车载式双相机机车轮轨位移图像检测系统及方法

摘要

本发明公开了一种车载式双相机机车轮轨位移图像检测系统及方法，涉及监测铁路线路的装置和方法技术领域。所述方法包括如下步骤：第一相机用于垂直向下拍摄机车车轮所在的钢轨图像，第二相机正对机车车轮中心轴线方向，用于拍摄机车车轮踏面；通过计算机同步获取第一相机和第二相机采集的图像信息；计算机内的分析处理软件对获取的图像信息进行分析和处理，得到当前机车车轮轴承中心轴线的空间位置；将当前机车车轮轴承中心轴线的空间位置与机车静止状态下的车轮轴承中心轴线标准位置做比较，得到车轮和钢轨之间的位置信息。所述方法可以准确的提取出轮轨的横向位移、垂向位移、冲角和侧滚角，从而直观的反映出轮轨的接触关系，计算精确高。

说明书

技术领域

本发明涉及监测铁路线路的装置技术领域，尤其涉及一种车载式双相机机车轮轨位移图像检测系统及方法。

背景技术

安全问题是铁路交通运输的永恒主题，高速和重载铁路的飞速发展对列车运行安全提出了新的挑战。相对于以前的机车，高速和重载列车一旦脱轨将引起更大危害，尤其是高速列车脱轨可能造成毁灭性的灾难。由于轮轨接触的复杂性，常规的力学分析手段并不能准确的分析轮轨接触状态。轮轨之间的相对位置是轮轨接触状态的最直接的反应，利用目前广泛使用的图像检测技术实现轮轨相对位置的监测对于检测列车运行的稳定性和安全性都具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种车载式双相机机车轮轨位移图像检测系统及方法，所述方法可以准确的提取出轮轨的信息，从而直观的反映出轮轨的接触关系，计算精确高。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种车载式双相机机车轮轨位移图像检测系统，其特征在于：包括第一相机、第二相机和计算机，所述检测系统固定在机车的转向架上，第一相机用于垂直向下拍摄机车车轮所在的钢轨图像，第二相机正对机车车轮中心轴线方向，用于拍摄机车车轮踏面，所述第一相机和第二相机与所述计算机电连接，计算机用于根据第一相机和第二相机采集的图像计算车轮与钢轨之间的信息。

进一步的技术方案在于：车轮与轮轨之间的信息包括横向位移、垂向位移、冲角和侧滚角。

进一步的技术方案在于：所述系统还包括支架，所述支架固定在所述转向架上，所述第一相机和第二相机固定在支架上。

进一步的技术方案在于：所述计算机内设置同步图像采集卡，第一相机和第二相机采集的图像通过所述同步图像采集卡同步传输给计算机进行处理。

本发明还公开了一种车载式双相机机车轮轨位移图像检测方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1）将第一相机和第二相机安装于机车的转向架上，其中第一相机用于垂直向下拍摄机车车轮所在的钢轨图像，第二相机正对机车车轮中心轴线方向，用于拍摄机车车轮踏面；

2）通过计算机同步获取第一相机和第二相机采集的图像信息；

3）计算机内的分析处理软件对获取的图像信息进行分析和处理，得到当前机车车轮轴承中心轴线的空间位置；

4）将当前机车车轮轴承中心轴线的空间位置与机车静止状态下的车轮轴承中心轴线标准位置做比较，得到车轮和钢轨之间的位置信息。

进一步的技术方案在于：车轮和钢轨之间的位置信息包括车轮和钢轨之间的横向位移、垂向位移、冲角和侧滚角。

进一步的技术方案在于：所述步骤3）具体分为如下步骤：

1）对第一相机采集到的图像进行灰度和滤波处理；

2）通过边缘检测器提取出图像中钢轨的边缘信息；

3）从上述步骤得到的信息中提取转向架和钢轨之间的横向位移和垂向位移；

4）用步骤3）中得到的横向位移和垂向位移修正第二相机拍摄的机车车轮踏面图像；

5）对修正后的踏面图像按照上述步骤1）和步骤2）进行处理；

6）由于机车行进过程中存在波动，导致拍摄到的踏面图像经步骤5）处理后可能得到圆或椭圆，将得到的图像信息通过圆心检测算法，提取出圆心，依次提取车轮外圆和车轮内圆的圆心，通过两个圆心的直线即为当前机车车轮轴承中心轴线的空间位置。

进一步的技术方案在于：以X轴方向表示车轮轴承中心轴线标准位置，Y轴与X轴相互垂直且在同一水平面上，Z轴与X轴相互垂直且在同一垂直面上；当前机车车轮轴承中心轴线向X轴和Z轴所在垂直面投影形成第一投影线，转向架前轴导向轮轮缘相对于钢轨工作边的冲角为当前机车车轮轴承中心轴线与第一投影线的夹角，当前机车车轮轴承中心轴线向X轴和Y轴所在水平面投影形成第二投影线，车轮与钢轨之间发生侧轨时的侧滚角为当前机车车轮轴承中心轴线与第二投影线的夹角。

