高速機(jī)車(chē)車(chē)體動(dòng)態(tài)限界檢測(cè)系統(tǒng)的可行性報(bào)告

關(guān)于高速機(jī)車(chē)車(chē)體動(dòng)態(tài)限界檢測(cè)系統(tǒng)的可行性報(bào)告機(jī)車(chē)車(chē)輛及動(dòng)車(chē)組整車(chē)線(xiàn)路高速運(yùn)行試驗(yàn)中，需要精確測(cè)量車(chē)體限界。傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)限界測(cè)試方法采用激光測(cè)距二維重構(gòu)成像技術(shù)，測(cè)量車(chē)體的外部輪廓。該測(cè)量方法由于受激光傳感器掃描速度的限制，不能滿(mǎn)足時(shí)速500公里以上的試驗(yàn)要求。本系統(tǒng)采用激光在車(chē)身打上標(biāo)記，用高幀頻攝像機(jī)攝取并存儲(chǔ)高速運(yùn)動(dòng)車(chē)體的視頻圖像，利用三維動(dòng)態(tài)變形測(cè)量技術(shù)和視頻判讀方法，對(duì)高速運(yùn)動(dòng)車(chē)體的限界實(shí)現(xiàn)光電非接觸式精密測(cè)量。技術(shù)要求系統(tǒng)測(cè)量精度≯0.1%；距離測(cè)量誤差≯2mm；工作環(huán)境溫度-15℃～55℃；工作環(huán)境濕度5%～90%；擬建裝備將用于室外現(xiàn)場(chǎng)，因此要求具有較高的環(huán)境適應(yīng)能力；車(chē)長(zhǎng)：25000mm；車(chē)寬：3500mm。2、技術(shù)方案逢2.1卻依基于高速攝喚像的三維動(dòng)納態(tài)變形數(shù)字嚇化測(cè)量原理杯本方案基于紀(jì)車(chē)體是剛體歐的考慮和車(chē)逃體外形輪廓奏已知的前提爸，利用綱高速攝像和童計(jì)算機(jī)輔助儀技術(shù)來(lái)獲取傳高速運(yùn)動(dòng)車(chē)夜體的限界數(shù)帳據(jù)。具有不祥損傷物體表筑面，材料適蠶應(yīng)性廣，測(cè)柔距大，精度湊高等優(yōu)點(diǎn)，盛系統(tǒng)誤差為應(yīng)小于1怖m(xù)m延。羊測(cè)量原理概組述：測(cè)量速度端假設(shè)車(chē)輛運(yùn)臟行速度為蘆5夠00Km/診h，選擇攝鄉(xiāng)像機(jī)的幀頻巨1000H冊(cè)z，也就是盟兩幀圖像的維間隔時(shí)間為找0.1ms返，可以算出辣在0.1m拳s的時(shí)間里佩車(chē)輛移動(dòng)了圓138.8鋼mm。因?yàn)榧?xì)圖像能覆蓋貝1024m掏m柔×孩1024m伍m的面積，勇所以?xún)蓭瑘D膛像中車(chē)廂的旦標(biāo)記位置移蕉動(dòng)了大約誰(shuí)0.135色視場(chǎng)，攝像清機(jī)可以清晰僅拍下以?xún)?chǔ)5墻00Km/販h運(yùn)動(dòng)的車(chē)替輛，供分析燒測(cè)量。婆攝像機(jī)兼（加窄帶濾制光片）許除借了系統(tǒng)裝調(diào)首、環(huán)境條件撥造成的測(cè)量麗誤差以外，植攝像機(jī)的分膀辨能力是一癥項(xiàng)主要的誤歸差來(lái)源。本雷系統(tǒng)的攝像序機(jī)應(yīng)選擇高圓分辨率的。畜例如加拿大線(xiàn)Mega刑Speed條Corp挨公司生產(chǎn)的熊MS50K慎（1280爺×宵1024像撤元，500鋸fsp）和聲MS55K寄（1280想×丸1024像壽元臉，1000占fsp）都鍬可以滿(mǎn)足要揭求。津考慮到現(xiàn)場(chǎng)要試驗(yàn)，陽(yáng)光炕的影響很大蜻，需要采用持窄帶濾光片烤盡量濾掉總激光波長(zhǎng)以絞外的雜光，窄為信號(hào)處理溝創(chuàng)造良好的手條件。傲根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)昌場(chǎng)的布局，澇選擇（或設(shè)棚計(jì)加工）合飼適的光學(xué)系編統(tǒng)，既保證稈測(cè)量視場(chǎng)，嗎又要保證測(cè)臂量精度。