CN104142127B - 一种铁路车轮直径动态测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铁路车辆包括货车、客车、动车、机车等在铁路上正常运行状态下，车轮直径的动态测量。所述装置包括：左右两个轮对直径尺寸测量箱（4）、（5）；左右两个钢轨位置标志条（3）、（6）；以及至少一个车轮传感器（1），所述车轮传感器（1）与数字摄像机（8）、（9）及线激光发生器（7）、（10）用电信号连接；所述车轮传感器（1）检测到车轮进入测量区域后,发送信号触发数字摄像机及线激光发生器工作，再根据拍摄的图片计算车辆的直径。本发明可以实现对对铁路车轮直径精确的动态测量。
Description
技术领域
本发明涉及铁路车辆包括货车、客车、动车、机车等在铁路上正常运行状态下，车轮直径的动态测量装置及方法。
背景技术
铁路车辆在运行过程中，发生轮轨之间磨耗，当车轮磨耗严重的情况下，会对列车安全形成影响。目前，国内外在铁路线路上或车辆入段口，安装有各类地面对车辆的动态检测系统。在这类系统中，车轮直径尺寸的动态测量作为被测量的一个项目，被广泛提出，也有许多已经实现和完成的技术方案。
其中，比较有代表性的是三点测量方案和车轮厚度间接测量方案。
车轮直径的三点测量方案是在车轮的中心和左右两侧各打三束平面激光，通过三台像机拍摄车轮通过时的图像，形成三束激光平面与车轮外轮廓相交形成的光截图图像，经过演算，得出三个车轮截面的滚动圆上的一个点的位置，然后三点确定车轮的滚动圆的直径。该方案的技术特点是激光方向全部指向车轮中心方向。但由于激光的角度是预先调整的固定角度，车轮的直径在之间变化，所以该测量方案会由于激光切面与圆心不同心，而产生测量误差。
车轮直径的轮辋厚度的间接测量方案是通过测量车轮的轮辋厚度，在此基础上，加上轮辋内侧边缘线构成的车轮的内圆值，就是车轮的直径。但由于车轮的内圆值不同厂家、不同批次、不同轮对型号有所差异，产生车轮直径的测量误差。
现有技术中，专利号为CN102901457的实用新型，描述了一种车轮直径的测量方案，与该方案相比至少需要10个像机和10个线激光器，8个检测箱，结构复杂，维护成本高。
该专利需要由图像测量计算出车轮中心，然后再计算车轮两侧的滚动园上的两个光截点，再由以上三点计算车轮直径。在三点计算过程中必然带入各点的测量误差，所以计算后的车轮直径至少包涵每 个测量点的测量误差。
发明内容
本发明的目的，是提供一种铁路车轮直径动态测量装置，以实现对铁路车轮直径精确的动态测量。
本发明的技术方案如下：
一种铁路车轮直径动态测量装置，所述装置包括：左右两个轮对直径尺寸测量箱(4)、(5)；左右两个钢轨位置标志条(3)、(6)；以及至少一个车轮传感器(1)，其特征在于：
所述的轮对直径尺寸测量箱(4)、(5)内至少分别包括两个数字摄像机(8)、(9)，和两个线激光发生器(7)、(10)；
其中，所述的数字摄像机(8)和线激光发生器(10)构成轮辋厚度测量组件；所述的数字摄像机(9)和线激光发生器(7)构成轮辋内侧圆直径测量组件；
所述车轮传感器(1)与数字摄像机(8)、(9)及线激光发生器(7)、(10)用电信号连接；所述车轮传感器(1)检测到车轮进入测量区域后,发送信号触发数字摄像机及线激光发生器工作。
进一步的，所述轮辋厚度测量组件的线激光发生器(10)产生的激光平面与钢轨方向垂直，激光中心线与轨平面成15～45的角度，数字摄像机(8)与水平面形成的夹角为a，a角的角度值为55～15度，与钢轨方向形成的夹角为c，c角的角度值为60～30度；所述的数字摄像机(8)的镜头和线激光发生器(10)的中心线的垂直距离k为40～140mm；数字摄像机(8)的镜头和钢轨内侧线的垂直距离h为80～170mm。
