專利名稱：基于結(jié)構(gòu)光的鐵路輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵路輪軌接觸關(guān)系測(cè)量技術(shù)，具體是一種基于結(jié)構(gòu)光的鐵路輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與方法。
背景技術(shù)：
輪軌關(guān)系是輪軌交通特有的接觸關(guān)系。機(jī)車車輛在運(yùn)行過(guò)程中，車輪相對(duì)軌道的位置不斷變化，所以輪軌關(guān)系是時(shí)變的、動(dòng)態(tài)的。由于輪軌接觸狀態(tài)的特殊性和復(fù)雜性，利用常規(guī)手段(無(wú)論是準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)分析，還是動(dòng)力學(xué)仿真分析)，都難于對(duì)運(yùn)行中的輪軌接觸狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)其做出精確和全面的分析和評(píng)估。理論和試驗(yàn)研究表明，輪軌接觸的非線性對(duì)高速客車系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響極為敏感。這種非線性因素表現(xiàn)為蠕滑力的非線性變化，而其根源則是輪軌間的非線性幾何接觸， 它對(duì)列車的運(yùn)行穩(wěn)定性具有直接的影響。特別地，列車在高速運(yùn)行狀態(tài)下輪軌間的動(dòng)態(tài)接觸關(guān)系惡化，加劇了輪軌接觸的異常狀況，因此，高速運(yùn)行情況下輪軌接觸狀態(tài)是影響安全運(yùn)行的非常重要的問(wèn)題之一。目前，國(guó)內(nèi)外分析輪軌接觸關(guān)系的常規(guī)方法，仍然是采用測(cè)力輪對(duì)的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析方法，即在車輪幅板上貼應(yīng)變片，測(cè)量車輪幅板在輪軌力作用下的應(yīng)變，得到輪軌作用力。西南交通大學(xué)陳建政等(輪軌接觸點(diǎn)的在線連續(xù)測(cè)量，中國(guó)鐵道科學(xué)，2007，v28, n5， P15-18)在常規(guī)測(cè)力輪對(duì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加I個(gè)電橋感應(yīng)作用點(diǎn)位置的變化，對(duì)電橋的輸出進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分析，建立作用點(diǎn)位置與電橋輸出的非線性方程組，得到作用點(diǎn)位置。日本金原等(連續(xù)測(cè)量輪軌接觸位置裝置的開發(fā)，國(guó)外鐵道車輛，2006，v43, n3，p31_36)，在車輪輻板承受軸重負(fù)荷部位正上方，以及軸另一側(cè)與其對(duì)稱處，分別開出用于測(cè)試軸重的測(cè)試孔，在該孔沿輻板厚度方向的兩端，貼上4片應(yīng)變式傳感器，構(gòu)成能夠測(cè)量孔兩端測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變，并將兩者的差值轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)的橋式電路，溫度補(bǔ)償后，就可以得到關(guān)于輪軌接觸位置位移量的數(shù)據(jù)。由于采用測(cè)力輪對(duì)確定接觸輪軌位置屬于間接測(cè)量，影響因素很多， 測(cè)量結(jié)果的精度沒(méi)有保證，準(zhǔn)確性和可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者提出一些基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的方法來(lái)確定輪軌接觸關(guān)系。 鐵道部科學(xué)研究院鐵建所趙國(guó)堂等(圖像技術(shù)在脫軌研究中的初步應(yīng)用，鐵道建筑，1998， n8，p2-5)采用安置在鋼軌內(nèi)側(cè)攝像設(shè)備直接監(jiān)測(cè)輪軌接觸區(qū)域，并進(jìn)行初步分析其接觸狀態(tài)。