[发明专利]一种铁路轮对尺寸检测装置及其标定方法

说明书

本发明提供了一种铁路轮对尺寸检测装置及其标定方法，相机和激光器的相对位置具有更高的稳定性，可以实现相机与光源一体化标定，大大缩小设备使用现场的标定时间，标定方法包括以下步骤：步骤a：以平面靶标为成像目标，提取空间靶标点计算出靶标平面和图像平面之间的单应矩阵；步骤b：启动光源，将激光光条打在平面靶标上，通过空间靶标点确定的单应矩阵将光条标定点映射到三维空间，得出空间中激光光条在相机坐标系下的三维坐标；步骤c：多次移动平面靶标，得出相机内参的约束方程以及光平面三维坐标点的约束方程，通过约束方程构建目标函数，通过目标函数计算相机内参与光平面参数，通过非线性优化得出光平面参数的最优解。

技术领域

本发明涉及铁路线路运维检测设备领域，具体涉及一种铁路轮对尺寸检测装置及其标定方法。

背景技术

我国拥有全世界最广最长的运营铁路，在线运行车辆越来越多，为了实现线路上的火车在不停车的情况下实现车轮直径的在线动态尺寸测量，需要一种可靠的激光视觉测量传感器对车轮进行非接触式测量。

采用激光视觉测量、图像处理及人工智能等技术，可在正线/出入库段实现列车轮对尺寸检测，并通过大数据分析实现列车车轮运行状况的评估及预警，为铁路部门运营、维护、调度等提供技术支持。

目前市场上最可见的两种技术形式：1、相机与激光器为平行夹角布置的一体式传感器，单个外形尺寸大，不易调整测量区域的视角，内部元件布置紧凑，激光器的功率无法做大，优点是可以模块生产及标定。存在的问题：无法实现户外环境的高速高动态的实时检测；2、采用球台单独对相机及激光器进行固定，倾斜夹角布置，优点是调整自由大，可以最佳调整角度，缺点：球台的安装方式，结构不稳定，有存在松动的风险，导致需要进行重新标定，而且每套传感器都需要进行精确调整和标定，调整工装量大，无法实现产品模块化和标准化作业。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种铁路轮对尺寸检测装置及其标定方法，结构简单可靠，相机和激光器的相对位置具有更高的稳定性，同时本发明的标定方法可以实现相机与光源一体化标定，大大缩小设备使用现场的标定时间。

其技术方案是这样的：一种列车轮对尺寸检测装置，包括设置在防护壳体内的光源和相机，其特征在于：所述防护壳体上对应光源和所述相机设有窗口，所述光源和所述相机通过防松紧固件固定在所述保护壳体内，所述光源和所述相机之间的相对夹角保持不变。

一种铁路轮对尺寸检测装置的标定方法，其特征在于,包括以下步骤：

步骤a：以平面靶标为成像目标，提取空间靶标点计算出靶标平面和图像平面之间的单应矩阵；

步骤b：启动光源，将激光光条打在平面靶标上，通过空间靶标点确定的单应矩阵将光条标定点映射到三维空间，得出空间中激光光条在相机坐标系下的三维坐标；

步骤c：多次移动平面靶标，得出相机内参的约束方程以及光平面三维坐标点的约束方程，通过约束方程构建目标函数，通过目标函数计算相机内参与光平面参数，通过非线性优化得出光平面参数的最优解。

进一步的，在步骤a中，空间靶标点通过透视投影模型、镜头畸变模型、图像噪声叠加模型，获得图像点。

进一步的，在步骤a中，通过相机拍摄三维空间内的平面标靶，建立空间靶标点与其对应的图像点之间的透视投影模型，空间靶标点Q＝[x,y,1]^T与其对应的图像点p_u＝[u_u,v_u,1]^T之间的透视投影模型表示为：

其中，其中H_3×3为靶标平面和图像平面之间的单应矩阵，单应矩阵包括相机内参和外参，ρ是常量系数，_K为相机内参矩阵，r₁、r_2t分别相机外参，具体为旋转矩阵的前两列以及平移向量；