CN108001481A - 基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测方法及检测装置 - Google Patents

基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测方法及检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测方法及检测装置，涉及铁路车辆外形测量装置和测量方法技术领域。所述方法包括：将第一激光源和第二激光源固定在轮对的中心位置P，使第一激光源照射出的激光点A位于第一钢轨轨面上，第二激光源照射出的激光点B同样位于第一钢轨轨面上，且AB两个激光点的连线与钢轨的边缘垂直；将相机通过支架安装在两激光点区域正上方的车体上，且所述相机的主光轴与钢轨轨面垂直，在列车行驶的过程中，通过相机对激光点A和激光点B所在的钢轨轨面图像进行采集。所述方法利用非接触测量，巧妙的解决了轮轨复杂接触参数的检测，方法简单，计算速度快，可行性强。

Description

基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测方法及检测装置
技术领域
本发明涉及铁路车辆外形测量装置和测量方法技术领域，尤其涉及一种基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测方法及检测装置。
背景技术
高速列车在运行时，轮轨之间碰撞剧烈且受力复杂。由于轮轨间横向作用力巨大，造成接触点变化剧烈，这就导致轮轨间出现往复碰撞。现在单凭轮轨接触几何的变化状态来判断列车行车安全研究还处于初级阶段，列车蛇形运动的存在是钢轨列车在高速运行中难以提速的主要原因，避免蛇形失稳的解决方案就是将轮轨间的位移量(横移量、垂移量以及冲角)保证在正常范围内。
轮轨磨耗使车辆轮轨间隙变大，容易产生蛇形失稳，由此使线路安全可靠性降低，随着轮轨间磨耗、疲劳程度的加深，蛇形失稳严重时会造成脱轨。因此，在列车安全行车机理研究中，轮轨接触中轮轨位移和轮轨冲角是极为重要的参量，位移对于监测列车的平稳性和行车安全性有重要作用。另外冲角的变化对于脱轨临界条件的研究及轮轨间蠕滑力等几何应力研究方面有密切关联，所以它是列车行车安全监测中的重要指标。现有技术中出现的轮轨之间位移的计算方法一般都比较复杂，计算速度较慢。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种方法简单，可行性强的轮轨位移图像检测方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测方法，其特征在于包括：
将第一激光源和第二激光源固定在轮对的中心位置P，并调节所述第一激光源和第二激光源的位置，使第一激光源照射出的激光点A位于第一钢轨轨面上，第二激光源照射出的激光点B同样位于第一钢轨轨面上，且AB两个激光点的连线与钢轨的边缘垂直；
将相机通过支架安装在两激光点区域正上方的车体上，且所述相机的主光轴与钢轨轨面垂直，在列车行驶的过程中，通过相机对激光点A和激光点B所在的钢轨轨面图像进行采集，采集后的图像传输至所述计算机进行处理，计算机通过对比初始状态和某一状态下激光点A和激光点B在第一钢轨轨面上的位置以及激光源的位置，计算得出车轮与钢轨之间的横移量、车轮与钢轨之间的垂移量以及车轮与钢轨之间的冲角。
进一步的技术方案在于，所述车轮与钢轨之间的横移量通过以下方法获得：
初始状态时，通过对所述相机采集的图像进行处理，得出所述激光点A与左钢轨边缘的距离，或激光点B与左钢轨边缘的距离，作为初始值x0；
在所述列车行驶的过程中，通过对所述相机采集的图像进行处理，得出行驶时所述激光点A与左钢轨边缘的距离，或激光点B与左钢轨边缘的距离，作为实时值x1；
根据公式y1＝x1-x0计算出所述车轮与钢轨之间的横移量y1。
进一步的技术方案在于，所述车轮与钢轨之间的垂移量通过以下方法获得：
O点为轮对中点P在钢轨顶面所在的水平面中的投影点，做POC平面与车轮轮缘所在平面平行，并与激光点A激光点B连线的延长线交于点C，轮对中点P与激光点B的连线BP与OP的夹角为α，轮对中点P与激光点A的连线AP与OP的夹角为β，AP与BP的夹角为γ，当两个激光源的位置确定时，α,β,γ为已知量；
