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文檔簡介
1、關(guān)于高速機機車車體體動態(tài)限界界檢測系系統(tǒng)的可可行性報報告 機機車車輛輛及動車車組整車車線路高高速運行行試驗中中,需要要精確測測量車體體限界。傳傳統(tǒng)的動動態(tài)限界界測試方方法采用用激光測測距二維維重構(gòu)成成像技術(shù)術(shù),測量量車體的的外部輪輪廓。該該測量方方法由于于受激光光傳感器器掃描速速度的限限制,不不能滿足足時速5500公公里以上上的試驗驗要求。 本本系統(tǒng)采采用激光光在車身身打上標(biāo)標(biāo)記,用用高幀頻頻攝像機機攝取并并存儲高高速運動動車體的的視頻圖圖像,利利用三維維動態(tài)變變形測量量技術(shù)和和視頻判判讀方法法,對高高速運動動車體的的限界實實現(xiàn)光電電非接觸觸式精密密測量。技術(shù)要求 系統(tǒng)統(tǒng)測量精精度0.11%;
2、 距距離測量量誤差2mmm; 工工作環(huán)境境溫度-15555; 工工作環(huán)境境濕度55%990%; 擬擬建裝備備將用于于室外現(xiàn)現(xiàn)場,因因此要求求具有較較高的環(huán)環(huán)境適應(yīng)應(yīng)能力; 車長:250000 mm; 車寬:35000 mmm。2、技術(shù)方方案2.1 基基于高速速攝像的的三維動動態(tài)變形形數(shù)字化化測量原原理本方案基于于車體是是剛體的的考慮和和車體外外形輪廓廓已知的的前提,利利用高速速攝像和和計算機機輔助技技術(shù)來獲獲取高速速運動車車體的限限界數(shù)據(jù)據(jù)。具有有不損傷傷物體表表面,材材料適應(yīng)應(yīng)性廣,測測距大,精精度高等等優(yōu)點,系系統(tǒng)誤差差為小于于1mmm。測量原理概概述:測量速度假設(shè)車輛運運行速度度為500
3、KKm/hh,選擇擇攝像機機的幀頻頻10000Hzz,也就就是兩幀幀圖像的的間隔時時間為00.1mms,可可以算出出在0.1mss的時間間里車輛輛移動了了1388.8mmm。因因為圖像像能覆蓋蓋10224mmm10224mmm的面積積,所以以兩幀圖圖像中車車廂的標(biāo)標(biāo)記位置置移動了了大約00.1335視場場,攝像像機可以以清晰拍拍下以5500KKm/hh運動的的車輛,供供分析測測量。攝像機(加加窄帶濾濾光片) 除除了系統(tǒng)統(tǒng)裝調(diào)、環(huán)環(huán)境條件件造成的的測量誤誤差以外外,攝像像機的分分辨能力力是一項項主要的的誤差來來源。本本系統(tǒng)的的攝像機機應(yīng)選擇擇高分辨辨率的。例例如加拿拿大Meega Speeed
4、Corrp公司司生產(chǎn)的的MS550K(11280010224像元元,5000fssp)和和MS555K(11280010224像元元,10000ffsp)都都可以滿滿足要求求??紤]到現(xiàn)場場試驗,陽陽光的影影響很大大,需要要采用窄窄帶濾光光片盡量量濾掉激激光波長長以外的的雜光,為為信號處處理創(chuàng)造造良好的的條件。根據(jù)試驗現(xiàn)現(xiàn)場的布布局,選選擇(或或設(shè)計加加工)合合適的光光學(xué)系統(tǒng)統(tǒng),既保保證測量量視場,又又要保證證測量精精度。線光源技術(shù)參數(shù)波長范圍:6355nm / 6650nnm/ 6588nm電源輸入:AC 17002550V/DC 4.55V圖1 帶調(diào)整架的線激光源工作方式:連續(xù)圖1 帶調(diào)整架
5、的線激光源出瞳功率:1000mw光束直徑:3M處處線寬2mmm扇 角: 90 1120頻率:連續(xù)續(xù)光輸出出光束質(zhì)量:細線,均均勻,明明亮直線度: 1/50000工作溫度:1005502.2 測測試方法法: 將靶標(biāo)(基基準(zhǔn)圖形形)貼到到車體表表面(如如圖2所示),由由于圖形形的幾何何參數(shù)已已知,從從觀測點點來看,靶靶標(biāo)的圖圖像發(fā)生生的變化化就代表表了車體體位置和和姿態(tài)的的變化。攝像機安裝的距離和角度通過現(xiàn)場校準(zhǔn),攝取車體上靶標(biāo)的圖像,經(jīng)過圖像采集卡變成圖像數(shù)據(jù),保存在計算機中,事后對靶標(biāo)的圖像進行視頻判讀,就可以精確推算出車體在X方向的限界坐標(biāo)。視頻判讀的的圖像如如圖3所示。AA、B、C、D表示
6、靜止或慢速行駛的車體上靶標(biāo)的圖像(藍色十字絲),A、B、表示高速行駛的車體上靶標(biāo)的圖像(紅色十字絲)。由于車體在離心力的作用下,沿著軸的負方向向外移動。靶標(biāo)離攝像機的距離增加,因此在攝像機靶面上成的像的大小和比例將發(fā)生變化。攝像機攝像機XYZOAABCDABCD圖圖3基于車體靶標(biāo)的車體限界判讀測量示意圖圖圖2基于車體靶標(biāo)的單攝像機測量方案示意圖LfD ddL 攝像像機的光光學(xué)成像像原理如如圖4所示。以以1維情情況為LfD ddL 圖圖4 攝像像機的光光學(xué)成像像原理 當(dāng)當(dāng)車體在在X方向向向外移移動LL距離時時,靶標(biāo)標(biāo)的像在在尺寸上上將縮小小d。只要要精確測測出dd,就可可以精確確計算出出L,得得
