CN113859298A - 一种变轨机车限界实时测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种变轨机车限界实时测量系统和方法，在测量之前对整个测量系统进行系统标定，调整各个伺服伸缩导轨运动行程；将线结构光投射到被测机车车体的车身表面，长距离测距传感器同步记录被测机车车体行进距离；相机所拍摄照片被上传到上位机进行图像处理与数据处理；将各个传感器测量数据进行整合，得到被测机车车体机车车辆外部轮廓的高精度三维数据，与限界尺寸进行比较，得到差值，从而判断被测机车车体是否超出限界。本发明避免了机车车辆超出限界可能造成的叶板碰撞，提升机车车辆限界测量的精确性，具有较好的测量通用性，测量系统的自动化程度较高。
Description
技术领域
本发明属于车辆限界技术领域，具体涉及一种变轨机车限界实时测量系统和方法。
背景技术
机车限界是指机车车辆在铁路线路上正常运行时，为了保证机车车辆不与线路附近的设备或建筑物发生碰撞干涉，而规定的机车车辆在任何情况下均不允许超出的轮廓尺寸线。我国GB 146.1—1983《标准轨距铁路机车车辆限界》定义机车车辆限界是一个和线路中心线垂直的极限横断面轮廓。限界测量对于机车安全运行具有十分重要的意义，因此需要在机车车辆的生产过程中利用限界测量装置对机车车辆的外轮廓进行测量，以满足标准限界要求。
现阶段应用较为广泛的机车限界测量方法为限界规，该测量方法是接触式测量，测量过程中需要频繁调整叶板，且可能会对被测车体产生损伤。限界规的测量车型较为单一，在面对限界变化较大的变轨车型测量需求时，需要重新设计叶板，成本较高且费时。在测量过程中，机车车辆驶入限界规测量面，若机车车辆部分区域超出限界，叶板会被车身碰撞偏离测量位置，如此只能判断是否超出限界，但不能获取机车车辆外部轮廓数据。此外，叶板的机械结构在频繁使用过程中会逐渐发生变形，从而导致测量基准发生变化，这会在较大程度上影响测量结果的准确性。
如今我国铁路事业发展迅速，机车车辆型号繁多，一种能够解决上述问题的新型变轨机车车辆限界测量方法亟待开发，以提高变轨机车车辆限界测量的效率与精度。
CN208125055U提供一种应用于轨道交通的限界检测装置，包括横梁和两个立柱组成门式框架结构；两个立柱上分别沿竖直方向设有至少一个可上下移动的纵移机构，每一纵移机构均可单独操作；每一纵移机构还包括有横移装置，横移装置可在水平方向伸缩；横移装置的工作端设有水平限界检测板和红外测距探头，用于检测待测物的横向距离；横梁上水平设有多个可在竖直方向伸缩的纵移装置，多个纵移装置的工作端均与纵向限界检测板连接；纵向限界检测板的底端面设有多个红外测距探头，用于检测被测物的垂直距离。
此检测装置在同一时间的测量区域过少，仅为几个红外测距探头所测位置，并且检测结果为一维距离数据，数据量不足以用于评价被测装置的整体轮廓。
CN213455367U提供一种列车限界检测装置，装置包括龙门架、测距仪、相机支架、激光相机；龙门架安装在地基上；龙门架包括两个立柱和连接两个立柱的横梁；测距仪安装在立柱上，用于监控列车车身的位置；横梁上、立柱上以及地沟内设置有多个相机支架，地沟内的相机支架通过连接杆与龙门架连接；每个相机支架上均安装有激光相机，激光相机发出的光平面投射在列车的车身上，实现对列车车身、车底的360度无缝隙限界检测。龙门架上安装有升降横梁，升降横梁能够沿着立柱上下滑动，以便于调节龙门架的高度，能够适应不同车型的列车限界检测；横梁外侧设有遮光板，以减少外部光线对激光相机图像采集的干扰，提高了检测精度。但是此装置只适用于固定轨道的不同车型限界检测，变轨道场景下适用性差。该技术采用推动式龙门架进行测量，龙门架底部齿轮齿条以及机械结构会随时间累计误差。另外，在列车静止时推动龙门架进行限界测量，此测量场景与列车在动态行驶过程中的实际使用场景有一定差异，所得限界轮廓准确性较差。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种自动化、高效率、高精度、通用性强、非接触的变轨机车车辆限界测量装置和方法，克服现有测量方法的不足，方便在变轨机车车辆限界测量中使用。
