一種城市軌道車輛輪對(duì)參數(shù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)新方法

方 宇，王振龍，田中玉，李立明，陳 龍

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，201620 上海;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化系，150001 哈爾濱）

一種城市軌道車輛輪對(duì)參數(shù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)新方法

方 宇1，王振龍2，田中玉1，李立明1，陳 龍1

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，201620 上海;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化系，150001 哈爾濱）

為提高城市軌道車輛輪對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)精度，提出一種在輪軌接觸處開辟“檢測(cè)窗”的輪對(duì)參數(shù)非接觸動(dòng)態(tài)檢測(cè)新方法.建立輪對(duì)踏面圖像采集幾何映射模型及檢測(cè)坐標(biāo)系，利用坐標(biāo)變換確立了輪對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法.根據(jù)城市軌道車輛輪對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用規(guī)定，對(duì)光切面檢測(cè)窗口關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行選定.建立輪對(duì)參數(shù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)輪對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn).結(jié)果表明，相對(duì)于接觸式檢測(cè)，利用本文提出的方法所獲取的輪對(duì)關(guān)鍵參數(shù)誤差均低于1%，說明該方法具備良好的檢測(cè)精度.在輪軌接觸處開辟檢測(cè)窗進(jìn)行輪對(duì)參數(shù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，可使光源位置和攝像位置基本保持不變，從而可以有效保證輪對(duì)參數(shù)檢測(cè)精度.

城市軌道車輛;輪對(duì);踏面;動(dòng)態(tài)檢測(cè);檢測(cè)窗

輪對(duì)是城市軌道車輛走行部中極為重要的部件，其狀態(tài)好壞直接影響到車輛運(yùn)行的安全和品質(zhì).城市軌道車輛由于載荷波動(dòng)范圍大、啟動(dòng)與制動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，近年來輪對(duì)踏面異常磨耗問題日益突出［1－3］.為充分保障車輛的運(yùn)營安全和舒適性要求，在車輛檢修時(shí)必須定期對(duì)輪對(duì)的幾個(gè)重要關(guān)鍵參數(shù)(如輪徑值D、輪緣高度值h、輪緣厚度值d)加以嚴(yán)格檢測(cè).

目前，車輛輪對(duì)關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)技術(shù)分為靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)兩種類型.靜態(tài)檢測(cè)是指車輛回庫停修時(shí)，采用相應(yīng)的工具對(duì)車輛進(jìn)行逐輪測(cè)量，目前絕大多數(shù)車輛檢修部門使用的靜態(tài)檢測(cè)工具包括輪徑尺、輪緣尺、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距尺或?qū)Ｓ脵z測(cè)平臺(tái)，這種檢測(cè)方法成本低，操作簡(jiǎn)單，易于工人掌握，但存在工作繁重、具有一定的測(cè)量安全隱患等缺陷［4－6］.動(dòng)態(tài)檢測(cè)是指在車輛運(yùn)行過程中進(jìn)行檢測(cè)的一種方法，目前常用的檢測(cè)方法包括超聲遙測(cè)、沖擊載荷測(cè)量、圖像處理、施加誘導(dǎo)電流等方式［7－13］.目前，在軌道線路兩旁設(shè)置機(jī)器視覺機(jī)構(gòu)的輪對(duì)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)方法應(yīng)用較多，該方法具備較高的自動(dòng)化程度和測(cè)量精度，但造價(jià)相對(duì)昂貴，且光源相對(duì)于攝像位置的微小變化會(huì)引起較大的檢測(cè)誤差［14］.

本文利用直射光非垂直成像屏光切法，基于機(jī)器視覺技術(shù)提出一種將檢測(cè)裝置內(nèi)嵌于線路鋼軌表面的輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)新方法，從而尋求一種較為理想的輪對(duì)關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)解決方案.

1 檢測(cè)系統(tǒng)基本原理

1.1 方案設(shè)計(jì)

新檢測(cè)方法的機(jī)構(gòu)設(shè)置如圖1所示.該機(jī)構(gòu)安裝在車輛進(jìn)、出庫線場(chǎng)附近，對(duì)檢測(cè)線路的基軌進(jìn)行改造，在保證車輛承載安全的前提下在輪軌接觸處開辟一個(gè)“檢測(cè)窗”，將相應(yīng)的機(jī)器視覺設(shè)備內(nèi)嵌其中，列車低速經(jīng)過時(shí)由于重力的作用輪對(duì)會(huì)落在“檢測(cè)槽”中.由于此時(shí)光切面向上照射時(shí)必然經(jīng)過輪心，光截線能夠最大限度真實(shí)反映輪對(duì)踏面外形，并且光源相對(duì)于攝像位置基本不會(huì)發(fā)生變化，因而可以在最大程度上保證輪對(duì)參數(shù)檢測(cè)精度.

