CN116295058A - 一种列车轮对几何参数在线检测方法及系统 - Google Patents

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CN116295058A CN202310020353.7A CN202310020353A CN116295058A CN 116295058 A CN116295058 A CN 116295058A CN 202310020353 A CN202310020353 A CN 202310020353A CN 116295058 A CN116295058 A CN 116295058A
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Abstract

本发明提出了一种列车轮对几何参数在线检测方法及系统，属于列车轮对检测的技术领域。本发明的步骤为基于平面棋盘格‑同心圆互补靶标静态标定测量系统的相机的内参数、外参数，确定光平面方程，完成相机的光平面标定；激光对射传感器获取来车信号，上位机发出指令开启补光装置，并利用光平面标定后的相机采集列车轮对图像；基于IMU陀螺仪传感器和改进PID负反馈算法实时补偿相机姿态误差；对采集到的列车轮对图像进行预处理，利用Steger算法在线提取激光光条中心线；利用光平面方程在线计算列车轮对内径、外径、轮辋宽度、轮缘厚度的几何参数。本发明具有标定定精度高、实时检测速度快、可适用于复杂作业环境等优点。

Description

一种列车轮对几何参数在线检测方法及系统
技术领域
本发明涉及列车轮对检测的技术领域，尤其涉及一种列车轮对几何参数在线检测方法及系统，综合光电检测技术、图像处理技术和自动控制技术对运动列车轮对进行几何参数在线测量。
背景技术
随着我国轨道交通列车的运输速度、运输密度、载重量的大幅度提升，列车的安全运营面临着更大的挑战。轮对是列车最重要的运动部件和受力部件，其运行环境复杂恶劣，存在带伤作业、频繁作业、在轨年限长等问题。轮对几何参数是评判轮对健康状况的重要指标，而日常周期性检查存在诸多不足：人工使用轮径尺、第四检查器等工具受主观判断影响、误差大效率低；离线落轮检查步骤繁琐、消耗大量人力物力，而且在春运等运输密集期，更需庞大人员设备支持，数据信息处理上缺乏实时性，因此对列车轮对几何参数的智能快速准确检测亟需提升。
标定相机内、外参数的和确立光平面方程是线结构光传感器标定核心部分，目前通常人为手持靶标结合背光或同轴照明方式，使用张氏标定法进行相机标定，但存在人为手持产生抖动形成噪声干扰、个别图像位姿重复影响标定效率等问题，而圆形靶标标定时精度更高但存在偏心误差；在拟合光平面时存在空间特征点较少，光平面拟合精度低的问题，因此较传统方法高精度标定相机内、外参数和确立光平面方程是轮对几何参数测量的前提关键步骤。
申请号为202011567389.X的发明专利公开了一种铁路轮对尺寸检测装置及其标定方法，相机和激光器的相对位置具有更高的稳定性，可以实现相机与光源一体化标定，大大缩小设备使用现场的标定时间，标定方法包括以下步骤：步骤a：以平面靶标为成像目标，提取空间靶标点计算出靶标平面和图像平面之间的单应矩阵；步骤b：启动光源，将激光光条打在平面靶标上，通过空间靶标点确定的单应矩阵将光条标定点映射到三维空间，得出空间中激光光条在相机坐标系下的三维坐标；步骤c：多次移动平面靶标，得出相机内参的约束方程以及光平面三维坐标点的约束方程，通过约束方程构建目标函数，通过目标函数计算相机内参与光平面参数，通过非线性优化得出光平面参数的最优解。但是，该方法受到拍摄的标定图片质量的影响，图片质量不同会导致多次标定结果存在一定的误差。
发明内容
针对现有列车轮对检测方法实时性差，检测结果精度差的技术问题，本发明提出一种列车轮对几何参数在线检测方法及系统，利用集成自背光可调节位姿的平面棋盘格-同心圆互补靶标对相机进行标定，简便实用，提高标定效率释放作业现场人力，较传统方法大幅度提升标定精度；同时，本发明通过在线检测轮对几何参数，检测结果实时上传，以便进行轮对检修、更替、调度等防范工作。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种列车轮对几何参数在线检测方法，其步骤如下：
(a)基于平面棋盘格-同心圆互补靶标静态标定测量系统的相机的内参数、外参数，确定光平面方程，完成相机的光平面标定；
(b)激光对射传感器获取来车信号，上位机发出指令开启补光装置，并利用光平面标定后的相机采集列车轮对图像；
(c)基于IMU陀螺仪传感器和改进PID负反馈算法实时补偿相机姿态误差；
(d)对采集到的列车轮对图像进行预处理，利用Steger算法在线提取激光光条中心线；
(e)利用步骤(a)得到的光平面方程在线计算列车轮对内径、外径、轮辋宽度、轮缘厚度的几何参数，检测结果实时上传。
优选地，所述步骤(a)的实现方法为：
(a1)列车经过前，在钢轨轮对经过位置放置平面棋盘格-同心圆互补靶标，调整平面棋盘格-同心圆互补靶标高度保持在列车轮对位置高度，多次改变靶标位姿，相机依次采集多幅标定图像；
(a2)利用Matlab读入标定图像的棋盘格角点为输入点，计算相机内参、外参以及单应性矩阵；
(a3)利用相机采集的互补靶标图像，基于非线性优化最优解模型的偏心误差补偿算法得到圆心补偿点坐标；
(a4)当前后两次计算得圆心补偿点位置小于零点零一个像素停止迭代优化，更新求解相机的内参数、外参数，获取从三维世界坐标系到二维图像坐标系的单应性矩阵；
(a5)开启网格激光光源与补光装置，使网格激光投射至平面棋盘格-同心圆互补靶标，利用位姿调节器多次改变靶标位姿，相机依次采集多幅包含光条的图像；
(a6)利用Steger算法对投射在待测物上的光条的中心线进行提取，提取光条中心线上多个三维坐标点信息，应用最小二乘法拟合确定三维相机坐标系OcXcYcZc下线结构光光平面方程，完成光平面标定。
优选地，所述平面棋盘格-同心圆互补靶标包括基板，基板上设有激光直写棋盘格-同心圆互补二维标志靶物，基板固定设置在壳体上，基板的背面设有矩形排列的自背光高亮LED集成光源，壳体的后部设有位姿调节器，位姿调节器与伸缩高度连杆；采集标定图像时，整个平面棋盘格-同心圆互补靶标平面占据相机视场中的二分之一到三分之一的面积；在标定位置前三米距离钢轨一米位置安装激光对射传感器，激光对射传感器获取来车信号传递至下位机主控制器，下位机主控制器通过串口方式与上位机通信，进而控制上位机发出指令开启网格激光光源与补光装置，相机间隔拍摄作业采集来车的轮对图像。
优选地，所述步骤(a2)中计算相机内、外参以及单应性矩阵的方法为：
根据针孔相机模型原理，相机投影成像模型表示为：
Figure BDA0004041590270000031
其中，s为比例因子，M1、M2分别表示相机的内参矩阵和外参矩阵，R3×3、T3×1分别表示三维的世界坐标系变换为二维的图像坐标系所对应的旋转矩阵、平移矩阵，fx、fy分别为相机在图像坐标系下u轴和v轴的物理焦距，u0、v0分别表示主点O即图像坐标系的原点在像素坐标系下的相对偏移量；
