[发明专利]一种列车车轮冲角的测量方法

说明书

本发明公开了一种列车车轮冲角的测量方法，该方法是在列车转向架上布置双目摄像头及结构光光源，令多条结构光以不同角度照射在待测车轮和轨道上，通过概率Hough直线检测提取已经过预处理的左右图像中的结构光，提取结构光直线段两端的端点，对车轮平面和轨道直线进行三维重建，计算车轮与轨道之间的冲角并判断是否存在异常。本发明可以实现对列车行车过程中的轮轨冲角进行实时监控，保障行车安全。

技术领域

本发明涉及铁路机车的蛇形运动测量、分析的技术领域，尤其是指一种列车车轮冲角的测量方法。

背景技术

随着经济社会的发展，交通运输需求猛增，铁路机车作为公认的运力最大的交通工具，其市场需求更加紧张。由于列车是通过轮对踏面、转向架等特殊结构来转弯的，那么在列车直线运行过程中一边向前运动，一边横向摆动的蛇形运动也就不可避免。过于剧烈的蛇形运动不仅会破坏车辆运行的平稳性，还会损坏车轮和钢轨，甚至还可能引发出轨造成重大事故。因此监控列车蛇形运动保障行车安全对于人民人身安全、财产安全至关重要。

因此，本发明希望能够通过设计一种列车车轮冲角的测量方法，实时测量列车车轮的冲角，当冲角超过一定限度时，能够及时发现并通知异常情况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于结构光的列车车轮冲角的测量方法，通过三维重建列车车轮和轨道平面以判断蛇形运动的剧烈程度，从而实现对列车行车安全的监控，以便提高铁路运输的安全性。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种列车车轮冲角的测量方法，包括以下步骤：

1)列车转向架上布置双目摄像头及结构光光源，拍摄范围包括待测车轮和轨道，调整结构光光源并将线结构光投影在待测车轮和轨道上；其中，需对双目摄像头进行系统标定，获得双目摄像头的内参，并进行立体标定获得两台摄像头之间的相对位置关系矩阵，利用内外参数对左、右图像进行立体校正预处理；

2)对图像进行概率Hough直线检测，提取出左视图和右视图中的结构光直线；以直线角度作为匹配特征，将左、右图像中的结构光线段进行一一匹配，再把同一直线段的两个端点进行匹配；采用双目立体视觉算法，通过标定得到的双目内参以及外参计算出特征点的三维空间坐标；

3)得到对应特征点的空间坐标后，对车轮、轨道进行三维重建，建立车轮与轨道的三维空间方程；

4)通过计算车轮平面与轨道边缘直线的夹角，以此作为列车车轮的冲角，同时设定正常冲角范围，若存在列车车轮方向与轨道方向夹角在正常冲角范围内，则判定列车行驶正常，若存在列车车轮方向与轨道方向夹角在正常冲角范围外，则判定列车行驶异常。

在步骤1)中，采用平行放置的双目摄像头和多个结构光光源，放置在列车转向架上，调整摄像头与结构光光源角度，使双目摄像头能够拍摄到结构光分别以不同角度照射在车轮和轨道上的图像。

在步骤1)中，采用张正友标定法对双目摄像头进行标定，获得包括S_X、S_Y、u₀、v₀、f的内参数，其中S_X、S_Y是摄像头芯片单个像素的物理尺寸，u₀、v₀为光轴光心的像素坐标，f为摄像头的焦距；对双目摄像头相对位置关系进行立体标定，得到外参数旋转因子平移因子其中，旋转因子表示令左摄像头与右摄像头具有相同姿态的旋转效果，具体能够拆分为沿x、y、z轴分别旋转θ_x、θ_y、θ_z这三个步骤，即旋转因子中的参数r₁～r₉具体由3个旋转矩阵的乘积决定：