一种列车车轮直径动态测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种列车车轮直径动态测量方法，包括：沿列车轨道对称布置线结构光视觉传感器，获取列车车轮和车轴断面轮廓光条图像；由车轮断面轮廓光条与轮辋内侧对应的直线段确定轮辋内侧面方程，由车轴断面轮廓光条确定车轴轴线方程，轴线与轮辋内侧面相交计算出轮缘顶点圆圆心的内侧面投影坐标；由轮缘顶点圆圆心和轮缘顶点在轮辋内侧面投影坐标计算轮缘顶点圆直径；由车轮断面内外侧局部轮廓光条恢复车轮完整的断面轮廓，计算轮缘高度；用轮缘顶点圆直径减去两倍的轮缘高度得到车轮直径。本发明专利技术同时公开了一种列车车轮直径动态测量系统，采用本发明专利技术方法及系统可对列车车轮直径进行非接触式的高精度动态测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及测量
，尤其涉及一种列车车轮直径动态测量方法及系统。
技术介绍
随着我国铁路运输向着高速、大密度、重载方向发展，列车车轮的踏面和轮缘的磨损日益严重，导致车轮直径发生变化，使车轮与钢轨之间的配合关系发生改变，不仅加剧了列车轮对结构部件的伤损，导致较高的铁路运输成本，而且直接影响铁路运输安全。为保证列车运行安全，铁道部门规定运行列车要定期对车轮状态进行检测，以决定车轮的段修和报废。车轮直径是列车车轮状态检测的重要参数，由于它的尺寸较大，不同型号车轮直径相差较大，难以用普通量具直接测量，是车轮众多几何参数中较难精确测量的参数。·目前，国内在列车车轮直径测量方面仍停留在静态测量阶段，静态测量分为人工手动测量和自动测量装置测量。长期以来，国内铁路部门对列车车轮直径的检测都是采用专用轮径尺进行人工手动测量，自动化程度和工作效率不高，并且受人为因素影响很大，不能满足当前铁路运行的要求。对于自动测量装置，如公告号为CN2463262Y、CN2863584Y、CN2511564Y等专利文件中公布的测量装置，多采用接触机械式或非接触视觉的方法测量车轮直径，但这些装置一般需要使用复杂的机械结构将车轮支起并控制车轮旋转，因此这类装置只能安装在检修厂内，需要将车轮从列车上卸下运至测量场地，大大增加了劳动量，而且占用机车周转时间，无法及时了解车轮在运行中的质量状况。为及时了解列车在运行中车轮直径的情况，国内外学者和研究机构对车轮直径动态测量的方法进行了研究。公告号为CN101219672B的专利技术专利公布的“基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法”，采用两个激光位移传感器直接照射车轮踏面滚动圆，通过传感器安装位置的几何关系测量车轮直径。该装置需要激光位移传感器准确照射在车轮踏面滚动圆上，所以，要严格保证传感器安装在正确的位置上，对现场安装提出了较高要求，难以达到理想精度。公告号为CN100396529C的专利技术专利公布的“列车轮对尺寸在线检测方法及装置”，在每根钢轨的两侧对称设置两对间隔距离一定的激光位移探测器，采用弓高弦长的方法测量列车车轮直径。该装置需要准确保证激光位移探测器之间的距离和距轨面的高度，而且需要准确测量车速，现场难以精确实现。在专利号为CN100449259C、US5936737、US5247338、US4932784等的专利文件中提出了采用结构光和电荷耦合元件(Charge-coupled Device, (XD)动态测量列车车轮直径的方法，但这些方法都存在的共同问题是I)需要通过精密的机械结构保证各传感器之间的几何关系，一方面增加了机械加工成本，另一方面对现场安装提出了较高要求；2)采用直接测量踏面滚动圆直径的方法，定位测量点非常困难；3)采用对小圆弧内多个踏面基点进行圆拟合的方法测量直径，其特征点的提取对测量精度影响非常大，难以保证测量精度；4)测量的动态性不高，一般只能测量车速为10_30km/h的列车车轮直径。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种列车车轮直径动态测量方法及系统，能够在机械加工成本较低、对现场安装要求较低的条件下，保障测量精度，在列车快速通过测量区域时准确测量列车车轮直径。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的一种列车车轮直径动态测量方法，该方法包括在列车钢轨两侧，沿轨道对称布置线结构光视觉传感器，构成车轮观测传感器和·根据车轮断面轮廓光条上与轮辋内侧对应的直线段确定轮辋内侧面方程，根据车轴断面轮廓光条确定车轴轴线方程，轴线与轮辋内侧面相交计算出车轮轮缘顶点圆圆心在轮辋内侧面投影坐标；根据车轮断面轮廓光条确定车轮轮缘顶点在轮辋内侧面投影坐标，结合车轮轮缘顶点圆圆心坐标，计算车轮轮缘顶点圆直径；由车轮断面内外侧局部轮廓光条恢复车轮完整的断面轮廓，计算车轮轮缘高度；用车轮轮缘顶点圆直径减去两倍的轮缘高度得到车轮直径。