CN104501719A - 一种确定列车轮对轴线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种确定列车轮对轴线的方法，属于铁路列车运行故障检测领域，具体步骤如下：步骤一、将线结构光测量单元放置在铁轨外侧；步骤二、线激光器打出激光到轮对轮辋侧面，面阵相机采集轮对轮辋侧面图像；步骤三、从轮对轮辋侧面图像提取打到轮对轮辋侧面上的激光线段；步骤四、从激光线段提取在轮对同一圆周上的激光点。步骤五、通过线结构光测量单元获取激光线上步骤四中提取的激光点的三维坐标；步骤六、利用激光点坐标拟合轮辋侧面所在的空间平面方程；步骤七、根据激光点的坐标值确定轮对同一圆周的圆心坐标和半径；步骤八、利用空间平面方程和圆心坐标计算轮对轴线方程。通过采用线结构光测量单元技术计算轮对轴线具有很高的精度。

Description

一种确定列车轮对轴线的方法

技术领域

本发明属于铁路列车运行故障检测领域，具体涉及一种确定列车轮对轴线的方法。

背景技术

轮对是指：机车车辆上与钢轨相接触的部分，由左右两个车轮牢固地压装在同一根车轴上所组成。轮对的作用是保证机车车辆在钢轨上的运行和转向，承受来自机车车辆的全部静、动载荷，把它传递给钢轨，并将因线路不平顺产生的载荷传递给机车车辆各零部件。此外，机车车辆的驱动和制动也是通过轮对起作用的。

车轮上与钢轨相接触的部分，即车轮的外圈，在整体轮上称为轮辋，在轮箍轮上称轮箍。轮辋或轮箍上与钢轨相接触的表面称为踏面，踏面一侧凸起的部分称为轮缘。轮缘位于钢轨的内侧，可防止轮对滚动脱轨，并起导向作用。车轮上与车轴相结合的部分称为轮毂。轮毂与轮辋用轮辐连接。轮辐可以是连续的圆盘，称为辐板；也可以是若干沿半径方向布置的柱体，称为辐条。

随着我国铁路事业的迅猛发展，采用自动检测系统进行列车检修的应用越来越广泛，轮对尺寸检测系统是自动检测系统的一种，进行轮对尺寸检测的测量基准是轮对轴线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种确定列车轮对轴线的方法，该方法用于轮对尺寸检测的相关系统。一种确定列车轮对轴线的方法，具体步骤如下：

步骤一、将线结构光测量单元放置在铁轨外侧；

所述的线结构光测量单元包括一部面阵相机和两台线激光器组成；垂直于轨道外侧放置，与轮对的车轮中心间距0.5米至2米的范围内，两台线激光器对称放置在面阵相机前方。

步骤二、线激光器打出激光到轮对轮辋侧面，面阵相机采集轮对轮辋侧面图像；

两台线激光器构成线激光光源模块，打出两条30度夹角的激光。激光打在轮对轮辋侧面上获得两条相交的激光线；面阵相机采集轮对轮辋侧面图像。

步骤三、从轮对轮辋侧面图像提取打到轮对轮辋侧面上的激光线段。

两条相交的激光线与轮对轮辋侧面相交有共面的激光线段，通过计算机图像处理技术提取图像上的激光线段。

步骤四、从激光线段提取在轮对同一圆周上的激光点。

激光线段的末端与轮对轮辋侧面的内径和外径上均交有激光点，提取至少3个激光点组成一个与车轮圆周共轴线的圆。

步骤五、通过线结构光测量单元获取激光线上步骤四中提取的激光点的三维坐标；

任取步骤四中共圆的激光点，结合标定面阵相机参数和线激光器的参数，得到激光点的像素坐标值。公式如下

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}\tilde{P}=A\left[\mathrm{Rt}\right]P_w\\ {\mathrm{ax}}_w+{\mathrm{by}}_w+{\mathrm{cz}}_w=1\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中ρ为比例系数，为图像坐标系下的齐次坐标，即轮对轮辋侧面图像上平面的二维坐标；A为面阵相机内参矩阵，P_w＝(x_w,y_w,z_w,1)^T为全局坐标系下的齐次坐标，即空间的三维坐标。a，b，c分别表示线激光器的激光平面方程的系数，R,t为全局坐标系到面阵相机坐标系的旋转矩阵与平移矢量，通过方程(1)得到激光点的三维坐标值；

步骤六、利用激光点坐标拟合轮辋侧面所在的空间平面方程；

利用激光点的三维坐标值，带入以下公式，拟合出轮对轮辋侧面所在的空间平面方程；

ax+by+cz＝1                    (2)