西南交通大學(xué)肖杰靈等(輪軌接觸幾何狀態(tài)檢測(cè)裝置，中國(guó)鐵道科學(xué)，2008，v29, n4， P141-144)提出一種基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、光電測(cè)試技術(shù)和圖像處理技術(shù)研制輪軌接觸幾何狀態(tài)可視化檢測(cè)裝置，安置于一股鋼軌內(nèi)、外兩側(cè)的高速攝像機(jī)同步獲取某一段目標(biāo)區(qū)域內(nèi)車輪通過(guò)時(shí)的輪軌接觸圖像，再通過(guò)軟件系統(tǒng)進(jìn)行圖像的校正和拼接，從而獲得完整的輪軌接觸關(guān)系圖像。最后通過(guò)特征識(shí)別，獲得較完整的輪軌接觸關(guān)系。由于攝像設(shè)備的安裝既要考慮良好的攝像角度，以保證捕捉到最佳的輪軌接觸狀態(tài)，又要防止與列車碰撞，因此安裝存在一定難度，且監(jiān)測(cè)效果欠佳。西安交通大學(xué)的陳建政等(輪軌接觸點(diǎn)位置圖像檢測(cè)方法研究，電力機(jī)車與城軌車輛，2009，v32, nl，p34_36)采用圖像檢測(cè)的方法，在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架處裝置一個(gè)CXD攝像機(jī)，通過(guò)對(duì)輪軌圖像進(jìn)行預(yù)處理、邊緣檢測(cè)、形態(tài)學(xué)處理以及邊緣鏈接得到輪軌邊緣的輪廓，最終實(shí)現(xiàn)輪軌接觸點(diǎn)位置的在線連續(xù)測(cè)。西南交通大學(xué)的張渝等(輪軌接觸狀態(tài)可視化檢測(cè)裝置研究及試驗(yàn)，光電工程，2009，v36，n9，p56-60)通過(guò)鋼軌內(nèi)外兩側(cè)安裝的高速攝像機(jī)，同步采集列車高速通過(guò)特定測(cè)量區(qū)域時(shí)的輪軌接觸圖像， 再利用圖像處理算法獲得每個(gè)采樣位置的輪軌外形輪廓，識(shí)別出輪軌異常接觸狀態(tài)，計(jì)算測(cè)量區(qū)域的輪軌接觸軌跡。西南交通大學(xué)的翟婉明等提出“一種鐵道機(jī)車車輛輪軌動(dòng)態(tài)接觸的可視化仿真方法”(CN101051393)，先構(gòu)建平衡位置處左右側(cè)車輪及鋼軌的截面模型， 利用車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，計(jì)算出列車行駛時(shí)車輪垂向、橫向、搖頭、側(cè)滾、旋轉(zhuǎn) 5個(gè)自由度的位移，并將其疊加到左右側(cè)車輪；同時(shí)計(jì)算出左右側(cè)鋼軌垂向、橫向、扭轉(zhuǎn)3個(gè)自由度的位移和線路不平順?biāo)a(chǎn)生的鋼軌偏移，將該位移及偏移疊加到鋼軌接觸截面模型的平衡位置；最后進(jìn)行裝配，將輪軌動(dòng)態(tài)空間接觸關(guān)系進(jìn)行二維可視化仿真再現(xiàn)。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所的李海浪等提出“一種監(jiān)測(cè)輪軌接觸狀態(tài)的裝置及系統(tǒng)”(CN201347528)，該裝置包括攝像單元，用于采集列車的車輪與軌道接觸狀態(tài)的視頻信息；線路信息獲取單元，用于獲取列車的線路信息；線路信息包括線路名稱、和/或里程、和 /或行駛速度。處理單元，用于將采集的視頻信息與獲取的線路信息疊加。視頻信息傳輸單元，用于向視頻監(jiān)視設(shè)備傳送疊加線路信息的視頻信息。但是上述的各種視覺(jué)方法僅能監(jiān)測(cè)車輪或者鋼軌的運(yùn)行狀況，并不能對(duì)輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)進(jìn)行精確的同步測(cè)量，更不能對(duì)輪軌接觸關(guān)系進(jìn)行自適應(yīng)分析，因此輪軌接觸關(guān)系的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)都是始終懸而未決的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法準(zhǔn)確獲得輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)的不足，提出一種適用于輪軌接觸幾何參數(shù)在線監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)及方法。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由左探測(cè)器、右探測(cè)器和處理系統(tǒng)三個(gè)部分組成。