圖1 新型現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)置

本檢測(cè)系統(tǒng)采用標(biāo)線設(shè)備將“一”字或“十”字線形激光沿垂線方向打在回轉(zhuǎn)面上，使回轉(zhuǎn)面與光截面產(chǎn)生一光截線，這條光截線即被認(rèn)作是踏面的外形.由視覺傳感器獲取該光截線，通過機(jī)器視覺原理三維重建得到踏面外形.

1.2 數(shù)學(xué)模型建立

1.2.1 基本參數(shù)建模

通過機(jī)器視覺技術(shù)完成輪對(duì)參數(shù)檢測(cè)，需要在機(jī)器視覺傳感器和被測(cè)對(duì)象之間建立一種相對(duì)固定的幾何關(guān)系.本系統(tǒng)采用直射光非垂直成像屏光切法，設(shè)視軸與光切面存在夾角α(成像屏與光切面成90°－α)，并且 α ＜90°.則對(duì)于同一橫坐標(biāo)x有如圖2所示的縱向映射關(guān)系.

對(duì)于不同橫坐標(biāo)x而言，可以發(fā)現(xiàn)成像屏 －透鏡組－光切面之間的關(guān)系會(huì)有略微的區(qū)別.并且經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，縱坐標(biāo)y對(duì)于橫坐標(biāo)x也有影響，而這樣一種相互制約的因素將對(duì)于模型的建立帶來很大難度，于是提出如下假設(shè):

圖2 光截面與攝像機(jī)光軸成α角時(shí)Y方向像素映射

假設(shè):由于橫坐標(biāo)x變化而導(dǎo)致縱向映射關(guān)系y－y＇幾何模型發(fā)生的細(xì)微變化，遠(yuǎn)小于夾角α偏轉(zhuǎn)對(duì)于該模型起到的變化，因此相較之于α因素，x因素在縱向映射中可以忽略不計(jì).

為方便計(jì)算，將成像屏在透鏡組近光切面的一側(cè)作等效面v.成像屏上縱向各點(diǎn)與等效面呈180°鏡像.根據(jù)假設(shè)，無論x如何變化，縱向映射都符合圖3縱向等效幾何映射中的關(guān)系.該圖中已知 OA=OB=Y，角度 α 和 β，像距 UO=r，物距UO'=f，當(dāng)點(diǎn)P在線段AB間變化時(shí)，P'在線段A'B'上變化的函數(shù)關(guān)系為

式中:y=OP，y'=O'P'.

圖3 縱向映射等效幾何

為求解函數(shù)y'=f(y)，在P處作一輔助線垂直于OU，垂足為Q，則有:

式(1)揭示了圖像縱向參數(shù)y＇與光切面y之間的函數(shù)關(guān)系式.

與圖像縱向幾何映射不同，同一高度的橫向物像映射不受到視軸與光切面夾角α的影響.光切面與成像屏之間橫向映射x－x＇僅因高度的變化而發(fā)生變化.

光切面同一高度作任意線段都平行于成像屏，但當(dāng)光切面被測(cè)目標(biāo)高度發(fā)生變化，成像屏與透鏡組之間的像距f＇和光切面與透鏡組之間的物距r＇會(huì)發(fā)生變化.作為一個(gè)二維平面W，其不同高度的x－x'映射是不同的，因此需要求得該映射關(guān)系式才能解決該映射問題.設(shè)圖4X方向映射中的 PE=x，P'E'=x'，物距 UP=r'，像距 UP'=f'，根據(jù)相似三角形法則可得到

根據(jù)前述假設(shè)，可得

采用直射光非垂直成像屏光切法進(jìn)行幾何檢測(cè)，當(dāng)成像屏與光切面成90°－α角，透鏡中心距視軸與光切面交點(diǎn)距離(物距)為r，透鏡中心距成像屏距離為f時(shí)，輪對(duì)踏面光切面上存在點(diǎn)P(x，y)對(duì)應(yīng)到成像屏上映射點(diǎn) P(x'，y')的關(guān)系

