CN110686622A - 一种列车车轮冲角的测量方法 - Google Patents

一种列车车轮冲角的测量方法 Download PDF

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杜启亮
王鹏
陈嘉乐
田联房
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    • G—PHYSICS
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    • G01M17/08—Railway vehicles

Abstract

本发明公开了一种列车车轮冲角的测量方法，该方法是在列车转向架上布置双目摄像头及结构光光源，令多条结构光以不同角度照射在待测车轮和轨道上，通过概率Hough直线检测提取已经过预处理的左右图像中的结构光，提取结构光直线段两端的端点，对车轮平面和轨道直线进行三维重建，计算车轮与轨道之间的冲角并判断是否存在异常。本发明可以实现对列车行车过程中的轮轨冲角进行实时监控，保障行车安全。

Description

一种列车车轮冲角的测量方法
技术领域
本发明涉及铁路机车的蛇形运动测量、分析的技术领域，尤其是指一种列车车轮冲角的测量方法。
背景技术
随着经济社会的发展，交通运输需求猛增，铁路机车作为公认的运力最大的交通工具，其市场需求更加紧张。由于列车是通过轮对踏面、转向架等特殊结构来转弯的，那么在列车直线运行过程中一边向前运动，一边横向摆动的蛇形运动也就不可避免。过于剧烈的蛇形运动不仅会破坏车辆运行的平稳性，还会损坏车轮和钢轨，甚至还可能引发出轨造成重大事故。因此监控列车蛇形运动保障行车安全对于人民人身安全、财产安全至关重要。
因此，本发明希望能够通过设计一种列车车轮冲角的测量方法，实时测量列车车轮的冲角，当冲角超过一定限度时，能够及时发现并通知异常情况。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于结构光的列车车轮冲角的测量方法，通过三维重建列车车轮和轨道平面以判断蛇形运动的剧烈程度，从而实现对列车行车安全的监控，以便提高铁路运输的安全性。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种列车车轮冲角的测量方法，包括以下步骤：
1)列车转向架上布置双目摄像头及结构光光源，拍摄范围包括待测车轮和轨道，调整结构光光源并将线结构光投影在待测车轮和轨道上；其中，需对双目摄像头进行系统标定，获得双目摄像头的内参，并进行立体标定获得两台摄像头之间的相对位置关系矩阵，利用内外参数对左、右图像进行立体校正预处理；
2)对图像进行概率Hough直线检测，提取出左视图和右视图中的结构光直线；以直线角度作为匹配特征，将左、右图像中的结构光线段进行一一匹配，再把同一直线段的两个端点进行匹配；采用双目立体视觉算法，通过标定得到的双目内参以及外参计算出特征点的三维空间坐标；
3)得到对应特征点的空间坐标后，对车轮、轨道进行三维重建，建立车轮与轨道的三维空间方程；
4)通过计算车轮平面与轨道边缘直线的夹角，以此作为列车车轮的冲角，同时设定正常冲角范围，若存在列车车轮方向与轨道方向夹角在正常冲角范围内，则判定列车行驶正常，若存在列车车轮方向与轨道方向夹角在正常冲角范围外，则判定列车行驶异常。
在步骤1)中，采用平行放置的双目摄像头和多个结构光光源，放置在列车转向架上，调整摄像头与结构光光源角度，使双目摄像头能够拍摄到结构光分别以不同角度照射在车轮和轨道上的图像。
在步骤1)中，采用张正友标定法对双目摄像头进行标定，获得包括SX、SY、u0、v0、f的内参数，其中SX、SY是摄像头芯片单个像素的物理尺寸，u0、v0为光轴光心的像素坐标，f为摄像头的焦距；对双目摄像头相对位置关系进行立体标定，得到外参数旋转因子
Figure BDA0002225323880000021
平移因子其中，旋转因子
Figure BDA0002225323880000023
表示令左摄像头与右摄像头具有相同姿态的旋转效果，具体能够拆分为沿x、y、z轴分别旋转θx、θy、θz这三个步骤，即旋转因子中的参数r1～r9具体由3个旋转矩阵的乘积决定：
平移因子中的tx、ty、tz为右摄像头原点相对左摄像头的平移距离；设左摄像头坐标系为XL，右摄像头坐标系为XR，能够得到两摄像头的相对公式为XR＝RXL+T。
在步骤2)中，对图像进行概率Hough直线检测，检测出结构光映射在图像上的直线；对左、右图像进行直线段匹配，确认匹配的是同一直线；选取左、右图像中同一结构光在物体边缘的端点作为特征点并进行匹配，计算后选取车轮上3个不共线的特征点P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)、P3(x2,y2,z2)和轨道同一侧的2个特征点Q1、Q2；