具体的技术方案为：
一种变轨机车限界实时测量系统，包括传感器，传感器包括长距离测距传感器和多个激光视觉传感器；激光视觉传感器设在固定式龙门框架侧边的伺服伸缩导轨上，长距离测距传感器设在固定轨道和可变轨道上；
激光视觉传感器内包括相机和线结构光激光器；
相机和线结构光激光器的线结构光均朝向通过固定式龙门框架的被测机车车体；
各个传感器均与上位机通讯连接。
一种变轨机车限界实时测量系统的测量方法，包括以下步骤：
在测量之前要对整个测量系统进行系统标定，其中包含被测机车车体的车身坐标系、各个传感器坐标系的建立，各个激光视觉传感器在伺服伸缩导轨的行程原点处与车身坐标系之间的旋转平移关系的确定，各个伺服伸缩导轨在车身坐标系下的行程方向参数的获取，各个激光视觉传感器中线结构光光平面参数以及相机内外参数的标定；
开始测量前，由于不同轨距的机车车辆限界尺寸相差较大，且激光视觉传感器深度测量范围有限，需要根据当前被测机车车体车型的限界尺寸调整各个伺服伸缩导轨运动行程，使得各个激光视觉传感器运动到合适的测量位置。传感器到位后，被测机车车体缓慢驶入测量区域；
测量过程中，各个激光视觉传感器保持固定，并同时以较高频率将线结构光投射到被测机车车体的车身表面，相机与线结构光激光器同步工作，长距离测距传感器同步记录被测机车车体行进距离。相机所拍摄照片被上传到上位机进行图像处理与数据处理，从而得到被测位置在车身坐标系下的三维位置信息。将各个传感器测量数据进行整合，即可得到被测机车车体机车车辆外部轮廓的高精度三维数据；
将机车车辆外部轮廓的高精度三维数据与限界尺寸进行比较，可以得到机车车辆外部轮廓与限界尺寸的具体差值，从而判断被测机车车体是否超出限界。
本发明技术方案带来的有益效果：
(1)非接触测量：本方法采用激光视觉传感器，在测量过程中传感器与车身保持一定间距并将线结构光投射到车身表面，不会对车身造成任何损伤。区别于传统的限界规测量法，避免了机车车辆超出限界可能造成的叶板碰撞，有效保证测量安全性与稳定性。
(2)测量精确性：本方法采用视觉测量的方式，以线结构光与高分辨率相机结合的形式获取原始测量数据，后期经由上位机进行图像处理与数据处理得到被测物高精度空间位置信息。传统的限界规测量法仅通过叶板是否被碰撞来判断机车是否超出限界，本方法解决了评判标准单一的问题，并且能够将机车车辆外部轮廓高精度三维数据化，大大提升机车车辆限界测量的精确性。
(3)测量通用性：不同机车车辆的限界尺寸相差较大，且变轨后不同轨距车辆驶入限界测量区域会导致侧面车身与龙门立柱距离不同，所以对限界测量装置的通用性要求较高。本方法采用龙门立柱上安装伺服伸缩导轨的方式，能够有效满足不同车型对于限界测量装置要有不同测量位置的需求，具有较好的测量通用性。
(4)测量自动化：在本测量系统工作过程中，首先需要利用伺服伸缩导轨将激光视觉传感器送达预定位置，传感器到位后内部的相机与激光器开始同步工作，上位机对传感器所采集数据进行处理后可以得到机车车辆外部轮廓高精度三维数据。在测量中操作人员只需要通过选定被测车型来使测量系统自动调节各伺服伸缩导轨的伸缩行程，即可操控测量系统开始工作，不再需要人工调节限界规叶板，测量系统的自动化程度较高。
附图说明
图1是本发明的测量系统正面示意图；
图2是本发明的测量系统侧面示意图；
图3是本发明的激光视觉传感器示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
如图1和图2所示，一种变轨机车限界实时测量系统，包括传感器，传感器包括长距离测距传感器8和多个激光视觉传感器3；激光视觉传感器3设在固定式龙门框架1侧边的伺服伸缩导轨2上，长距离测距传感器8设在固定轨道4和可变轨道5上；
