轨道车辆外部轮廓非接触式检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种轨道车辆外部轮廓非接触式检测方法，所述方法包括采用数码相机获取被测车辆外部轮廓的数码照片，对数码照片进行分析计算和处理，绘制出被测车辆的外轮廓图形，与标准的外轮廓图形进行比较，实现对被测车辆外部轮廓几何尺寸进行非接触式的检测；所述方法还包括以下步骤：1）设备准备、2）建立坐标体系、3）设置采集点、4）获取数码照片、5）图像处理和6）输出结果。本发明方法科学合理，对轨道车辆的外部轮廓进行非接触检测，对轨道车辆不造成任何损伤，无环境污染，抗干扰能力强，精度高，能够实时完成数据采集、保存、分析处理，工作效率高。
【专利说明】轨道车辆外部轮廓非接触式检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于铁道车辆安全检测【技术领域】，具体涉及一种基于机器视觉检测技术的 轨道车辆外部轮廓非接触式检测方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着我国高速铁路和城市轨道交通迅速发展，以及人民生活质量的不断 提高，加之我国轨道交通装备正在实施的"走出去"战略，都对新造轨道车辆轮廓制造精度 提出了更高的要求。目前，根据GB/T 16904《标准轨距铁路机车车辆限界检查》的规定，对 于轨道车辆车体外部轮廓尺寸的测量，我国仍在使用限界规，该种方法费时费力，且检测精 度难以得到保证，因此，对于新造轨道车辆车体表面轮廓尺寸的检测问题已成为一个亟待 解决的技术难题。限界规分为上部规和下部规，上部规由钢结构框架、中心调节器、叶板及 伸缩调整定位装置、双向摆动及中心复位机构、非接触传感器及其封闭安装盒等部件组成， 用以检测车体顶部及侧面的尺寸及几何量信息；下部规由三维可调支座、叶板与支承轴承、 双向摆动及其中心复位装置等部件组成。测量时被检车辆以小于5km/h的速度通过标准轨 距铁路机车车辆检查区段，通过叶板的伸缩量进行测量。限界规检测主要有以下其不足之 处:①限界规安装调整的过程极为复杂，操作需人工参与，步骤繁琐、效率低下；@测量点 数有限，测量结果可信度差，无法对测量数据进行自动保存、计算和管理；(!)无法获得整车 的外部轮廓；?检测时，需在限界规前后各预留一倍车长的检查区段，增加了测量的空间 范围。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对新造轨道车辆外部轮廓检测精度不 高、效率低下等问题，基于机器视觉理论和仿射几何原理，提供了一种能够实现轨道车辆外 部轮廓测量自动化的，能够对测量数据进行分析、评定和管理的，减少试验人员数量，提高 检测水平的轨道车辆外部轮廓非接触式检测方法。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案予以实现： 所述方法包括采用数码相机获取被测车辆外部轮廓的数码照片，对数码照片进行分析 计算和处理，绘制出被测车辆的外轮廓图形，与标准的外轮廓图形进行比较，实现对被测车 辆外部轮廓几何尺寸进行非接触式的检测； 所述方法还包括以下步骤： 1)设备准备：设置一个龙门架，龙门架内能够通过被测车辆，被测车辆配置步进控制的 牵引装置；龙门架的立柱和顶部横梁上安装若干个照明灯光和若干个检测装置；每个照明 灯光均面向被测车辆；每个检测装置包括数码相机和线光源，线光源垂直面对被测车辆，数 码相机以固定角度倾斜面对被测车辆；线光源的照射区落入数码相机的成像区内；所有线 光源的中心线均位于被测车辆的同一横截面内；所有数码相机的成像区相叠加能够完全覆 盖被测车辆的同一横截面处的两侧和顶部；各检测装置和牵引装置的控制部分均与中央控 制装置电连接，中央控制装置包括微处理器、储存单元、输入接口和输出接口，安装专用软 件，程序控制照明灯光、数码相机、线光源和牵引装置，采集、分析处理并保存数据； 2) 建立坐标体系：以被测车辆的长度方向为X轴，以被测车辆所在轨道水平面为Y轴， 以被测车辆横截面的垂直中心线为Z轴，XYZ坐标体系的O点位于被测车辆的指定端部的 横截面内； 3) 设置采集点：从XYZ坐标体系的O点开始，对于被测车辆外表面有小尺寸零部件的 