康雪玲，馬宇龍，文英

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

為確保鐵路車輛的正常運(yùn)行及安全因素，按照鐵道部規(guī)定，車輛的任何部位，在任何情況下均不得超出車輛限界規(guī)定的尺寸。所有鐵路車輛正式運(yùn)行前都必須經(jīng)由鐵路檢驗(yàn)部門按照標(biāo)準(zhǔn)限界嚴(yán)格檢測(cè)。

過去限界檢測(cè)主要采用接觸式測(cè)量方法，通過定制每個(gè)車型的靜態(tài)限界模板，人工識(shí)別車輛經(jīng)過模板時(shí)是否產(chǎn)生干涉，以達(dá)到檢測(cè)目的[1]。目前在高鐵、城軌及電力機(jī)車的限界檢測(cè)中，靜態(tài)限界模板的檢測(cè)方法在檢測(cè)效率、精度及可追溯性等方面已日漸難滿足日益增長(zhǎng)的檢測(cè)需求，一種基于結(jié)構(gòu)光視覺檢測(cè)技術(shù)由激光3D相機(jī)搭建的檢測(cè)系統(tǒng)（下文以三維激光掃描限界檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)稱）正逐步替代靜態(tài)限界模板的檢測(cè)方法，走上軌道交通車輛外形輪廓的檢測(cè)舞臺(tái)。

本文以本公司采用的激光限界檢測(cè)系統(tǒng)為例，通過分析三維激光掃描限界檢測(cè)技術(shù)原理及校準(zhǔn)流程，確定測(cè)量系統(tǒng)不確定度來源并進(jìn)行不確定度評(píng)定。驗(yàn)證了三維激光掃描限界檢測(cè)技術(shù)可靠性并指出減少不確定度的方向[2]。

1 校準(zhǔn)方法

1.1 系統(tǒng)測(cè)量方案

三維激光掃描限界檢測(cè)技術(shù)采用基于激光三角法原理的視覺圖像測(cè)量方案，該方案通過面狀激光投射車體表面，在車輛表面形成一條輪廓線，就像被激光投射面“切出”車輛的一個(gè)截面，再用CDD相機(jī)拍攝截面圖像。通過數(shù)字圖像處理，提取激光輪廓線的信息。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過事先的標(biāo)定，可測(cè)量車輛截面上相應(yīng)各點(diǎn)的空間尺寸。通過比較測(cè)量結(jié)果與車輛標(biāo)準(zhǔn)尺寸獲得車輛的限界信息[3]。

1.2 數(shù)學(xué)模型

目前激光限界檢測(cè)的原理基于激光相位測(cè)距法或激光脈沖測(cè)距法。本文基于相位測(cè)距法檢測(cè)原理，激光測(cè)距裝置將激光源調(diào)制成固定頻率f的交變光源，通過被測(cè)目標(biāo)發(fā)射后由光電探測(cè)器接收，通過測(cè)量調(diào)制光往返的相位變化，從而換算得出距離L。

其檢測(cè)結(jié)果的計(jì)算公式簡(jiǎn)化為：

式中：n——波動(dòng)的數(shù)量；

Φ——激光經(jīng)往返距離L產(chǎn)生的相位變化；

1.3 檢測(cè)流程

（1）出廠與現(xiàn)場(chǎng)基準(zhǔn)標(biāo)定。激光限界檢測(cè)裝置由測(cè)量裝置（12臺(tái)激光3D檢測(cè)儀）、數(shù)據(jù)處理單元（2臺(tái)工控機(jī)）、帶升降結(jié)構(gòu)龍門框架組成。并在地面遠(yuǎn)端安置定制測(cè)距儀，通過實(shí)時(shí)獲取激光測(cè)距儀和車體的距離進(jìn)行車輛里程數(shù)據(jù)檢測(cè)[4]。

激光限界檢測(cè)裝置首次出廠現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，需要對(duì)龍門框架、測(cè)量裝置及測(cè)距儀進(jìn)行安裝位置的出廠標(biāo)定。并對(duì)軌道中心線、軌距等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)基準(zhǔn)標(biāo)定。

圖1 激光限界檢測(cè)裝置

圖2 激光測(cè)距儀

（2）相機(jī)標(biāo)定。激光三維視覺測(cè)量方法常用的數(shù)學(xué)模型有兩種，一種為解析幾何模型，另一種為透視投影模型。本文采用的基于透視投影模型的激光視覺測(cè)量方法，相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定是利用圖像進(jìn)行三維重建的基礎(chǔ)[5]。

目前對(duì)多臺(tái)相機(jī)組成的測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定，主要采用標(biāo)定工裝及激光跟蹤儀，標(biāo)定工裝主要用來標(biāo)定系統(tǒng)中各臺(tái)相機(jī)的外參及內(nèi)參（坐標(biāo)、角度、線性系數(shù)），激光跟蹤儀主要是用來對(duì)系統(tǒng)絕對(duì)坐標(biāo)系及內(nèi)外參的校正[6]。

