軌道車輛外部輪廓非接觸式檢測方法
2023-06-12 04:38:01 2
軌道車輛外部輪廓非接觸式檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種軌道車輛外部輪廓非接觸式檢測方法，所述方法包括採用數位相機獲取被測車輛外部輪廓的數碼照片，對數碼照片進行分析計算和處理，繪製出被測車輛的外輪廓圖形，與標準的外輪廓圖形進行比較，實現對被測車輛外部輪廓幾何尺寸進行非接觸式的檢測；所述方法還包括以下步驟：1）設備準備、2）建立坐標體系、3）設置採集點、4）獲取數碼照片、5）圖像處理和6）輸出結果。本發明方法科學合理，對軌道車輛的外部輪廓進行非接觸檢測，對軌道車輛不造成任何損傷，無環境汙染，抗幹擾能力強，精度高，能夠實時完成數據採集、保存、分析處理，工作效率高。
【專利說明】軌道車輛外部輪廓非接觸式檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於鐵道車輛安全檢測【技術領域】，具體涉及一種基於機器視覺檢測技術的 軌道車輛外部輪廓非接觸式檢測方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著我國高速鐵路和城市軌道交通迅速發展，以及人民生活質量的不斷 提高，加之我國軌道交通裝備正在實施的"走出去"戰略，都對新造軌道車輛輪廓製造精度 提出了更高的要求。目前，根據GB/T 16904《標準軌距鐵路機車車輛限界檢查》的規定，對 於軌道車輛車體外部輪廓尺寸的測量，我國仍在使用限界規，該種方法費時費力，且檢測精 度難以得到保證，因此，對於新造軌道車輛車體表面輪廓尺寸的檢測問題已成為一個亟待 解決的技術難題。限界規分為上部規和下部規，上部規由鋼結構框架、中心調節器、葉板及 伸縮調整定位裝置、雙向擺動及中心復位機構、非接觸傳感器及其封閉安裝盒等部件組成， 用以檢測車體頂部及側面的尺寸及幾何量信息；下部規由三維可調支座、葉板與支承軸承、 雙向擺動及其中心復位裝置等部件組成。測量時被檢車輛以小於5km/h的速度通過標準軌 距鐵路機車車輛檢查區段，通過葉板的伸縮量進行測量。限界規檢測主要有以下其不足之 處:①限界規安裝調整的過程極為複雜，操作需人工參與，步驟繁瑣、效率低下；@測量點 數有限，測量結果可信度差，無法對測量數據進行自動保存、計算和管理；(!)無法獲得整車 的外部輪廓；?檢測時，需在限界規前後各預留一倍車長的檢查區段，增加了測量的空間 範圍。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在於克服現有技術的不足，針對新造軌道車輛外部輪廓檢測精度不 高、效率低下等問題，基於機器視覺理論和仿射幾何原理，提供了一種能夠實現軌道車輛外 部輪廓測量自動化的，能夠對測量數據進行分析、評定和管理的，減少試驗人員數量，提高 檢測水平的軌道車輛外部輪廓非接觸式檢測方法。
[0004] 本發明的目的是通過以下技術方案予以實現： 所述方法包括採用數位相機獲取被測車輛外部輪廓的數碼照片，對數碼照片進行分析 計算和處理，繪製出被測車輛的外輪廓圖形，與標準的外輪廓圖形進行比較，實現對被測車 輛外部輪廓幾何尺寸進行非接觸式的檢測； 所述方法還包括以下步驟： 1)設備準備：設置一個龍門架，龍門架內能夠通過被測車輛，被測車輛配置步進控制的 牽引裝置；龍門架的立柱和頂部橫梁上安裝若干個照明燈光和若干個檢測裝置；每個照明 燈光均面向被測車輛；每個檢測裝置包括數位相機和線光源，線光源垂直面對被測車輛，數 