左探測(cè)器和右探測(cè)器分別安裝在車廂底部，正對(duì)鋼軌的正上方位置，處理系統(tǒng)安裝在車載控制柜中。左探測(cè)器和右探測(cè)器分別監(jiān)測(cè)左右兩對(duì)輪軌的接觸狀態(tài)，檢測(cè)信號(hào)送入處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)進(jìn)行處理、識(shí)別、判斷、存儲(chǔ)和輸出，最終得出所需的接觸幾何參數(shù)。本發(fā)明所述的探測(cè)器包括兩個(gè)線激光器和一個(gè)工業(yè)攝像機(jī)組成，其中的一個(gè)線激光器發(fā)出的線激光照射到鋼軌表面，并在鋼軌表面上形成一個(gè)鋼軌截面輪廓線；另一個(gè)線激光器發(fā)出的線激光照射到車輪側(cè)表面，并在車輪表面形成一個(gè)車輪截面輪廓線；工業(yè)攝像機(jī)直接獲取包含上述兩條輪廓線在內(nèi)的鋼軌與車輪監(jiān)測(cè)區(qū)域的圖像，并將圖像傳送到后面的處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，最終可得到所需的全部的輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)。本發(fā)明采用上述系統(tǒng)的輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)方法如下當(dāng)列車運(yùn)行過(guò)程中，兩個(gè)線激光器同步發(fā)出線激光，分別照射到鋼軌表面和車輪表面，并分別在鋼軌表面和車輪表面形成兩條輪廓線。工業(yè)攝像機(jī)連續(xù)拍攝包含上述兩條輪廓線在內(nèi)的鋼軌與車輪監(jiān)測(cè)區(qū)域的圖像，并將圖像實(shí)時(shí)傳送到后面的處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，最終可得到所需的全部的輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)輪軌接觸關(guān)系的在線監(jiān)測(cè)。所述的線激光器采用半導(dǎo)體激光器構(gòu)成，在半導(dǎo)體激光器前端安裝準(zhǔn)直透鏡和線性光闌，將出射光整形成平行的線光源，分別頭像鋼軌表面和車輪表面。為了保證幾何參數(shù)的檢測(cè)精度，兩個(gè)激光器的激光束應(yīng)該盡可能與車輪與鋼軌表面垂直?？紤]到安裝的可行性，激光束與表面法線的夾角應(yīng)控制在30度以內(nèi)為佳。所述的工業(yè)攝像機(jī)采用普通數(shù)字工業(yè)攝像機(jī)，直接獲取包含上述兩條輪廓線在內(nèi)的鋼軌與車輪監(jiān)測(cè)區(qū)域的圖像，并將圖像傳送到后面的處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。所述的工業(yè)攝像機(jī)置于兩個(gè)線激光器之間，與兩個(gè)線激光器均應(yīng)呈現(xiàn)一定的夾角，該夾角一般不小于30 度，以保證測(cè)量結(jié)果的精度。所述的處理系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)控制器、視頻采集器、中心處理器、圖像存儲(chǔ)器等組成，在中心處理器的控制下，通過(guò)光源驅(qū)動(dòng)與控制器打開線激光器，利用視頻采集器采集工業(yè)攝像機(jī)獲取的圖像，并能進(jìn)行相應(yīng)的處理和計(jì)算，最終得到監(jiān)測(cè)結(jié)果并輸出，同時(shí)將圖像和監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。本發(fā)明還涉及用于上述監(jiān)測(cè)方法的輪軌接觸幾何參數(shù)確定方法，具體如下(I)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括濾波后邊緣提取，獲得鋼軌和車輪的截面輪廓線；(2)對(duì)得到的兩條輪廓線分別進(jìn)行樣條函數(shù)擬合計(jì)算(例如三次樣條函數(shù)擬合)， 分別獲得左右兩側(cè)的鋼軌表面輪廓曲線，以及車輪表面輪廓曲線，同時(shí)將兩個(gè)車輪輪廓曲線同步向上平移一小段距離。(3)計(jì)算車輪輪廓線與鋼軌輪廓線之間的垂向距離，找出左右兩側(cè)輪軌之間的最小垂向距離及其所在位置。(4)如果左右兩側(cè)輪軌之間的最小垂向距離相等，則左右兩側(cè)輪對(duì)同步向下平移， 左右車輪同時(shí)與左右鋼軌相接觸，上述接觸點(diǎn)位置即為左右輪軌真正的接觸點(diǎn)，此時(shí)輪對(duì)的側(cè)滾角為零。