方 宇，王振龍，田中玉，李立明，陳 龍

（1.上海工程技術大學城市軌道交通學院，201620 上海;2.哈爾濱工業(yè)大學機械制造及自動化系，150001 哈爾濱）

一種城市軌道車輛輪對參數(shù)動態(tài)檢測新方法

方 宇1，王振龍2，田中玉1，李立明1，陳 龍1

（1.上海工程技術大學城市軌道交通學院，201620 上海;2.哈爾濱工業(yè)大學機械制造及自動化系，150001 哈爾濱）

為提高城市軌道車輛輪對關鍵參數(shù)的動態(tài)檢測精度，提出一種在輪軌接觸處開辟“檢測窗”的輪對參數(shù)非接觸動態(tài)檢測新方法.建立輪對踏面圖像采集幾何映射模型及檢測坐標系，利用坐標變換確立了輪對關鍵參數(shù)的計算方法.根據(jù)城市軌道車輛輪對現(xiàn)場實際應用規(guī)定，對光切面檢測窗口關鍵參數(shù)進行選定.建立輪對參數(shù)動態(tài)檢測實驗平臺，對輪對關鍵參數(shù)進行了檢測試驗.結(jié)果表明，相對于接觸式檢測，利用本文提出的方法所獲取的輪對關鍵參數(shù)誤差均低于1%，說明該方法具備良好的檢測精度.在輪軌接觸處開辟檢測窗進行輪對參數(shù)動態(tài)檢測，可使光源位置和攝像位置基本保持不變，從而可以有效保證輪對參數(shù)檢測精度.

城市軌道車輛;輪對;踏面;動態(tài)檢測;檢測窗

輪對是城市軌道車輛走行部中極為重要的部件，其狀態(tài)好壞直接影響到車輛運行的安全和品質(zhì).城市軌道車輛由于載荷波動范圍大、啟動與制動頻繁等特點，近年來輪對踏面異常磨耗問題日益突出［1－3］.為充分保障車輛的運營安全和舒適性要求，在車輛檢修時必須定期對輪對的幾個重要關鍵參數(shù)(如輪徑值D、輪緣高度值h、輪緣厚度值d)加以嚴格檢測.

目前，車輛輪對關鍵參數(shù)檢測技術分為靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測兩種類型.靜態(tài)檢測是指車輛回庫停修時，采用相應的工具對車輛進行逐輪測量，目前絕大多數(shù)車輛檢修部門使用的靜態(tài)檢測工具包括輪徑尺、輪緣尺、輪對內(nèi)側(cè)距尺或?qū)Ｓ脵z測平臺，這種檢測方法成本低，操作簡單，易于工人掌握，但存在工作繁重、具有一定的測量安全隱患等缺陷［4－6］.動態(tài)檢測是指在車輛運行過程中進行檢測的一種方法，目前常用的檢測方法包括超聲遙測、沖擊載荷測量、圖像處理、施加誘導電流等方式［7－13］.目前，在軌道線路兩旁設置機器視覺機構(gòu)的輪對參數(shù)自動檢測方法應用較多，該方法具備較高的自動化程度和測量精度，但造價相對昂貴，且光源相對于攝像位置的微小變化會引起較大的檢測誤差［14］.

本文利用直射光非垂直成像屏光切法，基于機器視覺技術提出一種將檢測裝置內(nèi)嵌于線路鋼軌表面的輪對動態(tài)檢測新方法，從而尋求一種較為理想的輪對關鍵參數(shù)檢測解決方案.

1 檢測系統(tǒng)基本原理

1.1 方案設計

新檢測方法的機構(gòu)設置如圖1所示.該機構(gòu)安裝在車輛進、出庫線場附近，對檢測線路的基軌進行改造，在保證車輛承載安全的前提下在輪軌接觸處開辟一個“檢測窗”，將相應的機器視覺設備內(nèi)嵌其中，列車低速經(jīng)過時由于重力的作用輪對會落在“檢測槽”中.由于此時光切面向上照射時必然經(jīng)過輪心，光截線能夠最大限度真實反映輪對踏面外形，并且光源相對于攝像位置基本不會發(fā)生變化，因而可以在最大程度上保證輪對參數(shù)檢測精度.

圖1 新型現(xiàn)場檢測機構(gòu)設置

本檢測系統(tǒng)采用標線設備將“一”字或“十”字線形激光沿垂線方向打在回轉(zhuǎn)面上，使回轉(zhuǎn)面與光截面產(chǎn)生一光截線，這條光截線即被認作是踏面的外形.由視覺傳感器獲取該光截線，通過機器視覺原理三維重建得到踏面外形.

1.2 數(shù)學模型建立

1.2.1 基本參數(shù)建模

通過機器視覺技術完成輪對參數(shù)檢測，需要在機器視覺傳感器和被測對象之間建立一種相對固定的幾何關系.本系統(tǒng)采用直射光非垂直成像屏光切法，設視軸與光切面存在夾角α(成像屏與光切面成90°－α)，并且 α ＜90°.則對于同一橫坐標x有如圖2所示的縱向映射關系.