圖4 X方向像素映射

由于組成攝像機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的透鏡組不完善導(dǎo)致實(shí)際捕捉的圖像存在一定的徑向畸變，而這種畸變的程度與畸變點(diǎn)到圖像中心的距離有關(guān)，建立如下的畸變還原模型:

因此，被檢測(cè)輪對(duì)踏面真實(shí)坐標(biāo)點(diǎn)的求取方法為

1.2.2 關(guān)鍵參數(shù)建模

本系統(tǒng)需要檢測(cè)的輪對(duì)關(guān)鍵參數(shù)包括輪徑值D、輪緣高度值h、輪緣厚度值d等.檢測(cè)系統(tǒng)建立以踏面基線為橫軸，踏面基點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，如圖5所示.輪對(duì)內(nèi)側(cè)在坐標(biāo)系縱軸(Y軸)的左側(cè)，輪緣外形在坐標(biāo)系的第二象限.這樣一種坐標(biāo)系的確定，意味著只需要找到坐標(biāo)原點(diǎn)，就可以通過關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算輪對(duì)關(guān)鍵參數(shù).坐標(biāo)系中的A、B兩點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)踏面參數(shù)h和d的計(jì)算定義坐標(biāo)點(diǎn)，A″、B″兩點(diǎn)為待檢測(cè)車輪踏面參數(shù)h和d的實(shí)際計(jì)算點(diǎn).

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)建立的踏面坐標(biāo)系

在檢測(cè)過程中，將光切面坐標(biāo)原點(diǎn)O與標(biāo)準(zhǔn)踏面坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，并保證“光切面－傳感器－被測(cè)目標(biāo)”之間相對(duì)固定關(guān)系.由于輪對(duì)半徑的磨損，踏面基點(diǎn)O會(huì)下移.對(duì)被測(cè)輪對(duì)踏面建立坐標(biāo)系X″－O″－Y″，點(diǎn)O″在X －O －Y坐標(biāo)系中的縱坐標(biāo)與X軸之間的距離記為ΔY，則實(shí)際輪徑值表示為

由于光切面與傳感器之間相對(duì)位置不變，則光切面坐標(biāo)系X－O－Y與成像屏坐標(biāo)系X'－O'－Y'都是不變坐標(biāo)系，而被測(cè)踏面坐標(biāo)系X″－O″－Y″在標(biāo)準(zhǔn)踏面坐標(biāo)系X－O－Y中移動(dòng).因此，可得到如下轉(zhuǎn)換關(guān)系:

據(jù)此，可以得出被測(cè)輪對(duì)檢測(cè)點(diǎn)位置A″、B″的坐標(biāo):

由此進(jìn)行輪對(duì)踏面關(guān)鍵參數(shù)h和d的計(jì)算.

1.2.3 光切面檢測(cè)窗口關(guān)鍵參數(shù)選定

1)光切面檢測(cè)窗口設(shè)計(jì).在輪對(duì)踏面檢測(cè)時(shí)，有效被測(cè)區(qū)域不只針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)LM型踏面關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)點(diǎn)，還需要考慮到輪對(duì)可能發(fā)生的磨耗.我國城市軌道交通車輛新輪直徑為840 mm，運(yùn)用輪對(duì)直徑磨耗極限值一般應(yīng)不低于770 mm.這意味著ΔY最大不超過35 mm，檢測(cè)視窗的下界Ymin由該值決定，如圖6所示.

圖6 光切面檢測(cè)視窗

充分考慮視窗最外圍產(chǎn)生的桶形畸變和檢測(cè)裕量，對(duì)于光切面和標(biāo)準(zhǔn)踏面坐標(biāo)形成的統(tǒng)一世界坐標(biāo)系中確定的有效檢測(cè)區(qū)域如下:

光切面視窗的寬度為Fx=120 mm，視窗高度Fy=90 mm.

2)關(guān)鍵參數(shù)選定.光截線在新輪時(shí)呈現(xiàn)在圖像中上部，由于磨耗的不斷增加導(dǎo)致輪徑逐漸減小最終接近使用極限時(shí)，光截線會(huì)移動(dòng)到圖像下部.對(duì)于不同的磨損情況檢測(cè)精度基本相等，因此選用的α要盡可能接近90°.但出于檢測(cè)設(shè)備、傳感器架設(shè)以及計(jì)算方便的考慮，在本檢測(cè)方法中最終選用α=60°.

通過CCD定標(biāo)計(jì)算，可得f=3.51 mm，r=100.48 mm.