进一步的，所述轮辋内侧圆直径测量组件的线激光发生器(7)产生的激光平面与钢轨方向垂直，激光中心线与轨平面成20～60的角度，轮辋内侧圆直径测量组件的数字摄像机(9)与水平面形成的夹角为b，b角的角度值为65～25度，与钢轨方向形成的夹角为d，d角的角度值为0～30度；
所述的数字摄像机(9)的镜头和线激光发生器(7)的中心线的 垂直距离e为140～320mm；数字摄像机(9)的镜头和钢轨内侧线的垂直距离f为30～140mm。
进一步的，所述的轮辋厚度测量组件和轮辋内侧圆直径测量组件安装在同一个测量底板(12)上，两台数字摄像机(8)、(9)和两个线激光发生器(7)、(10)的位置关系为两个激光发生器产生的线激光光平面相互平行并垂直于钢轨，两个激光平面的相对垂直距离为m，m的值为360mm～250mm之间的一个固定数值。
进一步的，所述的车轮传感器(1)安装在钢轨外侧，其中心线与轮辋厚度测量组件的线激光发生器(10)产生的激光平面重合，传感器表面距轨平面的距离为0～15mm。
进一步的，所述测量底板底板(12)与测量箱(4)、(5)之间安装有减震装置(13)。
进一步的，所述的钢轨位置标志条(3)、(6)，分别安装在轮对直径尺寸测量箱(4)、(5)的顶面，距钢轨上平面的距离不小于30mm。
一种铁路车轮直径动态测量装置的测量方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
(1)当车轮中心线与车轮传感器(1)重合时，车轮传感器(1)发出拍摄信号，轮辋厚度数字摄像机(8)和轮辋内侧圆直径数字摄像机(9)同步拍摄图像，此时轮辋内侧面与线激光发生器(10)产生的激光平面的交线与车轮中心线重合；
(2)根据数字摄像机(8)安装的角度和相对于线激光发生器(10)的位置关系，数字摄像机(8)拍摄的图片，聚焦于轮辋内侧面与线激光发生器(10)产生的激光平面的交线BC；根据数字摄像机(9)安装的角度和相对于线激光发生器(7)的位置关系，数字摄像机(9)拍摄的图片，聚焦于轮辋内侧面与线激光发生器(7)产生的激光平面的交线，该交线通过A点，即轮辋内侧面与线激光发生器(7)产生的激光平面的交线与轮辋内侧圆的交点；
数字摄像机(8)拍摄的图片中还包含了线激光发生器(10)产生的激光平面与标志条(3)、(6)的交线的图像，标志条上激光线的最上部交点为F；
(3)根据两个摄像机拍摄的图片，进行图像处理，其主要步骤为：
①二值化处理：该步骤是将图像中像素点的灰度按阀值分为黑白两种，其目的是将高亮度的激光线图像与背景区别开来，这样处理后所有高亮度点就是激光平面上的点；在以后的运算中我们只考虑高亮度点，这样我们的运算就只限定在了激光平面上；
②在二值化图像中找到激光线的中线图像：在二值化图像中采用霍夫变换求出激光线的方程组，由于激光线具有一定的宽度，通过直线方程组的比较可以找到激光线外围轮廓和中线方程；
③找A、B、F点在像平面上的坐标：在数字摄像机(9)拍摄的图片中位于车轮外轮廓上的激光线中线的最高点为A点，在数字摄像机(8)拍摄的图片中的激光线中线的最高点为B点，在数字摄像机(8)拍摄的图片中位于下部的标志条上的激光线中线的最高点为F点；根据激光线中线直线方程表达式，通过最高点的查找，可以计算出A、B、F点在像平面上的坐标；
④根据标定公式计算A、B、F点在物平面上的坐标：根据标定公式可将A、B、F点在像平面上的坐标转换为A、B、F点在物平面上的坐标；
⑤根据A、B、F点在物平面上的坐标计算车轮直径。
本发明相对于现有技术的有益效果在于：
1、本发明采用简单的结构能够精确的测量车轮直径，所谓的简单主要表现在：本方案使用4个线激光传感器和4个数字摄像机即可完成车轮直径的测量，在专利CN102901457中，至少需要10个像机和10个线激光器；本方案使用两个卡轨安装的检测箱，而在专利CN102901457中，至少需要8个检测箱。