對于不同橫坐標x而言，可以發(fā)現(xiàn)成像屏 －透鏡組－光切面之間的關系會有略微的區(qū)別.并且經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，縱坐標y對于橫坐標x也有影響，而這樣一種相互制約的因素將對于模型的建立帶來很大難度，于是提出如下假設:

圖2 光截面與攝像機光軸成α角時Y方向像素映射

假設:由于橫坐標x變化而導致縱向映射關系y－y＇幾何模型發(fā)生的細微變化，遠小于夾角α偏轉(zhuǎn)對于該模型起到的變化，因此相較之于α因素，x因素在縱向映射中可以忽略不計.

為方便計算，將成像屏在透鏡組近光切面的一側(cè)作等效面v.成像屏上縱向各點與等效面呈180°鏡像.根據(jù)假設，無論x如何變化，縱向映射都符合圖3縱向等效幾何映射中的關系.該圖中已知 OA=OB=Y，角度 α 和 β，像距 UO=r，物距UO'=f，當點P在線段AB間變化時，P'在線段A'B'上變化的函數(shù)關系為

式中:y=OP，y'=O'P'.

圖3 縱向映射等效幾何

為求解函數(shù)y'=f(y)，在P處作一輔助線垂直于OU，垂足為Q，則有:

式(1)揭示了圖像縱向參數(shù)y＇與光切面y之間的函數(shù)關系式.

與圖像縱向幾何映射不同，同一高度的橫向物像映射不受到視軸與光切面夾角α的影響.光切面與成像屏之間橫向映射x－x＇僅因高度的變化而發(fā)生變化.

光切面同一高度作任意線段都平行于成像屏，但當光切面被測目標高度發(fā)生變化，成像屏與透鏡組之間的像距f＇和光切面與透鏡組之間的物距r＇會發(fā)生變化.作為一個二維平面W，其不同高度的x－x'映射是不同的，因此需要求得該映射關系式才能解決該映射問題.設圖4X方向映射中的 PE=x，P'E'=x'，物距 UP=r'，像距 UP'=f'，根據(jù)相似三角形法則可得到

根據(jù)前述假設，可得

采用直射光非垂直成像屏光切法進行幾何檢測，當成像屏與光切面成90°－α角，透鏡中心距視軸與光切面交點距離(物距)為r，透鏡中心距成像屏距離為f時，輪對踏面光切面上存在點P(x，y)對應到成像屏上映射點 P(x'，y')的關系

圖4 X方向像素映射

由于組成攝像機光學系統(tǒng)的透鏡組不完善導致實際捕捉的圖像存在一定的徑向畸變，而這種畸變的程度與畸變點到圖像中心的距離有關，建立如下的畸變還原模型:

因此，被檢測輪對踏面真實坐標點的求取方法為

1.2.2 關鍵參數(shù)建模

本系統(tǒng)需要檢測的輪對關鍵參數(shù)包括輪徑值D、輪緣高度值h、輪緣厚度值d等.檢測系統(tǒng)建立以踏面基線為橫軸，踏面基點為原點的坐標系，如圖5所示.輪對內(nèi)側(cè)在坐標系縱軸(Y軸)的左側(cè)，輪緣外形在坐標系的第二象限.這樣一種坐標系的確定，意味著只需要找到坐標原點，就可以通過關鍵點坐標計算輪對關鍵參數(shù).坐標系中的A、B兩點為標準輪對踏面參數(shù)h和d的計算定義坐標點，A″、B″兩點為待檢測車輪踏面參數(shù)h和d的實際計算點.

圖5 檢測系統(tǒng)建立的踏面坐標系

在檢測過程中，將光切面坐標原點O與標準踏面坐標系原點重合，并保證“光切面－傳感器－被測目標”之間相對固定關系.由于輪對半徑的磨損，踏面基點O會下移.對被測輪對踏面建立坐標系X″－O″－Y″，點O″在X －O －Y坐標系中的縱坐標與X軸之間的距離記為ΔY，則實際輪徑值表示為

由于光切面與傳感器之間相對位置不變，則光切面坐標系X－O－Y與成像屏坐標系X'－O'－Y'都是不變坐標系，而被測踏面坐標系X″－O″－Y″在標準踏面坐標系X－O－Y中移動.因此，可得到如下轉(zhuǎn)換關系:

據(jù)此，可以得出被測輪對檢測點位置A″、B″的坐標:

由此進行輪對踏面關鍵參數(shù)h和d的計算.

1.2.3 光切面檢測窗口關鍵參數(shù)選定

1)光切面檢測窗口設計.在輪對踏面檢測時，有效被測區(qū)域不只針對標準LM型踏面關鍵參數(shù)檢測點，還需要考慮到輪對可能發(fā)生的磨耗.我國城市軌道交通車輛新輪直徑為840 mm，運用輪對直徑磨耗極限值一般應不低于770 mm.這意味著ΔY最大不超過35 mm，檢測視窗的下界Ymin由該值決定，如圖6所示.

