专利名称：列车轮对踏面和轮缘在线高速检测系统及其检测方法
技术领域：
本发明涉及一种检测系统及其检测方法，具体涉及一种列车轮对踏面与轮缘在线高速检测系统及其检测方法。
背景技术：
轮对是列车最重要的部件之一，轮对的好坏直接影响列 车的行车安全。列车轮对踏面的缺陷包括踏面擦伤和踏面剥离，这些缺陷在列车运行中会带来额外的冲击振动，严重影响列车的行驶安全以及轨道设施的使用寿命，所以如何准确的检测出列车轮对踏面的缺陷是列车发展中急需解决的检测技术问题。近年来，随着我国经济的快速发展，列车行驶速度在逐步提升，伴随着高速和重载的实际情况，列车轮对要承受更大的动态载荷，使得列车轮对极易出现踏面擦伤、剥离等现象，进而导致列车运行品质下降。列车轮对踏面磨损加剧，严重时会导致车轴断裂、崩轮，甚至造成重大事故。目前有很多踏面缺陷的检测方法，其中在专利号为ZL200610155281. 3的专利中，在检测轮对踏面的过程中未考虑喷砂管与刹车装置的影响，结构光组的光平面与轨道平面有夹角和采用线阵相机成像，由于结构光组无法全部覆盖踏面，所以只能检测整个轮对踏面的部分缺陷信息，另外，缺陷信息是通过与无缺陷的图片相比较之后做差所获得的，未考虑机车的震动和偏移，容易造成较大的检测误差。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种更加准确的用于检测列车轮对缺陷的在线检测系统及其检测方法。为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案列车轮对踏面和轮缘缺陷在线高速检测系统，其特征在于，包括用于检测列车是否进入检测区域的目标检测装置，用于检测列车运行速度的测速装置，用于判断列车是否到达指定位置的位置判断装置，用于获得列车轮对踏面和轮缘图像信息的图像采集装置，用于处理前述图像采集装置获得的图像信息的图像处理装置，用于接收前述目标检测装置、测速装置和位置判断装置的信息，并根据所得信息对图像采集装置、图像处理装置进行控制的系统控制装置；前述图像采集装置包括多组线结构光源和高速面阵相机；前述线结构光源的光平面位于轨道平面的上方并与轨道平面形成俯角，光平面与轮对相交所形成的交线平行于轨道平面并位于列车喷砂管/刹车装置与轨道之间；前述高速面阵相机位于轨道平面的下方，相机的光轴与轨道平面形成仰角同时与前述光平面形成固定夹角；前述图像采集装置在两条轨道的外侧各设置至少两套。
前述的列车轮对踏面和轮缘缺陷在线高速检测系统，其特征在于，前述目标检测装置、位置判断装置和测速装置为霍尔传感器。前述的列车轮对踏面和轮缘缺陷在线高速检测系统，其特征在于，前述高速面阵相机的成像视场可设置，前述成像视场的宽度仅含盖体现轮对踏面和轮缘形状的区域，成像视场的高度仅含盖最大交线区域。前述的列车轮对踏面和轮缘缺陷在线高速检测系统，其 特征在于，前述高速面阵相机的光轴与光平面所成固定夹角的大小在5 20度范围内。利用前述的列车轮对踏面和轮缘缺陷在线高速检测系统检测轮对踏面和轮缘缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤(I)当轮对进入检测区域后，目标检测装置检测到相应信息，系统控制装置接收前述信息、并启动测速装置；(2)当轮对进入测速区间后，测速装置获得轮对的速度信息，系统控制装置接收前述速度信息、并启动图像采集装置；(3)当轮对到达指定的图像采集位置后，位置判断装置检测到轮对的位置信息，系统控制装置接收前述位置信息、并控制图像采集装置对轮对踏面及轮缘进行图像采集，获得一系列的踏面及轮缘图像信息；(4)图像处理装置接收前述图像信息并进行处理和分析，最终显示轮对踏面和轮缘的缺陷信息。前述的检测轮对踏面和轮缘缺陷的方法，其特征在于，在前述步骤(4)中，图像处理装置处理图像信息的方法为(一)判断图像中的轮对是否存在缺陷利用canny边缘检测的方法得到交线的上下单像素边缘，同时设定一个第一阈值，将像素点与其之前的像素点做差，当差值大于第一阈值则判定轮对此处存在缺陷，反之则不存在缺陷；(二)、计算缺陷的大小①、以踏面与线结构光源交点作为单像素边缘的基准点，设定一个第二阈值，将分开踏面与轮缘的估算位置的前后数个单像素点与基准点做差，差值小于等于第二阈值时，即确定这个像素点是区分踏面与轮缘的分界点，同时得到轮缘的实际像素个数A ;②、拟合踏面区域的点，得到一条直线，拟合点p(x，y)与对应的实际测量点q(x, y)的偏差为r(x, y), r (x, y) =p (x, y) -q (x, y)，交线所在位置的切平面与光平面的夹角为Θ，则缺陷深度d为d=r (X，y) Xtan Θ ；③、根据轮缘与踏面长度所成的比例，计算出未发生磨损的轮缘的理论像素个数B，B与A做差即得到轮缘的磨损量；(三)生成结果图将每幅图像中的光带部分提取出来，按照顺序拼接成一幅图像，并将轮对的缺陷部分用不同于背景的颜色表示出来。