CN100449259C - 车辆轮对直径在线检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道交通中车辆轮对直径的在线检测方法及检测装置。本发明的检测方法是利用结构光光源在轮对踏面上的投影信息和位移传感器检测到的基点位置的信息来检测车轮平均直径参数和左右车轮轮径差参数，该方法包括以下步骤：速度检测、启动光源、启动内侧面检测和图像采集、采集到图像的处理、拟合滚动圆、直径参数计算。本发明在整个检测过程中检测装置与轮对没有接触，检测装置不会产生磨损现象，检测装置易于维护；检测装置能够实时在线采集、处理分析。

Description

车辆轮对直径在线检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种检测方法及检测装置，特别是轨道交通中车辆轮对直径的在线检测方法及检测装置，具体涉及用结构光光源照射低速运行中的车辆轮对踏面，获取图像数据，并实时分析图像数据从而得到车辆轮对直径参数的检测方法及检测装置。

背景技术

车辆轮对作为重要的走行部件，在行驶过程中磨损现象十分常见，因此，及时掌握车轮的磨损状况，对于保障车辆运行的安全性具有重要意义。车辆轮对的磨损参数包括几何参数和表面缺陷参数，其中轮对直径参数是几何参数中的一项重要参数。目前轮对直径参数的检测方法和技术主要有运行状态下的动态在线检测、段修状态下的在线检测以及段修状态下的人工检测三类。

运行状态下的在线检测是指机车车辆在铁轨上运行时进行的检测，由于具有测量自动化程度高、不占用机车车辆周转时间和便于存储车轮信息资料等特点，日益受到世界各国的重视，可分为随车测量形式和地面测量形式。随车测量型就是在机车车辆上安装轮对参数的测量系统，地面测量型就是在轨道线路的固定位置安装轮对参数的测量装置。如俄罗斯联邦铁路局于90年代中期研制成功了轮对参数自动化检测装置，采用超声遥测的非接触测量方法，可得到轮对直径等参数。

段修状态下的在线检测是指在段修车间进行的检测，轮对需要从车辆中分离出来。目前已有多种这种状态下的在线检测方法和技术。

段修状态下的人工检测是指在段修车间由人工借助专用测量器具如轮径尺、第四种测量仪等进行的检测，轮对也需要从车辆中分离出来。

目前，我国铁路车辆轮对参数的检测大多数还停留在段修状态下的人工检测阶段，工人劳动条件差、劳动强度大、劳动效率低，难以避免测量者的人为因素，影响了精度和可靠性。也有少量维修部门采用段修状态下的在线检测方法和技术，一定程度上克服了人工检测的缺点，但轮对必须从车辆中分离出来才能进行检测。随着我国铁路不断提速以及重载列车的增加，轮对的磨损也不断加快，对轮对的检测和维修提出了更高的要求。因此研制运行状态下的轮对直径参数在线检测方法和装置，已成为我国轨道交通发展中迫切需要解决的难题。运行状态下的轮对直径在线检测是我国数字化铁路的一个发展方向。对于车辆检修部门来讲，数字化的实现对从目前预防维修到将来状态修的过渡有着积极的意义。由于目前缺少较准确、快速和经济的轮对直径自动检测手段，所以难以做到长期追踪记录列车轮对直径参数。如果每次检查都能得到测量数据，则根据数据的积累和趋势分析，就可以容易地对每条轮对进行直径磨损的预测，从而有针对性地开展预防性维修，大大减少维修成本。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种车辆轮对直径在线检测的方法并提供相应的检测装置。

本发明的检测方法是利用结构光光源在轮对踏面上的投影信息和位移传感器检测到的基点位置的信息来检测车轮平均直径参数和左右车轮轮径差参数，该方法包括以下步骤：速度检测、启动光源、启动内侧面检测和图像采集、采集到图像的处理、拟合滚动圆、直径参数计算。具体内容是：

