硕士学位论文题目轮对轮辋厚度参数检测技术研究研究生邵宪全专业测试计量技术及仪器指导教师吴开华教授完成日期年月万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文轮对轮辋厚度参数检测技术研究研究生邵宪全指导教师吴开华教授年月万方数据.，万方数据杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。论文作者签名日期年月日学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印缩印或其它复制手段保存论文。保密论文在解密后遵守此规定论文作者签名日期年月日指导教师签名日期年月日万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文摘要铁路运输在我国的交通运输中扮演着重要的角色，特别是近几年的大幅提速让整个铁路运输事业飞速发展，而更高的速度带来的安全隐患也逐渐得到重视。轮对是车辆的最重要部件，与车辆的运行安全息息相关，因此对于轮对参数的定期检测是十分必要的。铁路相关部门出台了轮对参数检测的文件，其中提出了轮辋厚度参数检测的指标。本文设计了基于结构光成像原理的车辆轮辋厚度参数在线检测方法，最终完成了参数的求解公式推导并进行了模拟实验验证。本文主要研究内容如下提出了将基于三角测量法的结构光检测原理应用于轮辋厚度参数在线检测装置，并根据公式推导得出轮辋厚度参数的计算公式。对于该检测方法中比较关键的图像配准算法进行了详细的阐述，根据图像的特点选择了适当的配准空间变换模型，并完成了图像配准算法的推导和算法在实际应用中的实现过程。在参数检测方案确定的前提下进行实现方法的设计，主要包括图像采集相机标定图像处理和参数计算四个模块，针对每个模块的关键词语公式和参数进行了详细的说明和推导。针对该方案中关系到最终参数计算结果精度的几个模块进行了精度试验验证，主要是图像配准模块和相机标定模块以及利用模型进行参数求解精度验证。图像配准模块主要是进行了两台相机采集图像坐标，然后求解配准变换矩阵进行坐标转换，验证该方法的精度。相机标定模块主要是针对图像点和空间点之间的转换精度进行验证。参数计算模块主要利用参考模型进行参数计算，通过检测模型中模拟轮辋厚度的尺寸来验证最终方案达到的精度。关键词轮辋厚度检测，图像配准，相机标定，参数计算万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文,.,,万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文,万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文目录摘要.目录第章绪论研究背景及意义.国内外研究现状.轮对参数检测国内外现状.轮辋厚度检测国内外现状本文主要研究内容.论文结构安排第章参数检测方法车辆轮对轮辋厚度参数定义.参数检测原理及系统线结构光三角法检测原理线结构光检测模型轮辋厚度参数检测方法参数检测方法轮辋外端点位置计算.轮辋内端点位置计算.轮辋厚度参数计算本章小结第章图像配准算法研究概述.图像配准中的关键问题图像配准简介.图像配准空间变换模型.配准板图案设计.求解变换矩阵图像配准实现图像插值.图像配准实现本章小结第章轮对轮辋厚度参数检测方法实现概述.图像采集选型激光光源选型.图像采集装置分析摄相机标定万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文摄像机标定简介.摄像机标定中的坐标系.摄像机标定模型.摄像机标定算法图像处理.参数计算实际轮辋厚度参数计算.模拟轮辋厚度参数计算本章小结第章实验设计及分析概述.图像配准精度实验分析.摄像机标定精度验证.参数计算精度验证.本章小结第章工作总结与展望工作总结.存在的问题及展望致谢参考文献.万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文第章绪论.研究背景及意义车辆是铁路运输的牵引动力。铁道运输承载着中国很大部分的运输业务，包括客车货车，在中国的运输领域扮演着极其重要的角色，经过了十余年的飞速发展，我国的铁路营业里程接近万公里，其中包括接近万公里的高速铁路，现阶段的目标到年增至万公里，投资总额也将超过万亿元人民币。近年来飞速发展的动车组和高铁路线网已经覆盖了中国的很多城市，速度上的飞速提升也将提高人民的生活节奏和质量，舒适的环境方便的出行快捷的效率非常符合社会的发展的节奏，但是同时也对列车的安全性要求越来越高。图.高速列车安全是现代社会的主题之，作为列车的重要组成部件之，火车轮对的作用至关重要，它连接着车辆和轨道，车辆的前进和制动都是依靠车辆轮对和轨道之间的相互作用力，所以轮对的状态关系到车辆运行的安全。尤其随着轨道交通的全面发展，当前车辆运行系统直在向着重载快速的方向发展，十年期间速度提高了将近倍，高铁客运专线更是将最高的运行速度提高到了惊人的，这样就增加了对轮对质量和性能的考验。鉴于轮对的重要性，需要对轮对进行定期的检测，旦发现磨损严重或者本身存在问题的轮对需要进行处理，包括维修切削打磨甚至是替换，不然将会留下重大隐患，造成不必要的事故。