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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于线结构光的火车轮对外径三维检测技术研究 姓名：李伟 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：杨坤涛 20070130 I 摘 要 火车轮对作为重要的可互换行走部件，对火车的安全行驶起着关键性的作用。目 前，我国火车轮对的检测仍然停留在手工测量阶段，技术落后，工作效率低下，而日 本、美国等发达国家在轮对自动检测方面进行了大量的研究，并开发研制出各种类型 的自动检测技术和装置，产生了巨大的经济效益。随着我国工业控制技术领域的巨大 进步和市场的开放，给计算机控制技术、信息技术等自动化技术在铁路系统的应用带 来了巨大的发展契机。 本文介绍了一种基于CCD图像处理的
2、线结构光三维检测技术来实现对火车轮对外 径三维检测，并在此基础上完成了相应的软件系统。 线结构光三维检测技术以其原理简单，结构易于实现，测试精度较高，在视觉测 量中占有重要地位。测量系统由激光器，CCD摄像机、计算机和相应的处理软件构成， 该装置能获取被测物体上线结构光光切线截面的世界坐标，进而可进行尺寸检测等三 维信息的处理。 本文主要包括两个部分：摄像机标定和光切线处理。 摄像机标定采用Tsai两步法，利用共面特征点的图像坐标及其对应的世界坐标，求 解摄像机的内外参数，确立世界坐标与图像坐标的转换关系。本文是提取共面方格图 角点作为特征点，采用Harris算法提取角点，通过改进方法在此基础
3、上得到亚像素级的 角点图像坐标。 光切线处理是线结构光平面标定以及今后实物检测的基础，包括二值化，滤波， 细化等图像处理算法。将共面模板设置在不同位置，获取线结构光与模板相截行成的 光切线图像，获得图像坐标后，使用摄像机标定的方程求取对应的世界坐标，再进行 拟合，从而求得线结构光平面的方程。 联立摄像机标定的方程和线结构光平面方程，可以求解光切线上点对应的世界坐 标。 关键词: 火车轮对 外径 三维检测 线结构光 标定 角点 细化 II ABSTRACT Train s wheel set is one of the most important interchangeable compone
4、nts in the vehicle, and plays key role in the safety of railway transportation. But in our country ,the wheels are still measured by handiwork, that is low efficiency. In developed countries such as Japan, USA, advanced research has been done and many new technologies and equipments have been develo
5、ped leading high efficiency and economics. With the development of industrial control technology and the open of market, the application of computer control technology and information technology in railway transportation meets the great chance. This paper introduces a method for wheels measurement b
6、ased on the technology of CCD image processing and 3D measurement base on line structured light, and the correspond software is done. The theory of 3D measurement base on line structured light is simple, the structure is easy to actualize, and the precision is high, so it plays a important role in t
7、he field of vision measurement. The system consists of laser, CCD camera, computer and some software, it can get the world 3D coordinates of the section of the line structured light on the object, processing such as measurement can be executed using these coordinates. This paper consists of two impo
8、rtant parts: the calibration of CCD camera and the processing of light section. The calibration of CCD camera is base on Tsai arithmetic. Those parameters can be got using the image coordinates of coplanar characteristic points and the corresponding world coordinates, and then the transform relation
9、 between world coordinates and image coordinates can be established. In this paper the characteristic points are got from the corners from coplanar square by Harris arithmetic, and on that base sub pixel image coordinates can be got by using advanced arithmetic. The processing of the section of ligh
10、t is the basement for the calibration of the plane of line structured light and the application for future. The processing includes some image processing arithmetic such as binarization, filtering and thinning. The coplanar board is located at different position, and each corresponding section of th
11、e light can be got by the III CCD camera, then the image coordinates of these sections can be computed using some arithmetic and the world coordinates can be got by the transform relation which is established from the calibration of CCD camera, so finally the function of the plane of line structured
12、 light can be got by fitting those world coordinates. Each corresponding world coordinates of the points in the section of light can be computed by simultaneous equations system of the transform relation between world coordinates and image coordinates and function of the plane of line structured lig
13、ht. Key words：wheel set outer diameter 3D measurement line structured light Calibration corners thinning 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保
14、留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪言 1.1 轮对自动检测的意义 车轮是火车承重及运行的重要部件，对火车的运行安全起着至关重要的作用。轮 对在行驶的过程中往往要受到撞击、循环应力、摩擦、高低温等作用的影响，因此磨
15、 损、裂纹、剥离等损坏现象十分常见。另外，机车在运行中由于存在线路护养条件差， 轮轨外形及材质匹配不合理，转向架技术状态不良和牵引装载定数过大等诸多原因， 导致车轮轮缘和踏面的磨耗加剧，因此对运行中机车车轮的磨耗状况车轮外形尺寸 进行实时检测是非常必要的。长期以来，我国铁路处于低装备率、高使用率、高强度 运输状态。以 2000 年为例，我国铁路货物周转量为 11549 吨/公里，仅次于俄罗斯和美 国一级铁路，旅客周转量 3148 亿人/公里，远高于其他国家。从机车单位功率生产率来 看，我国机车的负荷率居全世界之首。随着运转量密度的提高，轮轨磨耗更加严重， 80 年代末全国火车轮对每年磨损报废的
16、就达 13 万对， 这些有缺陷的车轮若不被及时检 查出来并进行处理，将给火车行驶安全带来严重的威胁1。由此可见，在机车运用和检 修中，机车的行走部件尤其是机车轮对的检修是非常重要的，也是铁路部门一直密切 关注和不断研究改进的课题。 目前，我国火车轮对的检测还停留在手工阶段，主要采用定期检修的方式，在规 定的期限里集中大量的人力对机车轮对有计划地进行检修。一般采用样板目测检查车 轮磨耗或者使用专用轮箍尺寸检测量具进行人工测量，这些检测方式测量精度差，操 作条件差，劳动量大，效率低，测量数据存储和二次处理很不方便，人为因素造成的 随机误差很难掌握。因此，研究一种高精度、高可靠性的自动轮对尺寸检测技术是十 分必要和具有很大实用价值的。 1.2 轮对自动检测技术研究现状 对于轮对自动检测研究，国外从80年代初就己经开始。经过二十多年的深入研究， 提出了多种研制方案，利用不同原理形成了各具特色的检测方法，开发出适合于不同 场合的静态/动态在线自动检测产品。 2 从直接接触测量的接触式检测到利用光学图像测
