采用光学定位跟踪技术的三维数据拼接算法

为了实现大型自由曲面的三维面型测量,提出了采用光学定位跟踪技术的数据拼接方法。平面靶标作为中介,固定在测量系统上,靶标上的特征点在测量坐标系中的坐标通过中介坐标转换法获得。利用双目立体视觉构建跟踪定位系统,并以跟踪坐标系为全局坐标系,获取平面靶标上特征点的三维全局坐标,求得测量坐标系到全局坐标系的转换矩阵,将测量传感器在不同位置下所测的各子区域的三维数据统一到全局坐标系下,完成大型自由曲面的全局测量。对平面靶标上100个点进行两次测量,实验结果表明：单次测量精度为0.08mm,拼接均方误差小于0.237mm。该方法操作简单、可行,能满足一般的精度要求。     

基于一维靶标的多视觉传感器全局校准

基于交比不变性原理和一维靶标点共线的特点,提出了一种多视觉传感器全局校准方法。以一个视觉传感器坐标系为基础,建立全局坐标系,称该视觉传感器为基础视觉传感器。将一维靶标在基础视觉传感器和待校准视觉传感器前合适位置摆放至少两次。对每个视觉传感器,根据拍摄得到的三个或三个以上靶标点图像坐标,由交比不变性原理,求解不在视场区域的靶标点图像坐标。结合靶标点之间的距离约束,求解待校准视觉传感器到基础视觉传感器的转换矩阵。根据一维靶标特征点共线的特点,通过捆绑调整方式得到转换矩阵的最优解。最后通过两两视觉传感器校准的方式完成多视觉传感器全局校准。该方法不需外部辅助设备、简单灵活,实用性强。试验证明全局校准精度可达0.041mm。     

一维靶标的多视觉传感器全局校准

基于交比不变性原理和一维靶标点共线的特点,提出了一种多视觉传感器全局校准方法.以一个视觉传感器坐标系为基础建立全局坐标系,称该视觉传感器为基础视觉传感器.将一维靶标在基础视觉传感器和待校准视觉传感器前合适位置摆放至少两次,根据拍摄得到的 3 个或 3 个以上的靶标点图像坐标,由交比不变性原理,对每个视觉传感器求解不在视场区域的靶标点图像坐标.结合靶标点之间的距离约束,求解待校准视觉传感器到基础视觉传感器的转换矩阵.根据一维靶标特征点共线的特点,通过捆绑调整方式得到转换矩阵的最优解.最后,通过两两视觉传感器校准的方式完成多视觉传感器全局校准.该方法不需外部辅助设备,简单灵活,实用性强,全局校准精度可达0.041 mm.     

实现物体360°轮廓测量的新型轮廓拼接方法

提出一种新型轮廓拼接技术用来实现复杂物体的360°几何轮廓的测量。应用光栅投射三维轮廓技术使被测物绕旋转轴进行多次旋转,获得能覆盖整个物面的多个单视角的三维坐标,利用坐标变换将这些数据转换到统一的坐标系下,然后应用正负方向掩膜矩阵法拼接合成物体360°轮廓。实践表明,应用该方法物体只需在4个角度0°、90°、180°、270°进行旋转,就能快速得到物体360°轮廓,它不仅可以用于普通连续面形的测量, 又可以用于含有间断的面形即自由曲面的测量。     

线结构光多视觉传感器现场同步校准方法

现有线结构光多视觉传感器现场校准通常需要先完成线结构光视觉传感器局部标定,再进行多视觉传感器全局校准,效率低、且在搬运过程容易对线结构光视觉传感器局部标定结果造成影响,降低测量系统精度。针对以上问题,提出一种可以同步实现线结构光视觉传感器局部标定和多视觉传感器全局校准的现场同步校准方法。该方法以自由移动三次以上的一维靶标为中介,将两个无共同视场的线结构光视觉传感器联系在一起。以一维靶标特征点距离已知为约束条件,由交比不变性,得到所有一维靶标点及光条与一维靶标相交点在各线结构光视觉传感器图像坐标系下的图像坐标,进而求解出两个线结构光视觉传感器之间的转换矩阵和一维靶标特征点及光条与一维靶标相交点在全局坐标系下三维坐标,通过拟合求解全局坐标下的光平面方程,采用非线性优化算法求解出两个线结构光视觉传感器间的转换矩阵与光平面方程的最优解。如果视觉传感器多于两个,可通过两两校准方式实现多个视觉传感器现场校准。试验结果表明,该方法同步校准方均根误差可优于0.14 mm。     