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為實(shí)現(xiàn)檢測(cè)需求，搭建了如圖7所示的檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，視覺傳感器選取了OmniVision公司生產(chǎn)的OV7620數(shù)字CMOS攝像頭，該攝像頭具有較高的分辨率，靈活多樣的標(biāo)準(zhǔn)輸出制式以及廣闊的二次開發(fā)空間.

按照TB－T449－2003中規(guī)定的城市軌道車輛通用LM型踏面標(biāo)準(zhǔn)制作了車輪踏面模型1［15］，踏面模型2為本次試驗(yàn)待測(cè)模型，是利用接觸式檢測(cè)方法(檢測(cè)誤差在1%以內(nèi))對(duì)上海軌道交通某車輛輪對(duì)踏面檢測(cè)所獲取的結(jié)果模擬制作而成.兩個(gè)模型的具體參數(shù)如表1所示.

圖7 硬件系統(tǒng)基本架構(gòu)圖

表1 驗(yàn)證用踏面模型參數(shù) mm

對(duì)輪對(duì)模型進(jìn)行圖像二值化、區(qū)域分割、骨架化、去噪處理，并對(duì)橫向、縱向光截線進(jìn)行坐標(biāo)化重現(xiàn)，得到的圖像處理結(jié)果如圖8.

圖8 坐標(biāo)化后得到的圖像

根據(jù)前述所建立的物－像映射數(shù)學(xué)模型、畸變校正模型及確定的參數(shù)，可得

對(duì)圖8進(jìn)行去除徑向畸變幾何還原，即可得到圖9的檢測(cè)結(jié)果.

圖9 去除徑向畸變后的檢測(cè)結(jié)果

對(duì)圖9進(jìn)行識(shí)別計(jì)算，縱軸與模型2光截線相交點(diǎn)距離橫軸4.304 mm.根據(jù)坐標(biāo)變換式，對(duì)于還原圖形可以按照下式完成輪對(duì)參數(shù)檢測(cè):

利用本文的檢測(cè)方法獲得的輪對(duì)關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)結(jié)果如表2所示，與接觸式檢測(cè)方法所獲取的參數(shù)結(jié)果進(jìn)行比較可以看出，采用這種新的檢測(cè)方法所獲得的參數(shù)測(cè)量結(jié)果相對(duì)于接觸式測(cè)量，其誤差值均達(dá)到1%以下，說明這種檢測(cè)方法具有較高的檢測(cè)精度.

表2 檢測(cè)結(jié)果誤差值

3 結(jié)論

1)提出的在輪軌接觸處開辟“檢測(cè)窗”的新式輪對(duì)參數(shù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，因能夠使光源位置和攝像位置基本保持不變，從而可以有效保證輪對(duì)參數(shù)檢測(cè)精度;

2)利用建立的檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明:采用本文所研究的檢測(cè)方法所獲得的參數(shù)測(cè)量結(jié)果相對(duì)于接觸式測(cè)量，其誤差值均達(dá)到1%以下，說明這種檢測(cè)方法具有較高的檢測(cè)精度.

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A new dynamic detection method for the urban rail vehicle wheel parameters

FANG Yu1，WANG Zhen－long2，TIAN Zhong－yu1，LI Li－ming1，CHEN Long1

(1.School of Urban Railway Transportation，Shanghai University of Engineering Science，201620 Shanghai，China;2.Dept.of Mechanical Manufacture and Automation，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China)

To improve the detection precision of the urban rail vehicle wheel key parameters，a new non－contact dynamic detection method based on opening up a“detect window”at the wheel/rail contact point is put forward.The image geometric mapping model of the wheel tread and the coordinate system for detection are established，and the calculation method of wheel key parameters is established on the basis of coordinate translation methods.According to the actual application regulations of urban rail vehicle wheels，the key parameters of optical section detecting window are selected.The wheel key parameters checking experiments are carried out by use of the developed test bed.The results show that the wheel key parameter error values obtained by the method are all less than 1%.By opening up the“detect window”at the wheel/rail contact point，the light source position and the camera position can remain unchanged，so the parameters detecting precision can be guaranteed effectively.

urban rail vehicle;wheel;tread;dynamic detection;detect window

U463.34

A

0367－6234(2012)09－0132－06

2011－06－07.

上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(J51401).

方 宇(1974—)，男，博士，副教授;

王振龍(1963－)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

方 宇，fangyu－h(huán)it@126.com.

(編輯 楊 波)