基于结构光成像的机车轮对磨耗参数在线检测技术研究

摘要

本文研究了基于结构光成像原理的机车轮对磨耗参数在线检测技术。磨耗参数的检测是机车安全运行的重要保证。目前，轮对的磨耗检测多采用静态测量方法，依赖于手工检测，该方法效率低，劳动强度大，容易造成漏检、误检。因此，本文研究的轮对磨耗参数在线检测技术具有重要意义。
　　 本文的主要工作包括：
　　 (1)提出了基于结构光成像的机车轮对磨耗参数在线检测技术。①分析了基于三角测量法的线结构光视觉检测原理；②提出了在线图像采集方法；③针对不同直径的机车轮对，设计了CCD的图像采集视场范围，保证了各种机车轮对轮缘踏面轮廓曲线图像采集的完整性。
　　 (2)设计了非接触在线图像采集装置。①针对机车轮对磨耗参数在线检测的要求和特点，完成了图像采集中关键元器件的选型；②为保证图像采集质量，分析了异步复位触发、曝光时间、机车运行速度、运动模糊控制等因素的综合影响；③设计的在线图像采集装置可适应的机车最大运行速度达到12km/h。
　　 (3)提出并实现了图像处理与参数计算算法。①针对机车轮对轮缘踏面轮廓曲线图像的特点，设计了平滑滤波、图像分割、细化、跟踪等预处理算法；②针对图像的直方图特征，分别用基于遗传算法的直方图熵全局阈值分割以及基于大津法的局部阈值分割对图像进行二值化处理，得到了完整的轮廓曲线；③设计并实现了轮缘厚度、轮缘高度、直径等主要几何参数的计算软件。
　　 (4)完成了相关验证实验。①分析了曝光时间、运动模糊等因素对采集图像的影响，得到了合理的图像采集参数；②验证了图像采集中视场计算方法的合理性，经验证视场设计的偏差小于0.5mm；③对于不同环境条件和轮对表面状态下采集的图像，分别应用基于遗传算法的直方图熵全局阈值分割以及基于大津法的局部阈值分割算法对图像进行二值化处理，验证了所设计阈值分割算法的有效性；④验证了参数计算算法，得到了轮缘高度、轮缘厚度、直径、QR值等主要几何参数，实现了磨耗参数的在线检测。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究意义

1.2 国内外发展现状

1.3 主要研究内容

第二章 参数检测方法

2.1 轮对磨耗参数定义

2.2 检测原理

2.2.1 基于三角测量法的线结构光视觉检测原理

2.2.2 线结构光检测模型

2.3 磨耗参数检测方法

2.3.1 参数检测方法

2.3.2 踏面基点位置的计算

2.3.3 轮缘厚度的计算

2.3.4 轮缘高度的计算

2.3.5 QR值的计算

2.3.6 轮径的计算

2.3.7 内测距计算

2.4 本章小结

第三章 图像采集单元设计

3.1 图像采集单元

3.1.1 采集单元组成

3.1.2 采集流程设计

3.2 基于机器视觉的图像采集单元

3.2.1 采集图像视场设计

3.2.2 CCD摄像机的选择

3.2.3 图像采集单元激光器的选择

3.2.4 采集模式的选择

3.2.5 多相机采集的程序设计

3.2.6 多相机采集的延时触发控制

3.2.7 图像采集中的运动模糊控制与曝光时间计算

3.2.8 图像采集卡的选择

3.3 本章小结

第四章 基于图像处理的轮对磨耗参数提取设计

4.1 参数提取的图像处理流程设计

4.2 图像预处理

4.2.1 图像类型的转换

4.2.2 图像平滑滤波

4.2.3 图像的阈值分割

4.2.4 图像的细化

4.2.5 图像的搜索

4.3 图像处理中的阈值分割处理

4.3.1 原理和分类

4.3.2 图像处理单元选用阈值分割算法分析

4.3.3 大津法阈值分割处理算法

4.3.4 基于遗传算法的最大直方图熵的单阈值分割算法

4.3.5 图像处理单元阈值分割算法实现

4.4 基于图像的参数提取设计

4.4.1 参数提取软件设计

4.4.2 参数提取实现

4.5 本章小结

第五章 应用实验及结果分析

5.1 图像采集单元的相关设置试验

5.2 视场设计试验分析

5.3 典型图像的阈值分割处理效果分析

5.4 参数提取试验设计

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 存在的问题和进一步的工作设想

致谢

参考文献

附录