一種基于面結(jié)構(gòu)光的承載鞍在線檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種承載鞍在線檢測系統(tǒng)，包括，2個DLP投影儀，4部CCD相機(jī)，圖像采集卡和計算機(jī)；其中，DLP投影儀型號和相機(jī)的型號完全相同，每套子系統(tǒng)CCD相機(jī)的光心軸與DLP投影儀的光心軸夾角均在20至60度之間，并且測量時保持DLP投影儀與CCD相機(jī)的相對位置不變；計算機(jī)為帶有基于計算統(tǒng)一設(shè)備構(gòu)架的圖形顯卡；由時鐘同步控制器分別與DLP投影儀和CCD相機(jī)相連觸發(fā)相機(jī)和投影儀同步采集經(jīng)調(diào)制變形的光柵圖像，DLP投影儀與計算機(jī)相連，4個CCD相機(jī)均通圖像采集卡與計算機(jī)相連。該系統(tǒng)的最顯著地特征是測量效率高，磨損量評估準(zhǔn)確。
【專利說明】一種基于面結(jié)構(gòu)光的承載鞍在線檢測系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于精密測量領(lǐng)域，具體涉及鐵路檢測中的承載鞍的三維測量系統(tǒng)，可以 對安裝在列車滾動軸承和轉(zhuǎn)向架側(cè)架導(dǎo)框之間的承載鞍進(jìn)行實(shí)時的在線質(zhì)量檢測。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著城際鐵路和商速鐵路的相繼投入運(yùn)彳丁，我國鐵路已步入商速鐵路新紀(jì)兀，也 意味著我國鐵路安全運(yùn)輸生產(chǎn)面臨著新的更高要求。為了確保高速、重載列車安全、可靠、 準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行，加大高新科技應(yīng)用力度、改革運(yùn)輸組織及其設(shè)備檢修維護(hù)方式和手段勢在必行。 現(xiàn)代鐵路的高速化和重載化，給高鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩岢隽烁叩囊螅移惹行枰焖?準(zhǔn)確的檢測鐵路零件的三維尺寸。承載鞍是列車滾動軸承裝置中的重要配件，也是影響列 車速度、載重量和安全性的重要部件之一。
[0003] 承載鞍在列車運(yùn)行中不斷地承受著交變載荷，其性能將直接影響行車的穩(wěn)定和安 全。隨著鐵路車輛的提速，承載鞍的檢修質(zhì)量對列車運(yùn)行安全的影響也越來越大。目前，承 載鞍檢測一般采用手工樣板測量和機(jī)械檢測，對大量承載鞍實(shí)施檢測時難以保證其測量精 度，并且工作效率比較低；手寫記錄也不便于長期保存和查詢；在測量過程中需要人工配 合搬動，測量后還需進(jìn)行分類，勞動強(qiáng)度較大。此外，各種承載鞍的外形式樣、檢修部位尺寸 相差較大，測量基準(zhǔn)也不易確定，給承載鞍檢測帶來了相當(dāng)大的難度。
[0004] 近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、圖像分析技術(shù)等的快速發(fā)展，視覺測量 技術(shù)得到了迅速發(fā)展，視覺測量屬于非接觸式測量，視覺測量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場物體 的在線測量。視覺測量屬于非接觸式測量，視覺檢測同以往手工檢測和機(jī)械檢測等檢測手 段相比，具有檢測速度快，可靠性高和對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等獨(dú)特的有點(diǎn)，已在許多工業(yè)領(lǐng)域得 到廣泛應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種承載鞍在線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)﹁F路貨車承載鞍三維尺寸在 線檢測，具有快速、實(shí)時的特點(diǎn)。