碼相機以固定角度傾斜面對被測車輛；線光源的照射區落入數位相機的成像區內；所有線 光源的中心線均位於被測車輛的同一橫截面內；所有數位相機的成像區相疊加能夠完全覆 蓋被測車輛的同一橫截面處的兩側和頂部；各檢測裝置和牽引裝置的控制部分均與中央控 制裝置電連接，中央控制裝置包括微處理器、儲存單元、輸入接口和輸出接口，安裝專用軟 件，程序控制照明燈光、數位相機、線光源和牽引裝置，採集、分析處理並保存數據； 2) 建立坐標體系：以被測車輛的長度方向為X軸，以被測車輛所在軌道水平面為Y軸， 以被測車輛橫截面的垂直中心線為Z軸，XYZ坐標體系的O點位於被測車輛的指定端部的 橫截面內； 3) 設置採集點：從XYZ坐標體系的O點開始，對於被測車輛外表面有小尺寸零部件的 部位，沿X軸方向的拍攝採集間距為3-10毫米，對於被測車輛的其他部位，沿X軸方向的拍 攝採集間距為10-200毫米，最後將M個檢測橫截面作為M個採集點標註在X軸上，並保存 它們編號及其在X軸上的坐標值； 4) 獲取數碼照片：採集點的編號從1開始直到M結束，在某個採集點，照明燈光始終 處於工作狀態，先後拍攝並保存背景圖像和目標圖像共兩張數碼照片：在線光源關閉的狀 態下獲取背景圖像，在線光源打開的狀態下獲取目標圖像；獲取數碼照片選用以下方式之 4A、程序控制被測車輛以間歇方式沿X軸行進，在每個採集點處停留並獲取數碼照片： 4B、程序控制被測車輛以勻速方式沿X軸行進，根據速度和相鄰兩採集點在X軸上的間 距確定獲取照片的時間間隔，程序按照時間間隔獲取數碼照片： 4C、程序控制被測車輛連續沿X軸行進，對於被測車輛外表面有小尺寸零部件的部位， 被測車輛行進速度為每秒3-10毫米，對於被測車輛的其他部位，被測車輛行進速度為每秒 10-200毫米，根據速度和相鄰兩採集點在X軸上的間距確定獲取照片的時間間隔，程序按 照時間間隔獲取數碼照片： 5) 圖像處理，採用以下方式之一： 5A、實時處理：在數碼照片獲取過程中，採集點的編號從1開始直到M結束，對於每個 採集點處對應的背景圖像和目標圖像實時進行差分處理，進一步經過幾何計算處理，在XYZ 坐標體系中繪製出該檢測截面的兩個側面和頂部的外輪廓線，最後完成M條外輪廓線； 5B、集中處理：在M個採集點的數碼照片全部拍攝完成後，採集點的編號從1開始直到 M結束，對於每個採集點處對應的背景圖像和目標圖像逐一進行差分處理，進一步經過幾何 計算處理，在XYZ坐標體系中逐一繪製出各檢測截面的兩個側面和頂部的外輪廓線，總共M 條外輪廓線； 6) 輸出結果，根據比較的基準不同，能夠輸出以下結果： 6A、以標準限界為比較基準，將M條外輪廓線逐條與標準限界尺寸相比較，輸出被測車 輛實測外輪廓尺寸超出限界部位的坐標及超限尺寸； 6B、以設計圖紙為比較基準，將M條外輪廓線逐條與設計圖紙尺寸相比較，繪製出被測 車輛實測外輪廓尺寸的誤差圖。
[0005] 所述檢測裝置還配置一部數位相機，兩部數位相機在線光源的線條光線的中心線 兩側對稱布置，兩部數位相機同步工作，在步驟"4)獲取數碼照片"時，同一採集點處獲取的 背景圖像和目標圖像各兩張，在步驟"5)圖像處理"時，同一採集點處的兩根外輪廓線進行 平均化處理，以提高檢測精度。
[0006] 所述龍門架在中央控制裝置的程序控制下能夠沿X軸行走。
[0007] 所述數位相機配置濾光片。
[0008] 所述檢測裝置能夠沿Y軸和Z軸移動調整固定。
