CN102901457B - 一种列车车轮直径动态测量方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车车轮直径动态测量方法，包括：沿列车轨道对称布置线结构光视觉传感器，获取列车车轮和车轴断面轮廓光条图像；由车轮断面轮廓光条与轮辋内侧对应的直线段确定轮辋内侧面方程，由车轴断面轮廓光条确定车轴轴线方程，轴线与轮辋内侧面相交计算出轮缘顶点圆圆心的内侧面投影坐标；由轮缘顶点圆圆心和轮缘顶点在轮辋内侧面投影坐标计算轮缘顶点圆直径；由车轮断面内外侧局部轮廓光条恢复车轮完整的断面轮廓，计算轮缘高度；用轮缘顶点圆直径减去两倍的轮缘高度得到车轮直径。本发明同时公开了一种列车车轮直径动态测量***，采用本发明方法及***可对列车车轮直径进行非接触式的高精度动态测量。

Description

一种列车车轮直径动态测量方法及***

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种列车车轮直径动态测量方法及***。

背景技术

随着我国铁路运输向着高速、大密度、重载方向发展，列车车轮的踏面和轮缘的磨损日益严重，导致车轮直径发生变化，使车轮与钢轨之间的配合关系发生改变，不仅加剧了列车轮对结构部件的伤损，导致较高的铁路运输成本，而且直接影响铁路运输安全。为保证列车运行安全，铁道部门规定运行列车要定期对车轮状态进行检测，以决定车轮的段修和报废。

车轮直径是列车车轮状态检测的重要参数，由于它的尺寸较大，不同型号车轮直径相差较大，难以用普通量具直接测量，是车轮众多几何参数中较难精确测量的参数。

目前，国内在列车车轮直径测量方面仍停留在静态测量阶段，静态测量分为人工手动测量和自动测量装置测量。长期以来，国内铁路部门对列车车轮直径的检测都是采用专用轮径尺进行人工手动测量，自动化程度和工作效率不高，并且受人为因素影响很大，不能满足当前铁路运行的要求。

对于自动测量装置，如公告号为CN2463262Y、CN2863584Y、CN2511564Y等专利文件中公布的测量装置，多采用接触机械式或非接触视觉的方法测量车轮直径，但这些装置一般需要使用复杂的机械结构将车轮支起并控制车轮旋转，因此这类装置只能安装在检修厂内，需要将车轮从列车上卸下运至测量场地，大大增加了劳动量，而且占用机车周转时间，无法及时了解车轮在运行中的质量状况。

为及时了解列车在运行中车轮直径的情况，国内外学者和研究机构对车轮直径动态测量的方法进行了研究。公告号为CN101219672B的发明专利公布的“基于激光的车轮直径非接触式动态测量方法”，采用两个激光位移传感器直接照射车轮踏面滚动圆，通过传感器安装位置的几何关系测量车轮直径。该装置需要激光位移传感器准确照射在车轮踏面滚动圆上，所以，要严格保证传感器安装在正确的位置上，对现场安装提出了较高要求，难以达到理想精度。公告号为CN100396529C的发明专利公布的“列车轮对尺寸在线检测方法及装置”，在每根钢轨的两侧对称设置两对间隔距离一定的激光位移探测器，采用弓高弦长的方法测量列车车轮直径。该装置需要准确保证激光位移探测器之间的距离和距轨面的高度，而且需要准确测量车速，现场难以精确实现。在专利号为CN100449259C、US5936737、US5247338、US4932784等的专利文件中提出了采用结构光和电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)动态测量列车车轮直径的方法，但这些方法都存在的共同问题是：

1)需要通过精密的机械结构保证各传感器之间的几何关系，一方面增加了机械加工成本，另一方面对现场安装提出了较高要求；

2)采用直接测量踏面滚动圆直径的方法，定位测量点非常困难；

3)采用对小圆弧内多个踏面基点进行圆拟合的方法测量直径，其特征点的提取对测量精度影响非常大，难以保证测量精度；

4)测量的动态性不高，一般只能测量车速为10-30km/h的列车车轮直径。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种列车车轮直径动态测量方法及***，能够在机械加工成本较低、对现场安装要求较低的条件下，保障测量精度，在列车快速通过测量区域时准确测量列车车轮直径。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种列车车轮直径动态测量方法，该方法包括：