(5)如果左右兩側(cè)輪軌之間的最小垂向距離不等，則輪對(duì)向下平移時(shí)兩點(diǎn)不同時(shí)與鋼軌相接觸，其中一側(cè)輪的一點(diǎn)接觸后輪對(duì)還要繞縱向軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后才能使得與另一側(cè)輪對(duì)接觸，這個(gè)旋轉(zhuǎn)角度即為輪對(duì)的側(cè)滾角。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)技術(shù)采用結(jié)構(gòu)光方法同步獲取鋼軌和車輪的空間位置，從而可以準(zhǔn)確獲取輪軌接觸幾何參數(shù)，由此獲取輪軌接觸關(guān)系實(shí)際情況。該系統(tǒng)和方法具有精度高、速度快、非接觸、低功耗、小體積、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，能夠用于各種鐵路車輛的監(jiān)測(cè)。


圖I輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖；圖2探測(cè)器組成與布局示意圖；圖3線激光器組成示意圖；圖4線激光器與工業(yè)攝像機(jī)按照布局示意圖；圖5處理系統(tǒng)組成示意圖；圖6采集到的圖像及預(yù)處理結(jié)果；圖7處理結(jié)果示意圖。圖中1_鋼軌，2-車輪，3-左探測(cè)器，4-車體，5-處理系統(tǒng)，6-右探測(cè)器，7-線激
6光器，8-工業(yè)攝像機(jī)，9-半導(dǎo)體激光器，10-準(zhǔn)直透鏡，11-線性光闌。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例I圖I所示為本實(shí)施例的輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖。該輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由左探測(cè)器3、右探測(cè)器6和處理系統(tǒng)5三個(gè)部分組成。左探測(cè)器3和右探測(cè)器6分別安裝在車體4底部，正對(duì)鋼軌I的正上方位置，處理系統(tǒng)5安裝在車載控制柜中。左探測(cè)器3和右探測(cè)器6分別監(jiān)測(cè)左右兩對(duì)輪軌的接觸狀態(tài)，檢測(cè)信號(hào)送入處理系統(tǒng) 5，進(jìn)行處理、識(shí)別、判斷、存儲(chǔ)和輸出，最終得出所需的接觸幾何參數(shù)。如圖2所示為本實(shí)施例的探測(cè)器組成與布局示意圖。該探測(cè)器包括兩個(gè)線激光器 7和一個(gè)工業(yè)攝像機(jī)8組成，其中的一個(gè)線激光器7發(fā)出的線激光照射到鋼軌I表面，并在鋼軌I表面上形成一個(gè)鋼軌截面輪廓線；另一個(gè)線激光器7發(fā)出的線激光照射到車輪2側(cè)表面，并在車輪2表面形成一個(gè)車輪截面輪廓線；工業(yè)攝像機(jī)8直接獲取包含上述兩條輪廓線在內(nèi)的鋼軌I與車輪2監(jiān)測(cè)區(qū)域的圖像，并將圖像傳送到后面的處理系統(tǒng)5進(jìn)行處理，最終可得到所需的全部的輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)。如圖3所示為本實(shí)施例的線激光器組成示意圖。所述線激光器7采用半導(dǎo)體激光器9構(gòu)成，具有體積小、功耗低、穩(wěn)定可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)異特點(diǎn)。在半導(dǎo)體激光器9前端安裝準(zhǔn)直透鏡10和線性光闌11，將出射光整形成平行的線光源，分別投向鋼軌I表面和車輪2 表面。為了保證幾何參數(shù)的檢測(cè)精度，兩個(gè)激光器7的激光束應(yīng)該盡可能與車輪2與鋼軌 I表面垂直?？紤]到安裝的可行性，激光束與表面法線的夾角應(yīng)控制在30度以內(nèi)為佳。圖4為本實(shí)施例的線激光器與工業(yè)攝像機(jī)按照布局示意圖。所述的工業(yè)攝像機(jī)8 采用普通數(shù)字工業(yè)攝像機(jī)，直接獲取包含上述兩條輪廓線在內(nèi)的鋼軌I與車輪2監(jiān)測(cè)區(qū)域的圖像，并將圖像傳送到后面的處理系統(tǒng)5進(jìn)行處理。