部位，沿X轴方向的拍摄采集间距为3-10毫米，对于被测车辆的其他部位，沿X轴方向的拍 摄采集间距为10-200毫米，最后将M个检测横截面作为M个采集点标注在X轴上，并保存 它们编号及其在X轴上的坐标值； 4) 获取数码照片：采集点的编号从1开始直到M结束，在某个采集点，照明灯光始终 处于工作状态，先后拍摄并保存背景图像和目标图像共两张数码照片：在线光源关闭的状 态下获取背景图像，在线光源打开的状态下获取目标图像；获取数码照片选用以下方式之 4A、程序控制被测车辆以间歇方式沿X轴行进，在每个采集点处停留并获取数码照片： 4B、程序控制被测车辆以匀速方式沿X轴行进，根据速度和相邻两采集点在X轴上的间 距确定获取照片的时间间隔，程序按照时间间隔获取数码照片： 4C、程序控制被测车辆连续沿X轴行进，对于被测车辆外表面有小尺寸零部件的部位， 被测车辆行进速度为每秒3-10毫米，对于被测车辆的其他部位，被测车辆行进速度为每秒 10-200毫米，根据速度和相邻两采集点在X轴上的间距确定获取照片的时间间隔，程序按 照时间间隔获取数码照片： 5) 图像处理，采用以下方式之一： 5A、实时处理：在数码照片获取过程中，采集点的编号从1开始直到M结束，对于每个 采集点处对应的背景图像和目标图像实时进行差分处理，进一步经过几何计算处理，在XYZ 坐标体系中绘制出该检测截面的两个侧面和顶部的外轮廓线，最后完成M条外轮廓线； 5B、集中处理：在M个采集点的数码照片全部拍摄完成后，采集点的编号从1开始直到 M结束，对于每个采集点处对应的背景图像和目标图像逐一进行差分处理，进一步经过几何 计算处理，在XYZ坐标体系中逐一绘制出各检测截面的两个侧面和顶部的外轮廓线，总共M 条外轮廓线； 6) 输出结果，根据比较的基准不同，能够输出以下结果： 6A、以标准限界为比较基准，将M条外轮廓线逐条与标准限界尺寸相比较，输出被测车 辆实测外轮廓尺寸超出限界部位的坐标及超限尺寸； 6B、以设计图纸为比较基准，将M条外轮廓线逐条与设计图纸尺寸相比较，绘制出被测 车辆实测外轮廓尺寸的误差图。
[0005] 所述检测装置还配置一部数码相机，两部数码相机在线光源的线条光线的中心线 两侧对称布置，两部数码相机同步工作，在步骤"4)获取数码照片"时，同一采集点处获取的 背景图像和目标图像各两张，在步骤"5)图像处理"时，同一采集点处的两根外轮廓线进行 平均化处理，以提高检测精度。
[0006] 所述龙门架在中央控制装置的程序控制下能够沿X轴行走。
[0007] 所述数码相机配置滤光片。
[0008] 所述检测装置能够沿Y轴和Z轴移动调整固定。
[0009] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：所述方法科学合理，对轨道车辆的外部轮 廓进行非接触检测，对轨道车辆不造成任何损伤，无环境污染，抗干扰能力强，精度高，能够 实时完成数据采集、保存、分析处理，工作效率高。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1为本发明检测方法的流程框图； 图2为本发明一实施例的采用设备装置的配置示意图； 图3为图2的俯视示意图，移去龙门架的顶部横梁； 图4为图2的A-A放大示意图； 图中：1-轨道及地基，2-行走装置，3-检测装置，4-龙门架，5-被测车辆，6-中央控制 装置，7-数码相机，8-线光源。
【具体实施方式】
[0011] 下面结合附图，对本发明检测方法的【具体实施方式】作进一步详细说明。
[0012] 参考附图：所述方法包括采用数码相机获取被测车辆5外部轮廓的数码照片，对 数码照片进行分析计算和处理，绘制出被测车辆5的外轮廓图形，与标准的外轮廓图形进 行比较，实现对被测车辆5外部轮廓几何尺寸进行非接触式的检测； 所述方法还包括以下步骤： 1) 设备准备：设置一个龙门架4,龙门架4内能够通过被测车辆5,被测车辆5配置步 进控制的牵引装置；龙门架4的立柱和顶部横梁上安装若干个照明灯光和若干个检测装置 3 ;每个照明灯光均面向被测车辆5 ;每个检测装置3包括数码相机7和线光源8,线光源8 垂直面对被测车辆5,数码相机7以固定角度倾斜面对被测车辆5 ;线光源8的照射区落入 数码相机7的成像区内；所有线光源8的中心线均位于被测车辆5的同一横截面内；所有 