初始状态时，通过对所述相机采集的图像进行处理，得出所述激光点A与激光点B之间的初始距离d1，根据公式计算出所述点P与点O之间的初始距离d2；
在列车行驶的过程中，通过对所述相机采集的图像进行处理，得出所述激光点A与激光点B之间的实时距离d1′，根据公式计算出所述P点与O的初始距离d2′；
根据公式y2＝d2′-d2的出所述车轮与钢轨之间的垂移量y2。
进一步的技术方案在于，所述车轮与钢轨之间的冲角通过以下方法获得：
初始状态时，通过对所述相机采集的图像进行处理，得到所述激光点A与激光点B之间连线的初始轨迹；
在列车行驶的过程中，通过对所述相机采集的图像进行处理，得到所述激光点A与激光点B之间连线的实时轨迹；
将激光点A与激光点B之间连线的实时轨迹与所述激光点A与激光点B之间连线的初始轨迹进行叠加，计算出车轮与钢轨之间的冲角θ。
本发明还公开了一种基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测装置，其特征在于：包括计算机、两个激光源以及相机，两个所述激光源固定在轮对的中心位置P，第一激光源在第一钢轨轨面上的激光点为A，第二激光源在第一钢轨轨面上的激光点为B，AB两个激光点的连线与钢轨边缘垂直；所述相机通过支架安装在两激光点区域正上方的车体上，所述相机的主光轴与钢轨轨面垂直，通过相机对激光点A和激光点B所在的钢轨轨面图像进行采集，采集后的图像传输至所述计算机进行处理，计算机通过对比初始状态和某一状态下激光点A和激光点B在第一钢轨轨面上的位置以及激光源的位置，计算得出车轮与钢轨之间的横移量、车轮与钢轨之间的垂移量以及车轮与钢轨之间的冲角。
优选的，所述相机为CCD相机。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法通过使用车载式双激光源与相机相结合，调节双激光源以及相机的安装角度，使双激光源照射在钢轨表面的两点连线始终与钢轨垂直，在车辆行驶过程中，轮轨接触状态变化，那么两点间距离，以及两点连线和钢轨的角度会发生相对变化，这种变化反映了轮轨接触参数变化。本方法通过数学建模进行总结，给出了相应的数学计算公式，可以得出车轮相对于钢轨的横移量、车轮相对于钢轨的垂移量以及车轮相对于钢轨的冲角。所述方法利用非接触测量，巧妙的解决了轮轨复杂接触参数的检测，方法简单，计算速度快，可行性强。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述检测装置的布置结构示意图；
图2是本发明实施例所述检测装置检测时的几何关系示意图；
图3是本发明实施例中部分所述检测装置的俯视结构示意图；
图4是本发明实施例中部分所述检测装置的主视结构示意图；
图5是本发明实施例中部分所述检测装置的左视结构示意图；
其中：1、第一激光源；2、第二激光源3、钢轨4、相机5、支架6、钢轨轨面7、车轮8、车体9、车轮轮缘。
具体实施方式
下面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的一部分实施例，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做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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明公开了一种基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测方法及检测装置，主要用于测量列车行驶中车轮7与钢轨3之间的垂移量，横移量以及冲角。
如图1以及图3-图5所示，公开了一种基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测装置，包括计算机、两个激光源以及相机，图1中箭头方法为列车进行方向。两个所述激光源固定在轮对的中心位置P，第一激光源1在第一钢轨轨面上的照射激光点为A，第二激光源2在第一钢轨轨面上的照射激光点为B，AB两个激光点的连线与钢轨边缘垂直；所述相机4通过支架5安装在两激光点区域正上方的车体8上，所述相机4的主光轴与钢轨轨面垂直，以保证实际变化量与图像变化量之间的线性关系。通过相机4对激光点A和激光点B所在的钢轨轨面图像进行采集，采集后的图像传输至所述计算机进行处理，计算机通过对比初始状态和某一状态下激光点A和激光点B在第一钢轨轨面上的位置以及激光源的位置，计算得出车轮7与钢轨3之间的横移量、车轮7与钢轨3之间的垂移量以及车轮7与钢轨3之间的冲角。
