图像测量技术在轮对外形检测中的应用研究
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摘要
本文介绍了一种应用CCD(Charge Couple Device的缩写，称为电荷耦合器件)图像测量技术实现机车轮对外形尺寸在线动态自动检测的方法，并在此基础上完成了“机车车辆轮对检测装置”的研制。
文章通过对轮对相关知识的了解及国内外轮对静态、动态检测技术的深入了解，总结出以CCD图像测量技术为基础的非接触式在线动态检测技术代表了轮对尺寸检测的发展方向。结合我国铁路实际情况设计了“机车车辆轮对检测装置”的检测功能和管理功能，分析了系统的检测原理，提出了采用“光截法”与“CCD图像测量技术”相结合的“光截图像测量技术”来获取车轮外形尺寸及车轮外形曲线的方法，规划了系统的组成结构及检测流程。文章以“装置”的“车轮外形曲线检测单元”为重点，详细介绍了实现车轮外形曲线检测的光截图像测量系统的硬件组成设计和图像处理软件设计，包括检测器件的特性参数设计、安装位置参数估算及图像处理系统的算法分析设计。文章末尾介绍了“装置”的安装运行情况：首先简要介绍了“装置”在实验室内的试验情况，然后对“装置”在现场的运行情况作了详细的数据分析，概括总结了现场安装、调试过程中遇到的问题及解决情况，指出设计中有待完善的地方，并提出了相应的完善措施及改进计划。最后，总结了研究开发过程中有意义的设计，并根据我国铁路发展的方向，展望了轮对在线动态自动检测装置的未来研究方向。
This paper mainly introduced an automatic measurement of wheelset dimensions and wheel tread profiles in-track ?"Wheelset Inspection Equipment"("Equipment" for short). The basic technique used in "Equipment" was CCD(Charge Couple Device) image measurement.
Firstly, wheelset knowledge related to the research was introduced. After a deep study of various inspection techniques, we drew the conclusion that untouched dynamic inspection technique based on CCD image measurement is a leading technique for dimension measurement in future. Secondly, this paper designed general functions of "Equipment". Analyzed inspecting principles and put up with a method-"light section image measurement" to measure geographic parameter of the wheel tread profile; Conceived configuration and inspection flow of "Equipment". Then, This paper had an emphasis on "wheel tread profile inspection unit" consisted in "Equipment". Hardware and software designs of this unit was detailed explains: including sensor's characteristic parameter calculation, sensor's installing location estimation and arithmetic analysis for image processing. Finally, this paper introduced the equipment's running status in laboratory and in field. Detailed analyzed measuring data. Summarized problems encountered in fi
eld and resolution corresponding. Brought forward plans to improve "Equipment". At last, this paper summarized significant designs during the course of research and development, and prospected powerful automatic inspection equipment been developed for wheelset inspection in future.
文章通过对轮对相关知识的了解及国内外轮对静态、动态检测技术的深入了解，总结出以CCD图像测量技术为基础的非接触式在线动态检测技术代表了轮对尺寸检测的发展方向。结合我国铁路实际情况设计了“机车车辆轮对检测装置”的检测功能和管理功能，分析了系统的检测原理，提出了采用“光截法”与“CCD图像测量技术”相结合的“光截图像测量技术”来获取车轮外形尺寸及车轮外形曲线的方法，规划了系统的组成结构及检测流程。文章以“装置”的“车轮外形曲线检测单元”为重点，详细介绍了实现车轮外形曲线检测的光截图像测量系统的硬件组成设计和图像处理软件设计，包括检测器件的特性参数设计、安装位置参数估算及图像处理系统的算法分析设计。文章末尾介绍了“装置”的安装运行情况：首先简要介绍了“装置”在实验室内的试验情况，然后对“装置”在现场的运行情况作了详细的数据分析，概括总结了现场安装、调试过程中遇到的问题及解决情况，指出设计中有待完善的地方，并提出了相应的完善措施及改进计划。最后，总结了研究开发过程中有意义的设计，并根据我国铁路发展的方向，展望了轮对在线动态自动检测装置的未来研究方向。
This paper mainly introduced an automatic measurement of wheelset dimensions and wheel tread profiles in-track ?"Wheelset Inspection Equipment"("Equipment" for short). The basic technique used in "Equipment" was CCD(Charge Couple Device) image measurement.
Firstly, wheelset knowledge related to the research was introduced. After a deep study of various inspection techniques, we drew the conclusion that untouched dynamic inspection technique based on CCD image measurement is a leading technique for dimension measurement in future. Secondly, this paper designed general functions of "Equipment". Analyzed inspecting principles and put up with a method-"light section image measurement" to measure geographic parameter of the wheel tread profile; Conceived configuration and inspection flow of "Equipment". Then, This paper had an emphasis on "wheel tread profile inspection unit" consisted in "Equipment". Hardware and software designs of this unit was detailed explains: including sensor's characteristic parameter calculation, sensor's installing location estimation and arithmetic analysis for image processing. Finally, this paper introduced the equipment's running status in laboratory and in field. Detailed analyzed measuring data. Summarized problems encountered in fi
eld and resolution corresponding. Brought forward plans to improve "Equipment". At last, this paper summarized significant designs during the course of research and development, and prospected powerful automatic inspection equipment been developed for wheelset inspection in future.