(1)速度检测。当车辆运行到检测区间时，检测车辆运行速度，当速度V在设定范围(0＜V＜10千米/小时)时启动检测单元。

(2)启动光源。当速度V在设定范围时，启动光源，由两条平行于滚动圆所在平面的光线组成的结构光照射到车辆轮对的踏面上，在踏面上形成投影图像。

(3)启动内侧面检测和图像采集。当车辆运行到设定位置时，触发位置传感器产生触发信号，实时检测此触发信号，并控制位于轨道内侧的位移传感器测量轮对内侧面的位置，得到基点与位移传感器之间的实际距离H。触发信号同时控制图像传感器实时采集轮对踏面投影图像f(x，y)。

(4)采集到图像的处理。对采集到的投影图像f(x，y)依次进行以下步骤的处理：①几何校正。采用透视投影坐标系OXYZ，在已知投影图像f(x，y)、焦距f的情况下，根据透视图像空间坐标转换关系，推导出坐标系OXYZ中物面上的点P(x，y，z)的空间坐标，借助灰度插值运算将其转换为校正后的图像f₁(x，y)；②邻域均值滤波。对图像f₁(x，y)中每个像素点坐标(x，y)，取其邻域D，以邻域像素的均值作为处理后像素点(x，y)处的灰度值，处理后得到图像f₂(x，y)；③阈值分割。对图像f₂(x，y)的不同区域，选取适当的灰度阈值T(x，y)，以T(x，y)为界限将图像分成踏面背景和投影光线两部分，得到图像f₃(x，y)；④图像细化。对图像f₃(x，y)采用细化算法得到1个像素宽的投影光线，结果为图像f₄(x，y)；⑤边缘跟踪。对图像f₄(x，y)中投影光线的每个像素进行邻域分析，依据预定的准则将相似的断裂点连接起来，得到图像f₅(x，y)；⑥曲线拟合。用最小二乘法求图像f₅(x，y)中的投影光线的拟合多项式，得到平滑连续曲线的图像f₆(x，y)。

(5)拟合滚动圆。根据图像f₆(x，y)求出两条投影光线与内侧面位移传感器之间的距离H_l、H_r，结合滚动圆与内侧面位移传感器之间的距离H，按照比例关系确定各基点在图像中的位置，进行拟合处理得到图像f₇(x，y)。

(6)直径参数计算。利用图像f₇(x，y)，计算滚动圆弧线上一系列位置的直径R₁，R₂，R₃，...R_n，10＜n＜500，剔除n个直径数值中的p个极大值和q个极小值(p＝n×m％，q＝n×m％，10＜m＜30)，对剩余(n-p-q)个直径求均值即得到车轮平均直径参数 $R=\frac{\underset{i=1}{\overset{n-p-q}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i}{n-p-q}.$ 计算左右车轮平均直径参数R_L和R_R，则左右车轮轮径差参数为D＝|R_L-R_R|。

该轮对直径参数检测方法所使用的检测装置是将完成轮对左右车轮直径检测的装置分别固定安装在轨道两侧，且对称安装。

该检测装置是沿一段平直的轨道的外侧靠近其中的一条轨道的位置依次排列两个测速位置传感器，用于检测车辆轮对的速度，两者之间的间距小于一个车轮的周长。两个测速位置传感器的输出连接到信号处理装置中，将传感器的输出信号转变成计算机可以识别的数字信号。在测速位置传感器前方与轨道位置相配合设置两套单元检测装置，并沿另外一条轨道的对称位置依次设置两套单元检测装置。每套单元检测装置包括触发位置传感器、面阵摄像机、结构光光源和位移传感器。触发位置传感器靠近轨道设置，用于触发启动内侧面的测量和图像的采集。结构光光源与轨道平行设置，产生的激光束照射到从检测装置通过的轮对的踏面上。位移传感器安装在靠近轨道内侧的位置，轮对通过时触发启动，完成对轮对内侧面的检测。摄像机对应轨道倾斜设置，轮对通过时触发启动，完成轮对踏面图像的采集。每台摄像机输出的图像通过图像采集装置输入到数字信号处理器(DSP)和计算机中进行分析处理，位移传感器得到的内侧面位置信息也通过数据采集装置输入到计算机中，计算机经过处理得到依次通过的每条轮对的直径参数信息。

本发明通过结构光光源在线实时采集和处理有结构光条纹的踏面图像，获取轮对直径的变化情况，同时使用激光位移传感器检测内侧面以确定滚动圆具体位置，采用多种数字图像处理技术对采集到的图像进行分析处理，最终计算出轮对直径参数。在整个检测过程中检测装置与轮对没有接触，检测装置不会产生磨损现象，检测装置易于维护；检测装置能够实时在线采集、处理分析。