优选的，所述相机4使用CCD相机，本领域技术人员能够理解的是，具体使用那种相机可以根据实际需要进行选择。
相应的，本发明还公开了一种基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测方法，包括：
将第一激光源1和第二激光源2固定在轮对的中心位置P，并调节所述第一激光源1和第二激光源2的位置，使第一激光源1照射出的激光点A位于第一钢轨轨面上，第二激光源2照射出的激光点B同样位于第一钢轨轨面上。
调整两个激光源位置，使AB两个激光点的连线与钢轨边缘垂直，将CCD相机安装在两激光点区域正上方的车体8上进行图像采集，相机主光轴与钢轨轨面垂直。O点为P点在钢轨面内的投影，做POC平面与轮缘9所在平面平行(如图2所示)，并与AB两点的延长线交于点C。假设此状态为初始状态，那么当列车运行到某一时刻时，AB激光点位置将发生改变，AB变化遵循以下规律：
(1)列车车轮相对于钢轨的横移量的变化只会引起AB两点位置的变化，不会引起其两点之间线段长度的变化；
(2)在不考虑冲角的条件下，列车垂移量的变化会同时引起AB位置和长度的变化，但变化后的A′B′连线始终与原来AB两点连线平行，且AB长度与垂移量之间满足某种数学表达式(后续详细介绍)；
(3)只有车辆产生了冲角才会改变两激光点连线AB与变化后的A′B′的平行关系，并且两者产生夹角θ就是冲角值。
在列车行驶的过程中，通过相机4对激光点A和激光点B所在的钢轨轨面6图像进行采集，采集后的图像传输至所述计算机进行处理，计算机通过对比初始状态和某一状态下激光点A和激光点B在第一钢轨轨面上的位置以及激光源的位置，计算得出车轮7与钢轨3之间的横移量、车轮7与钢轨3之间的垂移量以及车轮7与钢轨3之间的冲角。
进一步的，所述车轮7与钢轨3之间的横移量通过以下方法获得：
初始状态时，通过对所述相机4采集的图像进行处理，得出所述激光点A与左钢轨边缘的距离，或激光点B与左钢轨边缘的距离，作为初始值x0；
在所述列车行驶的过程中，通过对所述相机4采集的图像进行处理，得出行驶时所述激光点A与左钢轨边缘的距离，或激光点B与左钢轨边缘的距离，作为实时值x1；
根据公式y1＝x1-x0计算出所述车轮7与钢轨3之间的横移量y1。
进一步的，所述车轮7与钢轨3之间的垂移量通过以下方法获得：
轮对中点P与激光点B的连线BP与OP的夹角为α，轮对中点P与激光点A的连线AP与OP的夹角为β，AP与BP的夹角为γ，当两个激光源的位置确定时，α,β,γ为已知量；
在图2中，通过数学几何知识和余弦定理可计算得出：即AB与OP之间满足关系式，垂移量变化即OP长度的变化。
推导公式如下：
在三角形PAB中用余弦定理得：
PB2+PA2-AB2＝2PA·PB cosγ
初始状态时，通过对所述相机4采集的图像进行处理，得出所述激光点A与激光点B之间的初始距离d1，根据公式计算出所述点P与点O之间的初始距离d2；
在列车行驶的过程中，通过对所述相机4采集的图像进行处理，得出所述激光点A与激光点B之间的实时距离d1′，根据公式计算出所述P点与O的初始距离d2′；
根据公式y2＝d2′-d2的出所述车轮与钢轨之间的垂移量y2。
进一步的，所述车轮7与钢轨3之间的冲角通过以下方法获得：
初始状态时，通过对所述相机4采集的图像进行处理，得到所述激光点A与激光点B之间连线的初始轨迹；
在列车行驶的过程中，通过对所述相机4采集的图像进行处理，得到所述激光点A与激光点B之间连线的实时轨迹；
将激光点A与激光点B之间连线的实时轨迹与所述激光点A与激光点B之间连线的初始轨迹进行叠加，计算出车轮7与钢轨3之间的冲角θ。
所述方法通过使用车载式双激光源与相机相结合，调节双激光源以及相机的安装角度，使双激光源照射在钢轨表面的两点连线始终与钢轨垂直，在车辆行驶过程中，轮轨接触状态变化，那么两点间距离，以及两点连线和钢轨的角度会发生相对变化，这种变化反映了轮轨接触参数变化。本方法通过数学建模进行总结，给出了相应的数学计算公式，可以得出车轮相对于钢轨的横移量、车轮相对于钢轨的垂移量以及车轮相对于钢轨的冲角。所述方法利用非接触测量，巧妙的解决了轮轨复杂接触参数的检测，方法简单，计算速度快，可行性强。

Claims (6)

1.一种基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测方法，其特征在于包括：