基于单目视觉的机器人标定方法

为了辨识出机器人模型的准确参数,提出一种利用单目视觉标定机器人的方法.将摄像机安装在机器人或其延长杆上,使其随机器人转轴转动并拍摄固定的平面点靶标,利用基于径向排列约束(Radial-alignment-constraint,RAC)的标定法对摄像机进行标定并求出摄像机光心在世界坐标系中的坐标.利用得到的光心的坐标,即可获得关节轴线在世界坐标系下的轴线方程.建立机器人运动学模型,利用关节轴线方程得到了模型的准确几何参数.试验结果表明,此方法具有较高的精度,且该方法标定过程简单,便于实际应用.     

基于一维靶标的多摄像机现场全局校准

基于一维靶标特征点共线的特点,提出一种多摄像机全局校准方法.以其中一个摄像机坐标系为基础,建立全局坐标系,称该摄像机为基础摄像机.在基础摄像机与待校准摄相机前将一维靶标无约束摆放至少两次.计算每个摆放位置一维靶标所在空间直线在图像中的消影点.结合一维靶标点共线的特点,分别求解全部一维靶标点在两个摄像机坐标系下三维坐标.通过两个摄像机坐标系下一维靶标对应特征点的三维坐标求解待校准摄像机坐标系到基础摄像机坐标系的转换矩阵,采用非线性优化方法求解转换矩阵的最优解.当摄像机多于两个时,通过两两摄像机校准的方式完成多摄像机全局校准.该方法不需要高精度外部辅助设备、简单灵活、实用性强.试验证明该方法灵活方便,切实可行.     

线结构光与CMM集成测量系统一体化标定方法

线结构光三维视觉与三坐标测量机(CMM)测量系统的集成能够实现对复杂零件表面快速高精度的测量。系统的标定是实现集成测量的关键步骤,包括摄像机内外参数标定,光平面结构参数标定和两个测量系统测量坐标的全局统一。提出了线结构光与CMM集成测量系统一体化标定方法,首先采集多幅不同位姿下带有光条纹的2D靶标图像,然后利用CMM接触测头测量得到某一位姿2D靶标角点在CMM坐标系下的世界坐标,利用交比不变原理求取靶标上特征点的三维坐标,进而求取线结构光视觉传感器测量参数和线结构光传感器测量数据到CMM坐标系下的转换矩阵,实现一次数据采集完成集成系统所有测量参数的标定,标定方法简单且精度和效率较高。     

结构光视觉传感器通用现场标定方法

建立结构光视觉传感器通用数学模型,提出一种基于平面靶标的结构光视觉传感器结构参数标定新方法.在测量空间不同位置多次随意摆放平面靶标,结构光投射在靶标表面,摄像机拍摄靶标图像.利用靶标上特征点及对应的图像点求解靶标坐标系到摄像机坐标系的转换.根据靶标平面与图像平面之间的同射变换获得结构光标定点在靶标坐标系下的坐标,并统一到摄像机坐标系下,在此基础上拟合出结构光方程.该方法获得标定点效率高,能胜任点、线、曲面等任何模式结构光视觉传感器的现场标定.试验结果表明,该方法具有较高的标定精度.     

