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高速道岔心轨检测仪设计及其性能评估的研究

高速道岔心轨检测仪设计及其性能评估的研究

作者：豆辉兰州交通大学

学位级别：硕士

自从第六次大提速之后,高速铁路的建设得到了充分的发展,道岔结构也从原来的普通单开道岔,变成现在的可动心轨道岔,消除了有害空间,保证了高速列车通过道岔时的稳定性和安全性。但高速道岔作为高速铁路线路最重要的组成部分,需要定期对... 详细信息

自从第六次大提速之后,高速铁路的建设得到了充分的发展,道岔结构也从原来的普通单开道岔,变成现在的可动心轨道岔,消除了有害空间,保证了高速列车通过道岔时的稳定性和安全性。但高速道岔作为高速铁路线路最重要的组成部分,需要定期对其进行维护。目前,国内的轨检小车只是对基本轨进行检测,而国外虽有对高速道岔检测的小车,但因成本高昂没有普及。针对这一情况,本文在传统的轨检小车的基础上引入了机器视觉检测技术,以实现尖轨相对于基本轨位置和心轨相对于翼轨位置的检测,主要工作如下:（1）图像采集与处理技术是机器视觉检测技术的基础,检测仪利用图像采集系统将采集到的图像上传,但由于受到外界环境、光照以及车体振动等因素的影响,采集到的图像会出现失真现象,故对采集到的图像进行光条中心线提取之前,先进行一系列预处理操作。文中采用了一种基于Zhang-Suen与灰度重心法的融合算法,实验表明该算法的细化效果优于传统的11种细化算法,且提取到的光条中心线达到了亚像素级精度。（2）建立了高速道岔检测的数学模型,利用多种传感器分别测量轨距、超高以及里程等参数;同时,利用线结构光辅助机器视觉测量的原理检测尖轨、心轨的面差、间隙和轨头宽度等值。（3）在传统轨检小车的基础上设计了一台高速道岔心轨检测仪,与T字形轨检小车不同的是,该检测仪的结构为Y字形,便于安装图像采集系统;同时,对检测仪的各个零部件进行了机械结构的设计,并对检测仪所需的检测设备进行了选型。为了验证本文所设计的高速道岔心轨检测仪的检测精度,通过在时速250km/h的18号道岔直线尖轨上进行测量实验,先采用人工测量的方法,即分别用面差尺测量面差、塞尺测量间隙以及钢尺测量轨头宽度,再利用高速道岔心轨检测仪进行检测,将两次检测的结果进行对比分析,结果显示该检测仪的检测精度符合检测要求。

关键词：高速道岔检测仪机器视觉结构光检测图像处理结构设计

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基于面结构光的高速道岔尖轨检测系统研究

基于面结构光的高速道岔尖轨检测系统研究

作者：袁富国兰州交通大学

学位级别：硕士

高速铁路在为人们带来便利的同时,影响着社会和经济的发展,特别是“加快建设交通强国”规划地提出,为列车的安全运行提出了更高的要求。高速道岔是高速列车从一股轨道进入另一股轨道的线路设备,在列车安全行进中扮演着重要角色。目前,... 详细信息