如图3所示，激光视觉传感器3内包括相机9和线结构光激光器10；
相机9和线结构光激光器10的线结构光7均朝向通过固定式龙门框架1的被测机车车体6；
各个传感器均与上位机通讯连接。
一种变轨机车限界实时测量系统的测量方法，包括以下步骤：
在测量之前要对整个测量系统进行系统标定，其中包含被测机车车体6的车身坐标系、各个传感器坐标系的建立，各个激光视觉传感器3在伺服伸缩导轨2的行程原点处与车身坐标系之间的旋转平移关系的确定，各个伺服伸缩导轨2在车身坐标系下的行程方向参数的获取，各个激光视觉传感器3中线结构光7光平面参数以及相机9内外参数的标定；
开始测量前，由于不同轨距的机车车辆限界尺寸相差较大，且激光视觉传感器3深度测量范围有限，需要根据当前被测机车车体6车型的限界尺寸调整各个伺服伸缩导轨2运动行程，使得各个激光视觉传感器3运动到合适的测量位置。传感器到位后，被测机车车体6缓慢驶入测量区域；
测量过程中，各个激光视觉传感器3保持固定，并同时以较高频率将线结构光7投射到被测机车车体6的车身表面，相机9与线结构光激光器10同步工作，长距离测距传感器8同步记录被测机车车体6行进距离。相机9所拍摄照片被上传到上位机进行图像处理与数据处理，从而得到被测位置在车身坐标系下的三维位置信息。将各个传感器测量数据进行整合，即可得到被测机车车体6机车车辆外部轮廓的高精度三维数据；
将机车车辆外部轮廓的高精度三维数据与限界尺寸进行比较，可以得到机车车辆外部轮廓与限界尺寸的具体差值，从而判断被测机车车体6是否超出限界。
Claims (3)
1.一种变轨机车限界实时测量系统，其特征在于，包括传感器，传感器包括长距离测距传感器(8)和多个激光视觉传感器(3)；激光视觉传感器(3)设在固定式龙门框架(1)侧边的伺服伸缩导轨(2)上，长距离测距传感器(8)设在固定轨道(4)和可变轨道(5)上；
激光视觉传感器(3)内包括相机(9)和线结构光激光器(10)；
相机(9)和线结构光激光器(10)的线结构光(7)均朝向通过固定式龙门框架(1)的被测机车车体(6)；
各个传感器均与上位机通讯连接。
2.根据权利要求1所述的一种变轨机车限界实时测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
在测量之前对整个测量系统进行系统标定；
根据当前被测机车车体(6)车型的限界尺寸调整各个伺服伸缩导轨(2)运动行程，使得各个激光视觉传感器(3)运动到合适的测量位置；传感器到位后，被测机车车体(6)缓慢驶入测量区域；
测量过程中，各个激光视觉传感器(3)保持固定，并将线结构光(7)投射到被测机车车体(6)的车身表面，相机(9)与线结构光激光器(10)同步工作，长距离测距传感器(8)同步记录被测机车车体(6)行进距离；相机(9)所拍摄照片被上传到上位机进行图像处理与数据处理，从而得到被测位置在车身坐标系下的三维位置信息；将各个传感器测量数据进行整合，即可得到被测机车车体(6)机车车辆外部轮廓的高精度三维数据；
将机车车辆外部轮廓的高精度三维数据与限界尺寸进行比较，得到机车车辆外部轮廓与限界尺寸的具体差值，从而判断被测机车车体(6)是否超出限界。
3.根据权利要求2所述的一种变轨机车限界实时测量系统的测量方法，其特征在于，所述的在测量之前要对整个测量系统进行系统标定，包含被测机车车体(6)的车身坐标系、各个传感器坐标系的建立，各个激光视觉传感器(3)在伺服伸缩导轨(2)的行程原点处与车身坐标系之间的旋转平移关系的确定，各个伺服伸缩导轨(2)在车身坐标系下的行程方向参数的获取，各个激光视觉传感器(3)中线结构光(7)光平面参数以及相机(9)内外参数的标定。
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