在列车钢轨两侧，沿轨道对称布置线结构光视觉传感器，构成车轮观测传感器和车轴观测传感器，分别获取车轮断面轮廓光条图像和车轴断面轮廓光条图像；

根据车轮断面轮廓光条上与轮辋内侧对应的直线段确定轮辋内侧面方程，根据车轴断面轮廓光条确定车轴轴线方程，轴线与轮辋内侧面相交计算出车轮轮缘顶点圆圆心在轮辋内侧面投影坐标；

根据车轮断面轮廓光条确定车轮轮缘顶点在轮辋内侧面投影坐标，结合车轮轮缘顶点圆圆心坐标，计算车轮轮缘顶点圆直径；

由车轮断面内外侧局部轮廓光条恢复车轮完整的断面轮廓，计算车轮轮缘高度；

用车轮轮缘顶点圆直径减去两倍的轮缘高度得到车轮直径。

所述车轮观测传感器中，对于钢轨的每一侧，由一对以上车轮观测传感器沿钢轨对称布置构成车轮踏面观测传感器，分别从车轮内侧和外侧获取车轮同一断面的局部断面轮廓光条图像，另外的车轮观测传感器分布在钢轨内侧，获取车轮其它断面轮廓光条图像；所述车轴观测传感器，沿轨道枕木分布在两根枕木之间，获取车轴断面轮廓光条图像。

所述根据车轮断面轮廓光条上与轮辋内侧对应的直线段确定轮辋内侧面方程之前，进一步包括：对测量***进行标定，并计算各轮廓光条在各线结构光视觉传感器对应光平面坐标系下的坐标。

所述对测量***进行标定，包括：各线结构光视觉传感器的CCD摄像机内部参数的标定，各线结构光视觉传感器结构参数的标定，各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量的标定。

所述计算各轮廓光条在各线结构光视觉传感器对应光平面坐标系下的坐标，包括：

提取各轮廓光条中心图像坐标；

根据线结构光视觉传感器数学模型和各线结构光视觉传感器的CCD摄像机内部参数和结构参数，计算各轮廓光条点在对应CCD摄像机坐标系下的坐标；

在各线结构光视觉传感器的激光平面建立光平面坐标系，确定各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；

将各轮廓光条在对应CCD摄像机坐标系下的坐标转换到对应光平面坐标系下，确定各轮廓光条在对应光平面坐标系下坐标。

所述计算轮缘顶点圆圆心在轮辋内侧面投影坐标，包括：

根据车轮观测传感器从钢轨内侧获取的车轮断面轮廓光条在对应光平面坐标系下的坐标，搜索车轮断面轮廓光条上与轮辋内侧对应的直线段光条点，确定各轮廓轮辋内侧直线段光条点在对应光平面坐标系下的坐标；

根据各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量的逆变换和各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量，将各轮廓轮辋内侧直线段光条点坐标统一到全局坐标系下，进行平面拟合得到轮辋内侧面在全局坐标系下的方程；

根据车轴观测传感器获取的车轴断面轮廓光条在对应光平面坐标系下的坐标，对车轴断面轮廓分别进行圆拟合，得到车轴断面轮廓中心在光平面坐标系下的坐标；

根据各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量的逆变换和各CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量，计算车轴断面轮廓中心在全局坐标系下的坐标；

对车轴断面轮廓中心坐标进行解析计算或直线拟合得到车轴轴线在全局坐标系下的方程，根据轮辋内侧面方程和车轴轴线方程，计算车轴轴线与轮辋内侧面交点在全局坐标系下坐标。

所述计算车轮轮缘顶点圆直径，包括：

沿车轮断面轮廓光条上与轮辋内侧面对应的直线段指向轮缘顶点的方向，搜索车轮断面轮廓光条上距直线端点最远的点，得到各轮廓轮缘顶点在对应光平面坐标系下的坐标；

根据各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量的逆变换和各CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量，确定各轮廓的轮缘顶点在全局坐标系下坐标；

根据车轮轮辋内侧面在全局坐标系下的方程，计算轮缘顶点在车轮轮辋内侧面的投影坐标；

由轮缘顶点坐标和顶点圆圆心坐标确定车轮轮缘顶点圆直径。

所述计算车轮轮缘高度，包括：

根据车轮踏面观测传感器从车轮内、外两侧获取的车轮同一断面在对应光平面坐标系下的轮廓光条坐标，提取车轮断面轮廓光条与轮辋内外侧对应的直线段；

根据直线方向与坐标轴的夹角，将车轮内、外两侧断面轮廓光条进行旋转对齐，得到车轮完整的断面轮廓；

以完整断面轮廓的轮辋内侧面对应的直线作为参考直线，对车轮轮廓进行搜索，确定车轮轮廓轮缘顶点；

计算车轮轮缘顶点和踏面基点沿轮辋内侧面直线的距离，得到车轮轮缘高度。

一种列车车轮直径动态测量***，该***由线结构光视觉传感器沿钢轨两侧对称布置构成，对于其中的每一侧，包括：

车轮观测模块，用来观测列车车轮，获取车轮断面轮廓的光条图像；其中，由一对以上线结构光视觉传感器沿钢轨对称布置构成车轮踏面观测传感器，分别从车轮内侧和外侧获取车轮同一断面的局部断面轮廓光条图像，另外的观测车轮的线结构光视觉传感器分布在钢轨内侧，获取车轮其它断面轮廓光条图像；

