直线方程确定出直线：L1:A1x+B1y+C1＝0,L2:A2x+B2y+C2＝0；其中，A1、B1、C1、A2、B2、C2分别表示内、外圆拟合椭圆圆心与圆心真实圆心投影点确定直线方程的系数；在标定过程中，相机成像平面与标志靶物存在位姿倾角时，点v1、v2与点v间的偏心误差在可行倾角范围内分别存在着二次非线性关系，记v点与以v1为中心建立v1x
p
y
p
二维像素坐标系，根据ε'、ε”的权重wt1、wt2确定θ1、θ2的角度比例进而确定补偿点所在直线斜率，j为i张图像中偏心误差的个数，联立点v坐标可得补偿直线L方程：...
【专利技术属性】
技术研发人员：张志峰，杨犇，张霖，刘媛媛，杨坤，杨鹏，翟玉生，耿利杰，张瑞亮，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：
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