圖6 光切面檢測視窗

充分考慮視窗最外圍產(chǎn)生的桶形畸變和檢測裕量，對于光切面和標準踏面坐標形成的統(tǒng)一世界坐標系中確定的有效檢測區(qū)域如下:

光切面視窗的寬度為Fx=120 mm，視窗高度Fy=90 mm.

2)關鍵參數(shù)選定.光截線在新輪時呈現(xiàn)在圖像中上部，由于磨耗的不斷增加導致輪徑逐漸減小最終接近使用極限時，光截線會移動到圖像下部.對于不同的磨損情況檢測精度基本相等，因此選用的α要盡可能接近90°.但出于檢測設備、傳感器架設以及計算方便的考慮，在本檢測方法中最終選用α=60°.

通過CCD定標計算，可得f=3.51 mm，r=100.48 mm.

2 實驗驗證

為實現(xiàn)檢測需求，搭建了如圖7所示的檢測系統(tǒng)實驗平臺，視覺傳感器選取了OmniVision公司生產(chǎn)的OV7620數(shù)字CMOS攝像頭，該攝像頭具有較高的分辨率，靈活多樣的標準輸出制式以及廣闊的二次開發(fā)空間.

按照TB－T449－2003中規(guī)定的城市軌道車輛通用LM型踏面標準制作了車輪踏面模型1［15］，踏面模型2為本次試驗待測模型，是利用接觸式檢測方法(檢測誤差在1%以內(nèi))對上海軌道交通某車輛輪對踏面檢測所獲取的結(jié)果模擬制作而成.兩個模型的具體參數(shù)如表1所示.

圖7 硬件系統(tǒng)基本架構(gòu)圖

表1 驗證用踏面模型參數(shù) mm

對輪對模型進行圖像二值化、區(qū)域分割、骨架化、去噪處理，并對橫向、縱向光截線進行坐標化重現(xiàn)，得到的圖像處理結(jié)果如圖8.

圖8 坐標化后得到的圖像

根據(jù)前述所建立的物－像映射數(shù)學模型、畸變校正模型及確定的參數(shù)，可得

對圖8進行去除徑向畸變幾何還原，即可得到圖9的檢測結(jié)果.

圖9 去除徑向畸變后的檢測結(jié)果

對圖9進行識別計算，縱軸與模型2光截線相交點距離橫軸4.304 mm.根據(jù)坐標變換式，對于還原圖形可以按照下式完成輪對參數(shù)檢測:

利用本文的檢測方法獲得的輪對關鍵參數(shù)檢測結(jié)果如表2所示，與接觸式檢測方法所獲取的參數(shù)結(jié)果進行比較可以看出，采用這種新的檢測方法所獲得的參數(shù)測量結(jié)果相對于接觸式測量，其誤差值均達到1%以下，說明這種檢測方法具有較高的檢測精度.

表2 檢測結(jié)果誤差值

3 結(jié)論

1)提出的在輪軌接觸處開辟“檢測窗”的新式輪對參數(shù)動態(tài)檢測方法，因能夠使光源位置和攝像位置基本保持不變，從而可以有效保證輪對參數(shù)檢測精度;

2)利用建立的檢測系統(tǒng)實驗平臺進行檢測對比實驗的結(jié)果表明:采用本文所研究的檢測方法所獲得的參數(shù)測量結(jié)果相對于接觸式測量，其誤差值均達到1%以下，說明這種檢測方法具有較高的檢測精度.

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A new dynamic detection method for the urban rail vehicle wheel parameters

FANG Yu1，WANG Zhen－long2，TIAN Zhong－yu1，LI Li－ming1，CHEN Long1

(1.School of Urban Railway Transportation，Shanghai University of Engineering Science，201620 Shanghai，China;2.Dept.of Mechanical Manufacture and Automation，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China)

To improve the detection precision of the urban rail vehicle wheel key parameters，a new non－contact dynamic detection method based on opening up a“detect window”at the wheel/rail contact point is put forward.The image geometric mapping model of the wheel tread and the coordinate system for detection are established，and the calculation method of wheel key parameters is established on the basis of coordinate translation methods.According to the actual application regulations of urban rail vehicle wheels，the key parameters of optical section detecting window are selected.The wheel key parameters checking experiments are carried out by use of the developed test bed.The results show that the wheel key parameter error values obtained by the method are all less than 1%.By opening up the“detect window”at the wheel/rail contact point，the light source position and the camera position can remain unchanged，so the parameters detecting precision can be guaranteed effectively.

urban rail vehicle;wheel;tread;dynamic detection;detect window

U463.34

A

0367－6234(2012)09－0132－06

2011－06－07.

上海市教育委員會重點學科建設項目(J51401).

方 宇(1974—)，男，博士，副教授;

王振龍(1963－)，男，教授，博士生導師.

方 宇，fangyu－h(huán)it@126.com.

(編輯 楊 波)