车轴观测模块，用来观测列车车轴，其线结构光视觉传感器分布在钢轨内侧，沿轨道枕木对称分布在两根枕木之间，获取车轴断面轮廓的光条图像。

所述线结构光视觉传感器由一个以上激光投射器和一个CCD摄像机组成。

因此，本发明所提供的列车车轮直径动态测量方法及***，具有以下优点和特点：

1)采用高精度的标定方法标定各线结构光视觉传感器的结构参数和各线结构光视觉传感器之间的相对位置，不需要精密的机械结构，降低了机械加工成本，对现场安装要求低。

2)本发明方案以未磨损的轮辋内侧面为基准，通过未磨损的轮缘顶点圆直径和较易于测量的轮缘高度间接计算车轮直径，避免了直接测量踏面滚动圆直径存在的测量点定位困难问题。

3)对于轮缘顶点圆直径的测量，先由车轴轴线确定圆心，能够避免直接进行圆拟合存在的稳定性问题，同时消除车轴与车轮不垂直带来的测量误差。

4)测量动态性高，可以在列车车速较高时，如以达到160km/h的速度通过测量区域时，准确测量列车车轮直径。

附图说明

图1为本发明所述列车车轮直径动态测量方法流程图；

图2(a)～(b)为本发明所述列车车轮直径动态测量***的一种实施例原理图；

图3(a)～(e)分别为线结构光视觉传感器S1～S5获取的车轮断面轮廓光条图像；

图4为根据S1～S5获取的车轮和车轴的断面轮廓光条图像计算列车车轮直径的一种实施例流程图；

图5为线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到全局坐标系的转换关系图；

图6为线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系与光平面坐标系之间的转换关系图；

图7为完整的车轮断面轮廓图。

具体实施方式

本发明提供了一种列车车轮直径动态测量***，利用了线结构光视觉测量原理，采用线结构光视觉传感器分别获取车轮和车轴的断面轮廓光条图像，每个线结构光视觉传感器由一个以上激光投射器和一个CCD摄像机组成；具体地，沿轨道在钢轨的两侧对称布置2N个线结构光视觉传感器，每N个线结构光视觉传感器完成一侧车轮直径的测量；对于单侧车轮直径的测量，由M个线结构光视觉传感器观测车轮，构成车轮观测模块，获取车轮3个以上断面轮廓的光条图像，其中，2i个线结构光视觉传感器沿钢轨对称布置构成i对车轮踏面观测传感器，每对车轮踏面观测传感器分别从车轮内侧和外侧获取车轮同一断面的局部断面轮廓光条图像，另外M-2i个观测车轮的线结构光视觉传感器分布在钢轨内侧，获取车轮其它断面轮廓光条图像；由N-M个线结构光视觉传感器观测车轴，构成车轴观测模块，沿轨道枕木分布在两根枕木之间，获取车轴2个以上断面轮廓的光条图像。

本发明一种列车车轮直径动态测量方法实现流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤110，在钢轨的两侧，沿列车轨道对称布置线结构光视觉传感器，构成车轮观测传感器和车轴观测传感器，分别获取车轮断面轮廓光条图像和车轴断面轮廓光条图像；

所述车轮观测传感器中，对于钢轨的每一侧，由一对以上车轮观测传感器沿钢轨对称布置构成车轮踏面观测传感器，分别从车轮内侧和外侧获取车轮同一断面的局部断面轮廓光条图像，另外的车轮观测传感器分布在钢轨内侧，获取车轮其它断面轮廓光条图像；所述车轴观测传感器，沿轨道枕木分布在两根枕木之间，获取车轴断面轮廓光条图像。

步骤120，根据车轮断面轮廓光条上与轮辋内侧对应的直线段确定轮辋内侧面方程，根据车轴断面轮廓光条确定车轴轴线方程，轴线与轮辋内侧面相交计算出车轮轮缘顶点圆圆心在轮辋内侧面投影坐标；