其中，a，b，c分别表示线激光器的激光平面方程的系数。

步骤七、根据激光点的坐标值确定轮对同一圆周的圆心坐标和半径；

利用步骤六中的平面方程，将三维坐标点投影到空间平面上，通过拟合圆方程，确定圆心坐标；

(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²＝r²             (3)

其中(x₀,y₀,z₀)为圆的圆心坐标，r为圆的半径。

步骤八、利用空间平面方程和圆心坐标计算轮对轴线方程。

利用步骤六的空间平面方程中的参数值和步骤七的圆心坐标值，确定通过圆心，垂直于空间平面方程的轮对轴线方程，即：

$\frac{{x-x}_0}{a}=\frac{{y-y}_0}{b}=\frac{{z-z}_0}{c}---\left(4\right)$

利用该轮对轴线得到轮对与轨道的倾斜角进而修正轮对。

本发明的优点有：

(1)本发明一种确定列车轮对轴线的方法，进一步开发，用于在线或离线测量轮对内侧距。

(2)本发明一种确定列车轮对轴线的方法，采用线结构光测量单元技术计算轮对轴线具有很高的精度。

附图说明

图1是本发明一种确定列车轮对轴线的方法流程图；

图2是本发明轮对外侧面正视图。

其中，101-激光线；102-轮对轮辋侧面；103-激光线段；104-激光点。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

一种确定列车轮对轴线的方法，首先：采用线结构光测量单元获取轮辋外侧面图像，提取激光线段得到激光点的三维数据信息，通过轮对轮辋内/外侧面上共面的若干激光点计算轮辋侧面空间平面方程，然后根据激光点的坐标值确定轮对同一圆周的圆心坐标和半径；最后计算过该圆心垂直于空间平面的直线方程，即轮对轴线的空间方程。

具体步骤如附图1所示，

步骤一、将线结构光测量单元放置在铁轨外侧；

所述的线结构光测量单元为2组，每一组均包括一部面阵相机和两台线激光器组成；垂直于轨道外侧放置，与轮对的车轮中心间距0.5米至2米的范围内。每一组的两台线激光器对称放置在面阵相机前方。

具体参数如表1所示：

面阵相机参数	线激光器参数
		像素：400W	波段：808nm
镜头：16mm	视场角：60度
		面阵相机内参矩阵	激光线宽度：1mm

步骤二、线激光器打出激光到轮对轮辋侧面，面阵相机采集轮对轮辋侧面图像；

如附图2所示，两台线激光器构成线激光光源模块，打出两条30度夹角的激光。激光打在轮对轮辋侧面102上获得两条相交的激光线101。面阵相机采集轮对轮辋侧面图像。

步骤三、从轮对轮辋侧面图像提取打到轮对轮辋侧面上的激光线段。

两条相交的激光线101与轮对轮辋侧面102相交有4段共面的激光线段103，通过计算机图像处理技术提取图像上的激光线段103。

步骤四、从激光线段提取在轮对同一圆周上的激光点。

激光线段103的末端与轮对轮辋侧面102的内径或外径的交点为激光点104。通过计算机图像处理技术提取4个在轮对同一圆周上的激光点104，所提取的4个激光点104组成的圆的圆心与轮对车轴在一条直线上；

步骤五、通过线结构光测量单元获取激光线上步骤四中提取的激光点的三维坐标；

步骤四中的4个共圆的激光点104是在轮对轮辋侧面图像上提取的，所以4个激光点104具有4个二维坐标，结合标定面阵相机参数和线激光器的参数，得到激光点104在空间中的像素三维坐标值。公式如下

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}\tilde{P}=A\left[\mathrm{Rt}\right]P_w\\ {\mathrm{ax}}_w+{\mathrm{by}}_w+{\mathrm{cz}}_w=1\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中ρ为比例系数，为图像坐标系下的齐次坐标，即轮对轮辋侧面图像上平面的二维坐标；A为面阵相机内参矩阵，P_w＝(x_w,y_w,z_w,1)^T为全局坐标系下的齐次坐标，即空间的三维坐标。a，b，c分别表示线激光器的激光平面方程的系数，R,t为全局坐标系到面阵相机坐标系的旋转矩阵与平移矢量；

例如， $R=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ 0& -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right],t=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\end{array}\right]$ 表示在全局坐标系中的坐标(x_w,y_w,z_w)对应的激光点沿着x轴移动1个单位，并绕x轴旋转θ角度后，得到摄像机坐标系下的坐标。