附图说明

图1：检测装置总体构成示意图；

图2：速度检测原理示意图；

图3：光源、CCD及位移传感器的位置示意图；

图4：结构光光源照射踏面示意图。

具体实施方式

铁路车辆轮对是由两个相同的车轮和一根车轴组成的整体。其中车轮滚压在钢轨上的接触部分称为踏面，车轮踏面内侧有一沿圆周突起的凸缘称为轮缘，距轮缘内侧面70mm距离的踏面上的点称为基点，滚动圆是由踏面上基点所组成的圆，车轮平均直径参数即为滚动圆的平均直径，左右车轮轮径差参数是轮对中左右车轮的平均直径参数之差。

图1为检测装置总体构成示意图，以图中左侧第一套单元检测装置6为例进行说明。沿轨道的一侧靠近轨道的位置依次排列两个测速位置传感器1和2。触发位置传感器10、结构光光源11、面阵摄像机13和位移传感器12组成一套单元检测装置，分布在靠近平直轨道4的位置。单元检测装置8分布在靠近平直轨道5的位置。单元检测装置6和8以及7和9在轨道两侧呈对称式排列，分别用于轮对中左、右车轮的直径检测。结构光光源11产生激光束照射到轮对的踏面上。位移传感器12在轮对经过时检测内侧面具体位置。面阵摄像机13在轮对经过时采集图像。内侧面的测量和图像的采集时序根据前端测速位置传感器1和2监控的列车速度，由触发位置传感器10的触发信号控制测量和采集的开始时刻。图像的采集和处理通过计算机控制DSP实时完成，最终得到依次通过的每条轮对的踏面缺陷信息。

具体检测方法：

1、速度检测

图1中，轮对3以小于10千米/小时的速度经过检测区间，检测区间是一段平直直线轨道。轮对首先依次经过测速位置传感器1和2，测速位置传感器可以在轮对到达对应位置时发出触发信号，触发信号经过信号处理装置后连接到计算机。如图2所示，利用同一轮对经过测速位置传感器1和2的时间差Δt和测速位置传感器1和2之间的固定距离S，得到列车经过测速位置传感器2时刻的速度值：

$v=\frac{S}{\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

由此可以得到依次经过的n个轮对的速度值，组成一个速度值序列v₁，v₂，v₃，......v_n。通过速度值序列，可以计算出t_x时刻列车的速度，进而求出其前进方向的位置X。只有检测到速度在设定范围(0＜v＜10千米/小时)时才启动后续检测单元，否则车辆仅通过检测区间而不检测。车辆轮对的测速已有多种成熟的技术可以实现。

2、启动光源

当速度在设定范围时光源启动。光源启动后，由一系列有规则排列的光线组成的结构光照射到车辆轮对的踏面上，结构光在踏面上的投影通过面阵摄像机成像，形成踏面的投影图像。如图3所示，结构光光源11由两条线激光束18平行排列构成，光束平行于滚动圆平面照射在轮对踏面17上，光源照射的区域对应图像传感器的拍摄范围。光源的安装位置使得滚动圆14总是位于结构光光源的两条线激光束在踏面上的两条投影光线15和16之间。

3、启动内侧面检测和图像采集

触发位置传感器10在轮对到达对应位置时发出触发信号，触发信号经过信号处理装置后连接到DSP(数字信号处理器)和计算机，触发内侧面检测和图像采集的启动。

如图3所示，在轮对到达指定位置时，激光位移传感器12基于三角测量原理对车轮内侧面进行测量，得到内侧面与激光位移传感器12之间的实际距离H₁。则基点与激光位移传感器之间的实际距离H为：

H＝H₁+70mm               (2)

图像采集的区域对应光源照射的一段范围，采集到的图像为踏面投影光线15和16在图像传感器平面上的投影图像f(x，y)。通过在CCD图像传感器的镜头前加装窄带光学滤光片，且滤光片的中心波长与结构光光源的中心波长相同，降低背景光对采集图像的影响。

