基于面結(jié)構(gòu)光三維重構(gòu)的輪對測量系統(tǒng)設(shè)計

摘要 輪對是機車車輛重要的支撐和行走部件。對輪對進行幾何參數(shù)的檢測有著至關(guān)重要的作用。然而，傳統(tǒng)的輪對測量方法存在人工成本高、效率低下和測量盲區(qū)等問題，為此文章將面結(jié)構(gòu)光三維重構(gòu)技術(shù)引入到輪對測量作業(yè)中，設(shè)計了基于面結(jié)構(gòu)光三維重構(gòu)的輪對測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由面結(jié)構(gòu)光測量模塊、輪對旋轉(zhuǎn)驅(qū)動模塊以及輪對制動模塊組成。各個模塊各司其職、相互作用，實現(xiàn)了輪對測量的全自動檢測目標(biāo)，有望為機車車輛輪對測量提供新的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞 輪對；測量系統(tǒng)；三維重構(gòu)；面結(jié)構(gòu)光

中圖分類號 TP391.41 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）15-0021-03

0 引言

輪對作為轉(zhuǎn)向架與鋼軌連接的關(guān)鍵部件，不但承受著整個車廂的垂向作用力，還在車輛行駛過程中承載全部的動、靜載荷、輪軸裝配應(yīng)力和制動時輪軌摩擦造成的熱應(yīng)力[1]。無論是直線區(qū)段還是曲線區(qū)段，輪與軌的接觸狀態(tài)都直接影響著列車的安全與穩(wěn)定。輪對的損傷、擦傷程度直接反映了列車運行狀態(tài)，因此對軌道車輛輪對的幾何參數(shù)測量極為重要[2]。

傳統(tǒng)的鐵路輪對幾何參數(shù)測量大都采用人工接觸式作業(yè)方式[3]，雖然簡單，但存在不容忽視的問題，如人工成本高、勞動強度大和工作效率低等[4]。隨著現(xiàn)代光電檢測技術(shù)的發(fā)展和對輪對質(zhì)量要求的迫切需求下，現(xiàn)有的檢測技術(shù)手段趨向于非接觸式的光電測量，主要以線結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)為主[2]。該技術(shù)采用線結(jié)構(gòu)光作為信號源，有效避免人工接觸式作業(yè)方式的眾多缺陷，但也帶來一些其他問題，如評價方法單一、存在測量盲區(qū)以及數(shù)據(jù)點易丟失等[5]。

為了解決現(xiàn)有測量技術(shù)的固有缺陷，該文提出采用面結(jié)構(gòu)光技術(shù)對機車車輛輪對進行三維測量，由此設(shè)計了基于面結(jié)構(gòu)光三維重構(gòu)的輪對測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用面結(jié)構(gòu)光作為調(diào)制信號源，彌補了線結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)采用單線掃描方式的缺陷，一次測量即可獲取大量數(shù)據(jù)點，大大提高了效率。同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，后期的圖像處理過程易于理解，且不存在測量盲區(qū)的問題，實現(xiàn)了實時高效測量。該測量系統(tǒng)有望為軌道車輛輪對幾何參數(shù)的測量提供很好的技術(shù)支撐作用，有效提高列車運行的安全性與穩(wěn)定性。

1 測量原理

三維重構(gòu)是一種以數(shù)字相機為載體，結(jié)合數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)和圖像處理技術(shù)，從二維圖像提取被測物的三維空間信息的過程[6]。其中，面結(jié)構(gòu)光法是一種非接觸式三維重構(gòu)測量方法。其工作原理是先由計算機處理裝置對光柵條紋進行編碼，并將編碼后的光柵條紋利用數(shù)字投影模塊投影到被測物體表面，然后利用CCD 相機對經(jīng)過被測物體表面調(diào)制后的光柵條紋進行圖像采集，再利用計算機等圖像處理模塊算出圖像信息中包含的被測物體表面的相位分布，最后利用相位－高度映射關(guān)系重構(gòu)出物體三維模型以實現(xiàn)其三維形貌恢復(fù)測量。

如前所述，在對被測物體進行空間形貌恢復(fù)測量的過程中，最重要的是建立系統(tǒng)相位與被測物空間深度信息之間的物相關(guān)系。常見的空間測量系統(tǒng)可分為相交軸系統(tǒng)和平行軸系統(tǒng)。該文選擇易于搭建的相交軸系統(tǒng)，其測量原理如圖1 所示。

