基于图像处理与机器视觉的车辆轮对踏面检测技术研究交通安全与环境工程专业毕业论文.docx
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基于图像处理与机器视觉的车辆轮对踏面检测技术研究交通安全与环境工程专业毕业论文
基于图像处理与机器视觉的车辆轮对踏面检测技术研究-交通安全与环境工程专业毕业论文
摘要
轮对是铁路车辆重要的走行部件，轮对踏面的损伤会对列车运行产生许多不良影响。
因此，迅速准确地检测轮对踏面的损伤，确保磨耗量不超过规定的限度，对于保障列车运行的平稳性和安全性具有重要的现实意义。
目前国内车辆轮对踏面检测还是以人工检测为主，大量的测量数据需要人工记录，劳动效率差、可靠性低且不便于信息化管理。
论文主要研究基于图像处理与机器视觉的轮对踏面磨耗和相关参数的自动检测技术。
检测系统通过步进电机控制轮对旋转，并以激光作为光源扫描轮对踏面，形成踏面光带轮廓，同时用面阵CCD（ChargeCoupledDevice）采集踏面光带轮廓图像。
计算机对采集的图像进行图像处理和图像分析，运用的主要算法有图像类型的转化、图像反色、中值滤波、LOG（LaplacianofGaussian）锐化算子、基
于迭代法的阈值分割、细线化等，使得提取的轮对图像信息达到了较
高的精度。
系统标定采用两步法，通过畸变校正提高了标定精度。
采用模式识别中的差影法对轮对踏面的磨耗进行了快速准确的检测，并根据图像的相加运算来测量轮对的相关参数。
分析了实验测量结果的误差来源，并提出了具体的测量装置的改进方案。
关键词自动检测，激光测量，图像处理，轮对踏面，机器视觉
ABSTRACT
Wheelsetisanimportantrunningpartoftherailwayvehicle，andthedamageofthewheelsettreadwillcausemanyproblemsandimpactthesafetyoftraintransportationbadlyTherefore，thedamageshouldbedetectedquicklyandaccuratelytoensureitswearsunderthelimitationforthestabilizationandsafetyofrailwaytransportation．
Nowadaysthetreadofvehiclewheelsetisstillmeasuredmainlymechanicaltoolsinourcountry,themeasurementmethodislowefficient，lowreliableandinconvenientforinformationmanagement．
Thetechnologybasedonimagetreatmentandmachinevisionforweardetectionandcorrelationparametersmeasurementofthewheelsettreadispresentedinthispaper．Whileawheelsetisrollingunderacertainspeedcontrolledbystepmotor,treadsurfaceofthewheelsetisscanedbythelaser,andthelightbandprofileiscollectedbyarrayCCD（ChargeCoupledDevice）camera．Thecollectedimagecanbeprocessedandanalyzedbyimagetypetransformation，imageanti-color,medianfiltering，LOG（LaplacianofGaussian）sharpeningoperator,thresholdsegmentationwhichbasedoniteration，filamentarithmeticetc，andthesemethods
maketheextractedimageinformationreachrelativelyhighaccuracy．Thecalibrationofsystemisrealizedbytwo—stepmethod，whichalsocorrectsdistortion．Thewearofwheelsettreadisdetectedquicklyandaccuratelybydifferentshadowarithmeticofpatternrecognition，andcorrelationparametersofthewheelsetaremeasuredbyimageadditionoperation．Finally,errorsourcesofexperimentalresultsareanalyzedandaspecificprogramtoimprovethemeasurementdeviceisputforward．
