基于面阵CCD的轨道磨耗测量与研究

摘要

钢轨磨耗的检测技术是保证火车安全运行的前提。伴随当今经济的迅速发展，火车的运输重量和密度的增大，使得钢轨的磨耗越来越严重。尤其是近几年来城市之间的来往的时间要求越来越短，列车运行速度达到更高的要求。因此，确保火车线路的质量是一项巨大但重要的工作。在火车运行时，火车侧面轮廓容易损失，故必须定期对钢轨侧面进行磨耗检测。因此，方便快捷的检测磨耗值是确保火车安全运行的重要条件。
　　 钢轨磨耗有多种测量方法，比如人工目测分析法，卡尺测量方法等等。上述几种方法人工强度大，误差大不能满足当其高速铁路的测量精度与速度的需求。本文提出了基于面阵CCD（Charge-coupled Device，即电荷耦合元件）的轨道磨耗测量方法，结合计算机视觉与图像处理的知识。并通过MFC与OpenCV进行系统的开发。在系统上完成轨道磨耗的测量。
　　 本文首先介绍了钢轨磨耗检测方案发展，具体包括检测方法、检测原理和检测产品，在检测方法与精度上对国内外检测方案进行比较。在查阅大量参考文献的基础上，提出了基于面阵CCD的非接触轨道磨耗检测方案。在此原理上，提出了系统的总体框架，其中包括检测原理、检测功能、系统的硬件、系统的软件。钢轨的结构、分类与钢轨磨耗的定义给以介绍。
　　 本文重点在于数字图像的采集、处理与分析。数字图像的采集主要包括CCD驱动、光学系统的设计、线状激光器参数设计、面阵CCD的参数的设计，并在现场采集多幅图片进行实验。图像处理部分，对数字图像方法进行理论的分析，探讨，图像的去噪、图像的二值化、图像的闭操作以及图像的细化的操作，便于后期的图像的还原等等。图像的分析部分，根据处理后的图像进行图像基准点的选取、图像的匹配、钢轨磨耗的计算与研究。
　　 本文开发了现场采集处理软件，其中包括图像的采集与处理、摄像机的标定与还原，磨耗值的计算等。本系统集光学技术、光电技术、数字图像处理与系统软件技术于一体，可检测钢轨磨耗的参数，包括水平磨耗、垂直磨耗和总磨耗。系统体积小、易操作，精度较高对钢轨的维修起到一定的积极作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外检测现状

1．2．2 国内检测现状

1．3 研究内容

1．4 本章小结

第2章 系统总体设计

2．1 钢轨断面成像系统的设计

2．1．1 高速相机的选择与介绍

2．1．2 激光器的选择与介绍

2．2 钢轨的结构与磨耗分析

2．3 系统的流程分析

2．4 本章小结

第3章 基于机器视觉的测量技术

3．1 计算机视觉技术的介绍

3．2 摄像机模型

3．3 透镜畸变

3．3．1 径向畸变

3．3．2 切向畸变

3．4 常用坐标系

3．4．1 坐标系的介绍

3．4．2 坐标系转化关系

3．5 典型标定方法

3．5．1 Tsai两步标定

3．5．2 Zhang平面标定

3．6 本章小结

第4章 图像采集、预处理与磨耗计算

4．1 图像的采集

4．2 图像格式转化

4．3 数字图像预处理

4．3．1 图像的去噪

4．3．2 图像的二值化

4．3．3 图像的膨胀与腐蚀

4．3．4 图像的细化

4．4 摄像机的标定

4．5 钢轨断面轮廓的匹配与磨耗计算

4．6 本章小结

第5章 功能实现与测试

5．1 功能的实现

5．1．1 功能环境的配置

5．1．2 功能实现

5．2 功能测试

5．2．1 钢轨损耗分类

5．2．2 测试结果与结果分析

5．3 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文