在步骤3)中，设定常数A、B、C、D，利用车轮上3个不共线的特征点P1、P2、P3，计算出车轮所在平面α的一般方程：Ax+By+Cz+D＝0，其中(A,B,C)为平面α的法向量；设定常数m、n、p，利用轨道同一侧的2个特征点Q1、Q2计算出轨道所在的空间直线l的方程：其中(x0,y0,z0)为直线l上的某点，(m,n,p)为直线l的方向向量；
在步骤4)中，计算车轮平面α与轨道直线l的夹角亦即冲角，定义轨道直线方向向量为
Figure BDA0002225323880000034
车轮平面法线向量为
Figure BDA0002225323880000035
通过空间直线与平面的几何关系得两者夹角
Figure BDA0002225323880000036
的关系：
Figure BDA0002225323880000037
因此，
Figure BDA0002225323880000038
设定正常冲角区间
Figure BDA0002225323880000039
若车轮平面与轨道直线的冲角
Figure BDA00022253238800000310
则此时列车运行正常；若车轮平面与轨道直线的冲角则此时列车运行异常。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、对行车过程中车轮与轨道之间形成的冲角进行实时监控，行车安全得到了保障。
2、通过对车轮和轨道边缘点进行三维重建，以非接触的方法获取冲角信息，保障安全的同时提高了测量精度。
3、结构光的辅助极大地提高了特征点匹配的效率，降低了算法的时间复杂度。
附图说明
图1为本发明逻辑流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例所提供的列车车轮冲角的测量方法，包括以下步骤：
步骤1：在室内用张正友标定法对双目摄像头进行标定，获得双目摄像头的内参以及两台摄像头之间的相对位置关系矩阵。打印尺寸已知的棋盘格标定板，拍摄不同位置、不同角度、不同姿态的标定板图像10～20张，对每一张标定图像提取亚像素角点坐标进行摄像头标定。获得摄像头内参数：SX、Sy、u0、v0、f，其中SX、Sy是相机芯片单个像素的物理尺寸，u0、v0为光轴光心的像素坐标，f为相机的焦距；对双目摄像头相对位置关系进行立体标定，得到外参数旋转因子
Figure BDA0002225323880000041
平移因子
Figure BDA0002225323880000042
其中，旋转因子
Figure BDA0002225323880000043
表示令左摄像头与右摄像头具有相同姿态的旋转效果，具体可以拆分为沿x、y、z轴分别旋转θx、θy、θz这3个步骤。即旋转因子中的参数r1～r9具体由3个旋转矩阵的乘积决定，
Figure BDA0002225323880000051
平移因子中的tx、ty、tz为右摄像头原点相对左摄像头的平移距离。设左摄像头坐标系为XL，右摄像头坐标系为XR，可得到两摄像头的相对公式为XR＝RXL+T。并对左右图像进行立体校正预处理。
步骤2：在列车转向架上布置双目摄像头及结构光光源，拍摄范围包括待测车轮和轨道，调整结构光光源并将线结构光投影在待测车轮和轨道上。
步骤3：对图像进行概率Hough直线检测，提取出左视图和右视图中的结构光直线，根据直线角度将左、右图像中的结构光线段进行一一匹配。
步骤4：提取同一直线同一端点在左右摄像头的图像坐标(Xl,Yl)、(Xr,Yr)，采用双目立体视觉算法，通过标定得到的左右摄像头内参以及外参R、T计算出特征点的三维空间坐标P(xC,yC,zC)。
Figure BDA0002225323880000052
步骤5：选取车轮上3个不共线的特征点P1、P2、P3和轨道某一侧的2个特征点Q1、Q2。设一般常数A、B、C、D，利用车轮上3个不共线的特征点P1、P2、P3，计算出车轮所在平面α的一般方程：Ax+By+Cz+D＝0，其中(A,B,C)为平面α的法向量；设一般常数m、n、p，利用轨道同一侧的2个特征点Q1、Q2计算出轨道所在的空间直线l的方程：
Figure BDA0002225323880000053
其中(x0,y0,z0)为直线l上的某点，(m,n,p)为直线l的方向向量。
步骤6：计算车轮平面α与轨道边缘直线l的夹角(即冲角)，以此作为列车车轮的冲角。定义轨道直线方向向量为车轮平面法线向量为
Figure BDA0002225323880000062
通过空间直线与平面的几何关系，可得两者夹角
Figure BDA0002225323880000063
的关系：
因此，