Figure BDA0004041590270000035
为点在世界坐标系下的齐次坐标，/>
Figure BDA0004041590270000034
为点在二维的像素坐标系下对应像点的齐次坐标；世界坐标系的原点设置在靶标的左上角，像素坐标系的原点建立在图像的左上角，图像坐标系的原点建立在图像的中心；
使用平面棋盘格-同心圆互补靶标标定相机时，将世界坐标系建立在二维标志靶物平面上，zw＝0，相机投影成像模型简化表示为：
Figure BDA0004041590270000032
其中，H为通过标定多张图像计算得到的单应性矩阵；r1、r2、r3分别表示旋转矩阵R3×3的列向量，t表示平移矩阵T3×1的列向量；
相机畸变模型x、y方向上的表达式为：
Figure BDA0004041590270000033
其中，k1,k2,k3是径向畸变的数学表达式系数，p1,p2是切向畸变的数学表达式系数，r是图像坐标点(x,y)到主点O的距离
Figure BDA0004041590270000041
加入畸变因子，寻找三维投影关键点与二维检测点在最小二乘意义下的最小位置差值为目标，建立最优化目标函数为：
Figure BDA0004041590270000042
其中，mij为第i张拍摄图像的第j个关键标志点的像素坐标，m'(M1,ri,ti,Mj')为三维关键标志点Mj'的投影坐标；n是标定图像数量，m是标定图像中关键标志点数量，ri、ti分别表示第i个平移向量、旋转向量；和前面的r1、r2、r3有重叠的部分不重叠，因为都指的是一个量；通过Matlab求解目标函数得到初始的相机的内参、外参以及单应性矩阵。
优选地，所述基于非线性优化最优解模型的偏心误差补偿算法的实现方法为：在像素级边缘约束三个像素单位，亚像素边缘约束半个像素单位，分别对椭圆边缘进行像素级定位和亚像素级定位，其中像素级边缘定位使用一阶图像边缘算子即sobel算子进行，亚像素级定位使用Zernike矩像素定位进行，利用现有的数值分析上的数值拟合方法拟合偏心椭圆方程；根据成像平面圆心真实投影与补偿偏心位置关系，利用三角关系和向量公式，并利用张正友标定方法得到圆心补偿点坐标。
优选地，所述圆心补偿点坐标的计算方法为：
拟合偏心椭圆方程的方法为：
投影椭圆圆心位置的确定方法为：进行椭圆边缘定位，对椭圆边缘使用定位像素级边缘ξ'，应用Zernike矩像素定位亚像素级边缘ξ，在边缘像素带上取点拟合椭圆方程；
在拟合内外偏心圆方程E1、E2时，对像素级边缘ξ'和亚像素级边缘ξ进行像素约束：
Figure BDA0004041590270000043
其中，a1'、b1'、a2'、b2'分别表示拟合内、外偏心椭圆方程的系数；
利用数值拟合方法拟合偏心椭圆方程；
根据三角关系有：
Figure BDA0004041590270000051
r1、r2分别为平面标靶的同心圆的内外圆直径，OcV、Ocv、OcC、OcD、OcA、OcB的长度分别为l、l'、l1、l2、l3、l4，OCV与OC、OD、OA、OB的夹角分别为α1、β1、α2、β2；
根据张正友标定方法，以平面互补标靶的外棋盘格边缘角点为目标，通过Matlab的标定工具标定相机模型参数fx、fy、u0、v0作为迭代优化初始值，由向量公式、世界坐标系与二维的像素坐标系的转换关系可得：
Figure BDA0004041590270000052
Figure BDA0004041590270000053
求得长度l的参数值：
Figure BDA0004041590270000054
其中，V点为平面靶标圆心；通过相似关系确定长度l'的参数值大小；
根据分别为v1、v2，v'为偏心误差算法补偿后的三维投影输入点坐标，
在像素坐标系下，分别将拟合出亚像素点拟合椭圆方程的圆心v1、v2与二维图像平面上靶标圆心真实圆心投影v点带入直线方程确定出直线：L1:A1x+B1y+C1＝0,L2:A2x+B2y+C2＝0；
其中，A1、B1、C1、A2、B2、C2分别表示内、外圆拟合椭圆圆心与圆心真实圆心投影点确定直线方程的系数；
在标定过程中，相机成像平面与标志靶物存在位姿倾角时，点v1、v2与点v间的偏心误差在可行倾角范围内分别存在着二次非线性关系，记v点与
Figure BDA0004041590270000061
以v1为中心建立v1xpyp二维像素坐标系，根据ε'、ε”的权重wt1、wt2确定θ1、θ2的角度比例进而确定补偿点所在直线斜率，j为i张图像中偏心误差的个数，联立点v坐标可得补偿直线L方程：
Figure BDA0004041590270000062
其中，ε'ij、ε”ij分别表示内、外圆每个拟合椭圆圆心与圆心真实圆心投影点的偏心误差大小；
以点v为圆心、
Figure BDA0004041590270000063
为直径的圆与直线L可得焦点v1'，由两偏心椭圆的圆心偏差权重进而对d进行补偿，得到逼近同心圆圆心的真实投影点的补偿位置作为三维投影关键标志输入点坐标(xv'，yv')，偏心误差最优解目标函数为：
Figure BDA0004041590270000064
其中，ε1i表示第i个偏心误差值大小；u表示补偿计算中的均值系数；xv、yv分别表示圆心点v的x、y坐标值；
相机模型重新标定后将标定参数更新迭代初始值，重复执行当前后两次定位点偏心误差误差变化小于阈值条件0.01pixel停止迭代，此时位置点坐标(xv'，yv')为最优的圆心补偿点。
优选地，所述光条的中心线的获取方法为：
利用Steger算法提取像素坐标系下图像中网格激光投射至平面棋盘格-同心圆互补靶标上形成的光条的直线方程lab：
a'u+b'v+c'＝0
其中，a'、b'、c'是直线方程lab的系数，(u,v)是二维像素坐标系下的坐标；
通过相机外参数的坐标变换关系，得到在三维相机坐标系OcXcYcZc下光条中心线方程式为：
Figure BDA0004041590270000071
其中，ac1、bc1、cc1、dc1为三维相机坐标系OcXcYcZc下二维标志靶物平面方程系数，a1'、b1'、c1'三维相机坐标系下的直线方程的系数，(xc,yc,zc)为三维相机坐标系OcXcYcZc下的坐标，f为相机内参焦距。
优选地，根据IMU陀螺仪传感器的信号，通过改进PID负反馈算法控制二自由度舵机使得相机复位，恢复初始标定位姿进而对待测物进行拍摄图像；所述改进PID负反馈算法中比例、积分、微分前置加入低通滤波器，滤除高频抖动信号、尖峰信号的干扰信息；IMU陀螺仪传感器与预设主轴方向角度实时进行比较计算，调整相机恢复预设角度，使相机拍摄焦面锁定，保持预设拍摄角度；所述预处理包括：图像灰度处理、二值化处理、对比度增强，利用高通滤波器进行图像去噪，消除图像上的杂散光干扰信息；通过确定的单应性矩阵在线计算转化得到列车轮对的内径、外径、轮辋宽度、轮缘厚度的几何参数；对两个相机采集的图像的多个测量值进行均值计算，然后输出列车轮对内径、外径、轮辋宽度、轮缘厚度等几何参数的最大值、最小值、平均值的三个参数值。