[0006] 本發(fā)明提供的一種承載鞍在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括計算機(jī)、第一、第二相位輪廓測量子系統(tǒng)；
[0007] 第一相位輪廓測量子系統(tǒng)包含第一C⑶相機(jī)、第二C⑶相機(jī)和第一DLP投影儀，第 二相位輪廓測量子系統(tǒng)包含第三CCD相機(jī)、第四CCD相機(jī)和第二DLP投影儀；
[0008] 在同一相位輪廓測量子系統(tǒng)中，二部CCD相機(jī)的光心軸與相對應(yīng)的DLP投影儀的 光心軸夾角均在20至60度之間，并且測量時保持DLP投影儀與相對應(yīng)的CCD相機(jī)的相對 位置不變；
[0009] 第一至第四C⑶相機(jī)均通過圖像采集卡與計算機(jī)相連；
[0010] 各C⑶相機(jī)和各DLP投影儀在測量過程中保持不動，CXD相機(jī)的圖像采集幀率與DLP投影儀的投影幀率保持一致，安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺上的被檢測承載鞍能夠隨旋轉(zhuǎn)工作臺 運(yùn)動，以測量不同位置下承載鞍的整體三維數(shù)據(jù)。
[0011] 本發(fā)明提供的使用上述承載鞍在線檢測系統(tǒng)進(jìn)行測量的方法，其特征在于，該方 法包括下述步驟：
[0012] 第1步將被檢測承載鞍安置于旋轉(zhuǎn)工作臺上，旋轉(zhuǎn)工作臺位于檢測系統(tǒng)的視場范 圍內(nèi)，第一、第二投影儀同時向被檢測承載鞍表面投射光柵，四部CCD相機(jī)同步捕捉經(jīng)調(diào)制 變形后的光柵條紋，按下述過程測量被檢測承載鞍的四個不同的工位：
[0013] 第I. 1步初始化旋轉(zhuǎn)工作臺到第一工位，第一、第二投影儀同時向被檢測承載鞍 表面投射光柵，四部CCD相機(jī)同步捕捉經(jīng)調(diào)制變形后的光柵條紋，獲取測量鞍面弧面和推 力擋肩面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合出鞍面圓弧面的直徑和推理擋肩間的 距離，分析其磨耗量；
[0014] 第1.2步旋轉(zhuǎn)工作臺在俯視方向沿順時針旋轉(zhuǎn)約90°至第二工位，然后通過第 一、第二相位輪廓測量子系統(tǒng)獲取導(dǎo)框底面和導(dǎo)框內(nèi)側(cè)面的三維數(shù)據(jù)，并分析該側(cè)面內(nèi)側(cè) 面間的距離與磨耗；
[0015] 第1. 3步旋轉(zhuǎn)工作臺順時針旋轉(zhuǎn)90°至第三工位，然后獲取被檢測承載鞍頂面的 三維數(shù)據(jù)，以磨耗相對均勻的鞍面圓弧面與導(dǎo)框底面作為基準(zhǔn)，在檢測空間中擬合出基準(zhǔn) 平面，并分析底面的磨耗量；
[0016] 第1.4步旋轉(zhuǎn)工作臺再順時針旋轉(zhuǎn)90°至第四工位，然后通過第一、第二相位輪 廓測量子系統(tǒng)獲取另一側(cè)導(dǎo)框底面和導(dǎo)框內(nèi)側(cè)面的三維數(shù)據(jù)，并分析該側(cè)面內(nèi)側(cè)面間的距 離與磨耗，此時完成所有磨耗面的三維測量；
[0017] 第2步計算機(jī)首先對變形的黑白正弦光柵進(jìn)行四步相移解相，計算出被測表面的 像素值；
[0018] 第3步利用基于極限約束的立體匹配算法獲取四部C⑶相機(jī)所拍攝的圖像的匹配 占.