将第一激光源(1)和第二激光源(2)固定在轮对的中心位置P，并调节所述第一激光源(1)和第二激光源(2)的位置，使第一激光源(1)照射出的激光点A位于第一钢轨轨面上，第二激光源(2)照射出的激光点B同样位于第一钢轨轨面上，且AB两个激光点的连线与钢轨(3)的边缘垂直；
将相机(4)通过支架(5)安装在两激光点区域正上方的车体(8)上，且所述相机(4)的主光轴与钢轨轨面(6)垂直，在列车行驶的过程中，通过相机(4)对激光点A和激光点B所在的钢轨轨面(6)图像进行采集，采集后的图像传输至所述计算机进行处理，计算机通过对比初始状态和某一状态下激光点A和激光点B在第一钢轨轨面上的位置以及激光源的位置，计算得出车轮(7)与钢轨(3)之间的横移量、车轮(7)与钢轨(3)之间的垂移量以及车轮(7)与钢轨(3)之间的冲角。
2.如权利要求1所述的基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测方法，其特征在于，所述车轮(7)与钢轨(3)之间的横移量通过以下方法获得：
初始状态时，通过对所述相机(4)采集的图像进行处理，得出所述激光点A与左钢轨边缘的距离，或激光点B与左钢轨边缘的距离，作为初始值x0；
在所述列车行驶的过程中，通过对所述相机(4)采集的图像进行处理，得出行驶时所述激光点A与左钢轨边缘的距离，或激光点B与左钢轨边缘的距离，作为实时值x1；
根据公式y1＝x1-x0计算出所述车轮(7)与钢轨(3)之间的横移量y1。
3.如权利要求1所述的基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测方法，其特征在于，所述车轮(7)与钢轨(3)之间的垂移量通过以下方法获得：
O点为轮对中点P在钢轨顶面所在的水平面中的投影点，做POC平面与车轮轮缘(9)所在平面平行，并与激光点A激光点B连线的延长线交于点C，轮对中点P与激光点B的连线BP与OP的夹角为α，轮对中点P与激光点A的连线AP与OP的夹角为β，AP与BP的夹角为γ，当两个激光源的位置确定时，α,β,γ为已知量；
初始状态时，通过对所述相机(4)采集的图像进行处理，得出所述激光点A与激光点B之间的初始距离d1，根据公式计算出所述点P与点O之间的初始距离d2；
在列车行驶的过程中，通过对所述相机(4)采集的图像进行处理，得出所述激光点A与激光点B之间的实时距离d1′，根据公式计算出所述P点与O的初始距离d2′；
根据公式y2＝d2′-d2的出所述车轮与钢轨之间的垂移量y2。
4.如权利要求1所述的基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测方法，其特征在于，所述车轮(7)与钢轨(3)之间的冲角通过以下方法获得：
初始状态时，通过对所述相机(4)采集的图像进行处理，得到所述激光点A与激光点B之间连线的初始轨迹；
在列车行驶的过程中，通过对所述相机(4)采集的图像进行处理，得到所述激光点A与激光点B之间连线的实时轨迹；
将激光点A与激光点B之间连线的实时轨迹与所述激光点A与激光点B之间连线的初始轨迹进行叠加，计算出车轮(7)与钢轨(3)之间的冲角θ。
5.一种基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测装置，其特征在于：包括计算机、两个激光源以及相机，两个所述激光源固定在轮对的中心位置P，第一激光源(1)在第一钢轨轨面上的激光点为A，第二激光源(2)在第一钢轨轨面上的激光点为B，AB两个激光点的连线与钢轨边缘垂直；所述相机(4)通过支架(5)安装在两激光点区域正上方的车体(8)上，所述相机(4)的主光轴与钢轨轨面垂直，通过相机(4)对激光点A和激光点B所在的钢轨轨面图像进行采集，采集后的图像传输至所述计算机进行处理，计算机通过对比初始状态和某一状态下激光点A和激光点B在第一钢轨轨面上的位置以及激光源的位置，计算得出车轮(7)与钢轨(3)之间的横移量、车轮(7)与钢轨(3)之间的垂移量以及车轮(7)与钢轨(3)之间的冲角。
6.如权利要求5所述的基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测装置，其特征在于：所述相机(4)为CCD相机。
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