一种列车轮对几何参数在线检测系统，包括第一激光对射传感器、第二激光对射传感器和多组图像采集装置，第一激光对射传感器和第二激光对射传感器作为激光对射组对称安装在钢轨的外侧，获取来车信号；所述多组图像采集装置分别设置在第一激光对射传感器和第二激光对射传感器的后侧的钢轨的内侧或外侧，用于采集列车轮对的图像；所述第一激光对射传感器、第二激光对射传感器和若干组图像采集装置均与下位机主控制器进行通信连接，下位机主控制器与上位机通过串口通信。
优选地，所述每组图像采集装置包括两个相机和两个补光装置，且两个相机间隔一定距离设置；两个相机间隔一定距离是为了增加待测物的测量数据结果，增强系统数据的说服力、验证系补光装置对应设置在相机的后侧或外侧；所述相机为高速相机，高补光装置为网格激光光源与补光装置，网格激光光源发射网格激光，网格激光光源发射网格激光可投射至标定靶物；
所述图像采集装置的数量设有四组，包括第一组图像采集装置、第二组图像采集装置、第三组图像采集装置和第四组图像采集装置，第一组图像采集装置和第四组图像采集装置分别设置在两个钢轨的外侧，且第一组图像采集装置和第四组图像采集装置关于两个钢轨之间的中心线对称。第二组图像采集装置和第三组图像采集装置分别设置在两个钢轨的外侧，且第二组图像采集装置和第三组图像采集装置关于两个钢轨之间的中心线对称；所述第一组图像采集装置和第四组图像采集装置设置第一相机光源一体保护箱内，补光装置设置在第一相机光源一体保护箱的下部，相机设置在第一相机光源一体保护箱的上部；所述第一相机光源一体保护箱的中部设有隔板；所述第二组图像采集装置和第三组图像采集装置设置在第二相机光源一体保护箱，补光装置设置在第二相机光源一体保护箱的下部，相机设置在第二相机光源一体保护箱的上部；
所述第一组图像采集装置包括第一相机、第五相机、第一补光装置和第五补光装置，第一相机和第五相机相隔设置在一个钢轨的外侧；所述第一补光装置设置在第一相机的外侧，第五补光装置设置第五相机的外侧；所述第四组图像采集装置包括第三相机、第三补光装置、第七相机、第七补光装置，第三相机和第七相机间隔设置在另一钢轨的外侧，第三补光装置设置第三相机的外侧，第七补光装置设置第七相机的外侧，第三相机与第一相机关于两个钢轨之间的中心线对称，第七相机与第五相机关于两个钢轨之间的中心线对称设置；
所述第二组图像采集装置包括第二相机、第六相机、第二补光装置和第六补光装置，第二相机、第六相机相隔设置在一个钢轨的内侧，第二补光装置设置在第二相机的斜后侧，第六补光装置设置第六相机的斜后侧；所述第三组图像采集装置包括第四相机、第四补光装置、第八相机、第八补光装置，第四相机和第八相机间隔设置在另一钢轨的内侧，第四补光装置设置第四相机的斜后侧，第八补光装置设置第八相机的斜后侧；所述第二相机与第四相机关于两个钢轨之间的中心线对称，第六相机与第八相机关于两个钢轨之间的中心线对称；
所述第一相机、第二相机、第三相机、第四相机、第五相机、第六相机、第七相机和第八相机均安装在二自由度舵机上，所述第一相机、第二相机、第三相机、第四相机、第五相机、第六相机、第七相机和第八相机上均设有IMU陀螺仪传感器，第一相机、第一补光装置、第二相机、第二补光装置、第三相机、第三补光装置、第四相机、第四补光装置、第五相机、第五补光装置、第六相机、第六补光装置、第七相机、第七补光装置、第八相机、第八补光装置、IMU陀螺仪传感器和二自由度舵机均与下位机主控制器通信连接。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1.本发明基于集成自背光可调节位姿的平面棋盘格-同心圆互补靶标静态高精度标定相机内、外参数，确定光平面方程，标定时无需额外补光，位姿调节灵活消除人为主观影响，简便实用释放作业现场人力，较传统标定算法，本发明的标定效率和标定精度大幅度提升。本发明具有标定定精度高、实时检测速度快、可适用于复杂作业环境等优点。
2.本发明在线实际现场测量时，由于存在因机械振动，轮对蛇形运动、天气原因等因素影响，导致相机产生自由震动，基于IMU陀螺仪传感器和改进PID负反馈算法实时补偿相机姿态误差，消除相机自由震动产生的焦面离焦、拍摄角度偏移等情况，使相机拍摄焦面锁定，保持预设拍摄角度。
3.本发明安装钢轨外侧相机和光源一体保护箱和钢轨内侧相机和光源一体保护箱，在线实际现场测量时，避免粉尘、扬尘、风沙、雨水等天气影响干扰设备正常工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程示意图。
图2为本发明相机标定的流程图。
图3为同心圆投影几何关系偏心误差补偿模型示意图，其中，(a)为同心圆透射投影侧视几何关系图，(b)为成像平面圆心真实投影与补偿偏心位置关系。
图4为本发明检测系统的整体结构示意图。
图5为本发明检测系统的单个轮对检测装置结构图。
图6为本发明的钢轨外侧的第一相机光源一体保护箱的内部示意图。
图7为本发明的钢轨内侧的第二相机光源一体保护箱的内部示意图。
图中，1为第一激光对射传感器，2为第二激光对射传感器，3为第一相机，4为第一补光装置，5为第二相机，6为第二补光装置，7为第三相机，8为第三补光装置，9为第四相机，10为第四补光装置，11为第五相机，12为第五补光装置，13为第六相机，14为第六补光装置，15为第七相机，16为第七补光装置，17为第八相机，18为第八补光装置，19为第一相机光源一体保护箱，20为第二相机光源一体保护箱，21为钢轨，22为相机，23为二自由度舵机，24为IMU陀螺仪传感器，25为补光装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种列车轮对几何参数在线检测方法，包括以下步骤：
(a)基于平面棋盘格-同心圆互补靶标静态标定测量系统的相机的内参数、外参数，确定光平面方程，完成相机的光平面标定。
如图2所示，进一步的，在步骤(a1)中，列车经过前，在钢轨轮对经过位置放置平面棋盘格-同心圆互补靶标，调整平面棋盘格-同心圆互补靶标高度保持在列车轮对位置高度，使得整个靶标平面占据相机视场中的二分之一到三分之一的面积，多次改变靶标位姿，相机依次采集十五幅图像，图像大小为1024*1280像素，并保存至Calibration1文件夹中以便读入Matlab中进行图像标定处理。
平面棋盘格-同心圆互补靶标包括陶瓷基板，基板上设有激光直写棋盘格-同心圆互补二维标志靶物(7×9互质阵列棋盘格45mm、内圆直径30mm、相邻两圆圆心距90mm、精度0.001mm)，基板固定设置在光敏树脂3D打印壳体上，基板的背面设有矩形排列的自背光高亮LED集成光源(灯珠62颗、24V供电、光强100 000±2 000lux)，壳体的后部设有位姿调节器，位姿调节器与伸缩高度连杆(调节范围0～1 500mm)。自背光高亮LED集成光源的作用是避免背光或同轴等照明补光方式，复杂环境下光强分布不均、过曝导致图像失真病态，从而拍摄标定图片无法正常参与计算。
因为针对不同列车轮对轨道，地势地形不尽相同，需要调节伸缩高度连杆，使得平面棋盘格-同心圆互补靶标高度保持在列车轮对位置高度，使得整个靶标平面占据相机视场中的二分之一到三分之一的面积。位姿调节器是为了多次改变靶标位姿，因为相机依次拍摄的图像中包含靶标正对于相机，也存在靶标倾斜的位姿。伸缩高度连杆调节靶标的高度。