高速铁路在为人们带来便利的同时,影响着社会和经济的发展,特别是“加快建设交通强国”规划地提出,为列车的安全运行提出了更高的要求。高速道岔是高速列车从一股轨道进入另一股轨道的线路设备,在列车安全行进中扮演着重要角色。目前,我国的大型轨检车在轨道检测中的发展已经较为成熟,但是由于制造维护成本都非常高,用于工务的日常线路检测较为不便。工务的日常检修和维护中,现有的人工检测工具较为简单,一种工具只能检测相应的一个检测项目,具有效率低、劳动强度大等缺点。基于上述问题,学界和业界对道岔检测都进行了研究,但主要是针对道岔基本轨的检测,而对道岔尖轨、心轨和翼轨等轨道件的检测较少。因此,本文以高速道岔尖轨为主要研究对象,研究了基于面结构光的高速道岔尖轨检测系统。(1)对面结构光测量原理及其在尖轨检测系统中的适用性进行了详细的研究。通过相移法提取被测尖轨的包裹相位,选用多频外差法解包裹相位,得到完整相位值,然后通过相机标定和投影仪标定实现了对检测系统的标定,使之达到检测场景的需求。对此,本文使用坐标变换及经典的相机标定方法,即选用张正友标定法对相机和投影仪进行了标定,得到了相机和投影仪的内部、外部参数。(2)基于相位与高度之间的关系和系统的内外参数,实现了对尖轨模型的三维重建。对重建得到的尖轨测量点云进行降噪、下采样及平滑处理,得到光顺平滑的点云数据,并对尖轨点云提取特征,通过SAC-IA算法与ICP算法的结合实现尖轨的测量点云和标准点云的匹配。(3)设计了基于面结构光测量原理的高速道岔尖轨检测系统。在模拟现场检测情景条件下,搭建检测系统平台。首先选择了精度较高的相机、投影仪和传感器等,组建硬件测量架构。其次,基于Visual Studio 2017平台及Open CV、PCL库,通过Qt软件进行了软件界面的设计和实现,其中数据管理功能能够很好地帮助工人记录管理测量数据。最后,通过在高速铁路正线试验测得的数据与人工检测得到的数据对比,验证了高速道岔尖轨检测系统在尖轨检测中具有较高的检测精度,符合相关检测要求。

关键词：高速道岔尖轨面结构光测量检测系统设计检测精度点云匹配

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基于双目视觉的尖轨轮廓检测系统研究

基于双目视觉的尖轨轮廓检测系统研究

作者：韩鸿烈兰州交通大学

学位级别：硕士

我国高铁经过近二三十年的飞速发展,在一系列关键核心技术方面取得了突飞猛进的发展,行车速度越来越高,相应的对行车稳定性和运行安全性要求也越高,但我国在道岔等铁路关键基础设施的自动化监测、检测方面以及检测数据的分析与伤损趋势... 详细信息

我国高铁经过近二三十年的飞速发展,在一系列关键核心技术方面取得了突飞猛进的发展,行车速度越来越高,相应的对行车稳定性和运行安全性要求也越高,但我国在道岔等铁路关键基础设施的自动化监测、检测方面以及检测数据的分析与伤损趋势预测方面相对落后。为适应行车速度和密度持续提升的铁路运行状况,道岔等铁路基础设施需要实现快速、高精度检测。尖轨是道岔系统的重要组成部分,其轮廓截面变化幅度大,结构支撑点少,强度及刚度均相对薄弱,反复承受着列车轮对的冲击力,与基本轨的密贴度、降低值等位置参数不仅造成列车在变轨时车身的剧烈抖动、降低旅客的乘坐舒适度与体验感,而且当参数值偏离标准值范围时甚至造成列车脱轨等重大事故。本文设计了基于双目视觉的尖轨轮廓检测系统,实现对道岔的降低值、密贴度和尖轨轨顶宽度的非接触式检测,主要工作如下:(1)设计了基于线结构光的尖轨轮廓视觉检测系统。对相机、激光器、镜头等系统硬件参数、功能实现进行了详细的计算分析,基于增量式编码器对里程测量和截面定位进行了设计。软件部分设计了一整套适用于线结构光钢轨轮廓的图像处理流程,对灰度化、滤波、阈值分割等预处理分别选择了加权法、十字形模板中值滤波、otsu算法。(2)Steger中心线提取算法优化。针对Steger算法在处理尖轨轮廓图片中存在的缺陷进行改进,设计了基于图像阈值分割图的行列灰度累加值分布的动态ROI定位方法,确定钢轨轮廓分布的最小矩形区域,解决了算法运算时间长的问题,并针对轮廓边缘存在的毛刺、空洞等,设计了联合双边滤波和Steger算法相组合的算法进行中心线提取。最后设计了四个十字形模板来对提取到的中心线圆弧部分的轮廓边缘的错误像素点进行了消除,解决了非单一像素宽的问题。(3)检测参数的测量精度建模。对当前国内针对尖轨形位参数的接触式测量原理分析的基础上,对降低值、密贴度和轨头宽度等检测参数建立了非接触式数学测量模型,并从轮廓点集分段、特征点提取、数值拟合、误差分析等出发对测量精度进行了优化。(4)尖轨位置参数检测系统的实现及人机交互界面设计。基于MATLAB编程语言,采用模块化设计理念编程实现了尖轨位置参数的测量处理,并对人机交互界面进行了设计,共分为相机标定、里程测量、图像预处理等七大模块。