数码相机7的成像区相叠加能够完全覆盖被测车辆5的同一横截面处的两侧和顶部；各检 测装置3和牵引装置的控制部分均与中央控制装置6电连接，中央控制装置6包括微处理 器、储存单元、输入接口和输出接口，安装专用软件，程序控制照明灯光、数码相机7、线光源 8和牵引装置，采集、分析处理并保存数据； 2) 建立坐标体系：以被测车辆5的长度方向为X轴，以被测车辆5所在轨道水平面为 Y轴，以被测车辆5横截面的垂直中心线为Z轴，XYZ坐标体系的0点位于被测车辆5的指 定端部的横截面内； 3) 设置采集点：从XYZ坐标体系的0点开始，对于被测车辆5外表面有小尺寸零部件 的部位，沿X轴方向的拍摄采集间距为3-10毫米，对于被测车辆5的其他部位，沿X轴方向 的拍摄采集间距为10-200毫米，最后将M个检测横截面作为M个采集点标注在X轴上，并 保存它们编号及其在X轴上的坐标值； 4) 获取数码照片：采集点的编号从1开始直到M结束，在某个采集点，照明灯光始终处 于工作状态，先后拍摄并保存背景图像和目标图像共两张数码照片：在线光源8关闭的状 态下获取背景图像，在线光源8打开的状态下获取目标图像；获取数码照片选用以下方式 之一： 4A、程序控制被测车辆5以间歇方式沿X轴行进，在每个采集点处停留并获取数码照 片： 4B、程序控制被测车辆5以匀速方式沿X轴行进，根据速度和相邻两采集点在X轴上的 间距确定获取照片的时间间隔，程序按照时间间隔获取数码照片： 4C、程序控制被测车辆5连续沿X轴行进，对于被测车辆5外表面有小尺寸零部件的 部位，被测车辆5行进速度为每秒3-10毫米，对于被测车辆5的其他部位，被测车辆5行进 速度为每秒10-200毫米，根据速度和相邻两采集点在X轴上的间距确定获取照片的时间间 隔，程序按照时间间隔获取数码照片： 5) 图像处理，采用以下方式之一： 5A、实时处理：在数码照片获取过程中，采集点的编号从1开始直到M结束，对于每个 采集点处对应的背景图像和目标图像实时进行差分处理，进一步经过几何计算处理，在XYZ 坐标体系中绘制出该检测截面的两个侧面和顶部的外轮廓线，最后完成M条外轮廓线； 5B、集中处理：在M个采集点的数码照片全部拍摄完成后，采集点的编号从1开始直到 M结束，对于每个采集点处对应的背景图像和目标图像逐一进行差分处理，进一步经过几何 计算处理，在XYZ坐标体系中逐一绘制出各检测截面的两个侧面和顶部的外轮廓线，总共M 条外轮廓线； 6) 输出结果，根据比较的基准不同，能够输出以下结果： 6A、以标准限界为比较基准，将M条外轮廓线逐条与标准限界尺寸相比较，输出被测车 辆5实测外轮廓尺寸超出限界部位的坐标及超限尺寸； 6B、以设计图纸为比较基准，将M条外轮廓线逐条与设计图纸尺寸相比较，绘制出被测 车辆5实测外轮廓尺寸的误差图。
[0013] 所述检测装置3还配置一部数码相机7,两部数码相机7在线光源8的线条光线的 中心线两侧对称布置，两部数码相机7同步工作，在步骤"4)获取数码照片"时，同一采集点 处获取的背景图像和目标图像各两张，在步骤"5)图像处理"时，同一采集点处的两根外轮 廓线进行平均化处理，以提高检测精度。
[0014] 所述龙门架4在中央控制装置6的程序控制下能够沿X轴行走。
[0015] 所述数码相机7配置滤光片。
[0016] 所述检测装置3能够沿Y轴和Z轴移动调整固定。
[0017] 轨道及地基1 :地基上铺设两种轨道，一种是被测车辆5的轨道，另外一种为龙门 架4的行走装置2的轨道。
[0018] 行走装置2 :安装在龙门架4的底部，能够带动龙门架4前进或者后退。
[0019] 检测装置3 :检测被测车辆5的外部轮廓的光学装置，包括数码相机7和线光源8。
[0020] 龙门架4 :安装照明灯光和检测装置3的载体。
[0021] 被测车辆5 :新造车辆，或者大修后的车辆。
[0022] 中央控制装置6:包括微处理器、储存单元、输入接口和输出接口，安装专用软件， 程序控制照明灯光、数码相机7、线光源8和牵引装置，采集、分析处理并保存数据。
[0023] 数码相机7 :采用现有技术的数码相机，分辨率不低于768X576。
[0024] 线光源8 :采用现有技术的线光源。
[0025] 照明灯光：采用现有技术的照明灯光。
[0026] 滤光片：采用现有技术的滤光片。
