基于PMP的车轮踏面三维测量系统的标定技术研究

摘要

近年来，随着铁路运输在载重和速度上不断提高，车轮承受着前所未有的载荷，而过高的载荷将严重威胁着铁路运输的安全。如何快速有效地获取车轮踏面三维信息及车轮踏面的缺陷信息，对于预防运行中事故的发生，有着决定性的作用。本文针对这种情况，选择精度较高的相位测量轮廓术来得到车轮踏面的相位信息，又分别在平面和深度方向上进行标定，最终得到车轮踏面的三维信息，具体研究内容如下:
　　首先，介绍了相位测量轮廓术的基本原理，推导出了相位测量表达式;同时介绍了解包裹算法，为后续工作奠定了基础。
　　其次，分析了测量系统的结构，从平面上和高度方向上分别讨论了测量系统的标定方法。
　　再次，对利用相位测量轮廓术进行高度方向上的测量进行了仿真，其中分别使用了传统相位高度映射算法和新型相位高度映射算法，首先对5mm平面进行高度测量，其中利用传统相位高度映射算法的平均高度值为4.9995mm，平均相对误差为0.043％，算法运行时间为35.9082s，利用新型相位高度映射算法的平均高度值为5.1123mm，平均相对误差为0.97％，算法运行时间为3.2145s，再对车轮踏面进行高度测量，其中利用传统相位高度映射算法的车轮踏面平均绝对误差为0.0942mm，运行时间为37.3878s，利用新型相位高度映射算法的平均绝对误差为0.1740mm，运行时间为3.6835s，最后对车轮踏面上的缺陷进行高度测量，其中利用传统相位高度映射算法的缺陷平均深度为1.9872mm，平均相对误差为0.0531％，运行时间为39.2565s，利用新型相位高度映射算法的缺陷平均深度为2.1147mm，平均相对误差为0.0673％，运行时间为3.7094s，将两种方法得到的平面、车轮踏面以及车轮踏面上缺陷的高度测量结果进行对比，得到传统法和新型法都能正确地还原出物体的高度信息，但传统法比新型法的精度高，从运行时间可以看出，传统法远远大于新型法，同时测量过程中传统法需要多次移动参考平面，操作复杂，而新型法只需要得到七个与像素点无关的系统参数，其操作简单，当图像像素点较多，且精度要求不高时，利用新型法更有优势。
　　最后，设计并搭建了车轮踏面的三维形貌测量的标定实验平台。分别利用传统法和新型法对LMA型车轮进行高度测量，LMA型车轮轮缘到踏面落差为28±0.5mm，利用传统法得到的车轮轮缘到踏面落差为28.4973mm，运行时间为389.9639s，用新型法得到的车轮轮缘到踏面落差为29.1846mm，运行时间为60.8058s，由此可知在实际测量过程中，利用传统法和新型法都正确的还原出了车轮踏面高度信息，同时，传统法的运行时间远远大于新型法。再结合平面上的标定，即可得到车轮踏面的三维点云，完成了车轮踏面的三维测量，最后分析了影响实验测量结果的各种因素。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 相位测量轮廓术概述

1．2．1 相位测量轮廓术的现状

1．3 车轮踏面三维重构意义

1．4 三维测量系统标定现状

1．5 本文主要内容

第2章 相位测量轮廓术原理

2．1 相位测量轮廓术基本原理

2．2 相位解包裹算法

2．3 本章小结

第3章 系统的标定原理及方法

3．1 系统标定的原理及步骤

3．2 相机的标定

3．2．1 相机成像模型

3．2．2 张正友标定法

3．3 深度方向标定原理及方法

3．3．1 相位展开算法

3．3．2 传统相位高度映射关系

3．3．3 新型相位高度映射关系

3．4 测量系统标定方法研究

3．4．1 平面坐标标定

3．4．2 深度坐标标定

3．5 本章小结

第4章 三维成像系统标定实验及结果分析

4．1 仿真实验结果及分析

4．1．1 平面仿真实验及结果分析

4．1．2 车轮踏面仿真实验及结果分析

4．1．3 车轮踏面缺陷仿真实验及结果分析

4．2 三维实测结果及分析

4．2．1 实验平台的搭建

4．2．2 获取车轮踏面平面坐标单应性矩阵

4．2．3 获取车轮高度信息

4．2．4 车轮踏面三维重构

4．2．5 实验结果分析

4．3 本章小结

总结与展望

总结

展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果