关键词：尖轨形位参数双目视觉结构光检测中心线提取软件系统设计

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数字孪生车间的作业调度方法研究

数字孪生车间的作业调度方法研究

作者：徐上壹兰州交通大学

学位级别：硕士

低成本、机械式立体车库人机交互系统研究与设计

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低成本、机械式立体车库人机交互系统研究与设计

作者：武乡兰州交通大学

学位级别：硕士

随着我国国民经济的高速发展，居民的生活水平不断提高，汽车保有量迅速攀升，尤其是私家车的数量更是以惊人的速度上涨，停车难的问题日益突出。立体车库的广泛使用成为了解决停车难问题的有效途径之一。本课题所研究的低成本、机械式... 详细信息

随着我国国民经济的高速发展，居民的生活水平不断提高，汽车保有量迅速攀升，尤其是私家车的数量更是以惊人的速度上涨，停车难的问题日益突出。立体车库的广泛使用成为了解决停车难问题的有效途径之一。本课题所研究的低成本、机械式立体车库人机交互系统是采用单片机技术，对车辆出入库采用卡控方式实现，具有操作简单、开发难度小、易于向市场推广、能源消耗低等优点。本文主要应用单片机技术，对低成本、机械式立体车库人机交互系统（立体车库的子系统）进行了详细的设计。一、阐述了立体车库的国内外发展概况，以及课题研究的目的和意义;二、首先，说明了低成本、机械式立体车库的各组成部分，其次，依据系统的功能要求，详细地设计了人机交互系统的总体方案，主要包括人机交互系统的结构组成和工作流程;三、完成了人机交互系统硬件部分和软件部分的设计，其中硬件部分主要包括电源模块、读卡器模块、语音模块、LCD显示模块、数据存储模块、通信模块等模块的电路图。软件部分主要介绍了软件开发环境、永久卡存取车流程、固定卡存取车流程、临时卡存取车流程、LCD模块程序设计、语音模块程序设计、通讯模块程序设计等;四、人机交互系统的可靠性从硬件和软件两方面进行了分析，设计了硬件监控电路和软件可靠性程序;五、详细说明了人机交互系统的调试步骤，并成功调试了语音模块、刷卡模块和LCD显示模块。基于单片机技术设计的低成本、机械式立体车库人机交互系统可以使车主通过刷卡方便地进行存取车作业，且该系统具有成本低、开发周期短、易于推广等优点，可为低成本、机械式立体车库的产品化设计奠定一定的基础。

关键词：立体车库人机交互系统单片机

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基于机器视觉的高速道岔尖轨检测系统设计

基于机器视觉的高速道岔尖轨检测系统设计

作者：高文洲兰州交通大学

学位级别：硕士

近年来,我国高速铁路事业迅猛发展,铁路各检测项目逐渐精细化,检测要求也不断提高,以往针对铁路钢轨检测研究较多,现在高速道岔检测也逐渐被重视。随着检测要求越来越高,检测手段也趋于多元化,检测设备紧跟技术发展,趋于智能化,信息化,... 详细信息