4、采集到图像的处理

对采集到的图像f(x，y)依次进行以下步骤的处理：

①几何校正

由于图像传感器的光轴与滚动圆平面不垂直，采集到的投影图像f(x，y)产生几何失真，对失真图像f(x，y)进行校正以便于后续处理。在已知投影图像f(x，y)、焦距f的情况下通过透视投影变换关系可将采集到的图像进行还原，转换为垂直于滚动圆平面角度的图像f₁(x，y)。即：

通过透视投影建立了图像f(x，y)和图像f₁(x，y)的变换关系，但是由于图像f₁(x，y)坐标(x′，y′)被映射到图像f(x，y)的坐标(x，y)，而(x，y)不一定是整数。使用灰度插值算法，求得(x′，y′)在图像f(x，y)的坐标(x，y)中对应点的灰度值。

②邻域均值滤波

几何校正后的图像f₁(x，y)，对于其中的每个像素点(m，n)，取其邻域D。设D内含有M个像素，取其平均值作为处理后所得图像f₂(x，y)的像素点(m，n)处的灰度值。邻域D的形状和大小根据实际需要选取。设D为3*3邻域，点(m，n)位于D的中心，则有：

$f_2(m,n)=\frac{1}{9}\underset{-1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{-1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}f(m+i,n+j)---\left(4\right)$

经过邻域均值滤波处理，减小了图像噪声，得到图像f₂(x，y)。

③阈值分割

为区分轮对踏面背景与投影光线，要对均值滤波后的图像f₂(x，y)进行阈值分割，将踏面背景与投影光线分离。采用自适应阈值法，根据踏面背景和投影光线的像素灰度分布函数，对不同区域利用数理统计方法选取不同灰度阈值T(x，y)进行分割，将图像分成两部分，保证错误分类的可能性最低。分割之后的图像为：

$f_3(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}1& f_2(x,y)>T(x,y)\\ 0& f_2(x,y)\≤T(x,y)\end{array}\right.---\left(5\right)$

④图像细化

经过分割之后的图像f₃(x，y)中投影光线可能超过一个像素的宽度，因此要进行图像细化，消除曲线上不影响连通性的轮廓像素，对图像中宽度大于一个像素的线条提取骨架，细化成一个像素的宽度。使用细化算法将符合条件的像素去掉，最后得到一个像素宽的投影光线的图像f₄(x，y)。

⑤边缘跟踪

经过细化处理后的图像f₄(x，y)可能存在断裂现象，需要进行边缘连接，填充断裂部位。采用阈值跟踪法对图像f₄(x，y)中的投影光线的每个像素进行邻域分析，选取邻点中特征相似的断裂点加以连接，得到图像f₅(x，y)。

⑥曲线拟合

经过边缘连接处理后的图像f₅(x，y)并非是平滑曲线，对f₅(x，y)进行曲线拟合处理。

用最小二乘法求给定图像f₅(x，y)的拟合多项式。在平面图像f₅(x，y)的坐标中，设变量x与y之间的位置关系函数可表达为多项式f(x，A)，其中A＝α₀，α₁，...，α_n是一些待定参数，使用最小二乘法求参数A使得拟合模型与实际观测值在各点的方差和最小，代入多项式f(x，A)中，即可得到拟合曲线f₆(x，y)。

使用以上六步图像处理方法，对采集到的图像f(x，y)进行处理，最终得到平滑曲线图像f₆(x，y)，便于进一步进行处理。

(5)拟合滚动圆

如图4所示，根据图像f₆(x，y)，设两条投影光线15和16的函数分别为f_r(x)和f_l(x)，与位移传感器的实际距离分别为H_l、H_r。基点函数f(x)与两侧投影光线的距离成比例关系，设比例关系为α，根据步骤(3)检测到的滚动圆与内侧面位移传感器之间的距离H，则f(x)可以表示为：

f(x)＝f_r(x)+α[f_l(x)-f_r(x)]    (6)