该集成自背光可调节位姿的平面棋盘格-同心圆互补靶标与市面独立视觉标定板对比，具备整体集成性高、位姿调节灵活、漫反射材质靶标锐度高、复杂环境下背光均匀有效剔除杂散光干扰、释放人工避免主动引入噪声、提升多次取照效率等优势。
相机模型描述的是将三维世界坐标点映射到二维图像平面的过程，可以理解是将三维空间特征点投影映射至二维图像坐标系中图像点的数学模型。通过对单目相机模型标定获得单应性矩阵，即可将任意一点三维世界坐标转换为二维的图像坐标。根据针孔相机模型原理，相机投影成像模型表示为：
Figure BDA0004041590270000101
其中，s为比例因子，M1、M2分别表示相机的内参矩阵和外参矩阵，R3×3、T3×1分别表示三维的世界坐标系变换为二维的图像坐标系所对应的旋转矩阵、平移矩阵，fx、fy分别为相机在二维图像坐标系下u轴和v轴的物理焦距，u0、v0分别表示主点O即二维图像坐标系的原点在像素坐标系下的相对偏移量，通过Matlab的相机标定工具可以获得相对偏移量；
Figure BDA0004041590270000117
为点在三维世界坐标系下的齐次坐标，/>
Figure BDA0004041590270000116
为点在二维的像素坐标系下对应像点的齐次坐标。世界坐标系的原点设置在靶标的左上角，像素坐标系的原点建立在图像的左上角，图像坐标系的原点建立在图像的中心。
使用平面棋盘格-同心圆互补靶标标定相机时，将三维世界坐标系建立在二维标志靶物平面上，zw＝0，相机投影成像模型可以简化表示为：
Figure BDA0004041590270000111
其中，H为通过标定多张图像计算得到的单应性矩阵。r1、r2、r3、t分别表示旋转矩阵R3×3、平移矩阵T3×1的列向量，外参矩阵可通过Matlab的相机标定工具获得。
由于相机内传感器与镜头不平行、透镜叠加等原因会产生图像径向畸变k＝(k1,k2,k3)和切向畸变p＝(p1,p2)，相机畸变模型x、y方向上的表达式为：
Figure BDA0004041590270000112
其中，括号内省略的是径向畸变的数学多项表达式，因为通常使用k1,k2,k3、p1,p2五项足够消除畸变；k1,k2,k3是径向畸变的数学表达式系数，p1,p2是切向畸变的数学表达式系数，r是图像坐标(x,y)到主点O的距离
Figure BDA0004041590270000113
加入畸变因子，寻找三维投影关键点与二维检测点在最小二乘意义下的最小位置差值为目标，建立最优化目标函数为：
Figure BDA0004041590270000114
其中，图像坐标点(x,y)到主点O的距离为
Figure BDA0004041590270000115
mij为二维第i张拍摄图像的第j个关键标志点的像素坐标，m'(M1,ri,ti,Mj')为三维关键标志点Mj'的投影坐标。n是指从第i＝1张图像到第n张，m是指从第j＝1个关键标志点到第m个，ri、ti分别表示第i个平移向量、旋转向量；和前面的r1、r2、r3有重叠的部分不重叠，因为都指的是一个量；求解目标函数是通过Matlab计算获得结果，得到的结果是初始的相机的内参、外参。
进一步的，在步骤(a2)中，利用Matlab读入图像的棋盘格角点为输入点，确定棋盘格正方形边长45mm，通过高性能计算机计算相机内、外参以及单应性矩阵。打开Matlab的相机标定工具箱，然后载入标定图像；确定标定靶物棋盘格正方形边长45mm，自动确定标定图像的棋盘格角点，Matlab计算相机内、外参以及单应性矩阵，作为迭代优化求解的初值，初值保存至Matlab工作区。
进一步的，在步骤(a3)中，利用相机采集的互补靶标图像，基于非线性优化最优解模型的偏心误差补偿算法得到圆心补偿点坐标。
在标定图片拍摄时，相机与平面棋盘格-同心圆互补靶标非正拍时存在平面夹角，同心圆圆形靶标被映射为扭曲椭圆，同心圆圆心的真实投影位置与实际投影椭圆圆心位置存在偏差，即被定义为偏心误差。偏心误差的大小主要与圆心靶标直径、拍摄角度等密切相关。
在像素级边缘约束三个像素单位，亚像素边缘约束半个像素单位，再分别对椭圆边缘进行像素级定位和亚像素级定位，其中像素级边缘定位使用一阶图像边缘算子进行，亚像素级定位使用Zernike矩像素定位进行，从而利用现有的数值分析上的数值拟合方法拟合偏心椭圆方程。
平面棋盘格-同心圆互补靶标的圆心直径不同、速相机拍摄角度不同，圆心的偏心程度也各不相同。根据成像平面圆心真实投影与补偿偏心位置关系，利用三角关系和向量公式，进而基于非线性优化最优解模型的偏心误差补偿算法得到圆心补偿点坐标。
对于投影椭圆圆心位置的确定先进行椭圆边缘定位，对椭圆边缘使用sobel算子定位像素级边缘ξ'，再应用Zernike矩像素定位亚像素级边缘ξ，在边缘像素带上取点拟合椭圆方程。
为了提高标定精度在拟合内外偏心圆方程E1、E2时，对像素级边缘ξ'和亚像素级边缘ξ进行像素约束：
Figure BDA0004041590270000121
其中，a1'、b1'、a2'、b2'分别表示拟合内、外偏心椭圆方程系数。
如图4所示，V点为平面靶标圆心，v点为二维图像平面上靶标圆心真实圆心投影，r1、r2分别为平面标靶的同心圆的内外圆直径，根据亚像素点拟合椭圆方程的圆心分别为v1、v2，v'为偏心误差算法补偿后的三维投影输入点坐标，O_V、O_v、O_C、O_D、O_A、O_B的长度分别为l、l'、l1、l2、l3、l4，OCV与OC、OD、OA、OB的夹角分别为α1、β1、α2、β2。为精确定位偏心补偿点v'，首先必须明确圆心真实投影点的位置，也就是找到l、l1、l2、l3、l4与α1、β1、α2、β2之间的关系，根据三角关系有：
Figure BDA0004041590270000131
根据zhang提出的经典标定方法，以平面互补标靶的外棋盘格边缘角点为目标，通过Matlab的标定工具标定相机模型参数fx、fy、u0、v0作为迭代优化初始值，由向量公式、三维相机坐标系与二维像素坐标系的转换关系，可得：
Figure BDA0004041590270000132
Figure BDA0004041590270000133
结合可化简求得l的参数值：
Figure BDA0004041590270000134
通过相似关系可确定l'的参数值大小，而在实际标定实验中因标定距离和角度不同确定l'参数值也不同，定位的真实圆心投影位置v点也会产生明显邻域偏差，进而可以确定出的v点只能作为圆心伪投影点。由图4的(b)可知：在成像平面圆心真实投影与拟合椭圆的圆心存在着位置偏差，且随着圆心靶标直径的增大，拟合椭圆圆心与v点的距离越大。在像素坐标系下，分别将拟合出的v1、v2点与v点带入直线方程确定出L1、L2：
L1:A1x+B1y+C1＝0,L2:A2x+B2y+C2＝0
其中，A1、B1、C1、A2、B2、C2分别表示内、外圆拟合椭圆圆心与圆心真实圆心投影点确定直线方程的系数。
在标定过程中，相机成像平面与标志靶物存在位姿倾角时，v1、v2点与v点间的偏心误差在可行倾角范围内分别存在着二次非线性关系，记v点与
Figure BDA0004041590270000141