进一步的技术方案在于：通过行车速度和时间得到机车行进方向位移X，将位移X代入公式计算出轮轨的横向位移Y，其中，为冲角，为侧滚角。

进一步的技术方案在于：通过行车速度和时间得到机车行进方向位移X，将位移X代入公式计算出轮轨的垂向位移Z，其中，为冲角，为侧滚角。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法利用双相机同步采集和图像处理方法，得到当前机车车轮轴承中心轴线的空间位置，进而提取出轮轨的横向位移、垂向位移，冲角和侧滚角，从而直观的反映出轮轨的接触关系，计算准确、精确高。

附图说明

图1是本发明所述系统的安装结构示意图；

图2是本发明所述方法中当前机车车轮轴承中心轴线的空间位置示意图；

图3是本发明中车轮与钢轨的主视结构示意图；

图4是本发明中车轮与钢轨的俯视结构示意图；

图5是本发明所述方法的流程图；

其中：1、第一相机2、第二相机3、转向架4、车轮41、车轮外圆42、车轮内圆5、钢轨6、支架7、当前机车车轮轴承中心轴线8、车轮轴承中心轴线标准位置9、第一投影线10、第二投影线11、车轮外圆向Y轴和Z轴所在平面的投影线12、车轮内圆向Y轴和Z轴所在平面的投影线13、当前机车车轮轴承中心轴线向Y轴和Z轴所在平面的投影线14、车轮轴承中心轴线标准位置向Y轴和Z轴所在平面的投影线15、车轮外圆向Y轴和X轴所在平面的投影线16、车轮内圆向Y轴和X轴所在平面的投影线17、当前机车车轮轴承中心轴线向Y轴和X轴所在平面的投影线18、车轮轴承中心轴线标准位置向Y轴和X轴所在平面的投影线。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明公开了一种车载式双相机机车轮轨位移图像检测系统，所述系统包括第一相机1、第二相机2和计算机，所述计算机内设置同步图像采集卡，第一相机1和第二相机2采集的图像通过所述同步图像采集卡同步传输给计算机进行处理。支架6固定在所述转向架3上，所述第一相机1和第二相机2固定在支架6上。第一相机1用于垂直向下拍摄机车车轮4所在的钢轨5图像，第二相机2正对机车车轮4中心轴线方向，用于拍摄机车车轮4踏面，计算机用于根据第一相机和第二相机采集的图像计算车轮4与钢轨5之间横向位移、垂向位移、冲角和侧滚角信息。

本发明还公开了一种应用上述系统检测轮轨位移的方法，所述方法的流程图如图5所示，所述方法包括如下步骤：

1）将第一相机1和第二相机2安装于机车的转向架3上，其中第一相机1用于垂直向下拍摄机车车轮4所在的钢轨5图像，第二相机2正对机车车轮（4）中心轴线方向，用于拍摄机车车轮4踏面；

2）通过计算机同步获取第一相机1和第二相机2采集的图像信息；

3）计算机内的分析处理软件对获取的图像信息进行分析和处理，得到当前机车车轮轴承中心轴线7的空间位置，如图2-4所示；

当前机车车轮轴承中心轴线7的空间位置获取方法如下：

1）对第一相机1采集到的图像进行灰度和滤波处理；

2）通过边缘检测器提取出图像中钢轨5的边缘信息；

3）从上述步骤得到的信息中提取转向架和钢轨之间的横向位移和垂向位移；

4）用步骤3）中得到的横向位移和垂向位移修正第二相机2拍摄的机车车轮踏面图像；

5）对修正后的踏面图像按照上述步骤1）和步骤2）进行处理；

6）由于机车行进过程中存在波动，导致拍摄到的踏面图像经步骤5）处理后可能得到圆或椭圆，将得到的图像信息通过圆心检测算法，提取出圆心，依次提取车轮外圆41和车轮内圆42的圆心，通过两个圆心的直线即为当前机车车轮轴承中心轴线7的空间位置。

4）将当前机车车轮轴承中心轴线7的空间位置与机车静止状态下的车轮轴承中心轴线标准位置8做比较，得到车轮4和钢轨5之间的横向位移、垂向位移、冲角和侧滚角信息。

其中，冲角和侧滚角的计算方法如下：以X轴方向表示车轮轴承中心轴线标准位置8，Y轴与X轴相互垂直且在同一水平面上，Z轴与X轴相互垂直且在同一垂直面上；当前机车车轮轴承中心轴线7向X轴和Z轴所在垂直面投影形成第一投影线9，转向架前轴导向轮轮缘相对于钢轨工作边的冲角为当前机车车轮轴承中心轴线7与第一投影线9的夹角，当前机车车轮轴承中心轴线7向X轴和Y轴所在水平面投影形成第二投影线10，车轮与钢轨之间发生侧轨时的侧滚角为当前机车车轮轴承中心轴线7与第二投影线10的夹角。

横向位移的计算方法如下：通过行车速度和时间得到机车行进方向位移X，将位移X代入公式计算出轮轨的横向位移Y，其中，为冲角，为侧滚角。

垂向位移的计算方法如下：通过行车速度和时间得到机车行进方向位移X，将位移X代入公式计算出轮轨的垂向位移Z，其中，为冲角，为侧滚角。

所述方法利用双相机同步采集和图像处理方法，得到当前机车车轮轴承中心轴线的空间位置，进而提取出轮轨的横向位移、垂向位移，冲角和侧滚角，从而直观的反映出轮轨的接触关系，计算准确、精确高。