高速列车动态包络线测量一种现场快速标定方法

列车动态包络线是评定列车安全运行的一项重要指标,基于双目立体视觉的方法是目前能够实现速度超过200 km/h列车动态包络线测量的唯一方法.因受到大视场和标定时间的严格限制,便携的标定设备、易于搭建的靶标和快速的标定算法便成为标定过程需要满足的三个条件.本文提出一种新的基于双目立体视觉的大视场现场快速标定方法,设计轻型便携靶标,靶标上40个反光标记点表示铁轨坐标系,并用于计算双相机内外参数.并且,双相机仅需同时拍摄一张靶标图像,就能实现双相机内外参数快速一体化标定.实验结果表明,该方法测量精度可达±1 mm,能够满足高速列车动态包络线测量现场标定要求.     

基于双处理器架构的列车超限检测系统研究

铁路货运列车超限严重威胁着铁路运营安全.而目前国内已有的检测系统难以实现对静态列车的便携式、高速、高精度测量.研究了一种基于双处理器架构的列车超限检测系统,硬件上采用嵌入式主板代替个人计算机提高了系统的便携性,其中ARM管理系统实时多任务并维护嵌入式GUI,32位专用DSP保证了系统测量精度并优化了图像处理速度.软件部分基于嵌入式Linux系统,开发了各外设的驱动程序和应用程序,其中HPI中断方式的驱动程序提高了双核数据传输的效率.设计的超限检测系统机箱体积为40 cm× 40 cm×25 cm,在30 min内可以完成一节10 m车厢的超限检测,耗时仅为手工测量的1/5并且能够达到mm级的测量精度.     

铁路货车底部超限测量系统

铁路货物运输中，底部超限测量一直是安全监测上的难点。介绍了一种利用线激光投影结合图像量测进行铁路货车底部超限测量的方法。系统采用激光三角法的原理，利用红光线激光器和CCD传感器组成测量系统，并提出了一种快速的基于边缘提取的激光线提取算法；设计了精确的标定装置，提出了相应的标定方法，使超限货物能被准确地测出。描述了完整的系统硬件组成和软件结构，经过了多次实验，结果证明测量系统准确可靠。     

基于3D技术的货车车体图像检测应用研究

针对货运列车在神华铁路日常的运营过程中,车辆车体受外界及自身磨耗等因素的影响,而造成车体破损、车体仓门缝隙过大,甚至出现严重破损等故障。而故障诊断是实现铁路科学维修决策的重要依据。本文提出了一种利用3D图像检测技术,进行货车车体故障数据处理和诊断的方法。引入主流成像技术,提出一种采用三维图像采集方式,用于覆盖车体整个侧部表明图像的拍摄。进行了车体数据采集、3D深度数据分析、数据测试,并通过实验验证了方法的有效性。     

列车车载式超偏载检测系统的设计

针对当前快速铁路货运安全行车的背景,设计了一种车载式超偏载检测系统,用于检测列车是否发生超偏载并及时报警。该系统的配重检测模块基于MC9S12DG128设计,检测每列车体前后2个转向架上的空气弹簧压力,通过串口将数据传送给车载网关,车载网关基于Cortex-A8平台设计,实现协议转换,通过以太网将数据传送给上位机,上位机根据空气弹簧的气压-负载特性,计算出车厢载重情况。试验证明,该系统能够实现列车的超偏载检测,对推进快速铁路货运发展具有实际意义和应用价值。     

重载快捷铁路货车协同仿真分析管理系统研究

从重载快捷铁路货车研发活动对仿真分析的需求出发,结合中国轨道交通装备制造业的客观现实,阐述了仿真分析管理系统的概念以及重载快捷铁路货车协同仿真分析管理系统的架构、实现途径、硬件配置方案、预期效果等方面的问题,为协同仿真分析管理系统的建设提供理论依据和方法论的指导。     