以v1为中心建立v1xpyp二维像素坐标系，可根据ε'、ε”的权重wt1、wt2确定θ1、θ2的角度比例进而确定补偿点所在直线斜率，j为i张图像中偏心误差的个数，联立v点坐标可得补偿直线L方程：
Figure BDA0004041590270000142
其中，ε'ij、ε”ij分别表示：内、外圆每个拟合椭圆圆心与圆心真实圆心投影点的偏心误差大小。
以v点为圆心，
Figure BDA0004041590270000143
为直径的圆与直线L可得焦点v1'，由两偏心椭圆的圆心偏差权重进而对d进行补偿，得到逼近同心圆圆心的真实投影点的补偿位置作为三维投影关键标志输入点坐标(xv'，yv')，偏心误差最优解目标函数为：
Figure BDA0004041590270000144
其中，ε1i表示第i个偏心误差值大小；u表示补偿计算中的均值系数；xv、yv分别表示圆心点v的x、y坐标值。
相机模型重新标定后将标定参数更新迭代初始值，重复执行当前后两次定位点偏心误差误差变化小于阈值条件0.01pixel停止迭代，此时位置点坐标(xv'，yv')为最优偏差误差补偿点。
进一步的，在步骤(a4)中，在执行非线性优化最优解求解过程中，当前后两次计算得圆心补偿点位置小于零点零一个像素停止迭代优化，更新求解相机的内参数、外参数，获取从三维世界坐标系到二维图像坐标系的单应性矩阵，确定单应性矩阵后，可以进行坐标变换，进而可以用作测量计算实物的尺寸。
进一步的，在步骤(a5)中，开启网格激光光源与补光装置，使网格激光投射至平面棋盘格-同心圆互补靶标，利用位姿调节器多次改变靶标位姿，相机依次采集十五幅图像，图像大小为1024*1280像素，并保存至Calibration2文件夹中以便读入Matlab中进行图像处理。
利用Steger算法提取二维像素坐标系下图像光条的直线方程lab：
a'u+b'v+c'＝0
其中，a'、b'、c'是直线方程lab的系数，(u,v)是二维像素坐标系下的坐标。光条是通过网格激光光源与补光装置，使网格激光投射至平面棋盘格-同心圆互补靶标上形成的。
通过相机外参数的坐标变换关系，得到在三维相机坐标系OcXcYcZc下光条中心线方程式为：
Figure BDA0004041590270000151
其中，ac1、bc1、cc1、dc1为三维相机坐标系OcXcYcZc下二维标志靶物平面方程系数，这四个系数是平面方程系数，取值可正可负。a1'、b1'、c1'三维相机坐标系下的直线方程的系数，(xc,yc,zc)为三维相机坐标系OcXcYcZc下的坐标，f为相机内参焦距。
进一步的，在步骤(a6)中，利用Steger算法对投射在待测物上的光条中心线进行提取，提取光条中心线上多个三维坐标点信息以增加特征点数量，应用最小二乘法拟合确定三维相机坐标系OcXcYcZc下线结构光光平面方程，完成光平面标定。通过线结构光光平面方程对光条中心线计算，经坐标变换即可测得待测物的测量尺寸。
进一步的，对于第一相机3、第二相机5、第三相机7、第四相机9、第五相机11、第六相机13、第七相机15、第八相机17分别进行相机标定和确定光平面方程。设置8个相机，其实轮对一侧的两个相机为一组，这样一对相机对同一轮对参数进行测量，可以计算多组测量值，进而可以由两组数据确定最大值、最小值、测量均值、均方差等，两组数据可以避免单一数据结果影响分析判断。
(b)激光对射传感器获取来车信号，上位机发出指令开启补光装置，并利用光平面标定后的相机采集列车轮对的图像。
进一步的，在步骤(b)中，在标定位置前三米距离钢轨一米位置安装激光对射传感器，激光对射传感器获取来车信号传递至下位机主控制器，下位机主控制器通过串口方式与上位机通信，上位机为高性能计算机。进而控制上位机发出指令开启网格激光光源与补光装置，相机间隔拍摄作业采集来车的轮对图像，图像大小为1024*1280像素，并保存至对应相机采集图像文件夹中以便读入Matlab中进行图像处理。
(c)基于IMU陀螺仪传感器和改进PID负反馈算法实时补偿相机姿态误差。
因列车经过会造成钢轨外侧相机光源一体保护箱和钢轨内侧相机光源一体保护箱的震动，在改进PID负反馈算法中比例、积分、微分前置加入低通滤波器，使得滤除高频抖动信号、尖峰信号等干扰信息。二自由度舵机带动相机机身进行姿态调节，IMU陀螺仪传感器与预设主轴方向角度实时进行比较计算，调整相机恢复预设角度，使相机拍摄焦面锁定，保持预设拍摄角度。当列车经过或环境使得相机光源一体保护箱产生抖动或者震动时候，根据IMU陀螺仪传感器的信号，通过改进PID负反馈算法可以控制二自由度舵机使得相机复位，恢复初始标定位姿进而对待测物进行拍摄图像；如果不采用算法，环境震动、列车震动等影响会使得相机不能正对于待测物拍摄，存在只有部分待测物在视场中。
(d)对采集到的列车轮对图像进行预处理，在线提取激光光条中心线；
进一步的，在步骤(d)中，对采集到的列车轮对图像进行预处理，包括：图像灰度处理、二值化处理、对比度增强等，对比度增强可以使用灰度映射的方法，将原图中灰度值小于40的像素点置0，将灰度值大于160的像素点置1，将40-160之前的灰度值均匀映射到0-255，从而实现对比度增强，这样可以使图像更加清晰，明暗反差更为明显。高通滤波器是为了进行图像去噪，其中高通滤波器阈值初设为50，可以消除采集图像上的杂散光干扰信息，图像处理保留轮对主要信息，进而利用Steger算法在线提取步骤(c)中采集图像中多条激光光条中心线，Steger算法可以进行亚像素提取，使得提取的激光光条中心线更加准确，进而计算待测物尺寸结果更精确。
(e)利用步骤(a)得到的光平面方程在线计算列车轮对内径、外径、轮辋宽度、轮缘厚度等几何参数，检测结果实时上传。
进一步的，在步骤(e)中，通过线结构光光平面方程对光条中心线计算，经坐标变换即可测得待测物的测量尺寸。通过确定的单应性矩阵在线计算转化可得到列车轮对的内径、外径、轮辋宽度、轮缘厚度等几何参数，比如轮辋厚度，先通过提取光条中心线方程，然后通过确定的单应性矩阵在线计算，即可获得尺寸结果。经过Matlab数据处理，第一相机3和第五相机11作为一组，采集的图像的多个测量值进行均值计算，然后输出列车轮对内径、外径、轮辋宽度、轮缘厚度等几何参数的最大值、最小值、平均值等三个参数值。因为当单一相机出现误差或者系统不稳定时，多个测量值可以进行误差分析；两组相机的测量值也进行相互对照，增加数据量，比较两组数据均方差可以判断数据的有效性，进而根据两组结果输出最大测量值、最小测量值、测量均值等。
进一步的，第二相机5和第六相机13作为一组，第三相机7和第七相机15作为一组，第四相机9和第八相机17作为一组，第五相机11和第六相机13作为一组，检测结果经过Matlab数据处理，实时上传。第一个相机的测量结果保存在一个数组中，第二个相机的测量结果保存至第二数组中，通过matlab调用运算进行数据处理。
本实施方式所述的一种列车轮对几何参数在线检测方法能够能快速准确检测列车轮对内径、外径、轮辋宽度、轮缘厚度等几何参数；通过使用基于平面棋盘格-同心圆互补靶标静态高精度标定测量系统中相机内、外参数，确定光平面方程，较传统标定算法所提方法的标定效率和标定精度大幅度提升；在线实际现场测量时，采用基于IMU陀螺仪传感器和改进PID负反馈算法实时补偿相机姿态误差，消除相机自由震动产生的焦面离焦、拍摄角度偏移等情况，使相机拍摄焦面锁定，保持预设拍摄角度。