7、到車體體的限界界。圖5 靶標(biāo)圖形車體標(biāo)記的的產(chǎn)生圖5 靶標(biāo)圖形用印有規(guī)定定圖形的的靶紙(如如圖5所示)貼貼在車體體上。圖形大小約約1m1m。用用高幀頻頻攝像機機攝取車車體靶標(biāo)標(biāo)記的圖像。為為了提高高測量精精度,盡盡量使圖圖像充滿滿視場。 也也可以用用幾只激激光器組組成一組組平行光光投射到到車體上上產(chǎn)生靶靶標(biāo)圖形形,例如如圖6所示。這這種辦法法的優(yōu)點點是可以以保證每每幀圖像像都能準(zhǔn)準(zhǔn)確地拍拍到靶標(biāo)標(biāo)的像。車體車體激光靶標(biāo)(b)激光靶標(biāo)(a)激光靶標(biāo)向車體投射圖6 激光靶標(biāo)及其向車體投射示意圖測量精度:LLLdD2D ff若攝像機的的1個象象元尺寸寸為b, 鏡頭頭焦距ff,則瞬瞬時視場場 = 2t
8、gg-1(bb/2ff)。所以,一個個象元對對應(yīng)給定定距離LL處的線線視場就就決定了了系統(tǒng)的的測量精精度。對對于同樣樣的車體體移動L,靶標(biāo)標(biāo)小1倍倍,攝像像機鏡頭頭焦距大大1倍,測測量的精精度d一樣。所以以,車體體靶標(biāo)的的尺寸可可以小一一點。設(shè)正方形車車體靶標(biāo)標(biāo)的邊長長D=00.5mm,L=2.55m,攝攝像機分分辨率為為1000010000,11個像元元尺寸為為b=66.8m,若若車體靶靶標(biāo)的像像大小為為10000個像像元=66.8mmm,則則f=334mmm。因為為若令d=6.88m,則則有所以,LL=2.5mmm, 測測量視場角=2taan-11(2550/225000)=111.44,
9、在距距離為LL=2.5m處處,測量量精度約約為0.1 %。測量系統(tǒng)的的標(biāo)校:在如圖7所所示的圖圖像中,車車體靶標(biāo)標(biāo)的圖像像位置是是相對于于攝像機機靶面的的坐標(biāo)系系統(tǒng)。因因此,攝攝像機的的大地坐坐標(biāo)必須須知道??煽梢圆扇∪∈孪然蚧蚴潞笥糜脤iT的的靶標(biāo)對對攝像機機的靶面面坐標(biāo)系系統(tǒng)進行行現(xiàn)場標(biāo)標(biāo)校。專用靶標(biāo)可可以用代代表車體體的靶板板在類似似軌道尺尺的設(shè)備備上,靶靶板上繪繪制定制制尺寸的的圖形,如如圖7-a所所示。使使專用靶靶標(biāo)的位位置處于于車體靜靜止時的的位置?,F(xiàn)現(xiàn)場標(biāo)校校時,將將專用靶靶標(biāo)放在在測量標(biāo)標(biāo)記點,讓讓靶標(biāo)圖圖形正好好成像在在靶面的的中心(如如圖7-b)即即可。圖圖像處理理系統(tǒng)根根據(jù)
10、靶標(biāo)標(biāo)圖像就就可以標(biāo)標(biāo)定攝像像機的視視角和測測量距離離。如果果采用激激光靶標(biāo)標(biāo),則專專用的靶靶板上不不需要有有任何圖圖形。動動態(tài)車體體限界測測量時,標(biāo)標(biāo)校好的的攝像機機不動,根根據(jù)車速速提前啟啟動攝像像機拍照照,事后后進行判判讀。要要想沿著著軌道多多點測量量,需要要將專用用靶標(biāo)沿沿著軌道道推到指指定位置置重新標(biāo)標(biāo)校。專用靶標(biāo)專用靶標(biāo) (aa) (b) 圖7 測測量系統(tǒng)統(tǒng)的標(biāo)校校計算機計算機的任任務(wù)是對對高速攝攝像機攝攝取的圖圖像進行行判讀。本本方案采采用計算算機輔助助調(diào)整圖像像的對比度度、亮度度,半自自動判讀讀車體限限界。關(guān)關(guān)鍵是軟軟件的研研制和人人機界面面的方便便有效,保保證能夠夠進行快快速
11、、高高精度的的事后判判讀。測量現(xiàn)場的的布置 由由于測量量系統(tǒng)由由多個精精密部件件組成,整整個測量量系統(tǒng)需需要仔細細包裝后后運到現(xiàn)現(xiàn)場展開開使用?,F(xiàn)現(xiàn)場要求求不高,地地勢開闊闊就行。加加固的三三角架,調(diào)調(diào)整攝像像機視軸軸和線光光源指向向,確信信可以拍拍攝車輛輛的圖像像。 沿沿著車輛輛運行的的反方向向,設(shè)置置啟動信信號發(fā)生生器1臺臺,作為為高速攝攝像機的的啟動信信號,保保證拍攝攝到車輛輛的標(biāo)記記;攝像機和信信號發(fā)生生器分別別通過電電纜連到到控制臺臺,進行行實況顯顯示、圖圖像處理理、測量量程序和和遠程通通信的控控制。為為了保證證測量的的準(zhǔn)確性性和可靠靠性,兩兩套設(shè)備備從軌道道兩邊同同時測量量測量。測量系統(tǒng) 攝像機機和激光光靶標(biāo)都都要放在在有手動動調(diào)節(jié)機機構(gòu)
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