線(xiàn)光源技術(shù)參數(shù)計(jì)波長(zhǎng)范圍：卸635nm師/65才0nm/精658nm航電源輸入：勞A(yíng)C17言0～250代V/DC魔4.5V圖1帶調(diào)整架的線(xiàn)激光源桶工作方式：圖1帶調(diào)整架的線(xiàn)激光源錘出瞳躬功率：10屠0返mw航光束直徑：勿3M處線(xiàn)寬所≤盯2mm嚇扇堅(jiān)角：90勝°～12捧0°遣頻率：連續(xù)添光輸出葉光束質(zhì)量：谷細(xì)線(xiàn)，均勻膊，明亮難直線(xiàn)度：草≥1/50服00亂工作溫度：蜓－10℃～創(chuàng)50℃炮2.2食旬測(cè)試方法曲：中瘋將靶標(biāo)（基愚準(zhǔn)圖形）貼去到盜車(chē)體表面（速如圖皇2耍所示），由送于圖形的幾滲何參數(shù)已知名，從觀(guān)測(cè)點(diǎn)竄來(lái)看，靶標(biāo)孫的圖像發(fā)生番的變化就代世表了車(chē)體位慶置和姿態(tài)的淘變化。躁攝像機(jī)安裝繩的距離和角姐度通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)灰校準(zhǔn)，攝取猛車(chē)體上靶標(biāo)蚊的圖像，經(jīng)沫過(guò)圖像采集則卡變成圖像遵數(shù)據(jù)，保存淡在計(jì)算機(jī)中備，事后對(duì)靶盒標(biāo)的圖像進(jìn)竄行視頻判讀內(nèi)，就可以精葬確推算出車(chē)萍體在X方向仰的限界坐標(biāo)怠。宰視頻判讀號(hào)的圖像如圖洪3由所示。杜A、B、伍C腥、體D青表示靜止或泛慢速行駛的哭車(chē)體上靶標(biāo)肆的圖像(藍(lán)熟色十字絲）鹿，要A′、B′其、Ｃ′、Ｄ妹′嗎表示高速行猶駛的車(chē)體上蠻靶標(biāo)的圖像諸(紅色十字垮絲）。由于平車(chē)體在離心兇力的作用下醫(yī)，沿著Ｘ軸遼的負(fù)方向向親外移動(dòng)。靶濃標(biāo)離攝像機(jī)先的滾距離增加，記因此在攝像厚機(jī)靶面上成答的像的大小亮和比例將發(fā)扔生變化。攝像機(jī)攝像機(jī)XYZOAABCDA′B′C′D′圖圖3基于車(chē)體靶標(biāo)的車(chē)體限界判讀測(cè)量示意圖圖圖2基于車(chē)體靶標(biāo)的單攝像機(jī)測(cè)量方案示意圖LfDdΔdΔL央遲攝像機(jī)的光澆學(xué)成像原理云如圖謠4催所示。以1LfDdΔdΔL冠涼根現(xiàn)陷圖喝4另攝像機(jī)的陶光學(xué)成像原朽理啊從惹當(dāng)車(chē)體在蹦X方向向外餅移動(dòng)先ΔL距離時(shí)罩，靶標(biāo)的像帖在尺寸上將粉縮小Δ韻d根。只要精確舒測(cè)出蓄Δd，就可僵以精確計(jì)算陡出ΔL，得英到車(chē)體的限孔界。圖5靶標(biāo)圖形醒車(chē)體標(biāo)記的圖5靶標(biāo)圖形鑼用印有規(guī)定經(jīng)圖形的靶紙貌（如圖附5桂所示）貼在傭車(chē)體上。裕圖形大小約赤1m查×嚴(yán)1m。用高秩幀頻攝像機(jī)映攝取車(chē)體靶男標(biāo)記功的圖像。為若了提高測(cè)量元精蹈度，盡量使政圖像充滿(mǎn)視羞場(chǎng)。攔也賣(mài)可以用幾只欄激光器組成禍一組平行光純投射到車(chē)體域上產(chǎn)生靶標(biāo)積圖形，例如巷圖纖6漂所示。這種簽辦法的優(yōu)點(diǎn)權(quán)是可以保證私每幀圖像都巧能準(zhǔn)確地拍封到靶標(biāo)的像煙。車(chē)體車(chē)體激光靶標(biāo)（b）激光靶標(biāo)（a）激光靶標(biāo)向車(chē)體投射圖6激光靶標(biāo)及其向車(chē)體投射示意圖測(cè)量精度：LLΔLΔdD2Dff易若攝像機(jī)的形1個(gè)象元尺膚寸為b,笨鏡頭焦距f諒，則瞬時(shí)視煤場(chǎng)=2再tg-1（殲b/2f）丑。絹所以，一個(gè)倆象元對(duì)應(yīng)給僅定距離L處色的線(xiàn)視場(chǎng)就攔決定了系統(tǒng)導(dǎo)的測(cè)量精度洽。對(duì)于同樣艷的車(chē)體移動(dòng)衡Δ拼L懂，靶標(biāo)小1逆倍，攝像機(jī)圈鏡頭焦距大束1倍，測(cè)量疤的精度參Δ毒d需一樣。所以膏，車(chē)體靶標(biāo)禁的尺寸可以喊小一點(diǎn)。葬設(shè)正方形車(chē)禁體靶標(biāo)的邊圈長(zhǎng)D=0.叼5m，L=旋2.潮5m，攝像襯機(jī)分辨率為標(biāo)1000菜×源1000，勤1個(gè)像元尺六寸為b=6辣.8廢μ終m，若車(chē)體觸靶標(biāo)的像大滲小為100采0個(gè)像元=坦6.8mm俗，則f=3屠4mm。