圖3 標(biāo)定工裝模型

（3）坐標(biāo)系構(gòu)建。激光限界檢測(cè)系統(tǒng)通過安置在地面遠(yuǎn)端的測(cè)距儀進(jìn)行車輛的里程數(shù)據(jù)檢測(cè)，同時(shí)激光掃描儀對(duì)車輛斷面進(jìn)行不間斷測(cè)量，采取的數(shù)據(jù)結(jié)果為車輛3D輪廓模塊。

坐標(biāo)系構(gòu)建詳細(xì)步驟為首先進(jìn)行激光跟蹤儀重力水平調(diào)整及初始化設(shè)備，然后通過移動(dòng)靶球采集軌道頂面及內(nèi)側(cè)面擬合平面并通過投影直線構(gòu)建中線，最后在中線上取一點(diǎn)作為遠(yuǎn)點(diǎn)，并取平行于中線方向作為X向，取垂直Z、X向?yàn)閅向[7]。

（4）輔助工裝尺寸采集。

①如圖4所示，對(duì)輔助工裝外輪廓所采點(diǎn)含上下左右4個(gè)方向，每個(gè)方向根據(jù)測(cè)量范圍均勻地采3排數(shù)據(jù)，每排均勻地采集不少于5個(gè)點(diǎn)。

圖4 校準(zhǔn)示意圖

②移動(dòng)靶球貼合輔助工裝外輪廓進(jìn)行采點(diǎn)，記錄所采點(diǎn)的Y坐標(biāo)及Z坐標(biāo)，如第i坐標(biāo)點(diǎn)(Yi，Zi)。

（5）示值誤差計(jì)算。

①首先利用激光限界對(duì)工裝4個(gè)方向輪廓進(jìn)行掃描；

②根據(jù)采集的頂部底部的坐標(biāo)點(diǎn)。以Y坐標(biāo)作為自變量，通過激光限界輔助工裝外輪廓坐標(biāo)點(diǎn)Yi對(duì)應(yīng)Zi值，則第i點(diǎn)示值誤差：

③根據(jù)采集的左右2側(cè)的坐標(biāo)點(diǎn)。以Z坐標(biāo)作為自變量，通過新型車輛限界檢查裝置輔助工裝外輪廓坐標(biāo)點(diǎn)Zj對(duì)應(yīng)Yj’值。則第j點(diǎn)示值誤差：

2 測(cè)量不確定度研究

2.1 不確定度來源

不確定的來源有重復(fù)性測(cè)量誤差、攝像機(jī)定標(biāo)誤差、坐標(biāo)系構(gòu)建誤差、環(huán)境因素等，如圖5所示。

圖5 不確定度來源示意圖

2.2 不確定度評(píng)估方法選擇

參照J(rèn)JF1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》，對(duì)于識(shí)別出的影響因素按如下方式評(píng)估：由于試驗(yàn)人員推動(dòng)車輛通過限界檢測(cè)裝置時(shí)車輛運(yùn)動(dòng)過程與軌道不對(duì)中帶來的影響通過A類方法進(jìn)行評(píng)估，其他因素通過B類方法進(jìn)行評(píng)估。

具體如下：

（1）車輛對(duì)中等重復(fù)性測(cè)量引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度UA，采用A類方法評(píng)估；

（2）相機(jī)標(biāo)定及坐標(biāo)系構(gòu)建時(shí)激光跟蹤儀示值誤差引起的不確定度UB，采用B類方法評(píng)估。

溫度變化引起的不確定度UC，采用B類方法評(píng)估。

2.3 各不確定度分量評(píng)估

（1）車輛對(duì)中等重復(fù)性測(cè)量引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度UA

測(cè)量重復(fù)性是在重復(fù)性條件下進(jìn)行連續(xù)10次測(cè)量得到的測(cè)量列，使用貝塞爾公式計(jì)算得出。

（2）激光跟蹤儀示值誤差引起的不確定度UB

該不確定度主要由激光跟蹤儀的測(cè)量精度引起，查激光測(cè)距儀的位置測(cè)試精度為±（15μm+6×10-6L），現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)量距離估計(jì)為5m。在區(qū)間內(nèi)認(rèn)為是均勻分布，取包含因子

（3）溫度變化引起的不確定度UC

假設(shè)2種設(shè)備測(cè)量時(shí)溫差為1℃，在區(qū)間內(nèi)認(rèn)為是均

（4）合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

（5）相對(duì)擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，置信因子p=96%，則：

3 測(cè)量不確定度匯總

表1 測(cè)量不確定度匯總表

4 結(jié)語(yǔ)

由以上分析可知，經(jīng)評(píng)定，激光限界示值校準(zhǔn)測(cè)量不確定度U95=0.12mm＜1/3激光限界的最大允許示值誤差絕對(duì)值（MPEV）=1/3×1mm=0.33mm。新的車輛限界量值溯源鏈符合規(guī)定的測(cè)量不確定度要求。

激光限界檢測(cè)不確定度主要來源于重復(fù)性測(cè)量誤差、攝像機(jī)定標(biāo)誤差、溫度變化誤差。其中由激光測(cè)距儀精度影響的數(shù)據(jù)不確定度分量最大。因此可以通過使用更高精度的激光跟蹤儀或標(biāo)定系統(tǒng)來減小測(cè)量不確定度，提高測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度。