2、相对于专利CN10291457中，本发明提供的方案，首先已经由车轮传感器保证了车轮中心线的准确，同时线激光7和10平面之间的距离m为一个可标定和精确测量的固定值，由于参与车轮直径计算的车轮中心线和m值可提前准确的确定，能够影响测量精度的只是A、B、F三个点的测量误差。同时，由于A、B、F三个点位于轮对内侧圆的边缘和标志条的边缘，在光截图测量方面，边缘点的点位提 取十分方便、准确，使本方案测量精度极大的提高。
3、本方案的测量箱采用卡轨安装，安装简单方便。同时，由于与钢轨紧密联接，能够消除由于钢轨在车轮通过时上下振动带来的测量误差。同时将传感器和激光器固定在同一个底板上，可保证它们之间的位置关系不变，克服了多点多探测箱测量方法所带来的箱子之间安装位置移动带来的测量不准的问题。
附图说明
图1为系统安装位置示意图。
其中，1—车轮传感器，2—钢轨，3、6—钢轨位置标志条，4、5—轮对直径尺寸测量箱。
图2为轮对直径尺寸测量箱测量原理图及内部结构正视图。
其中，7—轮辋内侧圆直径测量线激光发生器，8—轮辋厚度测量数字摄像机，9—轮辋内侧圆直径测量数字摄像机，10—轮辋厚度测量线激光发生器，a—数字摄像机8与水平面形成的夹角，b—数字摄像机9与水平面形成的夹角，A—轮辋内侧面与线激光发生器7产生的激光平面的交线与轮辋内侧圆的交点，B—轮辋内侧面与线激光发生器10产生的激光平面的交线与轮辋内侧圆的交点，C—轮辋内侧面与线激光发生器10产生的激光平面的交线与钢轨平面的交点，O—车轮圆心，D—A点到OB线段的垂线与OB线段的交点，E—BO延长线与车轮内侧圆的交点。
图3为轮对直径尺寸测量箱部件位置关系及内部结构附视图。
其中，c—数字摄像机8与钢轨方向形成的夹角,d—数字摄像机9与钢轨方向形成的夹角,e—数字摄像机9的镜头和线激光发生器7的中心线的垂直距离,f—数字摄像机9的镜头和钢轨内侧线的垂直距离,h—数字摄像机8的镜头和线激光发生器10的中心线的垂直距离,k—数字摄像机8的镜头和钢轨内侧线的垂直距离,m—7和10两个激光发生器产生的线激光光平面间的垂直距离。
图4为轮对直径尺寸测量箱内部结构侧视图。
11—测量箱与钢轨安装卡具，12—测量底板，13—减震装置，14 —开门电机，15—保护门，F—钢轨位置标志条上平面与线激光发生器10产生的激光平面的交点，n—钢轨位置标志条上平面与钢轨水平面之间的距离。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步的阐述。
该测量装置是由安装于轨外侧的一个车轮传感器1和安装于轨内侧的测量箱4、5组成，该测量箱左右轨各布置一个，分别用于左右轮对直径的测量。同时，在测量箱顶部布置左右两个钢轨位置标志条3、6。
轮对直径尺寸测量箱4、5内安装两个数字摄像机8、9；和两个线激光发生器7、10。其中，数字摄像机8和线激光发生器10构成轮辋厚度测量组件。数字摄像机9和线激光发生器7构成轮辋内侧圆直径测量组件。
轮辋厚度测量组件之间、钢轨以及通过车车轮的相互位置关系参见图2、图3、图4。其中线激光发生器10产生的激光平面与钢轨方向垂直，激光中心线与轨平面成15～45的角度，数字摄像机8与水平面形成的夹角为a，a角的角度值为55～15度，与钢轨方向形成的夹角为c，c角的角度值为60～30度。数字摄像机8的镜头和线激光发生器10的中心线的垂直距离k为40～140mm；数字摄像机8的镜头和钢轨内侧线的垂直距离h为80～170mm。
轮辋内侧圆直径测量组件之间、钢轨以及通过车车轮的位置关系参见图2、图3、图4。其中线激光发生器7产生的激光平面与钢轨方向垂直，激光中心线与轨平面成20～60的角度，数字摄像机9与水平面形成的夹角为b，b角的角度值为65～25度，与钢轨方向形成的夹角为d，d角的角度值为0～30度。数字摄像机9的镜头和线激光发生器7的中心线的垂直距离e为140～320mm；数字摄像机9的镜头和钢轨内侧线的垂直距离f为30～140mm。