KEYWORDSautomaticmeasurement，measurementwithlaser，imagetreatment，wheeltread，machinevision
I¨
原创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。
与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。
作者签名：
童殴，日期：
盟年上月丑日
学位论文版权使用授权书
本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：
学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。
同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。
作者签名：
她导师签名醐：
丛年上月孚目
硕十学位论文第一章绪论
第一章绪论
1．1问题的提出与研究的意义
轮对是铁路车辆中的重要走行部件，它的状态直接影响到车辆运行的安全和品质的好坏，特别是车辆向高速度、大载重、轻结构方向发展的今天，对轮对的要求更高。
随着我国铁路事业的发展，列车行驶速度的不断加快，车辆运行的安全问题也变得更加突出，其中轮对质量是影响列车行驶安全的重要环节。
轮对踏面的损伤主要包括踏面磨耗、踏面擦伤和踏面剥离。
造成踏面磨耗的原因很多，如线路养护条件差、轮轨外形及材质匹配不合理、
转向架技术状态不良、车轮在轨道上长期滚动等等。
而列车在行驶中，经常要进行加、减速或制动停车，如果制动力过大，制动缓解不良，或由于同一轮对的车轮直径相差过大等原因，使车轮在轨面上滑行，造成踏面上被擦成一块或者数块平面，这就是踏面擦伤。
另外，列车制动力过大或闸瓦抱死车轮时，车轮在钢轨上滑行形成踏面擦伤，与此同时，踏面与闸瓦强烈摩擦产生高温，冷却后，擦伤处表层金属硬脆，在随后的减速制动中，易造成踏面上金属小块脱落或呈片状翘
起，这就形成了踏面剥副¨。
随着列车不断提高速度、密度和承载能力，轮对同轨道及制动闸片问的撞击、摩擦加剧，更容易造成踏面损伤。
轮对踏面的损伤会对车辆产生许多不良影响：
（1）使轮轨接触状态恶化，轮轨间冲击振动加大，易损伤轨道，缩短轨道设
施的使用寿命。
（2）加大车体上下振动，易使车辆配件松动、折断、磨损，并产生裂纹，造成意外事故。
．
（3）轴承所受的冲击力急剧增大，缩短轴承寿命，极易造成热轴。
（4）客车在强冲击振动下，增加了噪声，降低了乘坐舒适度。
（5）货车在强冲击振动下，易损坏运输物品。
（6）踏面磨耗破坏了踏面锥度，降低了列车的运行平稳性，加大了轮轨接触
面积，增加了运行阻力。
（7）踏面磨耗过大造成轮缘外侧距过小，车轮横向振动严重，易发生脱轨事
故【2】o
所以，每个列车轮对经过一定期限就要进行一次检测，对于参数超限的轮对需要加修或报废，否则会给列车的安全运行带来隐患。
我国铁路机车车辆部门对各型车辆轮对的磨耗限度均有明确的规定，轮对使用一段时间后必须定期拆卸，
硕十学位论文第一章绪论
进行全面检修，其中一项重要的检测内容是踏面损伤的检测。
目前，国内在轮对检测方面大都仍停留在手工测量，这种方法主要靠手工机
械式测量，大量的测量数据需要人工记录，劳动效率差、可靠性低且不便于信息化管理，缺少较准确、快速和经济的轮对踏面损伤的自动检测手段。
因此，迅速准确地检测轮对踏面损伤，确保磨耗量不超过规定的限度，对我国铁路事业的发展具有非常重要的意义。
1．2轮对踏面参数检测技术的发展现状
踏面损伤的车轮，其轮缘踏面的几何曲线相对标准曲线而言有所改变。
因此，可以通过检测车轮几何参数或踏面断面形状来了解踏面的损伤程度。
目前，轮对的自动检测按照检测的实时性分为静态检测和动态检测两种。
下面分别对这两种检测技术加以介绍。
1．2．1车辆轮对的静态检测技术
车辆轮对静态检测技术是指铁路车辆的轮对在检修过程中，从车辆上卸下，用相应的检测仪器或装置进行测量。
国内外静念检测技术主要采用的方法有以下几种：