前述的检测轮对踏面和轮缘缺陷的方法，其特征在于，前述做差的两个像素点中间相隔四个像素点。本发明的有益之处在于图像采集装置的光平面与轮对相交所形成的交线位于列车喷砂管/刹车装置与铁轨之间，解决了列车喷砂管/刹车装置对检测系统的检测方向和范围的影响问题；线结构光源的光平面与轮对相交所成的交线平行于轨道平面，并且线结构光源横向的长度覆盖了轮对的踏面和轮缘，真正实现踏面和轮缘无遗漏的全部检测；高速面阵相机的成像视场的宽度仅含盖体现轮对踏面和轮缘形状的区域、高度仅含盖最大交线区域，因交线区域以外的部分未采集到图像中，所以大大提高了图像处理装置的运算速度及工作效率，本系统可适用于20km/tT300km/h列车的在线高速检测；利用本发明的方法计算踏面缺陷的深度，无需考虑机车的震动和偏移，大大减小了检测的误差；每幅图像中的光带部分被提取出来，并按照顺序拼接成一幅图像，轮对的缺陷部分也同时被拼接在了前述的图像中，更方便观察检测结果。
图I是本发明的列车轮对缺陷在线检测系统的总体布局的俯视
图2是图I中的列车轮对缺陷在线检测系统的右视图；图3是线结构光源的光平面与交线所在切平面以及喷砂管/刹车装置的相对位置示意图；图中附图标记的含义1_轮对，2-轨道，3-目标检测装置，4-位置判断装置，5-线结构光源，6-高速面阵相机，7-测速装置，8-光平面，9-切平面，10-喷砂管，Θ -夹角，箭头表示列车行驶方向。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。参照图1，本发明的列车轮对缺陷在线高速检测系统，包括用于检测列车是否进入检测区域的目标检测装置3，用于检测列车运行速度的测速装置7，用于判断列车是否到达指定位置的位置判断装置4，用于获得列车轮对I的踏面和轮缘图像信息的图像采集装置，对图像采集装置获得的图像信息进行处理的图像处理装置(未图示)以及接收目标检测装置3、测速装置7、位置判断装置4传来的信息并对图像采集装置发出控制命令的系统控制装置(未图示)。该在线检测系统的总体布局详述如下在轨道2的外侧靠近轨道2的位置、沿轨道2延伸方向依次排布有目标检测装置3，测速装置7，位置判断装置4，图像采集装置。目标检测装置3最先检测到是否有列车进入检测区域，测速装置7检测列车进入检测区域后的运行速度是否能满足图像采集装置采集到有效而且完整的图像信息，当列车进入检测区域并行使到指定的图像采集位置后，位置判断装置4发出信号给系统控制装置，进而启动图像采集装置进行图像的采集。如果列车运行速度较快，不利于图像采集装置采集到有效而且完整的图像信息，往往会导致图像处理装置所做的图像处理为无用功。所以，将测速装置7与系统控制装置建立信号联系，当检测到的列车速度小于某一值时，系统控制装置接收信息并向图像采集装置发出启动的命令，准备进行图像采集；当检测到的列车速度超过该值时，测速装置7不发出信号给系统控制装置，图像采集装置也不工作，避免了图像采集装置以及图像处理装置做无用功。图像采集装置包括构成阵列的多组线结构光源5和高速面阵相机6。参照图2和图3，线结构光源5的光平面8位于轨道平面的上方并与轨道平面形成俯角，光平面8与轮对I相交所形成的交线平行于轨道平面并位于列车喷砂管10/刹车装置与轨道2之间，解决了列车喷砂管10/刹车装置对检测系统的检测方向和范围的影响问题；高速面阵相机6位于轨道平面的下方，相机的光轴与轨道平面形成仰角，同时与光平面8形成固定夹角。作为一种优选的方案，高速面阵相机6的光轴与光平面8所成固定夹角的大小在5 20度范围内。由于夹角越大，踏面表面的缺陷显示出来的特征就越明显，但是考虑到安装的线结构光源5的数量，夹角不能过大，所以经过试验，最终将夹角的大小确定在5 20度范围内。作为一种优选的方案，位置判断装置4与图像采集装置 一一对应，平均分成两组并对称的设置在两条轨道2的最外侧。