所述步骤120之前进一步包括，对测量***进行标定，并计算各轮廓光条在各线结构光视觉传感器对应光平面坐标系下的坐标；

所述对测量***进行标定包括：各线结构光视觉传感器的CCD摄像机内部参数的标定，各线结构光视觉传感器结构参数的标定，各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量的标定。

所述计算各轮廓光条在各线结构光视觉传感器对应光平面坐标系下的坐标包括：提取各轮廓光条中心图像坐标；根据线结构光视觉传感器数学模型和各线结构光视觉传感器的CCD摄像机内部参数和结构参数，计算各轮廓光条点在对应CCD摄像机坐标系下的坐标；在各线结构光视觉传感器的激光平面建立光平面坐标系，确定各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量；将各轮廓光条在对应CCD摄像机坐标系下的坐标转换到对应光平面坐标系下，确定各轮廓光条在对应光平面坐标系下坐标。

所述步骤120具体为：

步骤120a，根据车轮观测传感器从钢轨内侧获取的车轮断面轮廓光条在对应光平面坐标系下的坐标，搜索车轮断面轮廓光条上与轮辋内侧对应的直线段光条点，确定各轮廓轮辋内侧直线段光条点在对应光平面坐标系下的坐标；

步骤120b，根据各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量的逆变换和各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量，将各轮廓轮辋内侧直线段光条点坐标统一到全局坐标系下，进行平面拟合得到车轮轮辋内侧面在全局坐标系下的方程；

步骤120c，根据车轴观测传感器获取的车轴的多个断面轮廓光条在对应光平面坐标系下的坐标，对多个车轴断面轮廓分别进行圆拟合，得到车轴多个断面轮廓的中心在光平面坐标系下的坐标；

步骤120d，根据各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量的逆变换和各CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量，计算车轴多个断面轮廓中心在全局坐标系下坐标；

步骤120e，对车轴多个断面轮廓中心坐标进行解析计算或直线拟合得到车轴轴线在全局坐标系下的方程，根据轮辋内侧面方程和车轴轴线方程，计算车轴轴线与轮辋内侧面交点在全局坐标系下的坐标，即为车轮轮缘顶点圆圆心在轮辋内侧面投影坐标。

步骤130，根据车轮断面轮廓光条确定车轮轮缘顶点在轮辋内侧面投影坐标，结合步骤120计算车轮轮缘顶点圆直径；

该步骤具体为：

步骤130a，沿车轮断面轮廓光条上与轮辋内侧面对应的直线段指向轮缘顶点的方向，搜索车轮断面轮廓光条上距直线端点最远的点，即为轮缘顶点，得到各轮廓轮缘顶点在对应光平面坐标系下的坐标；

步骤130b，根据各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量的逆变换和各CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量，确定各轮廓的轮缘顶点在全局坐标系下的坐标；

步骤130c，根据车轮轮辋内侧面在全局坐标系下的方程，计算轮缘顶点在车轮轮辋内侧面的投影坐标；

步骤130d，由轮缘顶点坐标和顶点圆圆心坐标确定车轮轮缘顶点圆直径，求解车轮轮缘顶点圆直径平均值，得到最终的车轮轮缘顶点圆直径。

步骤140，由车轮断面内外侧局部轮廓恢复车轮完整的断面轮廓，计算车轮轮缘高度；

该步骤具体为：

步骤140a，根据车轮踏面观测传感器中每对传感器从车轮内、外两侧获取的车轮同一断面在对应光平面坐标系下的轮廓光条坐标，提取轮廓光条与轮辋内外侧对应的直线段；

步骤140b，根据直线方向与坐标轴的夹角，将车轮内、外两侧断面轮廓光条进行旋转对齐，得到车轮完整的断面轮廓；

步骤140c，以完整断面轮廓的轮辋内侧面对应的直线作为参考直线，对车轮轮廓进行搜索，确定车轮轮廓轮缘顶点；

步骤140d，计算车轮轮缘顶点和踏面基点沿轮辋内侧面直线的距离，得到车轮轮缘高度。

这里，根据《列车轮对段修规程》对踏面基点的定义，所述踏面基点的确定方法为：在轮廓点云数据中搜索距离参考直线为70mm的点，即为踏面基点。

步骤150，用轮缘顶点圆直径减去两倍的轮缘高度得到车轮直径。

以下通过具体的示例进一步说明本发明的技术方案。

如图2所示，采用10台CCD摄像机1和12个激光投射器2构成10个线结构光视觉传感器S1-S10，三角图形代表光平面3，图中箭头表示列车前进方向；测量过程中，列车车轮到达测量区域时，各线结构光视觉传感器的激光投射器2投射光平面3，光平面3与车轮或车轴断面相交产生轮廓光条，各CCD摄像机1同步采集车轮和车轴的断面轮廓光条图像。