近年来,我国高速铁路事业迅猛发展,铁路各检测项目逐渐精细化,检测要求也不断提高,以往针对铁路钢轨检测研究较多,现在高速道岔检测也逐渐被重视。随着检测要求越来越高,检测手段也趋于多元化,检测设备紧跟技术发展,趋于智能化,信息化,越来越多先进的检测技术被应用于铁路检测项目,其中,机器视觉技术已经成为高速道岔检测方面的热门之一。尖轨是高速道岔的重要组成部分,其表面结构复杂并且检测精度要求更高。现阶段国内针对道岔组成部分的各项检测任务仍由人工完成,其工作效率低,误检率高,国外研究起步早,已有专门的检测小车承担检测任务,但是由于价格昂贵,知识产权等方面原因,难以在国内各个铁路部门普及,所以,国内发展高速道岔检测势在必行。本文针对这一情况,借鉴各位学者和机构的应用经验及机器视觉方面知识,对高速道岔尖轨轮廓检测进行了研究。本文首先对高速道岔尖轨检测系统总体方案进行了设计布局,对系统用到的传感器进行了分析比较,确定三大核心传感器型号,确定图像采集模块核心硬件相机和激光器型号。对系统标定进行了研究,详细介绍了标定过程中四大坐标系之间的转换关系,对比主流相机标定方法的优缺点,最终确定采用张正友标定法,求解系统中相机内外参数及畸变参数。然后以Open CV软件为平台,进行一系列的图像处理,针对机器视觉中核心的图像处理算法,通过对算法原理、图像处理结果和对比分析三方面进行了研究,最终确定了适合本课题需求的图像滤波去噪、图像阈值分割、图像边缘检测方法。为了获取高质量的光条纹中心线,选择了亚像素激光条纹中心点提取的自适应优化方法,然后在获得激光条纹的二次加权重心的基础上,采用了自适应优化方法,提取高精度尖轨轮廓条纹中心线。使用Solidworks软件对高速道岔尖轨检测小车实体建模,对整体结构进行了布置设计,以VS2017,Open CV3.4.2,C++为软件开发平台,基于MFC操作平台设计了检测系统软件部分,软件部分采用模块化设计,具有系统标定、图像采集、图像处理、结果显示等功能。最后,求得相机内外参数和畸变系数,采用基于SURF的图像拼接技术将采集到的内外侧图像拼接成完整的尖轨轮廓。

关键词：高速道岔机器视觉相机标定图像处理中心线提取

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操纵方式对重载列车纵向冲动的影响研究

操纵方式对重载列车纵向冲动的影响研究

作者：段振枢兰州交通大学

学位级别：硕士

随着经济的快速发展,国内货物运输及国际间贸易量的需求急速上升,开通重载运输尤为重要,而铁路货运重载化正成为新常态。由于重载货运列车牵引总重、轴重、列车的长度不断增加,导致制动波传递时间加长,前后车辆制动不同步,车钩力增大,... 详细信息