1．接触测量法接触式测量方法通过测量触头直接接触轮对曲面进行测量，对轮对轴颈表面
粗糙度的包容性较大，并且接触式测量对光线的强弱、检测环境等要求较低，具有较强的抗干扰能力。
由于现代传感器技术的同益发展，使检测设备同臻完美，更加成熟、稳定、可靠【31。
（1）美国于20世纪80年代术研制了3种检测仪器：
①“便携式车轮断面测量仪”，能在2秒内检测轮缘厚度和踏面磨耗；②“便携式轮径测量仪”，能在不拆卸轮对情况下精确测量轮径，误差不超过0．76ram；③“车轮轮廓测量仪”，能提供完整的轮缘踏面的数字化断面，可随时精确测定踏面各点的磨耗量。
（2）芬兰于20世纪90年代初研制的“车轮外形测量仪”可测绘磨耗车轮的外形并存储数据，3秒内检测1000点，点距0．1mm。
（3）日本于20世纪90年代中期研制的“便携式轮对主要尺寸及车轮踏面形状自动测定装置”能检测踏面轮廓、轮径、轮缘高度及厚度。
（4）在国内，上海交通大学的沈钢等【4】研究了一种轮轨外形的高精度接触测量方法，即滚轮爬行式测量方法，并用该方法研制了一种便携式踏面外形测量系统，包括采样、通讯、数据后处理等。
所研制的数据平滑方法能在保证外形不产
2
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生较大畸变的情况下获得能满足几何匹配计算要求的光整外形，并针对提速后DFIl出现的横向晃动问题，进行了实地测量和分析。
2．光电测量法
该法通过光束照射或激光扫描踏面获得踏面断面曲线，利用摄像技术获取数据。
系统一般由照明装置、图像采集系统、采集控制系统、数据处理系统以及导向装置等几部分构成。
其测量原理是：
在车轮转动的过程中通过CCD摄像头，将车轮某一断面的图像及时采集下来，然后对所获得的图像进行分析，以提取轮缘和踏面的实测曲线，经校正后与已建立的标准车轮曲线比较，从而得出轮缘踏面的磨耗状况等各个参数。
（1）只本于20世纪80年代木研制的“轮对自动检查装置”可同时检测转向架解体后的轮对2个车轮的外形参数。
测量时轮对随回转装置转动，CCD摄像机拍摄踏面外形，数据经计算机处理后在CRT上显示，实现检测自动化，具有安全、高效等特点。
（2）匈牙利于20世纪90年代初研制的“走行装置自动化诊断装置”能检测踏面形状、轮径、轮缘内侧距、车轮垂直载荷及主弹簧装置的几何参数，能精确测量并记录磨耗量。
装置置于地坑中，车轮随回转滚轮转动，用非接触式激光传感器或感应位移传感器扫描整个踏面而获得数据。
（3）在国内，广东工业大学的高向东【5】介绍了一种轮对参数的静态光电自动检测装置。
检测系统采用龙门架通过式结构，主要包括升降总成、带转总成、进给总成、测量箱以及各种测量传感器等。
当轮对沿轨道进入轮对测量装置后，通过光栅位移传感器、CCD摄像机、图像采集卡和各个机械部件的协调动作，自动完成轮对的测量。
3．基于平行四边形机构的轮对自动测量装置
这套轮对自动测量装置是北京交通大学光电检测所【6J研制丌发的，已经投入使用。
该装置以平行四边形机构为基础，可以同时测量车轮踏面直径、擦伤、磨耗等参数。
踏面直径的测量原理如图卜1所示。
理想情况下，通过测量系统中的导向机构，将平行四边形机构中的测量尺的边缘直接定位于踏面滚动圆（距内侧面70mm）上，测量尺与钢轨之间的距离就是踏面直径。
当车轮通过测量机构时，激光位移传感器1记录得到的理论波形为一梯形波，通过比较测量可以得到踏面任意点的直径为：
JD被测，=D标准，+A．，公式（1-1）公式（1-1）中三个参数分别为被测车轮踏面任意点的直径、标准车轮对应点
的直径及被测车轮与标准车轮对应点直径之差。
其差值引起平行四边形测量机构
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上测量尺的平动，由激光位移传感器1直接测量得到。
若踏面存在擦伤和剥离情况，则测量尺会产生局部移动，得到相应的图形。
经过分析，得到踏面擦伤深度、擦伤长度以及剥离长度等几何尺寸。
这套轮对自动测量装置的测量周期约为40s，轮径误差不大于0．3mm，轮缘厚度误差不大于0．4mm，踏面磨耗误差不大于0．2mm。
实现轮对在车间『F常行走的条件下，对其踏面磨耗、擦伤以及轮缘厚度等参数进行准确快速地测量【7J。
图1-1平行四边形机构测量车轮任意点直径的原理示意图
1．2．2车辆轮对的动态检测技术动态检测是指在车辆行进时进行的测量。
该法与静态检测同步发展，自动化
程度高，不占用机车车辆的周转时间，效率高。
近10多年来，同益受到世界各
国的重视【引。
动念检测可采用车载式和地面式检测系统。