[0009] 與現有技術相比，本發明具有以下優點：所述方法科學合理，對軌道車輛的外部輪 廓進行非接觸檢測，對軌道車輛不造成任何損傷，無環境汙染，抗幹擾能力強，精度高，能夠 實時完成數據採集、保存、分析處理，工作效率高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發明檢測方法的流程框圖； 圖2為本發明一實施例的採用設備裝置的配置示意圖； 圖3為圖2的俯視示意圖，移去龍門架的頂部橫梁； 圖4為圖2的A-A放大示意圖； 圖中：1-軌道及地基，2-行走裝置，3-檢測裝置，4-龍門架，5-被測車輛，6-中央控制 裝置，7-數位相機，8-線光源。
【具體實施方式】
[0011] 下面結合附圖，對本發明檢測方法的【具體實施方式】作進一步詳細說明。
[0012] 參考附圖：所述方法包括採用數位相機獲取被測車輛5外部輪廓的數碼照片，對 數碼照片進行分析計算和處理，繪製出被測車輛5的外輪廓圖形，與標準的外輪廓圖形進 行比較，實現對被測車輛5外部輪廓幾何尺寸進行非接觸式的檢測； 所述方法還包括以下步驟： 1) 設備準備：設置一個龍門架4,龍門架4內能夠通過被測車輛5,被測車輛5配置步 進控制的牽引裝置；龍門架4的立柱和頂部橫梁上安裝若干個照明燈光和若干個檢測裝置 3 ;每個照明燈光均面向被測車輛5 ;每個檢測裝置3包括數位相機7和線光源8,線光源8 垂直面對被測車輛5,數位相機7以固定角度傾斜面對被測車輛5 ;線光源8的照射區落入 數位相機7的成像區內；所有線光源8的中心線均位於被測車輛5的同一橫截面內；所有 數位相機7的成像區相疊加能夠完全覆蓋被測車輛5的同一橫截面處的兩側和頂部；各檢 測裝置3和牽引裝置的控制部分均與中央控制裝置6電連接，中央控制裝置6包括微處理 器、儲存單元、輸入接口和輸出接口，安裝專用軟體，程序控制照明燈光、數位相機7、線光源 8和牽引裝置，採集、分析處理並保存數據； 2) 建立坐標體系：以被測車輛5的長度方向為X軸，以被測車輛5所在軌道水平面為 Y軸，以被測車輛5橫截面的垂直中心線為Z軸，XYZ坐標體系的0點位於被測車輛5的指 定端部的橫截面內； 3) 設置採集點：從XYZ坐標體系的0點開始，對於被測車輛5外表面有小尺寸零部件 的部位，沿X軸方向的拍攝採集間距為3-10毫米，對於被測車輛5的其他部位，沿X軸方向 的拍攝採集間距為10-200毫米，最後將M個檢測橫截面作為M個採集點標註在X軸上，並 保存它們編號及其在X軸上的坐標值； 4) 獲取數碼照片：採集點的編號從1開始直到M結束，在某個採集點，照明燈光始終處 於工作狀態，先後拍攝並保存背景圖像和目標圖像共兩張數碼照片：在線光源8關閉的狀 態下獲取背景圖像，在線光源8打開的狀態下獲取目標圖像；獲取數碼照片選用以下方式 之一： 4A、程序控制被測車輛5以間歇方式沿X軸行進，在每個採集點處停留並獲取數碼照 片： 4B、程序控制被測車輛5以勻速方式沿X軸行進，根據速度和相鄰兩採集點在X軸上的 間距確定獲取照片的時間間隔，程序按照時間間隔獲取數碼照片： 4C、程序控制被測車輛5連續沿X軸行進，對於被測車輛5外表面有小尺寸零部件的 部位，被測車輛5行進速度為每秒3-10毫米，對於被測車輛5的其他部位，被測車輛5行進 速度為每秒10-200毫米，根據速度和相鄰兩採集點在X軸上的間距確定獲取照片的時間間 隔，程序按照時間間隔獲取數碼照片： 5) 圖像處理，採用以下方式之一： 5A、實時處理：在數碼照片獲取過程中，採集點的編號從1開始直到M結束，對於每個 採集點處對應的背景圖像和目標圖像實時進行差分處理，進一步經過幾何計算處理，在XYZ 坐標體系中繪製出該檢測截面的兩個側面和頂部的外輪廓線，最後完成M條外輪廓線； 5B、集中處理：在M個採集點的數碼照片全部拍攝完成後，採集點的編號從1開始直到 