实施例2
如图4所示，一种列车轮对几何参数在线检测系统，包括第一激光对射传感器1、第二激光对射传感器2和多组图像采集装置，第一激光对射传感器1和第二激光对射传感器2作为激光对射组，对称安装在钢轨21的外侧，获取来车信号。多组图像采集装置设置在第一激光对射传感器1和第二激光对射传感器2的后侧的钢轨21的内侧或外侧，用于采集列车轮对的图像。第一激光对射传感器1、第二激光对射传感器2和若干组图像采集装置均与下位机主控制器进行通信连接，下位机主控制器与上位机通过串口通信。上位机发出控制指令，下位机主控制器开启图像采集装置的激光网格光源补光装置，相机开始采集图像。
每组图像采集装置包括两个相机和两个补光装置，且两个相机间隔一定距离设置。两个相机间隔一定距离是为了增加待测物的测量数据结果，增强系统数据的说服力、验证系统的稳定性，如果较近设置还是对几乎同一位置测量，无测量意义。补光装置对应设置在相机的后侧或外侧，不影响相机的图像采集。相机为高速相机，高速相机采集帧率快，便于在线实时计算待测物参数。补光装置为网格激光光源与补光装置，网格激光光源发射网格激光，网格激光光源发射网格激光可投射至标定靶物，进而可以进行光条中心线提取；补光装置是为了给高速相机增加环境光。
如图4所示，本实施例中包括四组图像采集装置，包括第一组图像采集装置、第二组图像采集装置、第三组图像采集装置和第四组图像采集装置，第一组图像采集装置和第四组图像采集装置分别设置在两个钢轨21的外侧，且第一组图像采集装置和第四组图像采集装置关于两个钢轨21之间的中心线对称。第二组图像采集装置和第三组图像采集装置分别设置在两个钢轨21的外侧，且第二组图像采集装置和第三组图像采集装置关于两个钢轨21之间的中心线对称，因为一组轮对的位置是固定的，这样设置可以保证实时对一组轮对同时进行在线测量。
其中，第一组图像采集装置包括第一相机3、第五相机11、第一补光装置4和第五补光装置12，第一相机3和第五相机11相隔设置在一个钢轨21的外侧，间隔距离一般设置为5m，由实际线路铺设和线路连接决定。第一相机3和第五相机11一般距离钢轨21外侧的距离为2m，第一补光装置4设置在第一相机3的外侧，作为第一相机3的采集光源，第五补光装置12设置第五相机11的外侧，作为第五相机11的的采集光源。第四组图像采集装置包括第三相机7、第三补光装置8、第七相机15、第七补光装置16，第三相机7和第七相机15间隔设置在另一钢轨21的外侧，第三补光装置8设置第三相机7的外侧，第七补光装置16设置第七相机15的外侧，第三相机7与第一相机3关于两个钢轨21之间的中心线对称，第七相机15与第五相机11关于两个钢轨21之间的中心线对称设置。如图5和图6所示，第一组图像采集装置和第四组图像采集装置设置第一相机光源一体保护箱19内，补光装置25设置在第一相机光源一体保护箱19的下部，相机22设置在第一相机光源一体保护箱19的上部。第一相机光源一体保护箱19的中部设有隔板，设置隔板的作用是为了避免信号干扰产生噪声，对高速相机拍摄图像产生噪声影响，影响测量结果；同时，设置隔板避免线路之间发生接触，保证系统的稳定性。
第二组图像采集装置包括第二相机5、第六相机13、第二补光装置6和第六补光装置14，第二相机5、第六相机13相隔设置在一个钢轨21的内侧，间隔距离一般与上面距离同步，设置为5m，第二相机5和第六相机13距离钢轨的距离是50cm、斜向30度放置。第二补光装置6设置在第二相机5的斜后侧，第六补光装置14设置第六相机13的斜后侧。第三组图像采集装置包括第四相机9、第四补光装置10、第八相机17、第八补光装置18，第四相机9和第八相机17间隔设置在另一钢轨21的内侧，第四补光装置10设置第四相机9的斜后侧，第八补光装置18设置第八相机9的斜后侧，第二相机5与第四相机9关于两个钢轨21之间的中心线对称，第六相机13与第八相机17关于两个钢轨21之间的中心线对称。如图6所示，第二组图像采集装置和第三组图像采集装置设置在第二相机光源一体保护箱20，补光装置25设置在第二相机光源一体保护箱20的下部，相机22设置在第二相机光源一体保护箱20的上部，第二相机光源一体保护箱20内补光装置25和相机22的距离较近，补光装置这样设置补偿得环境光更为集中，如果距离较远补光效果较差。
如图6和图7所示，所述第一相机3、第二相机5、第三相机7、第四相机9、第五相机11、第六相机13、第七相机15和第八相机17均安装在二自由度舵机23上，所述第一相机3、第二相机5、第三相机7、第四相机9、第五相机11、第六相机13、第七相机15和第八相机17上均设有IMU陀螺仪传感器24，二自由度舵机23设置与第一相机光源一体保护箱19或第二相机光源一体保护箱20内，IMU陀螺仪传感器24和二自由度舵机23均与下位机主控制器通信连接。当列车经过或环境使得相机光源一体保护箱产生抖动或者震动时候，根据IMU陀螺仪传感器的信号，通过改进PID负反馈算法可以控制二自由度舵机使得相机复位，恢复初始标定位姿进而对待测物进行拍摄图像；如果不采用算法，环境震动、列车震动等影响会使得相机不能正对于待测物拍摄，存在只有部分待测物在视场中。
第一相机3、第一补光装置4、第二相机5、第二补光装置6、第三相机7、第三补光装置8、第四相机9、第四补光装置10、第五相机11、第五补光装置12、第六相机13、第六补光装置14、第七相机15、第七补光装置16、第八相机17、第八补光装置18均与下位机主控制器通信连接。下位机主控制器为高性能计算机，备份保存采集图像的同时高性能计算机利用实施例1的在线检测方法对采集到的图像进行处理提取目标光条中心线，基于静态高精度标定的测量系统中相机内、外参数、光平面方程通过在线实时计算光条中心线信息后输出列车轮对内径、外径、轮辋宽度、轮缘厚度等几何参数，检测结果实时上传。
该实施例中在相机和补光装置的外侧安装钢轨外侧相机光源一体保护箱和钢轨内侧相机光源一体保护箱，避免粉尘、扬尘、风沙、雨水等天气影响干扰设备正常工作，可适用于复杂作业环境。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种列车轮对几何参数在线检测方法，其特征在于，其步骤如下：
(a)基于平面棋盘格-同心圆互补靶标静态标定测量系统的相机的内参数、外参数，确定光平面方程，完成相机的光平面标定；
(b)激光对射传感器获取来车信号，上位机发出指令开启补光装置，并利用光平面标定后的相机采集列车轮对图像；
(c)基于IMU陀螺仪传感器和改进PID负反馈算法实时补偿相机姿态误差；
(d)对采集到的列车轮对图像进行预处理，利用Steger算法在线提取激光光条中心线；
(e)利用步骤(a)得到的光平面方程在线计算列车轮对内径、外径、轮辋宽度、轮缘厚度的几何参数，检测结果实时上传。
2.根据权利要求1所述的列车轮对几何参数在线检测方法，其特征在于，所述步骤(a)的实现方法为：