[0019] 第4步對得到的匹配點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云重構(gòu)，計算出被測物體表面的三維點(diǎn)坐標(biāo)，完成 被檢測承載鞍的斷面測量；
[0020] 第5步按照下述過程將匹配正確的三維坐標(biāo)點(diǎn)在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下進(jìn)行注冊，將 在四個工位處測量得到的各個磨損表面數(shù)據(jù)拼合起來得到承載鞍磨損表面的完整三維數(shù) 據(jù)：
[0021] 第6步圖像中測量得到的承載鞍磨損表面數(shù)據(jù)進(jìn)行分割和迭代計算來消除三維 節(jié)距邊界的離群值。
[0022] 本發(fā)明是一種基于面結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)的承載鞍在線檢測系統(tǒng)，能夠?qū)Π惭b在 列車滾動軸承和轉(zhuǎn)向架側(cè)架導(dǎo)框之間的承載鞍進(jìn)行實(shí)時的在線質(zhì)量檢測，克服了承載鞍在 線檢測過程中檢測效率低、檢測精度不高、檢測結(jié)果不穩(wěn)定等問題。具有檢測效率高、磨損 量評估準(zhǔn)確等優(yōu)勢，應(yīng)用前景十分廣闊。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明實(shí)例提供的承載鞍檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0024] 圖2是相位輪廓測量（PMP)系統(tǒng)原理圖；
[0025] 圖3是承載鞍磨損表面的磨損量評估圖；
[0026] 圖4是檢測過程的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖（坐標(biāo)自動注冊）；
[0027] 圖5是F1DSM(pre-definedsegmentationmask預(yù)先定義的模板圖像）快速分割 圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對于 這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述 的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0029] 本發(fā)明實(shí)例提供的承載鞍在線檢測系統(tǒng)包括計算機(jī)106和兩套相位輪廓測量子 系統(tǒng)。
[0030] 相位輪廓測量子系統(tǒng)是基于相位輪廓測量技術(shù)（PMP)的面結(jié)構(gòu)光掃描系統(tǒng)，每個 子系統(tǒng)均包括二部(XD相機(jī)和一臺DLP(DigitalLightprocessing,數(shù)字光學(xué)處理器）投 影儀；其中，
[0031] 第一相位輪廓測量子系統(tǒng)包含第一C⑶相機(jī)101、第二C⑶相機(jī)102和第一DLP投 影儀108,第二相位輪廓測量子系統(tǒng)包含第三C⑶相機(jī)103、第四C⑶相機(jī)104和第二DLP 投影儀109。
[0032] 在同一相位輪廓測量子系統(tǒng)中，二部CCD相機(jī)的光心軸與相對應(yīng)的DLP投影儀的 光心軸夾角均在20至60度之間，并且測量時保持DLP投影儀與相對應(yīng)的CCD相機(jī)的相對 位置不變。
[0033] 四部C⑶相機(jī)均通過圖像采集卡105與計算機(jī)106相連，測量的過程中保持CXD 相機(jī)和DLP投影儀不動，CCD相機(jī)的圖像采集幀率與DLP投影儀的投影幀率保持一致，將被 檢測承載鞍安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺107上，通過旋轉(zhuǎn)工作臺的運(yùn)動以測量不同位置下承載鞍的 整體三維數(shù)據(jù)。
[0034] 本系統(tǒng)中DLP投影儀108、109向被測物體以每秒90幀以上的幀率投影出一組黑 白正弦光柵圖像，C⑶相機(jī)101、102、103、104與投影儀108、109保持相同的幀率同步拍攝 經(jīng)承載鞍表面調(diào)制變形的光柵條紋，然后由圖像采集卡105將拍攝的圖像數(shù)據(jù)傳送給計算 機(jī) 106。
[0035] 測量的過程中，保持DLP投影儀和四部CCD相機(jī)保持相對和絕對位置不變，將承載 鞍安置于旋轉(zhuǎn)工作臺上，旋轉(zhuǎn)工作臺位于檢測系統(tǒng)的視場范圍內(nèi)，DLP投影儀108和109以 相同的幀率同步投射一系列的正弦光柵到承載鞍的摩擦表面，C⑶相機(jī)101、102、103、104 與投影儀108U09保持相同的幀率同步拍攝經(jīng)表面調(diào)制變形的光柵條紋，圖像采集卡105 將拍攝的圖像數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)106。計算機(jī)106對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，來獲得承載鞍磨 損表面的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對承載鞍的在線檢測。