所述的工業(yè)攝像機(jī)8置于兩個(gè)線激光器7之間，與兩個(gè)線激光器7均應(yīng)呈現(xiàn)一定的夾角，該夾角一般不小于30度，以保證測(cè)量結(jié)果的精度。圖5為本實(shí)施例的處理系統(tǒng)組成示意圖。所述的處理系統(tǒng)5由驅(qū)動(dòng)控制器、視頻采集器、中心處理器、圖像存儲(chǔ)器等組成。在中心處理器的控制下，通過(guò)驅(qū)動(dòng)與控制器打開線激光器，利用視頻采集器采集工業(yè)攝像機(jī)8獲取的圖像，并能進(jìn)行相應(yīng)的處理和計(jì)算，最終得到監(jiān)測(cè)結(jié)果并輸出，同時(shí)將圖像和監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。實(shí)施例2本實(shí)施例提供一種采用實(shí)施例I系統(tǒng)進(jìn)行的輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)方法，具體為當(dāng)列車運(yùn)行過(guò)程中，兩個(gè)線激光器同步發(fā)出線激光，分別照射到鋼軌表面和車輪表面， 并分別在鋼軌表面和車輪表面形成兩條輪廓線；工業(yè)攝像機(jī)連續(xù)拍攝包含上述兩條輪廓線在內(nèi)的鋼軌與車輪監(jiān)測(cè)區(qū)域的圖像，并將圖像實(shí)時(shí)傳送到后面的處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，最終得到所需的全部的輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)輪軌接觸關(guān)系的在線監(jiān)測(cè)。本實(shí)施例中，上述得到所需的全部的輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)方法，具體如下
(I)對(duì)工業(yè)攝像機(jī)8采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括濾波后邊緣提取，獲得鋼軌和車輪的截面輪廓線(見圖6);(2)對(duì)得到的兩條輪廓線分別進(jìn)行樣條函數(shù)擬合計(jì)算(例如三次樣條函數(shù)擬合)， 分別獲得左右兩側(cè)的鋼軌I表面輪廓曲線RJy)和Rk(y)，以及車輪2表面輪廓曲線Wjy) 和Wk(y)，同時(shí)將兩個(gè)車輪輪廓曲線l(y)同步向上平移一小段距離。(3)計(jì)算車輪輪廓線Rjy)和RK(y)與鋼軌輪廓線Wlj(y)和評(píng)力)之間的垂向距離，找出左右兩側(cè)輪軌之間的最小垂向距離Δ Zljllin = min [Wlj (Y)-RJy)]和Δ Zftllin = min [ffE (y) -Re (y)]及其所在位置 yMn 和 yKmin。(4)如果左右兩側(cè)輪軌之間的最小垂向距離相等，即Δ Zlmin = AZftllin，則左右兩側(cè)輪對(duì)同步向下平移，左右車輪同時(shí)與左右鋼軌相接觸，yLminyEmin即為左右輪軌真正的接觸點(diǎn)，此時(shí)輪對(duì)的側(cè)滾角為零。(5)如果左右兩側(cè)輪軌之間的最小垂向距離不等，即Λ ZLmin幸Δ ZEmin(A yG > O), 則輪對(duì)向下平移時(shí)兩點(diǎn)不同時(shí)與鋼軌相接觸，其中一側(cè)輪的一點(diǎn)接觸后輪對(duì)還要繞縱向軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后才能使得與另一側(cè)輪對(duì)接觸，這個(gè)旋轉(zhuǎn)角度即為輪對(duì)的側(cè)滾角。本實(shí)施例的處理結(jié)果如圖7所示。通過(guò)以上實(shí)施例可知，本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)光原理工作，可同步確定鋼軌與車輪的空間位置信息，由此求解輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)，具有精度高、速度快、非接觸、可連續(xù)在線監(jiān)測(cè)、自動(dòng)適應(yīng)鐵路路況不好、防護(hù)能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的輪軌接觸關(guān)系測(cè)量方法能夠用于各種鐵路線路。