雀因?yàn)樗娜袅羁ず羋=過(guò)6.8銹μ意m,則有飯所以，閣Δ歌L=2.5覆mm,鬧測(cè)量槍視場(chǎng)角咱θ胳=2tan莫-1門(mén)(250/北2500）落=11.4抬°，模在距離為L(zhǎng)豐=2.5m弱處，測(cè)量精康度約為0.毒1%?？葴y(cè)量系統(tǒng)的降標(biāo)校：炮在如圖衛(wèi)7泄所示的圖像比中，車(chē)體靶鏈標(biāo)的圖像位授置是相對(duì)于遞攝像機(jī)靶面守的坐標(biāo)系統(tǒng)萄。因此，攝獻(xiàn)像機(jī)的大地鍛坐標(biāo)必須知丑道?？梢圆蓧炄∈孪然蚴氯呛笥脤?zhuān)門(mén)的孔靶標(biāo)對(duì)攝像略機(jī)的靶面坐且標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行索現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)校。妖專(zhuān)用靶標(biāo)可寧以用代表車(chē)奔體的靶板在底類(lèi)似軌道尺釣的設(shè)備上，斃靶板上繪制臉定制尺寸的扶圖形，如圖橋7是-a所示。煙使專(zhuān)用靶標(biāo)潤(rùn)的位置處于掩車(chē)體靜止時(shí)鑄的位置?，F(xiàn)迷場(chǎng)標(biāo)校時(shí)，僻將專(zhuān)用靶標(biāo)謀放在測(cè)量標(biāo)飄記點(diǎn)，讓靶積標(biāo)圖形正好各成像在靶面澡的中心（如腸圖甩7驗(yàn)-b）即可腳。圖像處理?yè)裣到y(tǒng)根據(jù)靶程標(biāo)圖像就可鵝以標(biāo)定攝像往機(jī)的視角和斗測(cè)量距離。液如果采用激鵲光靶標(biāo)，則間專(zhuān)用的靶板頂上不需要有儉任何圖形蓮。動(dòng)態(tài)車(chē)體妨限界測(cè)量時(shí)輝，標(biāo)校好的攔攝像機(jī)不動(dòng)徹，根據(jù)車(chē)速陽(yáng)提前啟動(dòng)攝嫂像機(jī)拍照，高事后進(jìn)行判妙讀。要想沿注著軌道六多點(diǎn)測(cè)量，劑需要將專(zhuān)用森靶標(biāo)沿著軌踩道推到指定研位置重新標(biāo)桂校。專(zhuān)用靶標(biāo)專(zhuān)用靶標(biāo)伍老唱碑?dāng)∵\(yùn)(a)猛拌去薯同史總椅(b)梢文雨手圖版7涉測(cè)量系元統(tǒng)的標(biāo)校計(jì)算機(jī)釀?dòng)?jì)算機(jī)的任其務(wù)是對(duì)高速積攝像機(jī)攝取渣的圖像進(jìn)行徑判讀。本方錯(cuò)案采用計(jì)算劫機(jī)輔助企調(diào)整南圖像烏的狂對(duì)比度膝、亮度，糠半自動(dòng)茅判讀取車(chē)體限界。箱關(guān)鍵是軟件抄的研制和人田機(jī)界面的方兆便有效，保覽證能夠島進(jìn)行快速、戒高精度的事愛(ài)后判讀唐。投測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的低布置耀由寫(xiě)于測(cè)量系統(tǒng)敢由多個(gè)精末密部件組成慕，整個(gè)測(cè)量丑系統(tǒng)需要仔胞細(xì)包裝后運(yùn)鞋到現(xiàn)場(chǎng)展開(kāi)復(fù)使用?，F(xiàn)場(chǎng)世要求不高，犧地勢(shì)開(kāi)闊就勾行。加固的工三角架，調(diào)典整攝像機(jī)視翻軸和線(xiàn)光源凳指向，確信晨可以拍攝車(chē)廁輛的圖像。禁沿弱著車(chē)輛運(yùn)行威的反方向，稅設(shè)置啟動(dòng)信紅號(hào)發(fā)生器1陽(yáng)臺(tái)，作為高薄速攝像機(jī)的顧啟動(dòng)信號(hào)，放保證拍攝到投車(chē)輛的標(biāo)記底；宵攝像機(jī)和信須號(hào)發(fā)生器分賀別通過(guò)電纜歡連到控制臺(tái)果，進(jìn)行實(shí)況漂顯示、圖像英處理、測(cè)量薯程序和遠(yuǎn)程潮通信的控制免。征為了保證測(cè)魯量的準(zhǔn)確性吩和可靠性，廣兩懷套設(shè)備從軌譯道兩邊同時(shí)太測(cè)量測(cè)量。測(cè)量系統(tǒng)液湊攝像機(jī)和激慚光靶標(biāo)都要御放在有手動(dòng)仇調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的施三腳架上。直因此三腳架