车载式检测是通过检测车轴振动的加速度来间接获得踏面外形参数，这需在每根车轴上安装传感器，既不经济也不必要，一般不采用；地面式检测是在线路上安装车轮外形测量系统，适用于检测运行中的车辆。
1．轨道电路中断时间法该法的临界速度约为40km／h，踏面损伤的车轮在损伤处产生跳动，使轨道
电路短时中断，中断时问作为判断踏面损伤程度的依据。
由于中断时间受车速及
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轴负荷的影响，所以必须依据车速来补偿、校准。
根据该原理，20世纪80年代初，匈牙利研制了“Kolumbus检测仪”，瑞典研制了“Jul-400检测仪”，但二者的测量精度均不高。
2．涡流法前苏联于20世纪80年代初研制了“轮对磨耗涡流检测变换器”。
使用前需
获得踏面磨耗量与检测信号振幅之问的关系，通过测量检测器输出的电压值来获得踏面磨耗量。
该仪器对车速无限制，但其输出端除输出测量信号外，还附带按一定规律振荡的载波，其电压稳定性影响TN量精度【9】。
3．超声遥测法该方法使用超声传感器，采用无接触式的超声波测距法。
当列车从测量系
统旁通过时，测量传感器探头与轮对特征表面之间的距离，综合传感器的信号，可确定轮对的参数。
俄罗斯于20世纪90年代中期研制的“轮对参数自动化检测装置”能在车速不大于5km／h时，遥测传感器组，可测出距车轮各特征表面的距离，经分析处理后得到轮径、轮缘厚度、踏面磨耗量及垂直磨耗量等。
4．冲击载荷法通过检测因踏面损伤引起的冲击负荷来获得踏面损伤量【10】。
（1）美国于20世纪90年代中前期研制的“山猫系统"就是以检测冲击载荷来定量确定车轮缺陷的。
该系统可自动显示冲击载荷的大小，并提供报告。
测量时，通过检测钢轨／辐板应变丝及一系列负载电路来获得车轮的垂直负载信息，经主处理器处理后得到超载值（冲击载荷），再根据预设标准判断是否超载。
（2）我国提出用“剪力法”获得轮轨载荷：
车辆通过时，钢轨所受的轮轨力与剪应力之间存在一定关系，测得剪应力即得轮轨力，从而获得载荷值。
5．振动加速度法检测踏面损伤车轮与钢轨动态接触时产生的振动加速度来测得损伤量[Il】。
该
方法可以用来测量轮对表面出现的擦伤和剥离，其原理是车轮踏面有擦伤会引起车轮与钢轨的冲击与振动，固定在轨道上的加速度传感器可准确地检测出因车轮踏面擦伤而引起的轮轨冲击，经由数据分析计算能够可靠地评估车轮踏面的擦伤程度。
（1）前苏联于20世纪80年代初研制的“KPA兀一2车轮踏面故障检测装置"实现了自动化检测，指示并记录了车轮故障及由车轮不均匀磨耗造成的踏面局部磨损和波状磨损的位置，如图卜2所示。
图中，10个压电式加速度传感器分别安装在轨腰上；A、B为车轮检测传感器，用于检测车轮进入和离丌检测区，二者距离大于相邻轴I、日J距，小于两转向架的间距。
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图I-2KPAH一2传感器分布示意图
（2）日本于20世纪90年代中期研制了“车轮踏面损伤检测装置”，如图卜3
所示。
2个相同的加速度传感器安装在钢轨底座处，相距半轮周长s／2，测量前后114周长的振动。
当列车到来时，列车检测器发出信号使装置工作。
装置除检测踏面损伤外，还能测量车辆通过测点的速度。
图卜3传感器分布示意图
卜列车检测器；2一加速度传感器；3一车轮检测器（3）国内20世纪90年代研制的装置能检测擦伤位置、擦伤深度、车速，并
对列车进行判型等。
判型依据是同一转向架中相邻轴轴距与同车厢两转向架间最短轴距之比；擦伤深度根据机械能转化成压电传感器电能来求。
6．光电测量法该方法采用线结构光照射轮对踏面，成像系统摄取反射或漫反射图像，对图
像进行处理后得到踏面参数【12】。
（1）德国于20世纪80年代末研制的“轮对自动诊断装置”，可在车速不大于
5km／h时，自动检测车轮断面的几何参数。
测量时，缝隙光光带以规定角投射到车轮上形成可辨认轮廓，4个半导体摄像机（能覆盖车轮的4个断面）以对应的角度捕捉反射光束。
（2）美国Loram公司于20世纪90年代中期研制的“车轮自动检测系统（AWIS）”，分低速（v≤8km／h）检测型和高速（v≤72km／h）检测型。
系统具有连续采集图像、连续处理数据和车轮计数等功能，可检测轮缘厚度、踏面磨耗和轮径等参数。
（3）罗马尼亚于20世纪90年代中前期研制出“车轮外形、磨耗自动检测系统”。
系统由连续跟踪的照明系统（缝隙型集中光束的聚光灯）及可缩放8倍的PANASONICGl摄像机组成，如图卜4所示。