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種基于結(jié)構(gòu)光的鐵路輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)主要由左探測(cè)器、右探測(cè)器和處理系統(tǒng)三個(gè)部分組成，左探測(cè)器和右探測(cè)器分別安裝在車廂底部， 正對(duì)鋼軌的正上方位置，處理系統(tǒng)安裝在車載控制柜中；左探測(cè)器和右探測(cè)器分別監(jiān)測(cè)左右兩對(duì)輪軌的接觸狀態(tài)，檢測(cè)信號(hào)送入處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)進(jìn)行處理、識(shí)別、判斷、存儲(chǔ)和輸出，最終得出所需的接觸幾何參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于結(jié)構(gòu)光的鐵路輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是 所述的左右探測(cè)器均包括兩個(gè)線激光器和一個(gè)工業(yè)攝像機(jī)組成，其中的一個(gè)線激光器發(fā)出的線激光照射到鋼軌表面，并在鋼軌表面上形成一個(gè)鋼軌截面輪廓線；另一個(gè)線激光器發(fā)出的線激光照射到車輪側(cè)表面，并在車輪表面形成一個(gè)車輪截面輪廓線；工業(yè)攝像機(jī)直接獲取包含上述兩條輪廓線在內(nèi)的鋼軌與車輪監(jiān)測(cè)區(qū)域的圖像，將圖像傳送到后面的處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于結(jié)構(gòu)光的鐵路輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是 所述兩個(gè)激光器的激光束與表面法線的夾角控制在30度以內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于結(jié)構(gòu)光的鐵路輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是 所述的兩個(gè)激光器的激光束分別與車輪和鋼軌表面垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于結(jié)構(gòu)光的鐵路輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是 所述的工業(yè)攝像機(jī)置于兩個(gè)線激光器之間，與兩個(gè)線激光器均應(yīng)呈現(xiàn)一定的夾角，該夾角不小于30度，以保證測(cè)量結(jié)果的精度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的基于結(jié)構(gòu)光的鐵路輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是所述的處理系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)控制器、視頻采集器、中心處理器、圖像存儲(chǔ)器組成，在中心處理器的控制下，通過(guò)光源驅(qū)動(dòng)與控制器打開線激光器，利用視頻采集器采集工業(yè)攝像機(jī)獲取的圖像，并能進(jìn)行處理和計(jì)算，最終得到監(jiān)測(cè)結(jié)果并輸出，同時(shí)將圖像和監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于結(jié)構(gòu)光的鐵路輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是 所述處理系統(tǒng)對(duì)采集到的圖像先進(jìn)行預(yù)處理，包括濾波后邊緣提取，獲得鋼軌和車輪的截面輪廓線；再對(duì)得到的兩條輪廓線分別進(jìn)行樣條函數(shù)擬合計(jì)算，分別獲得左右兩側(cè)的鋼軌表面輪廓曲線，以及車輪表面輪廓曲線，同時(shí)將兩個(gè)車輪輪廓曲線同步向上平移一小段距離；然后計(jì)算車輪輪廓線與鋼軌輪廓線之間的垂向距離，找出左右兩側(cè)輪軌之間的最小垂向距離及其所在位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于結(jié)構(gòu)光的鐵路輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征是 如果左右兩側(cè)輪軌之間的最小垂向距離相等，則左右兩側(cè)輪對(duì)同步向下平移，左右車輪同時(shí)與左右鋼軌相接觸，上述接觸點(diǎn)位置即為左右輪軌真正的接觸點(diǎn)，此時(shí)輪對(duì)的側(cè)滾角為零；如果左右兩側(cè)輪軌之間的最小垂向距離不等，則輪對(duì)向下平移時(shí)兩點(diǎn)不同時(shí)與鋼軌相接觸，其中一側(cè)輪的一點(diǎn)接觸后輪對(duì)還要繞縱向軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后才能使得與另一側(cè)輪對(duì)接觸，這個(gè)旋轉(zhuǎn)角度即為輪對(duì)的側(cè)滾角。