沿钢轨两侧，每侧分别布置5个线结构光视觉传感器，其中4个线结构光视觉传感器观测车轮，获取车轮4个断面轮廓的光条图像，1个线结构光视觉传感器观测车轴，获取车轴2个断面轮廓的光条图像。线结构光视觉传感器中的CCD摄像机可以选用自适应可视化技术(Adaptive Visualization Technology，AVT)高灵敏度CCD摄像机，图像大小为1380像素×1024像素，配以17mm镜头，激光投射器可以为2W线结构激光投射器。

具体的，面向列车前进方向，S1、S2、S3、S4完成右侧车轮的断面轮廓光条图像获取，S6、S7、S8、S9完成左侧车轮的断面轮廓光条图像获取。S1和S2、S6和S7构成两对车轮踏面观测传感器，分别从左右车轮的内、外两侧获取车轮同一断面的局部断面轮廓光条图像；S2、S3、S4，S6、S8、S9分别从左右车轮内侧获取车轮断面轮廓光条图像。在本实施例中，减少S3和S4、或S8和S9中其中一个后，在钢轨左右两侧，每侧可获取车轮3个断面轮廓的光条图像，此为实现本发明需要的车轮断面轮廓数量为最少的情况。

车轴观测传感器S5和S10由两个激光投射器2和一个CCD摄像机1构成，位于钢轨内侧，沿枕木分布在两根枕木之间，其中S5获取车轴靠近右侧车轮的两个断面轮廓的光条图像，S10获取车轴靠近左侧车轮的两个断面轮廓的光条图像。

由于两侧车轮测量***对称，以S1～S5构成的右侧车轮测量***为例，对列车车轮直径动态测量方法进行介绍。如图3所示，(a)～(e)分别为S1～S5获取的车轮断面轮廓光条图像；如图4所示，根据S1～S5获取的车轮和车轴的断面轮廓光条图像计算列车车轮直径的一种实施例具体步骤为：

步骤401：进行***标定，包括：标定各线结构光视觉传感器的CCD摄像机内部参数和结构参数，标定各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量。

具体的，采用孙军华等在文章“结构光视觉传感器通用现场标定方法[J].机械工程学报2009，45(3)：174-177”中提到的线结构光视觉传感器标定算法，标定各线结构光视觉传感器的内部参数和结构参数。

采用刘震等在文章“基于双平面靶标的多视觉传感器现场全局校准[J].机械工程学报，2009，45(7)：228-232”中提到的多视觉传感器全局校准方法，标定各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量。其中左右车轮测量传感器分别进行全局校准，S1、S2、S3、S4、S5以S2的CCD摄像机坐标系作为全局坐标系，相对应的，S6、S7、S8、S9、S10以S6的CCD摄像机坐标系作为全局坐标系。当然，这里也可以选择其它传感器的CCD摄像机坐标系作为全局坐标系，如选择S3和S8。各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到全局坐标系的转换关系如图5所示。

表1为标定得到的S4的CCD摄像机内部参数、线结构光视觉传感器结构参数和其CCD摄像机坐标系到S2的CCD摄像机坐标系的旋转矩阵和平移向量。表中，f_x、f_y、u₀、v₀、k₁、k₂为CCD摄像机内部参数，其中，f_x、f_y为CCD摄像机分别在x、y方向上的有效焦距，(u₀，v₀)为CCD摄像机主点坐标，k₁、k₂为CCD摄像机径向畸变参数。

表1

步骤402：计算各轮廓光条中心点在对应光平面坐标系下的坐标。

首先，提取各轮廓光条中心图像坐标。采用周富强等“结构光光条提取的混合图像处理方法[J].光电子·激光，2008，19(11)：1534-1537”中提到的结构光光条中心提取算法，提取各轮廓光条中心的图像坐标。

其次，计算光条在对应CCD摄像机坐标系下的坐标。根据线结构光视觉传感器数学模型和步骤401标定得到的各线结构光视觉传感器的CCD摄像机内部参数和线结构光视觉传感器结构参数，由各轮廓光条点的图像坐标，计算各轮廓光条点在对应CCD摄像机坐标系下的三维坐标。线结构光视觉传感器数学模型为已有的很成熟的数学模型，在张广军的专著“视觉测量[M].北京：科学出版社，2005”中有详细的介绍，在这里不再赘述。

