高速机车车体动态限界检测系统的可行性报告

1、关于高速速机车车车体动态态限界检测测系统的的可行性性报告 机车车车辆及动动车组整整车线路路高速运运行试验验中，需需要精确确测量车车体限界界。传统统的动态态限界测测试方法法采用激激光测距距二维重重构成像像技术，测量车车体的外外部轮廓廓。该测测量方法法由于受受激光传传感器扫扫描速度度的限制制，不能能满足时时速5000公里里以上的的试验要要求。 本系统统采用激激光在车车身打上上标记，用高帧帧频摄像像机摄取取并存储储高速运运动车体体的视频频图像，利用三三维动态态变形测测量技术术和视频频判读方方法，对对高速运运动车体体的限界界实现光光电非接接触式精精密测量量。技术要求求系统测量量精度0.11%； 距离测

2、测量误差差2mmm； 工作环环境温度度-155555； 工作环环境湿度度5%90%； 拟建装装备将用用于室外外现场，因此要要求具有有较高的的环境适适应能力力； 车长长：2550000 mmm； 车宽宽：35500 mm。2、技术术方案2.1基基于高速速摄像的的三维动动态变形形数字化化测量原原理本方案基基于车体体是刚体体的考虑虑和车体体外形轮轮廓已知知的前提提，利用用高速摄摄像和计计算机辅辅助技术术来获取取高速运运动车体体的限界界数据。具有不不损伤物物体表面面，材料料适应性性广，测测距大，精度高高等优点点，系统统误差为为小于11mm。测量原理理概述：测量速度度假设车辆辆运行速速度为5500KKm

3、/hh，选择择摄像机机的帧频频10000Hzz，也就就是两帧帧图像的的间隔时时间为00.1mms，可可以算出出在0.1mss的时间间里车辆辆移动了了1388.8mmm。因因为图像像能覆盖盖10224mmm10224mmm的面积积，所以以两帧图图像中车车厢的标标记位置置移动了了大约00.1335视场场，摄像像机可以以清晰拍拍下以5500KKm/hh运动的的车辆，供分析析测量。摄像机（加窄带带滤光片片） 除了系系统装调调、环境境条件造造成的测测量误差差以外，摄像机机的分辨辨能力是是一项主主要的误误差来源源。本系系统的摄摄像机应应选择高高分辨率率的。例例如加拿拿大Meega Speeed Corrp

4、公司司生产的的MS550K（1288010224像元元，5000fssp）和和MS555K（1288010224像元元，10000ffsp）都可以以满足要要求。考虑到现现场试验验，阳光光的影响响很大，需要采采用窄带带滤光片片尽量滤滤掉激光光波长以以外的杂杂光，为为信号处处理创造造良好的的条件。根据试验验现场的的布局，选择（或设计计加工）合适的的光学系系统，既既保证测测量视场场，又要要保证测测量精度度。线光源技术参数数波长范围围：6335nmm / 6500nm/ 6558nmm电源输入入：ACC 17702250VV/DCC 4.5V图1 带调整架的线激光源工作方式式：连续续工作出瞳功率率：1

5、000mww光束直径径：3MM处线宽宽2mmm扇 角： 900 1200频率：连连续光输输出光束质量量：细线线，均匀匀，明亮亮直线度： 11/50000工作温度度：110502.2测测试方法法：将靶标（基准图图形）贴贴到车体体表面（如图22所示），由于于图形的的几何参参数已知知，从观观测点来来看，靶靶标的图图像发生生的变化化就代表表了车体体位置和和姿态的的变化。摄像机机安装的的距离和和角度通通过现场场校准，摄取车车体上靶靶标的图图像，经经过图像像采集卡卡变成图图像数据据，保存存在计算算机中，事后对对靶标的的图像进进行视频频判读，就可以以精确推推算出车车体在XX方向的的限界坐坐标。视频判读读的图

6、像像如图33所示。A、BB、C、D表示静静止或慢慢速行驶驶的车体体上靶标标的图像像(蓝色色十字丝丝），AA、BB、表示示高速行行驶的车车体上靶靶标的图图像(红红色十字字丝）。由于车车体在离离心力的的作用下下，沿着着轴的的负方向向向外移移动。靶靶标离摄摄像机的的距离增增加，因因此在摄摄像机靶靶面上成成的像的的大小和和比例将将发生变变化。摄像机XYZOABCDABCD图3基于车体靶标的车体限界判读测量示意图图2基于车体靶标的单摄像机测量方案示意图LfD ddL摄像机的的光学成成像原理理如图44所示。以1维维情况为为例说明明，2维维可类推推。图4 摄摄像机的的光学成成像原理理 当车体体在X方方向向外