所述车轮观测传感器中，对于钢轨的每一侧，由一对以上车轮观测传感器沿钢轨对称布置构成车轮踏面观测传感器，分别从车轮内侧和外侧获取车轮同一断面的局部断面轮廓光条图像，另外的车轮观测传感器分布在钢轨内侧，获取车轮其它断面轮廓光条图像；所述车轴观测传感器，沿轨道枕木分布在两根枕木之间，获取车轴断面轮廓光条图像。所述根据车轮断面轮廓光条上与轮辋内侧对应的直线段确定轮辋内侧面方程之前，进一步包括对测量系统进行标定，并计算各轮廓光条在各线结构光视觉传感器对应光平面坐标系下的坐标。所述对测量系统进行标定，包括各线结构光视觉传感器的CCD摄像机内部参数的标定，各线结构光视觉传感器结构参数的标定，各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量的标定。所述计算各轮廓光条在各线结构光视觉传感器对应光平面坐标系下的坐标，包括提取各轮廓光条中心图像坐标；根据线结构光视觉传感器数学模型和各线结构光视觉传感器的CCD摄像机内部参数和结构参数，计算各轮廓光条点在对应CCD摄像机坐标系下的坐标；在各线结构光视觉传感器的激光平面建立光平面坐标系，确定各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；将各轮廓光条在对应CXD摄像机坐标系下的坐标转换到对应光平面坐标系下，确定各轮廓光条在对应光平面坐标系下坐标。所述计算轮缘顶点圆圆心在轮辋内侧面投影坐标，包括根据车轮观测传感器从钢轨内侧获取的车轮断面轮廓光条在对应光平面坐标系下的坐标，搜索车轮断面轮廓光条上与轮辋内侧对应的直线段光条点，确定各轮廓轮辋内侧直线段光条点在对应光平面坐标系下的坐标；根据各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量的逆变换和各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量，将各轮廓轮辋内侧直线段光条点坐标统一到全局坐标系下，进行平面拟合得到轮辋内侧面在全局坐标系下的方程；根据车轴观测传感器获取的车轴断面轮廓光条在对应光平面坐标系下的坐标，对车轴断面轮廓分别进行圆拟合，得到车轴断面轮廓中心在光平面坐标系下的坐标； 根据各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量的逆变换和各CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量，计算车轴断面轮廓中心在全局坐标系下的坐标；对车轴断面轮廓中心坐标进行解析计算或直线拟合得到车轴轴线在全局坐标系下的方程，根据轮辋内侧面方程和车轴轴线方程，计算车轴轴线与轮辋内侧面交点在全局坐标系下坐标。所述计算车轮轮缘顶点圆直径，包括沿车轮断面轮廓光条上与轮辋内侧面对应的直线段指向轮缘顶点的方向，搜索车轮断面轮廓光条上距直线端点最远的点，得到各轮廓轮缘顶点在对应光平面坐标系下的坐标；根据各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量的逆变换和各CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量，确定各轮廓的轮缘顶点在全局坐标系下坐标；根据车轮轮辋内侧面在全局坐标系下的方程，计算轮缘顶点在车轮轮辋内侧面的投影坐标；由轮缘顶点坐标和顶点圆圆心坐标确定车轮轮缘顶点圆直径。所述计算车轮轮缘高度，包括根据车轮踏面观测传感器从车轮内、外两侧获取的车轮同一断面在对应光平面坐标系下的轮廓光条坐标，提取车轮断面轮廓光条本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种列车车轮直径动态测量方法，其特征在于，该方法包括：在列车钢轨两侧，沿轨道对称布置线结构光视觉传感器，构成车轮观测传感器和车轴观测传感器，分别获取车轮断面轮廓光条图像和车轴断面轮廓光条图像；根据车轮断面轮廓光条上与轮辋内侧对应的直线段确定轮辋内侧面方程，根据车轴断面轮廓光条确定车轴轴线方程，轴线与轮辋内侧面相交计算出车轮轮缘顶点圆圆心在轮辋内侧面投影坐标；根据车轮断面轮廓光条确定车轮轮缘顶点在轮辋内侧面投影坐标，结合车轮轮缘顶点圆圆心坐标，计算车轮轮缘顶点圆直径；由车轮断面内外侧局部轮廓光条恢复车轮完整的断面轮廓，计算车轮轮缘高度；用车轮轮缘顶点圆直径减去两倍的轮缘高度得到车轮直径。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张广军，孙军华，刘冲，陈勖，宫政，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：