最后，计算光条在对应光平面坐标系下的坐标。在各线结构光视觉传感器的激光平面建立光平面坐标系，确定各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵R_C，P和平移向量T_C，P，将光条在对应CCD摄像机坐标系下的坐标P_C转换到对应光平面坐标系下，确定各轮廓光条在对应光平面坐标系下的坐标P_P＝R_C，P·P_C+T_C，P，R_C，P、T_C，P可以根据周富强等在文章“线结构光视觉传感器的现场标定方法[J].机械工程学报，2004，40(6)：169-173”中提到的标定方法得到，线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到光平面坐标系的转换关系如图6所示，图中长方形表示激光投射器2，虚线表示光平面3。

以线结构光视觉传感器S4轮廓光条上10个点为例，对光条点在光平面坐标系下的坐标求取结果进行显示，如表2所示。

序列	三维坐标	序列	三维坐标
				1	(-51.0481，43.0033，0)	6	(-52.813，52.0204，0)

2	(-51.2061，43.8403，0)	7	(-52.9668，52.8284，0)
				3	(-51.3633，44.6792，0)	8	(-53.121，53.632，0)
4	(-51.5212，45.5105，0)	9	(-53.3472，54.9266，0)
				5	(-51.6812，46.3228，0)	10	(-53.4882，55.7796，0)

表2

步骤403：由S2、S3、S4获得的轮廓光条上与轮辋内侧对应的直线段确定车轮轮辋内侧面在全局坐标系下的方程。

首先，搜索S2、S3、S4获得的轮廓光条在光平面坐标系下与轮辋内侧面对应的直线光条点。如图3中S2、S3、S4获取的轮廓光条所示，S2、S3、S4的光平面与轮辋内侧面相交形成直线光条。对S2、S3、S4在对应光平面坐标系下的轮廓光条，采用Hough变换直线提取算法提取轮廓光条上与轮辋内侧面对应的直线光条点。

其次，计算直线光条点在全局坐标系下的坐标。根据步骤402确定的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量的逆变换和步骤401确定的S3、S4的CCD摄像机坐标系到S2的CCD摄像机坐标系的旋转矩阵和平移向量，计算直线光条点在全局坐标系下的坐标。

最后，根据S2、S3、S4获取的车轮断面轮廓直线光条点在全局坐标系下的坐标，通过平面拟合得到轮辋内侧面在全局坐标系下的方程。

根据以上步骤确定车轮轮辋内侧面在全局坐标系下的方程为：

0.0059x-0.0003y-0.0025z+1＝0。

步骤404：由S5获取的车轴断面轮廓光条图像计算车轴轴线在全局坐标系下方程，确定轮缘顶点圆圆心在轮辋内侧面投影坐标。

首先，计算车轴轴线在全局坐标系下方程。对S5获取的车轴的断面轮廓光条在光平面坐标系下的坐标，分别进行圆拟合，确定车轴两个断面轮廓中心在对应光平面坐标系下的坐标。根据步骤402中确定的S5的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量的逆变换、和步骤401确定的S5的CCD摄像机坐标系到S2的CCD摄像机坐标系的旋转矩阵和平移向量，计算车轴两个断面中心在全局坐标系下的坐标。由车轴两断面轮廓中心坐标，计算车轴轴线在全局坐标系下方程。

其次，计算车轴轴线与轮辋内侧面交点。根据车轴轴线在全局坐标系下方程和步骤403确定的轮辋内侧面在全局坐标系下方程，计算车轴轴线与轮辋内侧面交点。根据《铁路货车轮轴组装、检修和管理规则》规定的列车车轮结构，轮缘顶点圆所在平面与轮辋内侧面平行，故该交点即为轮缘顶点圆圆心在轮辋内侧面投影坐标。

根据以上步骤计算车轴两个断面轮廓中心在全局坐标系下的坐标、车轴轴线在全局坐标系下方程和轮缘顶点圆圆心在轮辋内侧面投影坐标，计算结果如表3所示。

表3

步骤405：由S2、S3、S4获取的车轮断面轮廓光条图像计算车轮三个断面的轮缘顶点在轮辋内侧面投影坐标，计算轮缘顶点圆直径。

首先，计算S2、S3、S4获取的车轮断面轮廓轮缘顶点在光平面坐标系下的坐标。沿轮辋内侧直线段指向轮缘顶点的方向，搜索轮廓上距直线端点最远的点，即为轮缘顶点，由此可确定各轮廓轮缘顶点在对应光平面坐标系下的坐标。