为了使图像采集装置获得整个轮对I的全部图像信息，也就是采集到轮对I 一周的全部图像信息，每侧轨道2的最外侧的图像采集装置的数目> 2个。多个图像采集装置设置于不同的位置但同时工作，可获得整个轮对I的完整的图像信息，大大增加了检测的范围。作为一种优选的方案，目标检测装置3、位置判断装置4和测速装置7均为霍尔传感器。它不仅对磁场敏感、体积小、响应速度快，而且使用寿命长，可作出准确的判断，并将信号传递给系统控制装置，从而保证本发明的在线检测系统高质量的完成检测工作。作为一种优选的方案，高速面阵相机6的成像视场可设置，成像视场的宽度仅含盖体现轮对踏面和轮缘形状的区域，成像视场的高度仅含盖最大交线区域，可略大于交线区域。由于高速面阵相机6的成像视场设置好后不再做改变，随轮对I向图像采集装置的靠近，交线区域所形成的图像在整幅图像中所占比例也越来越大，所以相机的成像视场大小以能含盖、或略大于最大的交线区域为宜。因交线区域以外的大部分景象未采集到图像中，所以图像处理装置在处理图像时，仅处理交线区域的图像信息，大大提高了运算速度及工作效率，行驶速度在20km/tT300km/h的列车均可利用本系统进行轮对缺陷的检测。利用上述的列车轮对踏面和轮缘缺陷在线高速检测系统检测轮对缺陷的方法，包括以下步骤首先，轮对I进入检测区域后，目标检测装置3检测到相应信息，并发出信号给系统控制装置，由系统控制装置启动测速装置7。然后，轮对I进入测速区间后，测速装置7检测轮对I的速度，如果速度小于等于某一数值，测速装置7将速度信号传递给系统控制装置，由系统控制装置启动图像采集装置，做好采集图像信息的准备工作；如果速度大于该数值时，为了避免图像采集装置采集到的图像信息不完整，也就是得不到整个轮对I的图像信息，测速装置7不发出信号给系统控制装置，也就是不启动图像采集装置。图像采集装置被启动后，当轮对I到达指定的图像采集位置时，位置判断装置4检测到相应位置信息，并发出信号给系统控制装置，由系统控制装置控制图像采集装置对轮对踏面及轮缘进行图像采集，获得一系列的踏面及轮缘图像信息。最后，图像处理装置接收图像信息并进行处理与分析，并最终显示轮对踏面和轮缘的缺陷信息。其中，图像处理装置处理图像信息的方法为首先，判断图像中的轮对是否存在缺陷。具体判断过程如下利用canny边缘检测的方法得到交线的上下单像素边缘，交线为光平面与轮对相交所形成的相交线；设定一个第一阈值，对获得的上下单像素边缘进行处理。作为一种优选的方案，每个像素点分别与该像素点前面的第五个像素点做差，当这个差值大于第一阈值时，则判定此处存在缺陷，反之则不存在缺陷。然后，计算缺陷的大小。以踏面与线结构光源交点作为单像素边缘的基准点，设定一个第二阈值，因为轮缘与踏面长度的比例关系固定，可以通过总像素先确定踏面与轮缘分开的一个估算位置，这个估算位置前后数个单像素点与基准点的差值小于等于第二阈值时，即确定这个像素点是区分踏面与轮缘的分界点，同时计算得到轮缘所占像素的实际像素个数A ;对踏面区域的点进行拟合，得到一条直线，踏面拟合点P (X，y)与对应的实际测量点q(x, y)的偏差为r(x, y), r (x, y) =p (x, y) -q (x, y)，交线所在位置的切平面9与光平面8的夹角为Θ，贝1J缺陷深度d为d=r(x, y) Xtan Θ ;根据轮缘与踏面长度成一定固定比例,计算出未发生磨损的轮缘的理论像素个数B，然后将B与A做差，差值 就是轮缘因磨损而减少的那部分的像素个数，从而得到轮缘的磨损量。最后，图像处理装置将所有图像拼接并形成一幅检测结果图。具体的拼接方法是将每幅图像中的光带部分提取出来，按照顺序拼接成一幅图像，轮对的缺陷部分也被拼接在上述图像中，为了更加便于观察，缺陷部分用另一种与背景不同的颜色来表示。需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
权利要求
