[发明专利]一种高速列车制动盘温度及磨耗量的监测方法

权利要求书

1.一种高速列车制动盘温度及磨耗量的监测方法，其特征在于：包括高清摄像头、激光发射器、控制箱、红外热成像仪，控制箱中放置了DSP最小系统板、电源降压模块、ZigBee路由器，高清摄像头、激光发射器、控制箱、红外热成像仪均安装在制动盘斜上方的车底部，且高清摄像头、激光发射器与制动盘在同一水平面，红外热成像仪与制动盘之间夹角为45度，电源降压模块将机车用的电源降压至12V后为高清摄像头、激光发射器、红外热成像仪、ZigBee路由器、DSP最小系统板供电，采用图像测量技术和激光线光源相结合的方式来对制动盘的磨耗状态进行检测，由DSP最小系统板控制激光发射器向制动盘发射激光束，形成光截曲线，通过高清摄像头对光截曲线进行拍摄，再传输给DSP最小系统板进行图像处理，通过计算制动盘的像素数来求出制动盘的厚度，将所测厚度与原始厚度进行对比来计算制动盘的磨耗量，通过红外热成像仪采集制动盘的红外图像，并传输给DSP最小系统板进行处理，进而计算出制动表面的温度信息，并由DSP最小系统板控制ZigBee路由器将计算得出的制动盘磨损量、当前温度、缺陷情况实时发送至操控台的PC机上进行实时显示。

2.根据权利要求1所述的高速列车制动盘温度及磨耗量的监测方法，其特征在于：所述根据红外热成像图片识别制动盘温度的方案为：

S1.图像预处理

①读取待识别的红外图像，进行灰度变换和Gamma矫正；

②绘制待识别红外图像的直方图，并自适应地得到直方图波谷处右侧阈值；

③采用自适应阈值对图像进行二值化处理；

S2.图像分割

①采用像素累加法定位二值化图像上的矩形框；

②根据位置信息确定ROI区域；

③采用垂直投影法对ROI区域进行字符分割，建立温度值数据集。

S3.温度识别

①搭建深度为7的CNN网络，并确定网络参数，按照8:2的比例划分温度值训练集和测试集；

②训练和测试CNN网络，分析各字符识别结果；

③结合设计制动盘红外图像温度值识别与记录系统，并选取若干张红外图像测试温度识别结果。

3.根据权利要求1所述的高速列车制动盘温度及磨耗量的监测方法，其特征在于：所述高清摄像头采集光截曲线的方案为：激光发射器发射激光束照射到制动盘上，形成光截曲线，高清摄像头对光截曲线拍摄时，高清摄像头的中心线与激光束的光平面之间夹角为θ，设高清摄像头拍摄时的物距为μ，像距为ν，焦距为f，制动盘实际厚度为L，放大倍数为β，像素数为n，单位像素长度为p，像长度为l，k表示物象比例系数，那么：

l＝n·p (3)

由式(1)(2)(3)可以得出物象比例系数k为：

得出制动盘实际厚度L为：

通过DSP最小系统板对实际光截曲线进行图像处理后，求出图像中制动盘的像素数，即可计算出制动盘的厚度。

4.根据权利要求1、权利要求3所述的高速列车制动盘温度及磨耗量的监测方法，其特征在于：所述DSP最小系统板对高清摄像头采集到的光截曲线图像进行处理的方案为：

S1.图像处理

(1)图像类型转换

对采集到的图像进行灰度处理，将采集到的彩色图像转换为灰度图，以提高后续的处理速度；

(2)图像反色

采集到的图像中，光带轮廓区域的灰度比较偏亮，而其他区域的灰度偏暗，为了进一步方便后续的图像处理，利用图像的反色将光带轮廓区域的灰度变得偏暗，而其他区域的灰度变得偏亮，采用灰度变换方程来实现图像的反色，具体为:

D_B＝f(D_A)＝f(A)·D_A+f(B) (6)

式中，f(A)表示线性函数的斜率，f(B)表示线性函数在Y轴上的截距，D_A表示输入图像的灰度，D_B表示输出图像的灰度，当f(A)＞1时，输出图像的对比度将增大，当f(A)＜1时，输出图像的对比度将减小，当f(A)＝1且f(B)≠0时，所有像素的灰度值会增加或降低，对应的图像就会更暗或更亮，当f(A)＜0时，暗区域将变亮，亮区域变暗，当f(A)＝1且f(B)＝0时，输入图像和输出图像相同，当f(A)＝-1且f(B)＝255时，输出的图像与输出图像放入灰度值正好相反，所以式(6)中的f(A)取值-1，f(B)取值255；

(3)图像滤波去噪

由于采集到的制动盘图像存在一定的噪声干扰，会影响图像识别结果的准确率，所以采用二维中值滤波器进行图像滤波，具体为：

1)先建立第一个要处理的像素点的滤波器窗口灰度等级直方图，并找到这个窗口内所有像素点灰度值的中值，并计算窗口内小于中值的灰度值数量；

2)将窗口中心移动到下一个像素点，同时更新灰度直方图为当前窗口的像素点灰度值的中值，并更新当前窗口内小于中值的灰度值数量。

3)根据当前窗口内小于中值的灰度值数量与窗口像素点总数一半的关系，向上或者向下寻找当前窗口的灰度中值；

4)若当前像素点不是某一行的最后一个，则转到步骤2)；若当前像素点为某一行的最后一个，且不是要处理的最后一行，则将窗口中心移动到下一行的第一列的像素点，再转到步骤1)；否则，流程结束。

S2.图像分析

对采集到的制动盘图像进行图像处理后能够得到制动盘外形轮廓曲线，通过与标准制动盘的轮廓曲线作对比，并经过图像尺寸测量就可以测得实际的制动盘厚度及磨耗量，制动盘磨耗的计算公式为：

B_M＝B-L_B (7)

式中，L_B为实际测量制动盘的厚度值，B表示制动盘厚度的标准值，B_M表示制动盘的磨耗值；

采集待测制动盘轮廓图和标准制动盘轮廓图后，分别进行图像处理，接着分别对待测制动盘轮廓图和标准制动盘轮廓图的曲线进行扫描，得到制动盘轮缘的顶点，以该顶点为基准，采用拉普拉斯融合算法将待测制动盘轮廓图和标准制动盘轮廓图进行重合，以制动盘内侧面为基准，测量在x方向偏移70毫米处两曲线的y值之差，以该偏移线L_A与标准曲面的交点0为基准，测量正y方向偏移0毫米处两曲线的x值之差，进而计算出制动盘的磨耗量。