通过公式(6)拟合图像f₆(x，y)，得到图像f₇(x，y)。图4中虚线14即为拟合得到的滚动圆。

(6)直径参数计算

①在拟合得到图像f₇(x，y)后，进行车轮平均直径参数的计算。利用滚动圆上任意三点坐标结合图像的放大率可以求得一系列不同位置的直径R₁，R₂，R₃，...R_n，剔除n个直径数值中的p(n×20％)个极大值和q(n×20％)个极小值，对剩余(n-p-q)个直径求均值，得到车轮平均直径参数：

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{n-p-q}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i}{n-p-q}---\left(7\right)$

②轮对由两个车轮组成，因此可以求得两个直径R_L和R_R，相应的左右车轮轮径差参数为：

D＝|R_L-R_R|    (8)

Claims (2)

1、车辆轮对直径在线检测方法，其特征在于该检测方法是利用结构光光源在轮对踏面上的投影信息和位移传感器检测到的基点位置的信息来检测车轮平均直径参数和左右车轮轮径差参数，该方法包括以下步骤：

(1)当车辆运行到检测区间时，检测车辆运行速度，当速度V在0～10千米/小时时启动检测单元；

(2)当速度V在0～10千米/小时时启动光源，由两条平行于滚动圆所在平面的光线组成的结构光照射到车辆轮对的踏面上，在踏面上形成投影图像；

(3)当车辆运行到设定位置时，触发位置传感器产生触发信号，实时检测此触发信号，并控制位于轨道内侧的位移传感器测量轮对内侧面的位置，得到基点与位移传感器之间的实际距离H，触发信号同时控制图像传感器实时采集轮对踏面投影图像f(x，y)；

(4)对采集到的投影图像f(x，y)依次进行以下步骤的处理：

①几何校正，采用透视投影坐标系OXYZ，在已知投影图像f(x，y)、焦距f的情况下，根据透视图像空间坐标转换关系，推导出坐标系OXYZ中物面上的点P(x，y，z)的空间坐标，借助灰度插值运算将其转换为校正后的图像f₁(x，y)；

②邻域均值滤波，对图像f₁(x，y)中每个像素点坐标(x，y)，取其邻域D，以邻域像素的均值作为处理后像素点(x，y)处的灰度值，处理后得到图像f₂(x，y)；

③阈值分割，对图像f₂(x，y)的不同区域，选取灰度阈值T(x，y)，以T(x，y)为界限将图像分成踏面背景和投影光线两部分，得到图像f₃(x，y)；

④图像细化，对图像f₃(x，y)采用细化算法得到1个像素宽的投影光线，结果为图像f₄(x，y)；

⑤边缘跟踪，对图像f₄(x，y)中投影光线的每个像素进行邻域分析，依据预定的准则将相似的断裂点连接起来，得到图像f₅(x，y)；

⑥曲线拟合，用最小二乘法求图像f₅(x，y)中的投影光线的拟合多项式，得到平滑连续曲线的图像f₆(x，y)；

(5)根据图像f₆(x，y)求出两条投影光线与内侧面位移传感器之间的距离H_l、H_r，结合滚动圆与内侧面位移传感器之间的距离H，按照比例关系确定各基点在图像中的位置，进行拟合处理得到图像f₇(x，y)；

(6)利用图像f₇(x，y)，计算滚动圆弧线上一系列位置的直径R₁，R₂，R₃，...R_n，10＜n＜500，剔除n个直径数值中的p个极大值和q个极小值，p＝n×m％，q＝n×m％，10＜m＜30，对剩余n-p-q个直径求均值即得到车轮平均直径参数R，计算左右车轮平均直径参数R_L和R_R，则左右车轮轮径差参数为D＝|R_L-R_R|。

2、采用如权利要求1所述检测方法使用的检测装置，其特征在于该检测装置是沿一段平直的轨道的外侧靠近其中的一条轨道的位置依次排列两个用于检测车辆轮对速度的测速位置传感器，两者之间的间距小于一个车轮的周长，两个测速位置传感器的输出连接到信号处理装置中；在测速位置传感器前方与轨道位置相配合设置两套单元检测装置，并沿另外一条轨道的对称位置依次设置两套单元检测装置；每套单元检测装置包括触发位置传感器、面阵摄像机、结构光光源和位移传感器；触发位置传感器靠近轨道设置，结构光光源与轨道平行设置，位移传感器安装在靠近轨道内侧的位置，摄像机对应轨道倾斜设置。

Images