7、外移动L距离离时，靶靶标的像像在尺寸寸上将缩缩小dd。只要要精确测测出dd，就可可以精确确计算出出L，得到车车体的限限界。图5 靶标图形车体标记记的产生生：用印有规规定图形形的靶纸纸（如图图5所示）贴在车车体上。图形大小小约1mm1m。用高帧帧频摄像像机摄取取车体靶靶标记的图像。为了提提高测量量精度，尽量使使图像充充满视场场。 也可以以用几只只激光器器组成一一组平行行光投射射到车体体上产生生靶标图图形，例例如图66所示。这种办办法的优优点是可可以保证证每帧图图像都能能准确地地拍到靶靶标的像像。车体激光靶标（b）激光靶标（a）激光靶标向车体投射图6 激光靶标及其向车体投射示意图测量精度度：LLd

8、D2D ff若摄像机机的1个个象元尺尺寸为bb, 镜镜头焦距距f，则则瞬时视视场 = 2ttg-11（b/2f）。所以，一一个象元元对应给给定距离离L处的的线视场场就决定定了系统统的测量量精度。对于同同样的车车体移动动L，靶标标小1倍倍，摄像像机镜头头焦距大大1倍，测量的的精度d一样。所所以，车车体靶标标的尺寸寸可以小小一点。设正方形形车体靶靶标的边边长D=0.55m，LL=2.5m，摄像机机分辨率率为1000010000，11个像元元尺寸为为b=66.8m，若若车体靶靶标的像像大小为为10000个像像元=66.8mmm，则则f=334mmm。因为为若令dd=6.8m,则则有所以，L=22.5

9、mmm, 测量视场角=2ttan-1(2250/25000）=11.4，在距离离为L=2.55m处，测量精精度约为为0.11 %。测量系统统的标校校：在如图77所示的的图像中中，车体体靶标的的图像位位置是相相对于摄摄像机靶靶面的坐坐标系统统。因此此，摄像像机的大大地坐标标必须知知道。可可以采取取事先或或事后用用专门的的靶标对对摄像机机的靶面面坐标系系统进行行现场标标校。专用靶标标可以用用代表车车体的靶靶板在类类似轨道道尺的设设备上，靶板上上绘制定定制尺寸寸的图形形，如图图7-a所所示。使使专用靶靶标的位位置处于于车体静静止时的的位置。现场标标校时，将专用用靶标放放在测量量标记点点，让靶靶标图形

10、形正好成成像在靶靶面的中中心（如如图7-b）即可。图像处处理系统统根据靶靶标图像像就可以以标定摄摄像机的的视角和和测量距距离。如如果采用用激光靶靶标，则则专用的的靶板上上不需要要有任何何图形。动态车车体限界界测量时时，标校校好的摄摄像机不不动，根根据车速速提前启启动摄像像机拍照照，事后后进行判判读。要要想沿着着轨道多多点测量量，需要要将专用用靶标沿沿着轨道道推到指指定位置置重新标标校。专用靶标 (a) (b) 图77 测测量系统统的标校校计算机计算机的的任务是是对高速速摄像机机摄取的的图像进进行判读读。本方方案采用用计算机机辅助调调整图像像的对比度度、亮度度，半自自动判读读车体限限界。关关键是

11、软软件的研研制和人人机界面面的方便便有效，保证能能够进行行快速、高精度度的事后后判读。测量现场场的布置置 由于测测量系统统由多个个精密部部件组成成，整个个测量系系统需要要仔细包包装后运运到现场场展开使使用。现现场要求求不高，地势开开阔就行行。加固固的三角角架，调调整摄像像机视轴轴和线光光源指向向，确信信可以拍拍摄车辆辆的图像像。 沿着车车辆运行行的反方方向，设设置启动动信号发发生器11台，作作为高速速摄像机机的启动动信号，保证拍拍摄到车车辆的标标记；摄像机和和信号发发生器分分别通过过电缆连连到控制制台，进进行实况况显示、图像处处理、测测量程序序和远程程通信的的控制。为了保保证测量量的准确确性和可可靠性，两套设设备从轨轨道两边边同时测测量测量量。测量系统统摄像机和和激光靶