其次，计算各轮廓轮缘顶点在全局坐标系下的坐标。根据步骤402中确定的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量的逆变换和步骤401中确定的S3、S4的CCD摄像机坐标系到S2的CCD摄像机坐标系的旋转矩阵和平移向量，计算S2、S3、S4获取的断面轮廓的轮缘顶点在全局坐标系下的坐标。

再次，计算轮缘顶点在轮辋内侧面投影坐标。根据步骤403确定的车轮轮辋内侧面在全局坐标系下的方程，计算轮缘顶点在轮辋内侧面的投影坐标。

最后，计算轮缘顶点圆直径。根据S2、S3、S4获取的车轮断面轮廓轮缘顶点在轮辋内侧面投影坐标和步骤404确定的轮缘顶点圆圆心在轮辋内侧面投影坐标，计算车轮3个断面的轮缘顶点圆直径，求解平均值，得到轮缘顶点圆直径。

根据以上步骤，由S2、S3、S4获取的车轮断面轮廓光条图像计算车轮三个轮缘顶点在轮辋内侧面的投影坐标和轮缘顶点圆直径，计算结果如表4所示。

表4

步骤406：由S1、S2获取的车轮断面轮廓光条在光平面坐标系下的坐标确定车轮完整断面轮廓，计算轮缘高度。首先，由S1、S2获取的车轮断面轮廓光条在光平面坐标系下的坐标确定车轮完整断面轮廓，对S1、S2在对应光平面坐标系下的车轮断面轮廓光条坐标，采用Hough变换的方法提取轮廓光条与轮辋内外侧对应的直线段，根据直线方向与坐标轴的夹角，将两轮廓进行旋转对齐，得到如图7所示的车轮完整的断面轮廓。其次，确定完整断面轮廓的轮缘顶点和踏面基点坐标；以图7中轮辋内侧面对应的直线AB作为参考直线，用步骤405中的方法搜索轮廓轮缘顶点，记为C，在轮廓点云数据中搜索距离直线段AB为70mm的点，即为踏面基点，记为D。最后，计算轮缘高度。计算轮缘顶点C和踏面基点D沿轮辋内侧面直线的距离，即为轮缘高度。

根据以上步骤计算轮缘高度，与测量精度为0.1mm的铁道车辆车轮第四种检查器测得的轮缘高度进行对比，对比结果如表5所示。

表5

步骤407：计算车轮直径，计算左右车轮直径差。

根据步骤405确定的轮缘顶点圆直径D和步骤406确定的轮缘高度h，用轮缘顶点圆直径减去两倍的轮缘高度，得到车轮直径d，d＝D-2h。根据同一轮对左右车轮直径，计算车轮直径差。同时，采用分辨率为0.1mm的轮径尺测量车轮直径，得到测量误差。测量对比结果如表6所示。

表6

上述示例中，采用10个线结构光视觉传感器构成的测量***对本发明测量方法进行了介绍。显然，本测量***的构成可更灵活，通过增加线结构光视觉传感器数量或线结构光视觉传感器的激光投射器数量，来增加光平面，可以获取更多的车轮和车轴断面轮廓，提高测量精度。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本法明的保护范围。

Claims (10)

1.一种列车车轮直径动态测量方法，其特征在于，该方法包括：

在列车钢轨两侧，沿轨道对称布置线结构光视觉传感器，构成车轮观测传感器和车轴观测传感器，分别获取车轮断面轮廓光条图像和车轴断面轮廓光条图像；

根据车轮断面轮廓光条上与轮辋内侧对应的直线段确定轮辋内侧面方程，根据车轴断面轮廓光条确定车轴轴线方程，轴线与轮辋内侧面相交计算出车轮轮缘顶点圆圆心在轮辋内侧面投影坐标；

根据车轮断面轮廓光条确定车轮轮缘顶点在轮辋内侧面投影坐标，结合车轮轮缘顶点圆圆心坐标，计算车轮轮缘顶点圆直径；

由车轮断面内外侧局部轮廓光条恢复车轮完整的断面轮廓，计算车轮轮缘高度；

用车轮轮缘顶点圆直径减去两倍的轮缘高度得到车轮直径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车轮观测传感器中，对于钢轨的每一侧，由一对以上车轮观测传感器沿钢轨对称布置构成车轮踏面观测传感器，分别从车轮内侧和外侧获取车轮同一断面的局部断面轮廓光条图像，另外的车轮观测传感器分布在钢轨内侧，获取车轮其它断面轮廓光条图像；所述车轴观测传感器，沿轨道枕木分布在两根枕木之间，获取车轴断面轮廓光条图像。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据车轮断面轮廓光条上与轮辋内侧对应的直线段确定轮辋内侧面方程之前，进一步包括：