步骤7:设定正常冲角区间若车轮平面与轨道直线的冲角则此时列车运行正常；若车轮平面与轨道直线的冲角
Figure BDA0002225323880000068
则此时列车运行异常。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种列车车轮冲角的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)列车转向架上布置双目摄像头及结构光光源，拍摄范围包括待测车轮和轨道，调整结构光光源并将线结构光投影在待测车轮和轨道上；其中，需对双目摄像头进行系统标定，获得双目摄像头的内参，并进行立体标定获得两台摄像头之间的相对位置关系矩阵，利用内外参数对左、右图像进行立体校正预处理；
2)对图像进行概率Hough直线检测，提取出左视图和右视图中的结构光直线；以直线角度作为匹配特征，将左、右图像中的结构光线段进行一一匹配，再把同一直线段的两个端点进行匹配；采用双目立体视觉算法，通过标定得到的双目内参以及外参计算出特征点的三维空间坐标；
3)得到对应特征点的空间坐标后，对车轮、轨道进行三维重建，建立车轮与轨道的三维空间方程；
4)通过计算车轮平面与轨道边缘直线的夹角，以此作为列车车轮的冲角，同时设定正常冲角范围，若存在列车车轮方向与轨道方向夹角在正常冲角范围内，则判定列车行驶正常，若存在列车车轮方向与轨道方向夹角在正常冲角范围外，则判定列车行驶异常。
2.根据权利要求1所述的一种列车车轮冲角的测量方法，其特征在于：在步骤1)中，采用平行放置的双目摄像头和多个结构光光源，放置在列车转向架上，调整摄像头与结构光光源角度，使双目摄像头能够拍摄到结构光分别以不同角度照射在车轮和轨道上的图像。
3.根据权利要求1所述的一种列车车轮冲角的测量方法，其特征在于：在步骤1)中，采用张正友标定法对双目摄像头进行标定，获得包括SX、SY、u0、v0、f的内参数，其中SX、SY是摄像头芯片单个像素的物理尺寸，u0、v0为光轴光心的像素坐标，f为摄像头的焦距；对双目摄像头相对位置关系进行立体标定，得到外参数旋转因子
Figure FDA0002225323870000021
平移因子
Figure FDA0002225323870000022
其中，旋转因子
Figure FDA0002225323870000023
表示令左摄像头与右摄像头具有相同姿态的旋转效果，具体能够拆分为沿x、y、z轴分别旋转θx、θy、θz这三个步骤，即旋转因子中的参数r1～r9具体由3个旋转矩阵的乘积决定：
Figure FDA0002225323870000024
平移因子中的tx、ty、tz为右摄像头原点相对左摄像头的平移距离；设左摄像头坐标系为XL，右摄像头坐标系为XR，能够得到两摄像头的相对公式为XR＝RXL+T。
4.根据权利要求1所述的一种列车车轮冲角的测量方法，其特征在于：在步骤2)中，对图像进行概率Hough直线检测，检测出结构光映射在图像上的直线；对左、右图像进行直线段匹配，确认匹配的是同一直线；选取左、右图像中同一结构光在物体边缘的端点作为特征点并进行匹配，计算后选取车轮上3个不共线的特征点P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)、P3(x2,y2,z2)和轨道同一侧的2个特征点Q1、Q2；
在步骤3)中，设定常数A、B、C、D，利用车轮上3个不共线的特征点P1、P2、P3，计算出车轮所在平面α的一般方程：Ax+By+Cz+D＝0，其中(A,B,C)为平面α的法向量；设定常数m、n、p，利用轨道同一侧的2个特征点Q1、Q2计算出轨道所在的空间直线l的方程：
Figure FDA0002225323870000031
其中(x0,y0,z0)为直线l上的某点，(m,n,p)为直线l的方向向量；
在步骤4)中，计算车轮平面α与轨道直线l的夹角
Figure FDA0002225323870000032
亦即冲角，定义轨道直线方向向量为
Figure FDA0002225323870000033
车轮平面法线向量为
Figure FDA0002225323870000034
通过空间直线与平面的几何关系得两者夹角
Figure FDA0002225323870000035
的关系：
Figure FDA0002225323870000036
因此，
设定正常冲角区间
Figure FDA0002225323870000038
若车轮平面与轨道直线的冲角
Figure FDA0002225323870000039
则此时列车运行正常；若车轮平面与轨道直线的冲角
Figure FDA00022253238700000310
则此时列车运行异常。
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