万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文目前，在我国流行的轮对检测方法绝大部分还停留在专业检测人员人工操作检测设备进行检测或者是静态检测的初级阶段，虽然出现了少量的自动化检测方法，但是还必须在将轮对拆卸下来运输到指定的检测场所检测，这样不仅增加了人力消耗，更是影响了列车的运行周期，检测成本太高。并且不能实时检测列车运行中的轮对状态也不能保证运行的安全。虽然我国在铁路发展过程中很早就提出了准确快速的对运行状态下的轮对参数进行检测，但是由于技术等各方面的发展的限制，始终未能很好的解决。近年来随着图像传感器技术的快速发展，应用领域也不断的扩大，尤其是在轮对检测方面，因为其检测速度快精度高等优点，正在被逐渐地成为主流的检测方式。随着对于火车轮对的要求越来越高，铁道部最新出台的货车轮对尺寸动态检测系统技术条件中增加了轮辋厚度参数检测的要求，并且提出了列车在运行速度下轮辋厚度检测精度.，在运行速度下轮辋厚度检测精度.的指标要求。.国内外研究现状自从上个世纪八十年代初，国外就已经开始了对于车辆轮对磨耗及其他参数的检测研究，直到现在，已经研制出了多种成熟的检测方法。并且开发出了多种情况下适合不同场合的轮对磨耗检测系统。轮对参数检测国内外现状目前，国内外研究开发和已经研制出并投入实际应用的检测方法有很多，总体上分为静态和动态检测两类静态检测技术静态检测即在车辆停止运行或者直接将车辆轮对从车厢上拆卸下来运送到专业的轮对检测场所，主要是人工操作卡尺类或者检测装置进行检测。芬兰车轮外形测量仪在轮对参数静态检测领域，芬兰进行了定的研究。年代初，轮对外形测量仪的问世是轮对静态检测技术的大进步。其工作方式为测绘轮对的外形，然后与标准的轮对外形进行比较，这样就可以得到被检测的轮对的外形参数。该仪器的检测速度特别快，个点的检测在秒内就可以完成，并且保证每两点之间间隔为.。计算机程序把车轮外形放大数倍，以图像的方式显示出来，还能通过计算机绘制车轮形状以及输出测量结果。美国便携式车轮断面测量仪该仪器于年代末就已经被发明，可以在两秒钟内检测出轮对的踏面磨损和轮缘厚度。首先，控制机构控制仪器的位置是准确的，而且检测是在相对比较好的环境中进行，不受外界的光线和其他影响因素的影响，所以精度是可以万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文保证的，该测量仪可以实现检测所得的数据自动上传处理。在轮径检测方面实现了不拆卸轮对检测，节省了大量的人力物力，方便快捷，测量误差小于.。日本轮对自动检查装置日本于年代末研制成功了轮对自动监测装置。该装置由光源和控制处理机构等组成。随着轮对沿垂直方向缓慢升高时，获取左右轮对的外形轮廓图像，然后处理计算。误差可以控制在.，不过检测的效率非常低，大约分钟对。该装置的优点是实现了自动化，精度高，以及检测的环境更加优良，但是同样存在静态检测不可避免的低效费时费力等缺点。我国关于轮对几何参数的静态检测目前，在我国国内也出现了定数量的轮对检测仪器，其中应用最广泛的轮对检测器是铁道车辆车轮第四种检查器如图.。图.铁道车轮第四种检查器该检查器根据轮对的形状和检测参数的具体位置进行设计，通过人工操作可以实现轮对磨耗轮缘厚度轮辋等轮对参数的检测，最终的测量精度为。该装置虽然不需要将轮对从车厢拆卸下来进行检测，只需要在车辆停车时人工检测，但是依然影响了车辆的运行周期，而且要耗费大量的人力物力。同时，因为也存在人为操作误差且不同的检测员工误差也不同，因此很难保证检测能最终能达到理想的精度。另外国内广东工业大学研发的光电测量装置也同样实现了参数的检测，该装置利用传感器触发相机完成图像采集和其他的些相关处理，最终可以计算得到轮对参数，整个系统精度高，检测方法简便高效。动态检测技术动态检测方法区别于静态检测方法，要求在被测车辆匀速运动的情况下进行检测，并且要实时的将参数数据计算出来并上传到系统数据库。相比之下，动态检测的精度还有部分无法达到静态检测精度，但是该方法不占用车辆运行万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文的时间，不需要将轮对拆卸并运送到指定的地点，既方便又可靠，节省了大量的人力物力。目前主流的几个动态检测方法为涡流法电涡流检测技术从二战时期已经被应用于许多领域的检测，比如美国人用来检测飞机的零件。随着科技的发展，现在该技术已经被多次改进，并且得到了更广泛的应用。检测设备中的探头就能感知到磁场的变化，并将这些裂缝和缺陷的大小和位置显示出来，以便进行维修和替换。电磁超声检测电磁超声检测首先出现在德国，其主要的检测工具为电磁超声探头。当车辆经过时，触发超声探头进行检测。电磁超声技术的使用，本费伊研究所已经发展得非常成熟的产品对车轮表面缺陷的动态检测装置，而且已经被德国的公司应用与其公司的轮对动态检测产品中。冲击载荷法踏面存在磨损后，轮对的直径发生了变化，这样就导致轮对在铁轨上运行时会对铁轨有定的冲击，因此可以采用在铁轨上布置传感器去感应这种冲击负荷来实现轮对踏面磨耗的检测。“系统”于世纪年代出现在美国，主要用来检测轮对踏面损伤。该设备支持的冲击负荷的电流值实时显示。在测量开始，车轮垂直载荷信息通过轨道运动和负载电路的特殊影响，计算负载价值的核心处理器后，比较参考值就可以判断参数是否超过界限。基于机器视觉的检测方法作为种新型的检测技术，机器视觉正在被越来越多的应用到实际的项目中。该方法采用线结构光成