(a1)列车经过前，在钢轨轮对经过位置放置平面棋盘格-同心圆互补靶标，调整平面棋盘格-同心圆互补靶标高度保持在列车轮对位置高度，多次改变靶标位姿，相机依次采集多幅标定图像；
(a2)利用Matlab读入标定图像的棋盘格角点为输入点，计算相机内参、外参以及单应性矩阵；
(a3)利用相机采集的互补靶标图像，基于非线性优化最优解模型的偏心误差补偿算法得到圆心补偿点坐标；
(a4)当前后两次计算得圆心补偿点位置小于零点零一个像素停止迭代优化，更新求解相机的内参数、外参数，获取从三维世界坐标系到二维图像坐标系的单应性矩阵；
(a5)开启网格激光光源与补光装置，使网格激光投射至平面棋盘格-同心圆互补靶标，利用位姿调节器多次改变靶标位姿，相机依次采集多幅包含光条的图像；
(a6)利用Steger算法对投射在待测物上的光条的中心线进行提取，提取光条中心线上多个三维坐标点信息，应用最小二乘法拟合确定三维相机坐标系OcXcYcZc下线结构光光平面方程，完成光平面标定。
3.根据权利要求2所述的列车轮对几何参数在线检测方法，其特征在于，所述平面棋盘格-同心圆互补靶标包括基板，基板上设有激光直写棋盘格-同心圆互补二维标志靶物，基板固定设置在壳体上，基板的背面设有矩形排列的自背光高亮LED集成光源，壳体的后部设有位姿调节器，位姿调节器与伸缩高度连杆；采集标定图像时，整个平面棋盘格-同心圆互补靶标平面占据相机视场中的二分之一到三分之一的面积；在标定位置前三米距离钢轨一米位置安装激光对射传感器，激光对射传感器获取来车信号传递至下位机主控制器，下位机主控制器通过串口方式与上位机通信，进而控制上位机发出指令开启网格激光光源与补光装置，相机间隔拍摄作业采集来车的轮对图像。
4.根据权利要求2或3所述的列车轮对几何参数在线检测方法，其特征在于，所述步骤(a2)中计算相机内、外参以及单应性矩阵的方法为：
根据针孔相机模型原理，相机投影成像模型表示为：
Figure FDA0004041590260000021
其中，s为比例因子，M1、M2分别表示相机的内参矩阵和外参矩阵，R3×3、T3×1分别表示三维的世界坐标系变换为二维的图像坐标系所对应的旋转矩阵、平移矩阵，fx、fy分别为相机在图像坐标系下u轴和v轴的物理焦距，u0、v0分别表示主点O即图像坐标系的原点在像素坐标系下的相对偏移量；
Figure FDA0004041590260000024
为点在世界坐标系下的齐次坐标，/>
Figure FDA0004041590260000025
为点在二维的像素坐标系下对应像点的齐次坐标；世界坐标系的原点设置在靶标的左上角，像素坐标系的原点建立在图像的左上角，图像坐标系的原点建立在图像的中心；
使用平面棋盘格-同心圆互补靶标标定相机时，将世界坐标系建立在二维标志靶物平面上，zw＝0，相机投影成像模型简化表示为：
Figure FDA0004041590260000022
其中，H为通过标定多张图像计算得到的单应性矩阵；r1、r2、r3分别表示旋转矩阵R3×3的列向量，t表示平移矩阵T3×1的列向量；
相机畸变模型x、y方向上的表达式为：
Figure FDA0004041590260000023
其中，k1,k2,k3是径向畸变的数学表达式系数，p1,p2是切向畸变的数学表达式系数，r是图像坐标点(x,y)到主点O的距离
Figure FDA0004041590260000031
加入畸变因子，寻找三维投影关键点与二维检测点在最小二乘意义下的最小位置差值为目标，建立最优化目标函数为：
Figure FDA0004041590260000032
其中，mij为第i张拍摄图像的第j个关键标志点的像素坐标，m'(M1,ri,ti,Mj')为三维关键标志点Mj'的投影坐标；n是标定图像数量，m是标定图像中关键标志点数量，ri、t i分别表示第i个平移向量、旋转向量；和前面的r1、r2、r3有重叠的部分不重叠，因为都指的是一个量；通过Matlab求解目标函数得到初始的相机的内参、外参以及单应性矩阵。
5.根据权利要求4所述的列车轮对几何参数在线检测方法，其特征在于，所述基于非线性优化最优解模型的偏心误差补偿算法的实现方法为：在像素级边缘约束三个像素单位，亚像素边缘约束半个像素单位，分别对椭圆边缘进行像素级定位和亚像素级定位，其中像素级边缘定位使用一阶图像边缘算子即sobel算子进行，亚像素级定位使用Zernike矩像素定位进行，利用现有的数值分析上的数值拟合方法拟合偏心椭圆方程；根据成像平面圆心真实投影与补偿偏心位置关系，利用三角关系和向量公式，并利用张正友标定方法得到圆心补偿点坐标。
6.根据权利要求5所述的列车轮对几何参数在线检测方法，其特征在于，所述圆心补偿点坐标的计算方法为：
拟合偏心椭圆方程的方法为：
投影椭圆圆心位置的确定方法为：进行椭圆边缘定位，对椭圆边缘使用定位像素级边缘ξ'，应用Zernike矩像素定位亚像素级边缘ξ，在边缘像素带上取点拟合椭圆方程；
在拟合内外偏心圆方程E1、E2时，对像素级边缘ξ'和亚像素级边缘ξ进行像素约束：
Figure FDA0004041590260000033
其中，a1'、b1'、a2'、b2'分别表示拟合内、外偏心椭圆方程的系数；
利用数值拟合方法拟合偏心椭圆方程；
根据三角关系有：
Figure FDA0004041590260000041
r1、r2分别为平面标靶的同心圆的内外圆直径，OcV、Ocv、OcC、OcD、OcA、OcB的长度分别为l、l'、l1、l2、l3、l4，OCV与OC、OD、OA、OB的夹角分别为α1、β1、α2、β2；
根据张正友标定方法，以平面互补标靶的外棋盘格边缘角点为目标，通过Matlab的标定工具标定相机模型参数fx、fy、u0、v0作为迭代优化初始值，由向量公式、世界坐标系与二维的像素坐标系的转换关系可得：
Figure FDA0004041590260000042
Figure FDA0004041590260000043
求得长度l的参数值：
Figure FDA0004041590260000044
其中，V点为平面靶标圆心；通过相似关系确定长度l'的参数值大小；
根据分别为v1、v2，v'为偏心误差算法补偿后的三维投影输入点坐标，
在像素坐标系下，分别将拟合出亚像素点拟合椭圆方程的圆心v1、v2与二维图像平面上靶标圆心真实圆心投影v点带入直线方程确定出直线：L1:A1x+B1y+C1＝0,L2:A2x+B2y+C2＝0；
其中，A1、B1、C1、A2、B2、C2分别表示内、外圆拟合椭圆圆心与圆心真实圆心投影点确定直线方程的系数；
在标定过程中，相机成像平面与标志靶物存在位姿倾角时，点v1、v2与点v间的偏心误差在可行倾角范围内分别存在着二次非线性关系，记v点与
Figure FDA0004041590260000051
以v1为中心建立v1xpyp二维像素坐标系，根据ε'、ε”的权重wt1、wt2确定θ1、θ2的角度比例进而确定补偿点所在直线斜率，j为i张图像中偏心误差的个数，联立点v坐标可得补偿直线L方程：
Figure FDA0004041590260000052
其中，ε'ij、ε”ij分别表示内、外圆每个拟合椭圆圆心与圆心真实圆心投影点的偏心误差大小；
以点v为圆心、