轮辋厚度测量组件和轮辋内侧圆直径测量组件必须安装在同一个测量底板12上，两台数字摄像机和两个线激光发生器安装后，其 相对位置尺寸和角度完全固定，其必须的位置关系为两个激光发生器产生的线激光光平面相互平行并垂直于钢轨，两个激光平面的相对垂直距离为m，m的值为360mm～250mm之间的一个固定数值。
车轮传感器1安装在钢轨外侧，其中心线与轮辋厚度测量组件的线激光发生器10产生的激光平面重合。传感器表面距轨平面的距离为0～15mm。
测量底板12以及两台摄像机8、9和线激光发生器7、10安装于一个机器盒4或5内，机器盒4或5与底板12之间需要有减震装置13，机器盒内还包括一套开关门机构，其中包括开门电机14和保护门15，机器盒通过卡具11与钢轨紧密连接。
钢轨位置标志条3、6，分别安装在轮对直径尺寸测量箱4、5的顶面，距钢轨上平面的距离不小于30mm。
该测量装置的工作原理如下：
当车轮中心通过车轮传感器时传感器发送一个车轮信号，由该信号控制产生摄像机外触发信号，同步控制测量系统所有数字摄像机拍摄车轮图像。
当车轮中心线与传感器重合时，传感器发出拍摄信号，轮辋厚度数字摄像机8和轮辋内侧圆直径数字摄像机9，依靠外触发同步拍摄图像，由于轮辋厚度线激光发生器10产生的激光平面与传感器中心重合，所以，数字摄像机8、9拍摄的车轮图片位置示意如图2所示，此时轮辋内侧面与线激光发生器10产生的激光平面的交线与车轮中心线重合。
根据数字摄像机8安装的角度和相对于线激光发生器10的位置关系，数字摄像机8拍摄的图片，聚焦于轮辋内侧面与线激光发生器10产生的激光平面的交线BC，根据数字摄像机9安装的角度和相对于线激光发生器7的位置关系，数字摄像机9拍摄的图片，聚焦于轮辋内侧面与线激光发生器7产生的激光平面的交线，该交线通过A点(轮辋内侧面与线激光发生器7产生的激光平面的交线与轮辋内侧圆的交点)。
数字摄像机8拍摄的图片中还包含了线激光发生器10产生的激光 平面与标志条3、6的交线的图像。标志条上激光线的最上部交点为F。
根据两个摄像机拍摄的图片，我们可以进行图像处理，该类图像的处理和图像运算步骤，为一般性公开技术，其主要步骤为：
①二值化处理：该步骤是将图像中像素点的灰度按阀值分为黑白两种，其目的是将高亮度的激光线图像与背景区别开来，这样处理后所有高亮度点就是激光平面上的点。在以后的运算中我们只考虑高亮度点，这样我们的运算就只限定在了激光平面上。
②在二值化图像中找到激光线的中线图像：在二值化图像中采用霍夫变换求出激光线的方程组，由于激光线具有一定的宽度，通过直线方程组的比较可以找到激光线外围轮廓和中线方程。
③找A、B、F点在像平面上的坐标：在数字摄像机9拍摄的图片中位于车轮外轮廓上的激光线中线的最高点为A点，在数字摄像机8拍摄的图片中的激光线中线的最高点为B点，在数字摄像机8拍摄的图片中位于下部的标志条上的激光线中线的最高点为F点。根据激光线中线直线方程表达式，通过最高点的查找，可以计算出A、B、F点在像平面上的坐标。
④根据标定公式计算A、B、F点在物平面上的坐标：根据标定公式可将A、B、F点在像平面上的坐标转换为A、B、F点在物平面上的坐标。
⑤根据A、B、F点在物平面上的坐标计算车轮直径：
按照设备安装技术要求，当车轮中心通过10号激光的平面时8、9号像机同步拍照，这样在图2中，10号激光在车轮外轮廓的投影BC线通过车轮圆心O,设BC的延长线与车轮外轮廓的内圆的上部相交与E点，D点设为BE线与A点到BE线的垂线的交点。(圆心O、E点、D点是为了计算方便，设定的虚拟点，只为了表达计算过程，并不是摄像机拍摄的必需点位。)