[0036] 本系統(tǒng)中，DLP投影儀108、109,CCD相機(jī)101、102、103、104的位置保持不變。通 過旋轉(zhuǎn)工作臺每次旋轉(zhuǎn)90°，至少測量旋轉(zhuǎn)工作臺不同的4個位置，從7個掃描方向來來掃 描獲得所有摩擦表面的數(shù)據(jù)。
[0037] 以下說明承載鞍在線檢測的測量過程、測量數(shù)據(jù)的像素的計算過程、及三維坐標(biāo) 點(diǎn)的求解過程，如圖2所示，其詳細(xì)過程為：
[0038] 第1步將承載鞍安置于可以旋轉(zhuǎn)的工作臺上，旋轉(zhuǎn)工作臺位于檢測系統(tǒng)的視場范 圍內(nèi)，投影儀108、109同時像承載鞍表面投射光柵，四部CCD相機(jī)101、102、103、104同步捕 捉經(jīng)調(diào)制變形后的光柵條紋；
[0039] 測量過程中需要通過測量4個不同的工位來獲得承載鞍磨損表面的完整數(shù)據(jù)， 通過改變旋轉(zhuǎn)工作臺的位置來獲得承載鞍各個磨損表面的數(shù)據(jù)：
[0040] (1)初始化轉(zhuǎn)臺到第一工位，投影儀108U09同時像承載鞍表面投射光柵，四部 C⑶相機(jī)101、102、103、104同步捕捉經(jīng)調(diào)制變形后的光柵條紋，獲取測量鞍面弧面S2和推 力擋肩面S3的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而可以通過密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合出鞍面圓弧面的直徑Ds 和推理擋肩間的距離，從而分析其磨耗量；
[0041] (2)旋轉(zhuǎn)臺在俯視方向沿順時針旋轉(zhuǎn)約90°至第二工位（后續(xù)幾個工位的轉(zhuǎn)動方 向與角度相同），然后通過第一、第二相位輪廓測量子系統(tǒng)獲取導(dǎo)框底面d2和導(dǎo)框內(nèi)側(cè)面 d4、s5、s6、s7的三維數(shù)據(jù)，并分析該側(cè)面內(nèi)側(cè)面間的距離與磨耗；
[0042] (3)旋轉(zhuǎn)臺順時針旋轉(zhuǎn)90°至第三工位，然后獲取承載鞍頂面SS、sl、dl的三維數(shù) 據(jù)，由于承載鞍并沒有嚴(yán)格的檢測基準(zhǔn)面，因此本文以磨耗相對均勻的鞍面圓弧面與導(dǎo)框 底面作為基準(zhǔn)，在檢測空間中擬合出基準(zhǔn)平面，并分析底面的磨耗量；
[0043] (4)旋轉(zhuǎn)臺再順時針旋轉(zhuǎn)90°至第四工位，然后通過第一、第二相位輪廓測量子 系統(tǒng)獲取另一側(cè)導(dǎo)框底面d3和導(dǎo)框內(nèi)側(cè)面d5、s4、s8、s9、的三維數(shù)據(jù)（與第二工位相對 應(yīng)），并分析該側(cè)面內(nèi)側(cè)面間的距離與磨耗，此時完成所有磨耗面的三維測量，令旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn) 到初始原位。
[0044] 第2步計算機(jī)106首先對變形的黑白正弦光柵進(jìn)行四步相移解相，計算出被測表 面的像素值；
[0045] 測量過程中，一系列光柵圖像被投影的被測表面，四部CCD相機(jī)同步捕捉經(jīng)調(diào)制 變形后的光柵條紋，假設(shè)投影光強(qiáng)是標(biāo)準(zhǔn)正弦分布，為了采集準(zhǔn)確的像素坐標(biāo)信息，則變形 光柵圖像的光強(qiáng)分布函數(shù)為余弦形亮度梯度函數(shù)，它們的模式可以由下式描述：
[0046]

【權(quán)利要求】
1. 一種承載鞍在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括計算機(jī)、第一、第二相位輪廓測 量子系統(tǒng)； 第一相位輪廓測量子系統(tǒng)包含第一 CCD相機(jī)、第二CCD相機(jī)和第一 DLP投影儀，第二相 位輪廓測量子系統(tǒng)包含第三CCD相機(jī)、第四CCD相機(jī)和第二DLP投影儀； 在同一相位輪廓測量子系統(tǒng)中，二部CCD相機(jī)的光心軸與相對應(yīng)的DLP投影儀的光心 軸夾角均在20至60度之間，并且測量時保持DLP投影儀與相對應(yīng)的CCD相機(jī)的相對位置 不變； 第一至第四CCD相機(jī)均通過圖像采集卡與計算機(jī)相連； 各CCD相機(jī)和各DLP投影儀在測量過程中保持不動，CCD相機(jī)的圖像采集幀率與DLP投 影儀的投影幀率保持一致，安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺上的被檢測承載鞍能夠隨旋轉(zhuǎn)工作臺運(yùn)動， 以測量不同位置下承載鞍的整體三維數(shù)據(jù)。
