铁路车辆动态限界设备开发可行性报告_设备更新可行性报告

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关于高速机车车体动态限界检测系统的可行性报告

机车车辆及动车组整车线路高速运行试验中，需要精确测量车体限界。传统的动态限界测试方法采用激光测距二维重构成像技术，测量车体的外部轮廓。该测量方法由于受激光传感器扫描速度的限制，不能满足时速500公里以上的试验要求。

本系统采用激光在车身打上标记，用高帧频摄像机摄取并存储高速运动车体的视频图像，利用三维动态变形测量技术和视频判读方法，对高速运动车体的限界实现光电非接触式精密测量。

1、技术要求

系统测量精度≯0.1%；

距离测量误差≯2mm；

工作环境温度-15℃～55℃；

工作环境湿度5%～90%；

拟建装备将用于室外现场，因此要求具有较高的环境适应能力；

车长：25000 mm；车宽：3500 mm。

2、技术方案

2.1 基于高速摄像的三维动态变形数字化测量原理

本方案基于车体是刚体的考虑和车体外形轮廓已知的前提，利用高速摄像和计算机辅助技术来获取高速运动车体的限界数据。具有不损伤物体表面，材料适应性广，测距大，精度高等优点，系统误差为小于1mm。

测量原理概述：

测量速度

假设车辆运行速度为500Km/h，选择摄像机的帧频1000Hz，也就是两帧图像的间隔时间为0.1ms，可以算出在0.1ms的时间里车辆移动了138.8mm。因为

图像能覆盖1024mm×1024mm的面积，所以两帧图像中车厢的标记位置移动了大约0.135视场，摄像机可以清晰拍下以500Km/h运动的车辆，供分析测量。摄像机（加窄带滤光片）

除了系统装调、环境条件造成的测量误差以外，摄像机的分辨能力是一项主要的误差来源。本系统的摄像机应选择高分辨率的。例如加拿大Mega Speed Corp公司生产的MS50K（1280×1024像元，500fsp）和MS55K（1280×1024像元，1000fsp）都可以满足要求。

考虑到现场试验，阳光的影响很大，需要采用窄带滤光片尽量滤掉激光波长以外的杂光，为信号处理创造良好的条件。

根据试验现场的布局，选择（或设计加工）合适的光学系统，既保证测量视场，又要保证测量精度。线光源 技术参数

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波长范围：635nm / 650nm/ 658nm 电源输入：AC 170～250V/DC 4.5V 工作方式：连续工作 出瞳功率：100mw

光束直径：3M处线宽≤2mm 扇角： 90°～ 120° 频率：连续光输出

光束质量：细线，均匀，明亮 直线度： ≥1/5000 工作温度：－10℃～50℃

图1带调整架的线激光源

2.2 测试方法：

将靶标（基准图形）贴到车体表面（如图2所示），由于图形的几何参数已知，从观测点来看，靶标的图像发生的变化就代表了车体位置和姿态的变化。摄像机安装的距离和角度通过现场校准，摄取车体上靶标的图像，经过图像采集卡变成图像数据，保存在计算机中，事后对靶标的图像进行视频判读，就可以精确推算出车体在X方向的限界坐标。

视频判读的图像如图3所示。A、B、C、D表示静止或慢速行驶的车体上靶标的图像(蓝色十字丝），A′、B′、Ｃ′、Ｄ′表示高速行驶的车体上靶标的图像(红色十字丝）。由于车体在离心力的作用下，沿着Ｘ轴的负方向向外移动。靶标离摄像机的距离增加，因此在摄像机靶面上成的像的大小和比例将发生变化。

图2 基于车体靶标的单摄像机测量方案示意图

图3 基于车体靶标的车体限界判读测量示意图

摄像机的光学成像原理如图4所示。以1维情况为例说明，2维可类推。

图4 摄像机的光学成像原理

当车体在X方向向外移动ΔL距离时，靶标的像在尺寸上将缩小Δd。只要精确测出Δd，就可以精确计算出ΔL，得到车体的限界。车体标记的产生：

用印有规定图形的靶纸（如图5所示）贴在车体上。

图形大小约1m×1m。用高帧频摄像机摄取车体靶标记的图像。为了提高测量精度，尽量使图像充满视场。也可以用几只激光器组成一组平行光投射到车体上产生靶标图形，例如图6所示。这种办法的优点是可以保证每帧

图5靶标图形

图像都能准确地拍到靶标的像。

测量精度：

若摄像机的1个象元尺寸为b, 镜头焦距f，则瞬时视场 = 2tg-1（b/2f）。所以，一个象元对应给定距离L处的线视场就决定了系统的测量精度。对于同样的车体移动ΔL，靶标小1倍，摄像机镜头焦距大1倍，测量的精度Δd 一样。所以，车体靶标的尺寸可以小一点。

设正方形车体靶标的边长D=0.5m，L=2.5m，摄像机分辨率为1000×1000，1个像元尺寸为b=6.8µm，若车体靶标的像大小为1000个像元=6.8mm，则f=34mm。因为

fDfDf50034d[D][][]6.8[L(LL)LLL2500LLLL]

（a）激光靶标向车体投射

（b）激光靶标

图6激光靶标及其向车体投射示意图

若令Δd=6.8µm,则有

6.81036.8(2500L)

所以，ΔL=2.5mm, 测量

视场角θ=2tan-1(250/2500）=11.4°，在距离为L=2.5m处，测量精度约为0.1 %。

测量系统的标校：

在如图7所示的图像中，车体靶标的图像位置是相对于摄像机靶面的坐标系统。因此，摄像机的大地坐标必须知道。可以采取事先或事后用专门的靶标对摄像机的靶面坐标系统进行现场标校。

专用靶标可以用代表车体的靶板在类似轨道尺的设备上，靶板上绘制定制尺寸的图形，如图7-a所示。使专用靶标的位置处于车体静止时的位置。现场标校时，将专用靶标放在测量标记点，让靶标图形正好成像在靶面的中心（如图7-b）即可。图像处理系统根据靶标图像就可以标定摄像机的视角和测量距离。如果采用激光靶标，则专用的靶板上不需要有任何图形。动态车体限界测量时，标校好的摄像机不动，根据车速提前启动摄像机拍照，事后进行判读。要想沿着轨道多点测量，需要将专用靶标沿着轨道推到指定位置重新标校。

(a)(b)图7测量系统的标校计算机

计算机的任务是对高速摄像机摄取的图像进行判读。本方案采用计算机辅助调整图像的对比度、亮度，半自动判读车体限界。关键是软件的研制和人机界面的方便有效，保证能够进行快速、高精度的事后判读。测量现场的布置

由于测量系统由多个精密部件组成，整个测量系统需要仔细包装后运到现场展开使用。现场要求不高，地势开阔就行。加固的三角架，调整摄像机视轴和线光源指向，确信可以拍摄车辆的图像。

沿着车辆运行的反方向，设置启动信号发生器1台，作为高速摄像机的启动

信号，保证拍摄到车辆的标记；

摄像机和信号发生器分别通过电缆连到控制台，进行实况显示、图像处理、测量程序和远程通信的控制。为了保证测量的准确性和可靠性，两套设备从轨道两边同时测量测量。测量系统

摄像机和激光靶标都要放在有手动调节机构的三脚架上。因此三脚架是测量系统的基础，设计上应该满足以下要求：

1）便于携带，展开后稳定牢固；

2）带有两轴可精密调整的机构，如图8所示。

图8带有两轴可精密调整机构的测量系统

长春市开得科贸有限公司2009年11月12日