Figure FDA0004041590260000053
为直径的圆与直线L可得焦点v1'，由两偏心椭圆的圆心偏差权重进而对d进行补偿，得到逼近同心圆圆心的真实投影点的补偿位置作为三维投影关键标志输入点坐标(xv'，yv')，偏心误差最优解目标函数为：
Figure FDA0004041590260000054
其中，ε1i表示第i个偏心误差值大小；u表示补偿计算中的均值系数；xv、yv分别表示圆心点v的x、y坐标值；
相机模型重新标定后将标定参数更新迭代初始值，重复执行当前后两次定位点偏心误差误差变化小于阈值条件0.01pixel停止迭代，此时位置点坐标(xv'，yv')为最优的圆心补偿点。
7.根据权利要求5或6所述的列车轮对几何参数在线检测方法，其特征在于，所述光条的中心线的获取方法为：
利用Steger算法提取像素坐标系下图像中网格激光投射至平面棋盘格-同心圆互补靶标上形成的光条的直线方程lab：
a'u+b'v+c'＝0
其中，a'、b'、c'是直线方程lab的系数，(u,v)是二维像素坐标系下的坐标；
通过相机外参数的坐标变换关系，得到在三维相机坐标系OcXcYcZc下光条中心线方程式为：
Figure FDA0004041590260000061
其中，ac1、bc1、cc1、dc1为三维相机坐标系OcXcYcZc下二维标志靶物平面方程系数，a1'、b1'、c1'三维相机坐标系下的直线方程的系数，(xc,yc,zc)为三维相机坐标系OcXcYcZc下的坐标，f为相机内参焦距。
8.根据权利要求7所述的列车轮对几何参数在线检测方法，其特征在于，根据IMU陀螺仪传感器的信号，通过改进PID负反馈算法控制二自由度舵机使得相机复位，恢复初始标定位姿进而对待测物进行拍摄图像；所述改进PID负反馈算法中比例、积分、微分前置加入低通滤波器，滤除高频抖动信号、尖峰信号的干扰信息；IMU陀螺仪传感器与预设主轴方向角度实时进行比较计算，调整相机恢复预设角度，使相机拍摄焦面锁定，保持预设拍摄角度；所述预处理包括：图像灰度处理、二值化处理、对比度增强，利用高通滤波器进行图像去噪，消除图像上的杂散光干扰信息；通过确定的单应性矩阵在线计算转化得到列车轮对的内径、外径、轮辋宽度、轮缘厚度的几何参数；对两个相机采集的图像的多个测量值进行均值计算，然后输出列车轮对内径、外径、轮辋宽度、轮缘厚度等几何参数的最大值、最小值、平均值的三个参数值。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的列车轮对几何参数在线检测方法的检测系统，其特征在于，包括第一激光对射传感器(1)、第二激光对射传感器(2)和多组图像采集装置，第一激光对射传感器(1)和第二激光对射传感器(2)作为激光对射组对称安装在钢轨(21)的外侧，获取来车信号；所述多组图像采集装置分别设置在第一激光对射传感器(1)和第二激光对射传感器(2)的后侧的钢轨(21)的内侧或外侧，用于采集列车轮对的图像；所述第一激光对射传感器(1)、第二激光对射传感器(2)和若干组图像采集装置均与下位机主控制器进行通信连接，下位机主控制器与上位机通过串口通信。
10.根据权利要求9所述的列车轮对几何参数在线检测方法的检测系统，其特征在于，所述每组图像采集装置包括两个相机和两个补光装置，且两个相机间隔一定距离设置；两个相机间隔一定距离是为了增加待测物的测量数据结果，增强系统数据的说服力、验证系补光装置对应设置在相机的后侧或外侧；所述相机为高速相机，高补光装置为网格激光光源与补光装置，网格激光光源发射网格激光，网格激光光源发射网格激光可投射至标定靶物；
所述图像采集装置的数量设有四组，包括第一组图像采集装置、第二组图像采集装置、第三组图像采集装置和第四组图像采集装置，第一组图像采集装置和第四组图像采集装置分别设置在两个钢轨(21)的外侧，且第一组图像采集装置和第四组图像采集装置关于两个钢轨(21)之间的中心线对称；第二组图像采集装置和第三组图像采集装置分别设置在两个钢轨(21)的外侧，且第二组图像采集装置和第三组图像采集装置关于两个钢轨(21)之间的中心线对称；所述第一组图像采集装置和第四组图像采集装置设置第一相机光源一体保护箱(19)内，补光装置设置在第一相机光源一体保护箱(19)的下部，相机设置在第一相机光源一体保护箱(19)的上部；所述第一相机光源一体保护箱(19)的中部设有隔板；所述第二组图像采集装置和第三组图像采集装置设置在第二相机光源一体保护箱(20)，补光装置设置在第二相机光源一体保护箱(20)的下部，相机设置在第二相机光源一体保护箱(20)的上部；
所述第一组图像采集装置包括第一相机(3)、第五相机(11)、第一补光装置(4)和第五补光装置(12)，第一相机(3)和第五相机(11)相隔设置在一个钢轨(21)的外侧；所述第一补光装置(4)设置在第一相机(3)的外侧，第五补光装置(12)设置第五相机(11)的外侧；所述第四组图像采集装置包括第三相机(7)、第三补光装置(8)、第七相机(15)、第七补光装置(16)，第三相机(7)和第七相机(15)间隔设置在另一钢轨(21)的外侧，第三补光装置(8)设置第三相机(7)的外侧，第七补光装置(16)设置第七相机(15)的外侧，第三相机(7)与第一相机(3)关于两个钢轨(21)之间的中心线对称，第七相机(15)与第五相机(11)关于两个钢轨(21)之间的中心线对称设置；
所述第二组图像采集装置包括第二相机(5)、第六相机(13)、第二补光装置(6)和第六补光装置(14)，第二相机(5)、第六相机(13)相隔设置在一个钢轨(21)的内侧，第二补光装置(6)设置在第二相机(5)的斜后侧，第六补光装置(14)设置第六相机(13)的斜后侧；所述第三组图像采集装置包括第四相机(9)、第四补光装置(10)、第八相机(17)、第八补光装置(18)，第四相机(9)和第八相机(17)间隔设置在另一钢轨(21)的内侧，第四补光装置(10)设置第四相机(9)的斜后侧，第八补光装置(18)设置第八相机(9)的斜后侧；所述第二相机(5)与第四相机(9)关于两个钢轨(21)之间的中心线对称，第六相机(13)与第八相机(17)关于两个钢轨(21)之间的中心线对称；
所述第一相机(3)、第二相机(5)、第三相机(7)、第四相机(9)、第五相机(11)、第六相机(13)、第七相机(15)和第八相机(17)均安装在二自由度舵机(23)上，所述第一相机(3)、第二相机(5)、第三相机(7)、第四相机(9)、第五相机(11)、第六相机(13)、第七相机(15)和第八相机(17)上均设有IMU陀螺仪传感器(24)，第一相机(3)、第一补光装置(4)、第二相机(5)、第二补光装置(6)、第三相机(7)、第三补光装置(8)、第四相机(9)、第四补光装置(10)、第五相机(11)、第五补光装置(12)、第六相机(13)、第六补光装置(14)、第七相机(15)、第七补光装置(16)、第八相机(17)、第八补光装置(18)、IMU陀螺仪传感器(24)和二自由度舵机(23)均与下位机主控制器通信连接。
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