M結束，對於每個採集點處對應的背景圖像和目標圖像逐一進行差分處理，進一步經過幾何 計算處理，在XYZ坐標體系中逐一繪製出各檢測截面的兩個側面和頂部的外輪廓線，總共M 條外輪廓線； 6) 輸出結果，根據比較的基準不同，能夠輸出以下結果： 6A、以標準限界為比較基準，將M條外輪廓線逐條與標準限界尺寸相比較，輸出被測車 輛5實測外輪廓尺寸超出限界部位的坐標及超限尺寸； 6B、以設計圖紙為比較基準，將M條外輪廓線逐條與設計圖紙尺寸相比較，繪製出被測 車輛5實測外輪廓尺寸的誤差圖。
[0013] 所述檢測裝置3還配置一部數位相機7,兩部數位相機7在線光源8的線條光線的 中心線兩側對稱布置，兩部數位相機7同步工作，在步驟"4)獲取數碼照片"時，同一採集點 處獲取的背景圖像和目標圖像各兩張，在步驟"5)圖像處理"時，同一採集點處的兩根外輪 廓線進行平均化處理，以提高檢測精度。
[0014] 所述龍門架4在中央控制裝置6的程序控制下能夠沿X軸行走。
[0015] 所述數位相機7配置濾光片。
[0016] 所述檢測裝置3能夠沿Y軸和Z軸移動調整固定。
[0017] 軌道及地基1 :地基上鋪設兩種軌道，一種是被測車輛5的軌道，另外一種為龍門 架4的行走裝置2的軌道。
[0018] 行走裝置2 :安裝在龍門架4的底部，能夠帶動龍門架4前進或者後退。
[0019] 檢測裝置3 :檢測被測車輛5的外部輪廓的光學裝置，包括數位相機7和線光源8。
[0020] 龍門架4 :安裝照明燈光和檢測裝置3的載體。
[0021] 被測車輛5 :新造車輛，或者大修後的車輛。
[0022] 中央控制裝置6:包括微處理器、儲存單元、輸入接口和輸出接口，安裝專用軟體， 程序控制照明燈光、數位相機7、線光源8和牽引裝置，採集、分析處理並保存數據。
[0023] 數位相機7 :採用現有技術的數位相機，解析度不低於768X576。
[0024] 線光源8 :採用現有技術的線光源。
[0025] 照明燈光：採用現有技術的照明燈光。
[0026] 濾光片：採用現有技術的濾光片。
[0027] 在以下實施例中：被測車輛5從指定端部到另外一個端部的長度為25000毫米。
[0028] 實施例1 : 1) 設備準備：設置一個龍門架4,龍門架4內能夠通過被測車輛5,被測車輛5配置步 進控制的牽引裝置；龍門架4的立柱和頂部橫梁上安裝若干個照明燈光和若干個檢測裝置 3 ;每個照明燈光均面向被測車輛5 ;每個檢測裝置3包括數位相機7和線光源8,線光源8 垂直面對被測車輛5,數位相機7以固定角度傾斜面對被測車輛5 ;線光源8的照射區落入 數位相機7的成像區內；所有線光源8的中心線均位於被測車輛5的同一橫截面內；所有 數位相機7的成像區相疊加能夠完全覆蓋被測車輛5的同一橫截面處的兩側和頂部；各檢 測裝置3和牽引裝置的控制部分均與中央控制裝置6電連接，中央控制裝置6包括微處理 器、儲存單元、輸入接口和輸出接口，安裝專用軟體，程序控制照明燈光、數位相機7、線光源 8和牽引裝置，採集、分析處理並保存數據； 2) 建立坐標體系：以被測車輛5的長度方向為X軸，以被測車輛5所在軌道水平面為 Y軸，以被測車輛5橫截面的垂直中心線為Z軸，XYZ坐標體系的0點位於被測車輛5的指 定端部的橫截面內； 3) 設置採集點：從XYZ坐標體系的0點開始，對於被測車輛5外表面有小尺寸零部件 的部位，沿X軸方向的拍攝採集間距為3毫米，對於被測車輛5的其他部位，沿X軸方向的 拍攝採集間距為100毫米，最後將M個檢測橫截面作為M個採集點標註在X軸上，並保存它 