2. -種使用權(quán)利要求1所述承載鞍在線檢測系統(tǒng)進(jìn)行測量的方法，其特征在于，該方 法包括下述步驟： 第1步將被檢測承載鞍安置于旋轉(zhuǎn)工作臺上，旋轉(zhuǎn)工作臺位于檢測系統(tǒng)的視場范圍 內(nèi)，第一、第二投影儀同時向被檢測承載鞍表面投射光柵，四部CCD相機(jī)同步捕捉經(jīng)調(diào)制變 形后的光柵條紋，按下述過程測量被檢測承載鞍的四個不同的工位： 第1. 1步初始化旋轉(zhuǎn)工作臺到第一工位，第一、第二投影儀同時向被檢測承載鞍表面 投射光柵，四部CCD相機(jī)同步捕捉經(jīng)調(diào)制變形后的光柵條紋，獲取測量鞍面弧面和推力擋 肩面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合出鞍面圓弧面的直徑和推理擋肩間的距 離，分析其磨耗量； 第1. 2步旋轉(zhuǎn)工作臺在俯視方向沿順時針旋轉(zhuǎn)約90°至第二工位，然后通過第一、第 二相位輪廓測量子系統(tǒng)獲取導(dǎo)框底面和導(dǎo)框內(nèi)側(cè)面的三維數(shù)據(jù)，并分析該側(cè)面內(nèi)側(cè)面間的 距離與磨耗； 第1. 3步旋轉(zhuǎn)工作臺順時針旋轉(zhuǎn)90°至第三工位，然后獲取被檢測承載鞍頂面的三維 數(shù)據(jù)，以磨耗相對均勻的鞍面圓弧面與導(dǎo)框底面作為基準(zhǔn)，在檢測空間中擬合出基準(zhǔn)平面， 并分析底面的磨耗量； 第1.4步旋轉(zhuǎn)工作臺再順時針旋轉(zhuǎn)90°至第四工位，然后通過第一、第二相位輪廓測 量子系統(tǒng)獲取另一側(cè)導(dǎo)框底面和導(dǎo)框內(nèi)側(cè)面的三維數(shù)據(jù)，并分析該側(cè)面內(nèi)側(cè)面間的距離與 磨耗，此時完成所有磨耗面的三維測量； 第2步計算機(jī)首先對變形的黑白正弦光柵進(jìn)行四步相移解相，計算出被測表面的像素 值； 第3步利用基于極限約束的立體匹配算法獲取四部CCD相機(jī)所拍攝的圖像的匹配點(diǎn)； 第4步對得到的匹配點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云重構(gòu)，計算出被測物體表面的三維點(diǎn)坐標(biāo)，完成被檢 測承載鞍的斷面測量； 第5步按照下述過程將匹配正確的三維坐標(biāo)點(diǎn)在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下進(jìn)行注冊，將在四個 工位處測量得到的各個磨損表面數(shù)據(jù)拼合起來得到承載鞍磨損表面的完整三維數(shù)據(jù)： 第6步圖像中測量得到的承載鞍磨損表面數(shù)據(jù)進(jìn)行分割和迭代計算來消除三維節(jié)距 邊界的離群值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，第5步具體包括下述過程： 設(shè)OAYA表示第一相位輪廓測量子系統(tǒng)的目標(biāo)坐標(biāo)系，02X2Y2Z 2表示第二相位輪廓測 量子系統(tǒng)的目標(biāo)坐標(biāo)系，設(shè)0AYA為承載鞍在線檢測系統(tǒng)的世界坐標(biāo)系0WXWYWZ W，世界坐標(biāo) 系0WXWYWZW下的坐標(biāo)值為（Xw，Y w，Zw)，和02X2Y2Z 2之間的剛性變換用旋轉(zhuǎn)矩陣R和 平移矩陣L ;視旋轉(zhuǎn)的承載鞍為固定的，視固定的PMP系統(tǒng)圍繞著它旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)工作臺的坐 標(biāo)系和0WXWYWZW之間的剛性變換通過旋轉(zhuǎn)矩陣R n和和平移矩陣Tn表示，i = 1，2， 3,4 ;通過旋轉(zhuǎn)工作臺不同的3D間距采用下式注冊到0WXWYWZW坐標(biāo)系 ： PMP-1三維掃描的數(shù)據(jù)： Pw = Rn*Pn+Tn i = 1,2,3,4 PMP-2三維掃描的數(shù)據(jù)： Pw = ^^(Ro^P^+^+Ti! i = 1,2,3,4 其中，Pw表示世界坐標(biāo)系〇wXwYwZw下的三維數(shù)據(jù)，P n表示旋轉(zhuǎn)到工位i時PMP-1掃描 得到的三維數(shù)據(jù)，Pi2表示表示旋轉(zhuǎn)到工位i時PMP-2掃描得到的三維數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G01B11/14GK104457562SQ201310418909
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】李中偉 申請人:武漢惟景三維科技有限公司