随着经济的快速发展,国内货物运输及国际间贸易量的需求急速上升,开通重载运输尤为重要,而铁路货运重载化正成为新常态。由于重载货运列车牵引总重、轴重、列车的长度不断增加,导致制动波传递时间加长,前后车辆制动不同步,车钩力增大,使列车纵向冲动随之越来越大。过大的纵向冲动会引起车钩断裂、列车脱轨、零部件磨损严重等一系列安全问题,影响列车纵向冲动的因素包括编组、制动初速度、坡度、曲线半径、制动波速、制动响应时间等,因此对长大重载列车的纵向冲动影响因素分析就显得十分重要。本文从重载列车纵向冲动理论和三维模型建立两方面入手,分析两万吨重载列车不同操纵方式下的纵向冲动影响,并引入ECP电控空气制动系统解决列车纵向冲动过大,并对三万吨列车经过的最大坡度和纵向冲动进行分析。本论文的主要内容包括:(1)重载列车纵向动力学理论综述。详细分析了动力学中牵引特性、空气制动、动力制动特性、钩缓装置、基本阻力等各个作用力,以及纵向冲动产生的原因和纵向冲动过大的评判标准。(2)重载列车多体动力学模型建立及模型的验证。从重载列车的车体、车钩及轮对角度出发,在UMInput中建立简化的列车三维模型,分别对一万吨和两万吨重载列车进行仿真分析,与大秦铁路的试验数据及纵向冲动的评判标准比对分析,验证模型的可靠性。(3)两万吨重载列车的不同操纵方式对纵向冲动的影响分析。对两万吨重载列车进行不同的编组,仿真分析得到最适合两万吨列车的编组,然后添加坡度、曲线半径、制动的响应时间分析两万吨重载列车的纵向冲动,并引入ECP电控空气制动系统,改进了列车的制动波速及纵向冲动,通过仿真分析得到列车的良好的操纵方式为1+2+1编组、曲线半径大于500m、制动响应时间0.7s、制动波速9000m/s、下坡度小于10‰,上坡度小于8‰,制动初速度40-60km/h,这样的操纵方式提高列车的运行安全。(4)三万吨重载列车的最大坡度计算和纵向冲动分析。利用传统的列车通过最大坡度方法,计算五台机车牵引三万吨重载列车经过的最大坡度7.63‰,将ECP电控空气制动系统引入三万吨重载列车,并对列车运行速度等条件设置,进行仿真分析得到了列车的纵向车钩力、加速度,符合重载列车的纵向冲动标准。

关键词：重载列车 UM多体动力学纵向冲动车钩力

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自主作业式轨道螺栓作业机结构及传动系设计

自主作业式轨道螺栓作业机结构及传动系设计

作者：何燕兰州交通大学

学位级别：硕士

随着铁路运输的不断发展,对铁路线路施工和维修提出了较高的要求。机动扳手已经成为必不可少的一种铁路养护机械。国内的轨道螺栓作业设备大多为手动方式,技术水平不高,作业的手段落后。目前线路维护作业中,大部分的铁路工务段使用半自... 详细信息

随着铁路运输的不断发展,对铁路线路施工和维修提出了较高的要求。机动扳手已经成为必不可少的一种铁路养护机械。国内的轨道螺栓作业设备大多为手动方式,技术水平不高,作业的手段落后。目前线路维护作业中,大部分的铁路工务段使用半自动化的机械设备作为养路设备,但是仍存在作业效率低,劳动强度大等缺陷。在这样的背景下,自主作业式的轨道螺栓作业机的研究及设计应运而生,作业机自主定位轨道螺栓扣件,解决了人工操作不便、工作强度大等问题,同时提高作业效率。因此,可以预见实现轨道螺栓作业机的自主作业将成为未来线路养护的发展方向。本文以自主作业式轨道螺栓作业机为研究对象进行设计,对其工作原理、框架结构和工作流程进行分析,结合目前市场的实际需求,对开发的自主作业式轨道螺栓作业机的结构及传动系进行设计,本文的主要研究内容如下。首先,对铁路工务段进行前期调研,确定自主作业式的轨道螺栓作业机的总体研究方案,通过对整个系统的作业流程分析,确定具体的实现方案。在此基础上,对自主作业式轨道螺栓作业机的作业扳手的升降机构及松紧系统进行研究及设计。升降机构的设计包括电动机的选型与升降结构的设计;扳手松紧系统的设计包括系统的液压原理图的设计和分动箱的设计,并选择液压马达、液压泵及液压阀等,确定其输出动力。由于拧紧和旋松时,扳手所需的扭矩不同,因此,松紧系统中需要对分动箱及套筒扳手进行设计。其次,对自主作业式轨道螺栓作业机的行走系统进行研究及设计。介绍行走系统的总体布局,确定轨道螺栓作业机的传动方式以及传动系统的主要参数。根据行走系统采用电传动方式,对其进行驱动电机及蓄电池的设计及选型。最后,根据所述的整机设计,对自主作业式轨道螺栓作业机进行虚拟样机的建立,并主要零部件进行建模以及静力学分析,最终确保整机的高效可靠性。

关键词：线路维护轨道螺栓作业机升降机构松紧系统行走系统