們編號及其在X軸上的坐標值； 4) 獲取數碼照片：採集點的編號從1開始直到M結束，在某個採集點，照明燈光始終處 於工作狀態，先後拍攝並保存背景圖像和目標圖像共兩張數碼照片：在線光源8關閉的狀 態下獲取背景圖像，在線光源8打開的狀態下獲取目標圖像；獲取數碼照片選用以下方式： 4A、程序控制被測車輛5以間歇方式沿X軸行進，在每個採集點處停留並獲取數碼照 片： 5) 圖像處理，實時處理：在數碼照片獲取過程中，採集點的編號從1開始直到M結束， 對於每個採集點處對應的背景圖像和目標圖像實時進行差分處理，進一步經過幾何計算處 理，在XYZ坐標體系中繪製出該檢測截面的兩個側面和頂部的外輪廓線，最後完成M條外輪 廓線； 6) 輸出結果，以標準限界為比較基準，將M條外輪廓線逐條與標準限界尺寸相比較，輸 出被測車輛5實測外輪廓尺寸超出限界部位的坐標及超限尺寸； 實施例2 : 與實施例1基本相同，不同的是：檢測裝置3還配置一部數位相機7，兩部數位相機7在 線光源8的線條光線的中心線兩側對稱布置，兩部數位相機7同步工作，在步驟"4)獲取數 碼照片"時，同一採集點處獲取的背景圖像和目標圖像各兩張，在步驟"5)圖像處理"時，同 一採集點處的兩根外輪廓線進行平均化處理，以提高檢測精度。
【權利要求】
1. 一種軌道車輛外部輪廓非接觸式檢測方法，所述方法包括採用數位相機獲取被測車 輛（5)外部輪廓的數碼照片，對數碼照片進行分析計算和處理，繪製出被測車輛（5)的外輪 廓圖形，與標準的外輪廓圖形進行比較，實現對被測車輛（5)外部輪廓幾何尺寸進行非接觸 式的檢測； 其特徵在於：所述方法還包括以下步驟： 1) 設備準備：設置一個龍門架（4 )，龍門架（4 )內能夠通過被測車輛（5 )，被測車輛（5 ) 配置步進控制的牽引裝置；龍門架（4)的立柱和頂部橫梁上安裝若干個照明燈光和若干個 檢測裝置（3);每個照明燈光均面向被測車輛（5);每個檢測裝置（3)包括數位相機（7)和 線光源（8 )，線光源（8 )垂直面對被測車輛（5 )，數位相機（7 )以固定角度傾斜面對被測車輛 (5) ;線光源（8)的照射區落入數位相機（7)的成像區內；所有線光源（8)的中心線均位於被 測車輛（5)的同一橫截面內；所有數位相機（7)的成像區相疊加能夠完全覆蓋被測車輛（5) 的同一橫截面處的兩側和頂部；各檢測裝置（3)和牽引裝置的控制部分均與中央控制裝置 (6) 電連接，中央控制裝置（6)包括微處理器、儲存單元、輸入接口和輸出接口，安裝專用軟 件，程序控制照明燈光、數位相機（7)、線光源（8)和牽引裝置，採集、分析處理並保存數據； 2) 建立坐標體系：以被測車輛（5)的長度方向為X軸，以被測車輛（5)所在軌道水平 面為Y軸，以被測車輛（5)橫截面的垂直中心線為Z軸，XYZ坐標體系的0點位於被測車輛 (5)的指定端部的橫截面內； 3) 設置採集點：從XYZ坐標體系的0點開始，對於被測車輛（5)外表面有小尺寸零部件 的部位，沿X軸方向的拍攝採集間距為3-10毫米，對於被測車輛（5)的其他部位，沿X軸方 向的拍攝採集間距為10-200毫米，最後將Μ個檢測橫截面作為Μ個採集點標註在X軸上， 並保存它們編號及其在X軸上的坐標值； 4) 獲取數碼照片：採集點的編號從1開始直到Μ結束，在某個採集點，照明燈光始終處 於工作狀態，先後拍攝並保存背景圖像和目標圖像共兩張數碼照片：在線光源（8)關閉的 狀態下獲取背景圖像，在線光源（8)打開的狀態下獲取目標圖像；獲取數碼照片選用以下 方式之一： 4Α、程序控制被測車輛（5)以間歇方式沿X軸行進，在每個採集點處停留並獲取數碼照 片； 