9.一種采用權(quán)利要求1-8所述系統(tǒng)的鐵路輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)方法，其特征是當(dāng)列車運(yùn)行過(guò)程中，兩個(gè)線激光器同步發(fā)出線激光，分別照射到鋼軌表面和車輪表面，并分別在鋼軌表面和車輪表面形成兩條輪廓線；工業(yè)攝像機(jī)連續(xù)拍攝包含上述兩條輪廓線在內(nèi)的鋼軌與車輪監(jiān)測(cè)區(qū)域的圖像，并將圖像實(shí)時(shí)傳送到后面的處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，最終得到所需的全部的輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)輪軌接觸關(guān)系的在線監(jiān)測(cè)。
10.一種用于權(quán)利要求9所述方法的輪軌接觸幾何關(guān)系參數(shù)的確定方法，其特征是由以下步驟構(gòu)成(1)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括濾波后邊緣提取，獲得鋼軌和車輪的截面輪廓線.(2)對(duì)得到的兩條輪廓線分別進(jìn)行樣條函數(shù)擬合計(jì)算，分別獲得左右兩側(cè)的鋼軌表面輪廓曲線，以及車輪表面輪廓曲線，同時(shí)將兩個(gè)車輪輪廓曲線同步向上平移一小段距離；(3)計(jì)算車輪輪廓線與鋼軌輪廓線之間的垂向距離，找出左右兩側(cè)輪軌之間的最小垂向距離及其所在位置；(4)如果左右兩側(cè)輪軌之間的最小垂向距離相等，則左右兩側(cè)輪對(duì)同步向下平移，左右車輪同時(shí)與左右鋼軌相接觸，上述接觸點(diǎn)位置即為左右輪軌真正的接觸點(diǎn)，此時(shí)輪對(duì)的側(cè)滾角為零；(5)如果左右兩側(cè)輪軌之間的最小垂向距離不等，則輪對(duì)向下平移時(shí)兩點(diǎn)不同時(shí)與鋼軌相接觸，其中一側(cè)輪的一點(diǎn)接觸后輪對(duì)還要繞縱向軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后才能使得與另一側(cè)輪對(duì)接觸，這個(gè)旋轉(zhuǎn)角度即為輪對(duì)的側(cè)滾角。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于結(jié)構(gòu)光的鐵路輪軌接觸關(guān)系在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與方法，所述系統(tǒng)包括左探測(cè)器、右探測(cè)器和處理系統(tǒng)。左右探測(cè)器均包括兩個(gè)線激光器和一個(gè)工業(yè)攝像機(jī)組成，其中一個(gè)線激光器發(fā)出的線激光照射到鋼軌表面，并在鋼軌表面上形成一個(gè)鋼軌截面輪廓線；另一個(gè)線激光器發(fā)出的線激光照射到車輪側(cè)表面，并在車輪表面形成一個(gè)車輪截面輪廓線；工業(yè)攝像機(jī)直接獲取包含上述兩條輪廓線在內(nèi)的鋼軌與車輪監(jiān)測(cè)區(qū)域的圖像，將圖像傳送到后面的處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，進(jìn)行處理、識(shí)別、判斷、存儲(chǔ)和輸出，最終得出所需的接觸幾何參數(shù)。本發(fā)明采用結(jié)構(gòu)光方法同步獲取鋼軌和車輪的空間位置，從而可以準(zhǔn)確獲取輪軌接觸幾何參數(shù)，由此獲取輪軌接觸關(guān)系實(shí)際情況。
文檔編號(hào)G01M17/10GK102607439SQ20121003688
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月17日
發(fā)明者劉偉文, 吳芳, 楊金峰, 王夢(mèng)雪, 趙輝, 陶衛(wèi), 雷華明 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)