对测量***进行标定，并计算各轮廓光条在各线结构光视觉传感器对应光平面坐标系下的坐标。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对测量***进行标定，包括：

各线结构光视觉传感器的CCD摄像机内部参数的标定，各线结构光视觉传感器结构参数的标定，各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量的标定。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算各轮廓光条在各线结构光视觉传感器对应光平面坐标系下的坐标，包括：

提取各轮廓光条中心图像坐标；

根据线结构光视觉传感器数学模型和各线结构光视觉传感器的CCD摄像机内部参数和结构参数，计算各轮廓光条点在对应CCD摄像机坐标系下的坐标；

在各线结构光视觉传感器的激光平面建立光平面坐标系，确定各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系之间的旋转矩阵和平移向量；

将各轮廓光条在对应CCD摄像机坐标系下的坐标转换到对应光平面坐标系下，确定各轮廓光条在对应光平面坐标系下坐标。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算轮缘顶点圆圆心在轮辋内侧面投影坐标，包括：

根据车轮观测传感器从钢轨内侧获取的车轮断面轮廓光条在对应光平面坐标系下的坐标，搜索车轮断面轮廓光条上与轮辋内侧对应的直线段光条点，确定各轮廓轮辋内侧直线段光条点在对应光平面坐标系下的坐标；

根据各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量的逆变换和各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量，将各轮廓轮辋内侧直线段光条点坐标统一到全局坐标系下，进行平面拟合得到轮辋内侧面在全局坐标系下的方程；

根据车轴观测传感器获取的车轴断面轮廓光条在对应光平面坐标系下的坐标，对车轴断面轮廓分别进行圆拟合，得到车轴断面轮廓中心在光平面坐标系下的坐标；

根据各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量的逆变换和各CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量，计算车轴断面轮廓中心在全局坐标系下的坐标；

对车轴断面轮廓中心坐标进行解析计算或直线拟合得到车轴轴线在全局坐标系下的方程，根据轮辋内侧面方程和车轴轴线方程，计算车轴轴线与轮辋内侧面交点在全局坐标系下坐标。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算车轮轮缘顶点圆直径，包括：

沿车轮断面轮廓光条上与轮辋内侧面对应的直线段指向轮缘顶点的方向，搜索车轮断面轮廓光条上距直线端点最远的点，得到各轮廓轮缘顶点在对应光平面坐标系下的坐标；

根据各线结构光视觉传感器的CCD摄像机坐标系到对应光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量的逆变换和各CCD摄像机坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量，确定各轮廓的轮缘顶点在全局坐标系下坐标；

根据车轮轮辋内侧面在全局坐标系下的方程，计算轮缘顶点在车轮轮辋内侧面的投影坐标；

由轮缘顶点坐标和顶点圆圆心坐标确定车轮轮缘顶点圆直径。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算车轮轮缘高度，包括：

根据车轮踏面观测传感器从车轮内、外两侧获取的车轮同一断面在对应光平面坐标系下的轮廓光条坐标，提取车轮断面轮廓光条与轮辋内外侧对应的直线段；

根据直线方向与坐标轴的夹角，将车轮内、外两侧断面轮廓光条进行旋转对齐，得到车轮完整的断面轮廓；

以完整断面轮廓的轮辋内侧面对应的直线作为参考直线，对车轮轮廓进行搜索，确定车轮轮廓轮缘顶点；

计算车轮轮缘顶点和踏面基点沿轮辋内侧面直线的距离，得到车轮轮缘高度。

9.一种列车车轮直径动态测量***，其特征在于，该***由线结构光视觉传感器沿钢轨两侧对称布置构成，对于其中的每一侧，包括：

车轮观测模块，用来观测列车车轮，获取车轮断面轮廓的光条图像；其中，由一对以上线结构光视觉传感器沿钢轨对称布置构成车轮踏面观测传感器，分别从车轮内侧和外侧获取车轮同一断面的局部断面轮廓光条图像，另外的观测车轮的线结构光视觉传感器分布在钢轨内侧，获取车轮其它断面轮廓光条图像；

车轴观测模块，用来观测列车车轴，其线结构光视觉传感器分布在钢轨内侧，沿轨道枕木对称分布在两根枕木之间，获取车轴断面轮廓的光条图像。

10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述线结构光视觉传感器由一个以上激光投射器和一个CCD摄像机组成。