基于离线监督性学习的高铁轮轨关系在线检测技术

为维持高铁稳定运行,提升资源运输安全,在离线监督性学习算法的基础上,提出了一种轮轨关系在线检测技术。通过高速摄像机获取待检测图像,并进行拼接处理;计算加速度、轮轨力和轮轨间关系,依据关键部分的振动值得到列车的加速度值,以此判断列车是否处于平稳运行状态;通过间接测量法计算列车的横向力平衡方程和侧滚力矩平衡方程,得到轮轨力具体值;通过 k 均值算法聚类处理以明确各个样本的类中心,找出样本数量最少的类,设为异常类,完成高铁轮轨关系的在线检测。仿真实验结果表明,在稳定性、数据可靠性和实际应用方面,各项参数曲线变化幅度极为相同,曲线走向几乎一致,且使用后的轮轨接触状态较好,满足高铁轮轨关系在线检测技术的实际应用需求。     

基于快速DBSCAN聚类的铁路异物侵限检测算法

在铁路建设及运营阶段,侵入限界的异物对既有线的安全行车构成极大威胁。将复杂的空间侵限检测转换为简单的平面内异物检测,研究利用二维激光测距传感器构建三维幕墙的侵限检测方法。在异物检测过程中,正常通过的列车不能认作异物,必须设计合理的算法检测并予以剔除。由于列车主要体现在轨道平面的检测结果中,重点研究通过分析扫描点云的分布特征对轨道平面内侵限物体进行分类的算法,提出了利用测量序列极值点作为核心对象的快速DBSCAN(density-based spatial clustering of applications with noise)聚类方法,并利用点簇的运动及分布特征判断是否为正常通过列车。现场试验表明,该方法能够有效区分侵限异物和正常通过的列车。     

Dynamic analysis of train-bridge system and riding comfort of trains with rail irregularities

In this study, a modal superposition approach was adopted to derive the dynamic response of coupled vehicle and bridge systems. The train comprises a number of railway cars, each of which is modelled with ten degrees of freedom. The railway bridge was represented by a simply supported beam modelled as Euler-Bernoulli beam. In the numerical simulations, dynamic responses at the mid-span of the bridge and dynamic responses of the train under different train speeds are computed with random and non random rail irregularities. Effect of parameters like the depth and the position of the imperfection on the rail are taken into account. The coupled system of equations is integrated numerically by the newmark’s β method. The results obtained show that the rail irregularities affect the vertical acceleration of the train, which serves as a measure of the riding comfort of the trains moving over a bridge.     

桥门式起重机轨道检测系统

基于激光三角原理提出了一种用于桥门式起重机轨道检测的方法,并开发了适于此类轨道的检测系统。该系统主要包括轨道测量机器人、全站仪、三维重构计算系统。轨道测量机器人携带角隅棱镜沿轨道前进,全站仪实时追踪角隅棱镜的位置,根据记录数据重构出轨道顶面中心线的空间形状,进而计算出轨道的直线度,双轨平行度,轨道跨距等参数,以此为依据对轨道进行维修或者更换。该系统的测量精度可达±2mm,与原有检测方法相比,其检测效率提高约50％。     

Laboratory test and FEM analysis on a developed continuous rail absorber (CRA)

Rail has a significant contribution in overall produced noise in railway freight tracks. Implementing rail noise absorbers is a promising way to increase the attenuation of the vibration. Designing of a rail noise absorber to work in critical frequencies in which the rail undergoes its maximum vibration is crucial. Moreover, total cost of installation, maintenance, repair, and operations as practical aspects of manufacturing have drew the attention of researchers. Regard to this point, the authors have developed a continuous rail noise absorber (CRA) which is composed of steel and elastomeric layers. The lateral and bottom surfaces of the rail is covered by the layers using specialized proprietary adhesive. The initial investigations and survey of the problem is reported in the authors’ previous paper which resulted in proposition of CRA. In this research CRA is produced and laboratory tests are carried out on a disjointed section of Tehran-Zanjan commercial rail track to determine the efficiency of the noise absorber system. It is revealed that the noise of rail availed of CRA is decreased about 9 dB in frequency range 500-2000 Hz. Owing to its noncomplex structure and lower cost of installation, CRA is a desirable noise absorber system for railway administrations. Furthermore, experimental values are compared with those ones obtained through a finite element model which are in a good agreement.