數(shù)字投影模塊光軸表示為OP，CCD 相機光軸表示為OC，而光軸OP 與光軸OC 相較于O 點。P 點和C 點分別為數(shù)字投影模塊與CCD 相機的出瞳中心和入瞳中心，H 表示被測物表面一點。再者，定義AB 兩點距離為s（x，y），被測物表面點H 的高度為h，根據(jù)△ PHC 和△ BHA 相似有

2.1 面結(jié)構(gòu)光測量模塊

面結(jié)構(gòu)光測量模塊由被測輪對、用于產(chǎn)生并投影面結(jié)構(gòu)光至被測輪對表面的數(shù)字投影模塊、用于拍攝畸變條紋圖像的CCD 相機和圖像處理設(shè)備組成。其中，圖像處理設(shè)備主要用于根據(jù)畸變條紋圖像求解出包裹相位、條紋圖像分割、邊緣提取和濾波處理等操作。圖3 為面結(jié)構(gòu)光測量模塊流程圖。

2.2 輪對旋轉(zhuǎn)驅(qū)動模塊

為了實現(xiàn)輪對的全方位自動檢測，該文設(shè)計了輪對旋轉(zhuǎn)驅(qū)動模塊。該模塊由伺服電機、聯(lián)軸器、旋轉(zhuǎn)牽引機構(gòu)、軸承和固定座組成。其中，伺服電機在接收到中央處理器的啟動指令時，啟動旋轉(zhuǎn)，帶動聯(lián)軸器和旋轉(zhuǎn)牽引機構(gòu)以逆時針方向轉(zhuǎn)動，從而轉(zhuǎn)動輪對。為了提高安全性和控制精度，該文選用S 型加減速算法，從啟動到制動經(jīng)歷加速、勻速、減速的過程，具有定位精度高和易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點，增強了整個測量系統(tǒng)的可控性和自動化程度。

2.3 輪對制動模塊

輪對制動模塊由光電開關(guān)、制動檢測環(huán)、旋轉(zhuǎn)牽引機構(gòu)、制動圓環(huán)和制動擋板組成，目的是對正在旋轉(zhuǎn)的輪對進行制動操作，以便面結(jié)構(gòu)光測量模塊進行測量。其中，制動圓環(huán)和制動檢測環(huán)均為“Y” 型結(jié)構(gòu)，相互夾角為120°，如圖4 所示。

3 結(jié)語

首先，該文的設(shè)計是輪對測量的一項技術(shù)革新，依靠信息之間的反饋作用完成自動化測量，整個測量過程易于理解，只需兩次旋轉(zhuǎn)即可獲取整個輪對的三維重構(gòu)輪廓，解決了傳統(tǒng)人工接觸式作業(yè)方式的勞動強度大、工作效率低等問題。其次，該設(shè)計利用面結(jié)構(gòu)光作為調(diào)制信號源，信號覆蓋范圍更廣，彌補了線結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)采用單線掃描方式的缺陷，大大降低了圖像處理的拼接難度，實現(xiàn)實時高效測量。該文設(shè)計的基于面結(jié)構(gòu)光三維重構(gòu)輪對測量系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)測量方法的不足，首次將面結(jié)構(gòu)光引入到大型被測物體檢測過程，有望為機車車輛輪對測量提供新的技術(shù)手段。

參考文獻

[1] 邱鐵鑫. 新時代鐵路文化建設(shè)路徑探析[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報： 社會科學(xué)版， 2022（1）： 36-43.

[2] 杜闖. 基于雙線結(jié)構(gòu)光的軌道車輛輪對檢測技術(shù)研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2022.

[3] 林永強， 周菁， 張曉磊. 軌道交通輪對自動檢測設(shè)備在線校準(zhǔn)方法研究[J]. 鐵道車輛， 2022（1）：61-67+78.

[4] 秦春林， 吳興旺， 孫寶民， 等. 輪對探傷設(shè)備和方法：CN112697795A[P]. 2021.

[5]Song K.S.， Baek S G ， Choi Y.S.， et al. Effect of conicityon lateral dynamic characteristics of railway vehicle throughscaled wheelset model development[J]. Journal of MechanicalScience and Technology， 2018（11）：5433-5441.

[6]Li Z， Zuo W.， Wang Z.， et al. Robust 3D reconstructionfrom uncalibrated small motion clips[J]. The visual computer，2022（5）：38.