1.列车轮对踏面和轮缘缺陷在线高速检测系统，其特征在于，包括 用于检测列车是否进入检测区域的目标检测装置， 用于检测列车运行速度的测速装置， 用于判断列车是否到达指定位置的位置判断装置， 用于获得列车轮对踏面和轮缘图像信息的图像采集装置， 用于处理上述图像采集装置获得的图像信息的图像处理装置， 用于接收上述目标检测装置、测速装置和位置判断装置的信息，并根据所得信息对图像采集装置、图像处理装置进行控制的系统控制装置； 上述图像采集装置包括多组线结构光源和高速面阵相机；上述线结构光源的光平面位于轨道平面的上方并与轨道平面形成俯角，光平面与轮对相交所形成的交线平行于轨道平面并位于列车喷砂管/刹车装置与轨道之间；上述高速面阵相机位于轨道平面的下方，相机的光轴与轨道平面形成仰角、同时与上述光平面形成固定夹角；上述图像采集装置在两条轨道的外侧各设置至少两套。
2.根据权利要求I所述的列车轮对踏面和轮缘缺陷在线高速检测系统，其特征在于，上述目标检测装置、位置判断装置和测速装置为霍尔传感器。
3.根据权利要求I所述的列车轮对踏面和轮缘缺陷在线高速检测系统，其特征在于，上述高速面阵相机的成像视场可设置，上述成像视场的宽度仅含盖体现轮对踏面和轮缘形状的区域，成像视场的高度仅含盖最大交线区域。
4.根据权利要求I所述的列车轮对踏面和轮缘缺陷在线高速检测系统，其特征在于，上述高速面阵相机的光轴与光平面所成固定夹角的大小在5 20度范围内。
5.利用权利要求I所述的列车轮对踏面和轮缘缺陷在线高速检测系统检测轮对踏面和轮缘缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤 (O当轮对进入检测区域后，目标检测装置检测到相应信息，系统控制装置接收上述信息、并启动测速装置； (2)当轮对进入测速区间后，测速装置获得轮对的速度信息，系统控制装置接收上述速度信息、并启动图像采集装置； (3)当轮对到达指定的图像采集位置后，位置判断装置检测到轮对的位置信息，系统控制装置接收上述位置信息、并控制图像采集装置对轮对踏面及轮缘进行图像采集，获得一系列的踏面及轮缘图像信息； (4)图像处理装置接收上述图像信息并进行处理和分析，最终显示轮对踏面和轮缘的缺陷信息。
6.根据权利要求5所述的检测轮对踏面和轮缘缺陷的方法，其特征在于，在上述步骤(4)中，图像处理装置处理图像信息的方法为(一)判断图像中的轮对是否存在缺陷利用canny边缘检测的方法得到交线的上下单像素边缘，同时设定一个第一阈值，将像素点与其之前的像素点做差，当差值大于第一阈值则判定轮对此处存在缺陷，反之则不存在缺陷； (二)、计算缺陷的大小 ①、以踏面与线结构光源交点作为单像素边缘的基准点，设定一个第二阈值，将分开踏面与轮缘的估算位置的前后数个单像素点与基准点做差，差值小于等于第二阈值时，即确定这个像素点是区分踏面与轮缘的分界点，同时得到轮缘的实际像素个数A ;②、拟合踏面区域的点，得到一条直线，拟合点P(x，y)与对应的实际测量点q(x，y)的偏差为r(x, y), r (x, y) =p (x, y) -q(x, y),交线所在位置的切平面与光平面的夹角为Θ，则缺陷深度 d 为d=r (x，y) X tan θ ； ③、根据轮缘与踏面长度所成的比例，计算出未发生磨损的轮缘的理论像素个数B，B与A做差即得到轮缘的磨损量； (三)生成结果图 将每幅图像中的光带部分提取出来，按照顺序拼接成一幅图像，并将轮对的缺陷部分用不同于背景的颜色表示出来。
7.根据权利要求6所述的检测轮对踏面和轮缘缺陷的方法，其特征在于，上述做差的两个像素点中间相隔四个像素点。
全文摘要
本发明公开了一种列车轮对踏面与轮缘在线高速检测系统及其检测方法，检测系统包括在轨道的外侧依次排布的目标检测装置、测速装置、位置判断装置、图像采集装置以及图像处理装置和控制装置，图像采集装置包括多组线结构光源和高速面阵相机，光平面与轮对相交所形成的交线位于列车喷砂管/刹车装置与铁轨之间，面阵相机的成像视场含盖并稍大于交线区域；检测步骤包括①利用canny边缘检测的方法判断轮对是否有缺陷；②计算缺陷深度从而获得缺陷的大小；③将每幅图像中的光带部分依次拼接成一幅图像。本发明的有益之处在于避免了列车喷砂管与刹车装置对检测过程的影响；检测速度快；本系统适用于20km/h~300km/列车在线检测；精度高，可以实现1mm以下缺陷检测；检测结果呈现在一幅图像中，观察方便。
文档编号G01N21/89GK102788803SQ20121023574
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月9日 优先权日2012年7月9日
发明者姚恩涛, 徐贵力, 李开宇, 王平, 祁晓鹏, 程月华, 郭瑞鹏 申请人:南京航空航天大学