根据提前测量和标定，在设备安装后，通过钢轨平面与标志条上平面在10号激光的平面上的交线，可以确定图4中F点的空间物平面坐标。钢轨平面与标志条上平面，两个平面的距离n可以提前测量 出来，同时，AD为两个激光平面间的距离为m。当得出A、B、F点在物平面上的坐标后，可进行如下运算：
车轮半径:CO＝CB+BO (见图2)
轮辋厚度：CB＝BF-n (见图4)
在轮辋内侧圆上，图2中，BE为直径，
有：AD2＝BD×(2×BO－BD)
所以：BO＝(AD2+BD2)/(2×BD)
车轮直径:2×CO＝2×(CB+BO)
＝2×(BF-n)+2×(AD2+BD2)/(2×BD)
＝2×(BF-n)+BD+AD2/BD
＝2×(BF-n)+BD+m2/BD
按照以上公式，设备安装标定后，n和m为已知数据。当得出A、B、F点在物平面上的坐标后，可计算出BF和BD的数值，代入车轮直径公式即可计算出车轮直径。
图像标定方法：
图像标定方法为一般性公开技术，其主要的理论依据是光截图测量理论。该理论认为，当像机和激光器位置固定后，摄像机的像平面上的像素矩阵与激光平面上能够反映在像平面上的空间点矩阵之间存在维一的一一对应关系。将一个已知空间位置关系的物体，放置在像机拍摄范围，同时该物体能够反映出与激光平面的多个交点，该图像可作为标定用的图像。
我们采用的标定器是(是否需要画出标定器？)，一个与标志条和钢轨平面存在确切位置关系的多折线加工后的标定铁块，标定图像包含标志条F点，以及A、B、C点可能位置上的标定块上折线的转折点，该标定块在延钢轨长度方向的距离大于m值，高度大于FD线段值，标定时8、9号摄像机同步拍摄，这样，确保了8、9号摄像机标定图像与标定块上的折线的转折点之间的位置关系的一致性。
根据标定算法，通过输入标定块上每个标定取点间的已知空间位置坐标和它们在像平面上的对应坐标，即可得出摄像机的像平面上的像素矩阵转换为激光平面上能够反映在像平面上的空间点矩阵之间 的转换矩阵，该转换矩阵即为标定公式。
Claims (7)
1.一种基于铁路车轮直径动态测量装置的测量方法，所述装置包括：左右两个轮对直径尺寸测量箱(4、5)；左右两个钢轨位置标志条(3、6)；以及至少一个车轮传感器(1)，其特征在于：
所述的轮对直径尺寸测量箱(4、5)内至少分别包括第一、第二两个数字摄像机(8、9)，和第一、第二两个线激光发生器(7、10)；
其中，所述的第一数字摄像机(8)和第二线激光发生器(10)构成轮辋厚度测量组件；所述的第二数字摄像机(9)和第一线激光发生器(7)构成轮辋内侧圆直径测量组件；
所述车轮传感器(1)与第一、第二数字摄像机(8、9)及第一、第二线激光发生器(7、10)用电信号连接；所述车轮传感器(1)检测到车轮进入测量区域后,发送信号触发数字摄像机及线激光发生器工作；
所述方法步骤如下：
(1)当车轮中心线与车轮传感器(1)重合时，车轮传感器(1)发出拍摄信号，轮辋厚度第一数字摄像机(8)和轮辋内侧圆直径第二数字摄像机(9)同步拍摄图像，此时轮辋内侧面与第二线激光发生器(10)产生的激光平面的交线与车轮中心线重合；
(2)根据第一数字摄像机(8)安装的角度和相对于第二线激光发生器(10)的位置关系，第一数字摄像机(8)拍摄的图片，聚焦于轮辋内侧面与第二线激光发生器(10)产生的激光平面的交线BC；根据第二数字摄像机(9)安装的角度和相对于第一线激光发生器(7)的位置关系，第二数字摄像机(9)拍摄的图片，聚焦于轮辋内侧面与第一线激光发生器(7)产生的激光平面的交线，该交线通过A点，即轮辋内侧面与第一线激光发生器(7)产生的激光平面的交线与轮辋内侧圆的交点；
第一数字摄像机(8)拍摄的图片中还包含了第二线激光发生器(10)产生的激光平面与标志条(3、6)的交线的图像，标志条上激光线的最上部交点为F；