4Β、程序控制被測車輛（5)以勻速方式沿X軸行進，根據速度和相鄰兩採集點在X軸上 的間距確定獲取照片的時間間隔，程序按照時間間隔獲取數碼照片； 4C、程序控制被測車輛（5)連續沿X軸行進，對於被測車輛（5)外表面有小尺寸零部件 的部位，被測車輛（5)行進速度為每秒3-10毫米，對於被測車輛（5)的其他部位，被測車輛 (5)行進速度為每秒10-200毫米，根據速度和相鄰兩採集點在X軸上的間距確定獲取照片 的時間間隔，程序按照時間間隔獲取數碼照片； 5) 圖像處理，採用以下方式之一： 5Α、實時處理：在數碼照片獲取過程中，採集點的編號從1開始直到Μ結束，對於每個 採集點處對應的背景圖像和目標圖像實時進行差分處理，進一步經過幾何計算處理，在ΧΥΖ 坐標體系中繪製出該檢測截面的兩個側面和頂部的外輪廓線，最後完成Μ條外輪廓線； 5Β、集中處理：在Μ個採集點的數碼照片全部拍攝完成後，採集點的編號從1開始直到 Μ結束，對於每個採集點處對應的背景圖像和目標圖像逐一進行差分處理，進一步經過幾何 計算處理，在XYZ坐標體系中逐一繪製出各檢測截面的兩個側面和頂部的外輪廓線，總共Μ 條外輪廓線； 6)輸出結果，根據比較的基準不同，能夠輸出以下結果： 6Α、以標準限界為比較基準，將Μ條外輪廓線逐條與標準限界尺寸相比較，輸出被測車 輛（5)實測外輪廓尺寸超出限界部位的坐標及超限尺寸； 6Β、以設計圖紙為比較基準，將Μ條外輪廓線逐條與設計圖紙尺寸相比較，繪製出被測 車輛（5 )實測外輪廓尺寸的誤差圖。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於：所述檢測裝置（3)還配置另一部數位相機 (7)，兩部數位相機（7)在線光源（8)的線條光線的中心線兩側對稱布置，兩部數位相機（7) 同步工作，在步驟"4)獲取數碼照片"時，同一採集點處獲取的背景圖像和目標圖像各兩張， 在步驟"5)圖像處理"時，同一採集點處的兩根外輪廓線進行平均化處理，以提高檢測精度。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於：所述龍門架（4)在中央控制裝置（6) 的程序控制下能夠沿X軸行走。
4. 根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於：所述數位相機（7)配置濾光片。
5. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於：所述數位相機（7)配置濾光片。
6. 根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於：所述檢測裝置（3)能夠沿Υ軸和Ζ軸 移動調整固定。
7. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於：所述檢測裝置（3)能夠沿Υ軸和Ζ軸移動 調整固定。
8. 根據權利要求4所述的方法，其特徵在於：所述檢測裝置（3)能夠沿Υ軸和Ζ軸移動 調整固定。
9. 根據權利要求5所述的方法，其特徵在於：所述檢測裝置（3)能夠沿Υ軸和Ζ軸移動 調整固定。
【文檔編號】G06T7/60GK104239904SQ201410504101
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月28日 優先權日:2014年9月28日
【發明者】魯寨軍, 梁習鋒, 劉應龍, 高廣軍, 王前選, 周偉, 李志偉, 言正明, 黃磊 申請人:中南大學