采用缝隙型光源有利于增加图像的对
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比度，简化直方图的计算，但应注意防止照明过度，减少杂散光。
受图像采集和数据处理的限制，该系统适用于低速检测。
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图卜4车轮外形、磨耗自动检测系统示意图
（4）同本于20世纪80年代初研制出“轮缘自动检测器”，如图1-5所示。
检测时投光器射出垂直光束，车轮进入时光束被遮断，车轮外周边缘产生光的反射影像；车轮转动时，反射影像从轮缘到踏面再向车轮外侧面移动，相当于用光束割断车轮，光的反射影像与车轮形状相适应，以一定的高度在车轮宽度方向上移动，摄像机放在反射影像聚合成焦点的地方拍摄。
因原轨迹上轮缘部分是已延长的形状，所以应修『F其径向断面。
图1-5轮缘自动检测器
（5）同本于20世纪90年代术研制的“车轮踏面形状自动测定装置”（如图卜6所示）由细带状激光束、CCD、车轮检测器、同步检测传感器及遮光板组成。
激光束照射范围为通过的一个车轮。
测量时光电传感器跟踪车轮轮缘，2台CCD高速拍摄车轮被照部分散射光图像，计算机进行滤光和细线化处理，提取图像中心线并计算车轮尺寸。
该装置测量精度高，但摄像机安装在车轮下方，对轨道要求高，且易受灰尘污染，另外装置造价高，数据处理量大，对车速有限制。
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细带状
图I-6车轮踏面形状自动测定装置
（6）澳大利亚20世纪90年代木研制出“车轮实时跟踪检测装置”，如图卜7所示。
该装置能检测车轮断面形状、踏面磨耗及列车以30km／h速度行驶时车轮受冲击的偏移角度。
车辆进入检测区时，光发射器光源被切断，此时激光闪光单元发光，照射车轮，CCD摄像。
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图卜7车轮实时跟踪检测装置总之，光电测量法测量精度高，但造价也高，另外光源相对摄像机位置的
微小变化将会增大检测误差，因此必须精确计算测量器件的安放位置以获得最佳图像效果。
通过以上轮对的静态检测和动态检测技术的介绍，我们可以看到动态检测自动化程度和检测效率高，且不占用车辆周转时间，但是由于列车运行速度快、
震动大，使在线检测的难度较大，检测精度相对较低，目前应用得比较岁13】。
而
静态检测方便，精度高，技术较成熟，目前己得到了广泛的应用。
硕十学何论文第一章绪论
1，3主要研究内容
针对轮对踏面检测，对比多种检测方法，静态检测中的光电测量法在众多检测方法中具有很多优势。
课题以数字图像处理和机器视觉为理论基础，通过基于激光视觉传感技术的静态非接触测量方式，来对列车轮对踏面的相关参数进行检测，主要有以下几方面的研究：
1．研究轮对踏面检测的图像采集系统，包括CCD摄像机、镜头、激光器等。
2．检测系统的标定。
标定是图像信息与轮对踏面实际参数的转换依据，也是检测系统精度的保证和关键。
这里主要是对CCD镜头进行标定，通过畸变校讵提高测量的精度。
3．轮对踏面图像的处理。
根据轮对踏面图像的特点，研究有效的图像处理方案，在精度满足要求的情况下减少运算量，提高处理效率。
采用的图像处理方法主要是图像类型的转化、图像反色、图像平滑、图像锐化、图像分割、图像细线
化等。
4．轮对踏面图像的分析。
将待测轮对踏面图像与标准轮对踏面图像相比较，．采用差影法来检测轮对磨耗量，并用相加运算以及定义得到了轮缘高度、轮缘厚度等相关参数。
5．为了方便对检测到的数据进行管理，用数据库管理模块来存储并显示检测结果。
1．4本章小结
阐述了轮对踏面损伤的检测对列车行车安全的重要性、人工检测的缺点和实现自动检测的必要性，介绍了国内外轮对踏面参数检测技术的发展现状，论述了基于激光视觉传感技术的静态非接触测量方式的可行性，最后介绍了论文的主要研究内容。
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硕十学位论文第二二章轮对踏面检测系统的基本原理
第二章轮对踏面检测系统的基本原理
随着计算机技术、数字图像处理、机器视觉和人工智能等学科的发展以及计算机硬件技术的同新月异，视觉检测技术广泛应用于各种工业领域，得到了研究者的极大兴趣和重视。
本章着重介绍了系统所要用到的图像处理、机器视觉和模式识别等方面的基本原理以及它们的发展和应用。
2．1数字图像处理基础
在实际应用中，系统获取的
升级会员 