基于数字图像处理的轮轨冲角检测方法研究

作     者：宋子彬 

作者单位：石家庄铁道大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马增强;刘占阳

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：轮轨接触 轮轨冲角 激光线 图像处理算法 椭圆检测 

摘      要：随着铁路高速化和重载化发展,轮轨间相互作用更加剧烈,容易引发轮轨间磨耗严重、接触疲劳和脱轨等故障,所以监测、分析轮轨接触参数对行车稳定性和安全性有重要意义。列车通过大坡道和小半径转弯区域时会引起轮轨接触状态多变,冲角增加,从而导致非正常磨耗增加。冲角作为轮轨接触状态评估的一个重要指标,不仅在提高行车安全性及舒适性方面起决定性作用,也是轮轨磨耗测量中的重要参数。本文分别就列车在直行和转弯两种场景下的轮轨接触冲角变化量进行研究,针对两种场景特性分别利用不同数字图像检测方法来实现轮轨冲角检测。列车在直行情况下,因车体存在蛇形运动使轮轨间易产生轮轨位移、侧滚和冲角。文中将安装在转向架上的CCD传感器和红外激光源组成冲角图像检测装置,使激光线照在轨面上且与轮对运行方向一致,以此表示轮对运行方向,通过相机获取轨面图像来获取激光线和轨道边缘图像,并通过图像滤波、特征检测、直线拟合等步骤确定轨道边缘线和激光线准确位置,由此计算两者在图像中的角度,即轮轨瞬时冲角。列车通过转弯区域时,轨道弯曲程度不同导致轮轨接触情况复杂,使大冲角和大位移的情况时常发生。本文提出一种基于图形几何映射关系模型的轮轨冲角检测方法,该方法在相机成像原理的基础上,将相机固定在列车转向架的特定位置,构建几何成像模型使图像中车轮几何形态与其空间位置成单一对应关系,由此将车轮偏转角的检测转化为椭圆短轴测量,通过数学模型计算得出偏转角与图像椭圆在数值上的对应关系,并由车轮图像信息得到冲角量。为了确保轨道边缘检测的准确性,文中运用广义插值傅立叶变换来加快radon变换并改变最小插值误差来调节GIFT参数。另外针对背景复杂,噪声严重的车轮图像,使用基于边缘曲率及区域搜索的椭圆检测优化算法进行椭圆检测,并误差范围内,应用建立的映射模型实现了冲角检测。在最后,分别针对两种方法进行了模拟检测实验,以此验证方法的合理性和有效性。