(3)根据两个摄像机拍摄的图片，进行图像处理，其主要步骤为：
①二值化处理：该步骤是将图像中像素点的灰度按阀值分为黑白两种，其目的是将高亮度的激光线图像与背景区别开来，这样处理后所有高亮度点就是激光平面上的点；在以后的运算中我们只考虑高亮度点，这样我们的运算就只限定在了激光平面上；
②在二值化图像中找到激光线的中线图像：在二值化图像中采用霍夫变换求出激光线的方程组，由于激光线具有一定的宽度，通过直线方程组的比较可以找到激光线外围轮廓和中线直线方程；
③找A、B、F点在像平面上的坐标：在第二数字摄像机(9)拍摄的图片中位于车轮外轮廓上的激光线中线的最高点为A点，在第一数字摄像机(8)拍摄的图片中的激光线中线的最高点为B点，在第一数字摄像机(8)拍摄的图片中位于下部的标志条上的激光线中线的最高点为F点；根据激光线中线直线方程表达式，通过最高点的查找，可以计算出A、B、F点在像平面上的坐标；
④根据标定公式计算A、B、F点在物平面上的坐标：根据标定公式可将A、B、F点在像平面上的坐标转换为A、B、F点在物平面上的坐标；
⑤根据A、B、F点在物平面上的坐标计算车轮直径。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述轮辋厚度测量组件的第二线激光发生器(10)产生的激光平面与钢轨方向垂直，激光中心线与轨平面成15～45的角度，第一数字摄像机(8)与水平面形成的夹角为a，a角的角度值为55～15度，与钢轨方向形成的夹角为c，c角的角度值为60～30度；所述的第一数字摄像机(8)的镜头和第二线激光发生器(10)的中心线的垂直距离k为40～140mm；第一数字摄像机(8)的镜头和钢轨内侧线的垂直距离h为80～170mm。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述轮辋内侧圆直径测量组件的第一线激光发生器(7)产生的激光平面与钢轨方向垂直，激光中心线与轨平面成20～60的角度，轮辋内侧圆直径测量组件的第二数字摄像机(9)与水平面形成的夹角为b，b角的角度值为65～25度，与钢轨方向形成的夹 角为d，d角的角度值为0～30度；
所述的第二数字摄像机(9)的镜头和第一线激光发生器(7)的中心线的垂直距离e为140～320mm；第二数字摄像机(9)的镜头和钢轨内侧线的垂直距离f为30～140mm。
4.据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：
所述的轮辋厚度测量组件和轮辋内侧圆直径测量组件安装在同一个测量底板(12)上，第一、第二两台数字摄像机(8、9)和第一、第二两个线激光发生器(7、10)的位置关系为两个激光发生器产生的线激光光平面相互平行并垂直于钢轨，两个激光平面的相对垂直距离为m，m的值为360mm～250mm之间的一个固定数值。
5.据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述的车轮传感器(1)安装在钢轨外侧，其中心线与轮辋厚度测量组件的第二线激光发生器(10)产生的激光平面重合，传感器表面距轨平面的距离为0～15mm。
6.据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：所述测量底板(12)与测量箱(4、5)之间安装有减震装置(13)。
7.据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述的钢轨位置标志条(3、6)，分别安装在轮对直径尺寸测量箱(4、5)的顶面，距钢轨上平面的距离不小于30mm。
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