[0027] 在以下实施例中：被测车辆5从指定端部到另外一个端部的长度为25000毫米。
[0028] 实施例1 : 1) 设备准备：设置一个龙门架4,龙门架4内能够通过被测车辆5,被测车辆5配置步 进控制的牵引装置；龙门架4的立柱和顶部横梁上安装若干个照明灯光和若干个检测装置 3 ;每个照明灯光均面向被测车辆5 ;每个检测装置3包括数码相机7和线光源8,线光源8 垂直面对被测车辆5,数码相机7以固定角度倾斜面对被测车辆5 ;线光源8的照射区落入 数码相机7的成像区内；所有线光源8的中心线均位于被测车辆5的同一横截面内；所有 数码相机7的成像区相叠加能够完全覆盖被测车辆5的同一横截面处的两侧和顶部；各检 测装置3和牵引装置的控制部分均与中央控制装置6电连接，中央控制装置6包括微处理 器、储存单元、输入接口和输出接口，安装专用软件，程序控制照明灯光、数码相机7、线光源 8和牵引装置，采集、分析处理并保存数据； 2) 建立坐标体系：以被测车辆5的长度方向为X轴，以被测车辆5所在轨道水平面为 Y轴，以被测车辆5横截面的垂直中心线为Z轴，XYZ坐标体系的0点位于被测车辆5的指 定端部的横截面内； 3) 设置采集点：从XYZ坐标体系的0点开始，对于被测车辆5外表面有小尺寸零部件 的部位，沿X轴方向的拍摄采集间距为3毫米，对于被测车辆5的其他部位，沿X轴方向的 拍摄采集间距为100毫米，最后将M个检测横截面作为M个采集点标注在X轴上，并保存它 们编号及其在X轴上的坐标值； 4) 获取数码照片：采集点的编号从1开始直到M结束，在某个采集点，照明灯光始终处 于工作状态，先后拍摄并保存背景图像和目标图像共两张数码照片：在线光源8关闭的状 态下获取背景图像，在线光源8打开的状态下获取目标图像；获取数码照片选用以下方式： 4A、程序控制被测车辆5以间歇方式沿X轴行进，在每个采集点处停留并获取数码照 片： 5) 图像处理，实时处理：在数码照片获取过程中，采集点的编号从1开始直到M结束， 对于每个采集点处对应的背景图像和目标图像实时进行差分处理，进一步经过几何计算处 理，在XYZ坐标体系中绘制出该检测截面的两个侧面和顶部的外轮廓线，最后完成M条外轮 廓线； 6) 输出结果，以标准限界为比较基准，将M条外轮廓线逐条与标准限界尺寸相比较，输 出被测车辆5实测外轮廓尺寸超出限界部位的坐标及超限尺寸； 实施例2 : 与实施例1基本相同，不同的是：检测装置3还配置一部数码相机7，两部数码相机7在 线光源8的线条光线的中心线两侧对称布置，两部数码相机7同步工作，在步骤"4)获取数 码照片"时，同一采集点处获取的背景图像和目标图像各两张，在步骤"5)图像处理"时，同 一采集点处的两根外轮廓线进行平均化处理，以提高检测精度。
【权利要求】
1. 一种轨道车辆外部轮廓非接触式检测方法，所述方法包括采用数码相机获取被测车 辆（5)外部轮廓的数码照片，对数码照片进行分析计算和处理，绘制出被测车辆（5)的外轮 廓图形，与标准的外轮廓图形进行比较，实现对被测车辆（5)外部轮廓几何尺寸进行非接触 式的检测； 其特征在于：所述方法还包括以下步骤： 1) 设备准备：设置一个龙门架（4 )，龙门架（4 )内能够通过被测车辆（5 )，被测车辆（5 ) 配置步进控制的牵引装置；龙门架（4)的立柱和顶部横梁上安装若干个照明灯光和若干个 检测装置（3);每个照明灯光均面向被测车辆（5);每个检测装置（3)包括数码相机（7)和 线光源（8 )，线光源（8 )垂直面对被测车辆（5 )，数码相机（7 )以固定角度倾斜面对被测车辆 (5) ;线光源（8)的照射区落入数码相机（7)的成像区内；所有线光源（8)的中心线均位于被 测车辆（5)的同一横截面内；所有数码相机（7)的成像区相叠加能够完全覆盖被测车辆（5) 的同一横截面处的两侧和顶部；各检测装置（3)和牵引装置的控制部分均与中央控制装置 (6) 电连接，中央控制装置（6)包括微处理器、储存单元、输入接口和输出接口，安装专用软 件，程序控制照明灯光、数码相机（7)、线光源（8)和牵引装置，采集、分析处理并保存数据； 2) 建立坐标体系：以被测车辆（5)的长度方向为X轴，以被测车辆（5)所在轨道水平 面为Y轴，以被测车辆（5)横截面的垂直中心线为Z轴，XYZ坐标体系的0点位于被测车辆 (5)的指定端部的横截面内； 3) 设置采集点：从XYZ坐标体系的0点开始，对于被测车辆（5)外表面有小尺寸零部件 