通过方程(1)得到4个激光点104的三维坐标值；

步骤六、利用激光点坐标拟合轮辋侧面所在的空间平面方程；

利用步骤五中的任意3个激光点104的三维坐标值，带入以下公式，拟合出轮对轮辋侧面102所在的空间平面方程；

ax+by+cz＝1                          (2)

步骤七、根据激光点的坐标值确定轮对同一圆周的圆心坐标和半径；

利用步骤六中的平面方程，将三维坐标点投影到空间平面上，通过拟合圆方程，确定圆心坐标；

(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²＝r²                  (3)

其中(x₀,y₀,z₀)为圆的圆心坐标，r为圆的半径。

步骤八、利用空间平面方程和圆心坐标计算轮对轴线方程。

利用步骤六的空间平面方程中的参数值和步骤七的圆心坐标值，确定通过圆心，垂直于空间平面方程的轮对轴线方程，即：

$\frac{{x-x}_0}{a}=\frac{{y-y}_0}{b}=\frac{{z-z}_0}{c}---\left(4\right)$

得到轮对轴线方程后，很方便的得知轮对与轨道之间的角度信息，根据该角度信息进行轮对的修正。

本发明应用了线结构光测量原理，采用线结构光视觉传感器可在线或离线测量列车轮对的轴线，具有很高的精度，为轮对尺寸检测系统的实现提供了基础。

Claims (4)

1.一种确定列车轮对轴线的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将线结构光测量单元放置在铁轨外侧；

所述的线结构光测量单元包括一部面阵相机和两台线激光器组成；垂直于轨道外侧放置，与轮对的车轮中心间距0.5米至2米的范围内，两台线激光器对称放置在面阵相机前方；

步骤二、线激光器打出激光到轮对轮辋侧面，面阵相机采集轮对轮辋侧面图像；

步骤三、从轮对轮辋侧面图像提取打到轮对轮辋侧面上的激光线段；

步骤四、从激光线段提取在轮对同一圆周上的激光点；

步骤五、通过线结构光测量单元获取激光线上步骤四中提取的激光点的三维坐标；

任取步骤四中共圆的激光点，结合标定面阵相机参数和线激光器的参数，得到激光点的像素坐标值。公式如下

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ρ}\tilde{P}=A\left[\mathrm{R\; t}\right]P_w\\ {\mathrm{ax}}_w+{\mathrm{by}}_w+{\mathrm{cz}}_w=1\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中ρ为比例系数，为图像坐标系下的齐次坐标，A为面阵相机内参矩阵，P_w＝(x_w,y_w,z_w,1)^T为全局坐标系下的齐次坐标，a，b，c分别表示线激光器的激光平面方程的系数，R,t为全局坐标系到面阵相机坐标系的旋转矩阵与平移矢量，通过方程(1)得到激光点的三维坐标值；

步骤六、利用激光点坐标拟合轮辋侧面所在的空间平面方程；

将激光点的三维坐标值，带入以下公式，拟合出轮对轮辋侧面所在的空间平面方程；

ax+by+cz＝1        (2)

其中，a，b，c分别表示线激光器的激光平面方程的系数；

步骤七、根据激光点的坐标值确定轮对同一圆周的圆心坐标和半径；

利用步骤六中的平面方程，将三维坐标点投影到空间平面上，通过拟合圆方程，确定圆心坐标；

(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²＝r²         (3)

其中(x₀,y₀,z₀)为圆的圆心坐标，r为圆的半径；

步骤八、利用空间平面方程和圆心坐标计算轮对轴线方程；

利用步骤六的空间平面方程中的参数值和步骤七的圆心坐标值，确定通过圆心，垂直于步骤六的空间平面方程的轮对轴线方程：

$\frac{x-x_0}{a}=\frac{y-y_0}{b}=\frac{z-z_0}{c}---\left(4\right)$

利用该轮对轴线得到轮对与轨道的倾斜角进而修正轮对。

2.如权利要求1所述的一种列车轮对轴线计算方法，其特征在于，所述步骤二中，两台线激光器构成线激光光源模块，打出两条成30度夹角的激光；激光打在轮对轮辋侧面上获得两条相交的激光线；面阵相机采集轮对轮辋侧面图像。

3.如权利要求1所述的一种列车轮对轴线计算方法，其特征在于，所述步骤三中，两条相交的激光线与轮对轮辋侧面相交有共面的激光线段，通过计算机图像处理技术提取图像上的激光线段。

4.如权利要求1所述的一种列车轮对轴线计算方法，其特征在于，所述步骤四中，激光线段的末端与轮对轮辋侧面的内径和外径上均交有激光点，提取至少3个激光点组成一个与车轮圆周共轴线的圆。