[发明专利]一种列车车轮横移的测量方法

权利要求书

1.一种列车车轮横移的测量方法，其特征在于，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以及进行立体标定获得双目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)根据对应特征点的空间坐标，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)通过计算车轮圆心在轨道平面的投影点与轨道边缘的距离，以此作为列车车轮的横移，同时设定正常横移范围，若存在车轮圆心在轨道平面的投影点与轨道边缘的距离在正常横移范围内，则判定列车行驶正常，若存在车轮圆心在轨道平面的投影点与轨道边缘的距离超出正常横移范围，则判定列车行驶异常。

2.根据权利要求1所述的一种列车车轮横移的测量方法，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的一种列车车轮横移的测量方法，其特征在于：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为相机的焦距；对双目摄像头相对位置关系进行立体标定，得到外参数R、T，其中旋转因子平移因子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：

平移因子中的t_x、t_y、t_z为右摄像头原点相对左摄像头的平移距离，设左摄像头坐标系为X_L，右摄像头坐标系为X_R，能够得到两摄像头的相对公式为X_R＝RX_L+T。

4.根据权利要求1所述的一种列车车轮横移的测量方法，其特征在于：在步骤2)中，对图像进行概率Hough直线检测，检测出结构光映射在图像上的直线，选取结构光在物体边缘的端点作为特征点并进行匹配，计算后选取车轮上3个不共线的特征点P₁(x₁,y₁,z₁)、P₂(x₂,y₂,z₂)、P₃(x₂,y₂,z₂)和轨道一侧的2个特征点Q₁、Q₂及另一侧的1个特征点Q₃；

在步骤3)中，利用3个不共线点确定一个平面、车轮边缘点P₁、P₂、P₃到圆心距离相等且均为R的原则，设定常数A_i、B_i、C_i、D_i，其中(A_i,B_i,C_i)为车轮平面的法向量，解圆心O(x_i,y_i,z_i)空间坐标：

A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0

设定常数m、n、p，利用轨道同一侧的2个特征点Q₁、Q₂计算出轨道所在的空间直线l的方程：其中(x₀,y₀,z₀)为直线l上的某点，(m,n,p)为直线l的方向向量；设定常数A、B、C、D，利用轨道同一侧的2个特征点Q₁、Q₂及另一侧的1个特征点Q₃，计算出车轮所在平面α的一般方程：Ax+By+Cz+D＝0，其中(A,B,C)为平面α的法向量；

在步骤4)中，依次计算圆心在轨道平面的投影V(x,y,z)和V与轨道边缘的距离d；过圆心O(x_i,y_i,z_i)作轨道平面的垂线交于投影点V(x,y,z)，得到垂线的参数方程：

将垂线的参数方程带入轨道平面方程α，求出投影点V(x,y,z)在参数方程中对应的参数t：

再把参数t带入直线的参数方程就求出投影点具体的空间坐标V(x,y,z)；利用轨道边缘同侧的两个点Q₁、Q₂，求投影点V到轨道边缘的距离：

设定正常横移范围[d_min,d_max]，若圆心在轨道平面的投影点与轨道边缘的距离d_min＜d＜d_max，则此时列车运行正常；若圆心在轨道平面的投影点与轨道边缘的距离超出正常横移范围，则此时列车运行异常。