的部位，沿X轴方向的拍摄采集间距为3-10毫米，对于被测车辆（5)的其他部位，沿X轴方 向的拍摄采集间距为10-200毫米，最后将Μ个检测横截面作为Μ个采集点标注在X轴上， 并保存它们编号及其在X轴上的坐标值； 4) 获取数码照片：采集点的编号从1开始直到Μ结束，在某个采集点，照明灯光始终处 于工作状态，先后拍摄并保存背景图像和目标图像共两张数码照片：在线光源（8)关闭的 状态下获取背景图像，在线光源（8)打开的状态下获取目标图像；获取数码照片选用以下 方式之一： 4Α、程序控制被测车辆（5)以间歇方式沿X轴行进，在每个采集点处停留并获取数码照 片； 4Β、程序控制被测车辆（5)以匀速方式沿X轴行进，根据速度和相邻两采集点在X轴上 的间距确定获取照片的时间间隔，程序按照时间间隔获取数码照片； 4C、程序控制被测车辆（5)连续沿X轴行进，对于被测车辆（5)外表面有小尺寸零部件 的部位，被测车辆（5)行进速度为每秒3-10毫米，对于被测车辆（5)的其他部位，被测车辆 (5)行进速度为每秒10-200毫米，根据速度和相邻两采集点在X轴上的间距确定获取照片 的时间间隔，程序按照时间间隔获取数码照片； 5) 图像处理，采用以下方式之一： 5Α、实时处理：在数码照片获取过程中，采集点的编号从1开始直到Μ结束，对于每个 采集点处对应的背景图像和目标图像实时进行差分处理，进一步经过几何计算处理，在ΧΥΖ 坐标体系中绘制出该检测截面的两个侧面和顶部的外轮廓线，最后完成Μ条外轮廓线； 5Β、集中处理：在Μ个采集点的数码照片全部拍摄完成后，采集点的编号从1开始直到 Μ结束，对于每个采集点处对应的背景图像和目标图像逐一进行差分处理，进一步经过几何 计算处理，在XYZ坐标体系中逐一绘制出各检测截面的两个侧面和顶部的外轮廓线，总共Μ 条外轮廓线； 6)输出结果，根据比较的基准不同，能够输出以下结果： 6Α、以标准限界为比较基准，将Μ条外轮廓线逐条与标准限界尺寸相比较，输出被测车 辆（5)实测外轮廓尺寸超出限界部位的坐标及超限尺寸； 6Β、以设计图纸为比较基准，将Μ条外轮廓线逐条与设计图纸尺寸相比较，绘制出被测 车辆（5 )实测外轮廓尺寸的误差图。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述检测装置（3)还配置另一部数码相机 (7)，两部数码相机（7)在线光源（8)的线条光线的中心线两侧对称布置，两部数码相机（7) 同步工作，在步骤"4)获取数码照片"时，同一采集点处获取的背景图像和目标图像各两张， 在步骤"5)图像处理"时，同一采集点处的两根外轮廓线进行平均化处理，以提高检测精度。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述龙门架（4)在中央控制装置（6) 的程序控制下能够沿X轴行走。
4. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述数码相机（7)配置滤光片。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述数码相机（7)配置滤光片。
6. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述检测装置（3)能够沿Υ轴和Ζ轴 移动调整固定。
7. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述检测装置（3)能够沿Υ轴和Ζ轴移动 调整固定。
8. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述检测装置（3)能够沿Υ轴和Ζ轴移动 调整固定。
9. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述检测装置（3)能够沿Υ轴和Ζ轴移动 调整固定。
【文档编号】G06T7/60GK104239904SQ201410504101
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】鲁寨军, 梁习锋, 刘应龙, 高广军, 王前选, 周伟, 李志伟, 言正明, 黄磊 申请人:中南大学