引文
[1] 机车车轮．机车车轮技术培训教材．北京铁路局机务处编印．1987
[2] 蔡绍先．铁道机车检修工艺及其管理．中国铁道出版社．2001
[3] 马林．车轮踏面外形几何参数的检测技术．国外铁道车辆．1998，(6)：40-42
[4] 杨楚民等．火车车轮踏面磨损量识别研究．华中理工大学学报．2000，28(7)
[5] 沈钢，黎冠中等．轮轨踏面外形的实际测量及几何接触的进一步研究．铁道学报．1999，21(5)
[6] 郑芬芳，刘继等．用数码相机测量轮对踏面形状的研究．铁道机车．2002，40(1)
[7] 轮对自动检测系统的研究．杨斌等．铁道机车车辆．2000，(6)
[8] Istran Zobory(匈)．走行装置的自动化诊断．国外机车车辆工艺．1993，No5：34
[9] 左建勇等．应用激光传感器测量轮辋尺寸的试验研究．铁道车辆．2002，40(2)
[10] 何友全．图象处理在物体表面检测中的应用．计算机应用．1995，15(2)
[11] 吴平川等．带钢表面缺陷CCD检测方法的研究．黑龙江自动化技术与应用．1999，18(5)
[12] H J Tiziani. Optical method for surface measurements. Proceedings Sensor. 1993, (3)
[13] 山本秀夫(日)．轮对自动检查装置．国外机车车辆工艺．1990，No6：33-36
[14] 酒田登已穗等(日)．轮对尺寸、踏面形状的自动测定装置．国外铁道车辆．1997，(5)：55
[15] 李远哲等．机车轮对踏面磨耗自动检测新方法．铁道机车车辆．1998，(1)：51-53
[16] 杨振祥．车轮踏面磨耗和擦伤在线自动检测诊断系统探讨．机车车辆工艺．1998，(1)：42-45
[17] (苏)．车轮踏面磨耗检
测装置．国外铁道车辆．1984，No．1：21-25
[18] 和田觉等(日)．轮缘磨耗自动检测器．国外铁道车辆．1981，(4)：56-57
[19] Ionescu Octavian(罗马尼亚)．车轮外形磨耗自动检测系统．国外铁道车辆．1995，(4)：53-57
[20] 本多明(日)．车轮踏面形状自动测定装置的开发．国外机车车辆工艺．1999，No2：43-46
[21] 李远哲等．机车轮对踏面磨耗自动检测新方法．铁道机车车辆．1998，(1)：51-53
[22] 王永仲．智能光电系统．科学出版社．1999
[23] 李万松等．一种激光三维传感器中提高深度分辨率的方法．中国激光．1996，23(12)：1082
[24] 李晶．基于图像处理的激光双三角法测量三维曲面．激光与红外．2001，31(2)：87-88
[25] 吴剑波．基于彩色摄像机的三维物体双投影测量法．激光与红外．2001，31(3)：187-188
[26] 徐利华．多传感器光学三维脚型测量系统的研究．四川大学博士论文．2002：10-12
[27] Bo Jia, Xian-Yu Su, Lu-Rong Guo. 3-D measurement of turbine blade profile by light knife. Chinese Journal of Lasers. 1992, 19(4): 271
[28] T.E.Carlsson. Measurement of three dimensional shapes using light of flight recording by holography. Opt.Eng.1993, 32(1)
[29] Jie-Lin Li, Xian-Yu Su. 3-D sensing using laser sheet projection: Influence of spekle. Opt.Rev.1995, 2(2)
[30] 王庆有．CCD应用技术．天津大学出版社，2000
[31] 章毓晋．图象工程(上册)——图象处理和分析．清华大学出版社，1999
[32] 田村秀行著，赫荣威译．计算机图象处理技术．北京师范大学出版社，1988
[33] 柯尊友．数字图象处理技术在动态实时检测控制中的应用研究．电子技术应用．1999，(2)
[34] 章毓晋．图像分割．科学出版社，2001
[35] Canny J. A computational approach to detection. IEEE-PAMI. 1986, (8): 679-698
[36] Liu Y C.Huang T S.Determining straight-line correspondence
from intensity images. Pattern Recognition. 1991, 24(6)
[37] 赵荣椿．数字图象处理导论．西北工业大学，1995
[38] 邱茂林等．计算机视觉中摄像机定标综述．自动化学报．2000，26(1)：43-54
[39] 姜大志．计算机视觉成像的非线性畸变研究与综述．计算机工程．2001，27(12)：108-110
[40] Tsai R Y. An efficient and accurate camera calibration technique for 3D machine vision. In: Proc. CVPR, 1986
[41] 李强，杨涛．形心和匹配跟踪算法的改进．光电工程．2000，27(2)
[42] 阎建国等．图象处理技术在车牌识别中的应用．计算机应用．电子技术应用．2000，(1)
[43] 葛林富等．机车踏面擦伤计算机智能检测原理及实现．铁道学报．1993，13(2)
[44] 卢汝均译．美国车轮踏面擦伤检测系统．国外铁道车辆．1994，(6)
[45] 渡边，直史等．车轮踏面损伤检测装置的开发．国外机车车辆工艺．1997，No．4
[46] Kevin Sawley, Steve Clark, Joe Lo Presti. How Damaging are hollow-worn wheels. Railway age. 1999, Feb
[47] Klegg, E. and Blevins. Wheel Impact Load Detector Experience on CN.American Railway Engineering Association Bulletin, 1996, 97 (757)
[48] 黎连修．轮箍超声横波探伤研究．无损检测．2000，22(4)
[49] 史海滨等．在役火车轮状态自动检测方法初探．机械工程．2002，18(1)
[50] 蒋齐密等．火车轮踏面在役自动检测技术研究．计算机自动测量与控制2001，9(1)
[51] Robin Clark. Hopes and needs for the future of railway industry. NDT INSIGHT.1995, 37(4)
[52] 沈明珠．车轮超声数字化探伤系统．无损检测．1999，21(6)
[53] Bray O E. Ultrasonic Flaw Detection in Model Wheels. Ultrasonics. 1973, March
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