基于结构光的列车走行部异物检测技术研究
发布时间：2021-12-24 14:55
列车走行部检测是铁路安全运营的一项重要的保障措施。传统的走行部检测依靠人工巡检,其成本高且效率很低。随着数字图像技术的发展,利用机器视觉实现走行部检测是目前铁路智能检测技术研究的一个热点。与二维视觉相比,三维视觉能更直观地反映物体的大小、形状和体积等信息,克服对比度差、颜色干扰等问题。因此论文针对列车走行部三维视觉检测问题展开研究,主要工作内容如下:首先,搭建了一套列车走行部检测实验平台,包括结构光扫描模块、扫描启动光电模块、走行部模块以及上位机。结构光扫描模块由线激光器和相机组成,实现列车走行部图像数据的扫描;扫描启动光电模块由光电开关和单片机组成,利用触发信号控制结构光扫描模块启动和停止;走行部模块由实验机车和控制台组成;上位机完成上述设备的驱动、图像采集和数据可视化等工作。同时结合硬件设计并实现了一套走行部三维测量的软件系统。其次,利用扫描图像数据实现走行部三维重建和表面重构。先对相机、光平面以及基平面参数进行了标定,再通过阈值分割法对在走行部上采集的光条图像预处理,用细化法和灰度重心法提取光条中心,根据三角几何法测量原理和前面标定的参数计算光条中心的三维坐标,获得走行部三维点云...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２三维测量分类??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?３Ｄ?ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．??
搭建了一套软硬件结合的走行部三维测量实验平台。??２．１实验平台方案??列车走行部结构光三维扫描系统方案如图２－１所示，分为结构光扫描模块、??扫描启动光电模块、走行部模块以及上位机。结构光模块放置在铁轨侧部１－２米??处，由线激光器和工业相机组成，主要功能为采集和传输走行部扫描图像。扫描??启动光电模块主要部件为光电开关，分别放在左右两侧，左侧为开始采集点，右??侧为结束采集点，每侧光电开关由发射器和接收器组成，扫描启动光电模块主要??功能为发送触发信号到结构光扫描模块和计算机车的平均速度，利用触发控制结??构光扫描模块数据采集的开始和结束。走行部模块主要由机车和控制台组成。上??位机的主要功能为人机交互、图像处理、走行部三维重建、异物检测等。??光电开关接收端光电开关接收端??机车???＾?ｍｋ??——￡?Ｉ?￡?ｆ?Ｉ?ｉ?ｔ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?／／／／／／??光电开关发射端＜?４光电开关发射端??线激光器＿?ｉ）工业相机??幵始采集点Ｉ?「鬲涵集点］??激光器和相机固定架?￥??上位机??图２－１列车走行部结构光三维扫描系统方案??Ｆｉｇｕｒｅ?２－１?Ｓｃｈｅｍｅ?ｏｆ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ?ｌｉｇｈｔ?３Ｄ?ｓｃａｎｎｉｎｇ?ｓｙｓｔｅｍ?ｆｏｒ?ｔｒａｉｎ?ｂｏｇｉｅｓ．??结构光扫描模块是实验平台的核心模块，由光源、相机和被测物体组成。光??源将编码的结构光照射到被测物体的表面，因其高度变化，结构光发生畸变，被??与光源处在某一夹角位置的相机获取，得到被测物体表面结构光的畸变图像。利??用相机成像模型和三角几何测量原理
?列车走行部三维测量实验平台??图２－３现场实物图。１光电开关；２线激光器；３工业相机；４上位机；５机车??Ｆｉｇｕｒｅ?２－３?Ｆｉｅｌｄ?ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．?１?ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｓｗｉｔｃｈ；?２?ｌｉｎｅａｒ?ｌａｓｅｒ；?３?ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ?ｃａｍｅｒａ；?４?ｕｐｐｅｒ??ｃｏｍｐｕｔｅｒ；?５?ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ．??（开始）??１??异物测???标定数据采集?光条图像采集?加载基准点云??相机标定??Ｙ?｜?模型差分????阈值分割?Ｉ??ｒ?ｊ光平＾标定?异物检测与＊Ｉ量??＾＾?？?，?１?：??标＾结果ｉ?１基平＾标定?｜光条中ｌ提取?背景点Ｓ去除一??标定结果??ｙ??点云滤波与平滑??……系２！定—＊？三维重建?表面重构????＿?士?＿??（结束）??图２－４工作流程图??Ｆｉｇｕｒｅ?２－４?Ｗｏｒｋｆｌｏｗ?ｆｌｏｗｃｈａｒｔ．??２．２实验平台搭建??实验平台主要包括工业相机、激光器等硬件设备和软件两个部分，本小节根??据实验条件和要求对硬件设备进行选型和软件设计，完成实验平台的搭建。??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于结构光的高反物体三维形貌测量方法[J]. 杨鹏斌,邓林嘉,陈元,伏燕军,徐天义,王霖. 中国激光. 2019(02)
[2]基于两步法的摄像机标定算法[J]. 崔凌燕,陈婧. 测试技术学报. 2018(02)
[3]我国某铁路局2005—2014年行车事故分布规律分析[J]. 王列妮,牟瑞芳,张磊. 安全与环境学报. 2018(01)
[4]铁路客车故障轨旁图像监测系统（TVDS）统型机设计及运用[J]. 肖齐. 铁道机车车辆. 2018(01)
[5]基于改进的区域生长三维点云分割[J]. 李仁忠,刘阳阳,杨曼,张缓缓. 激光与光电子学进展. 2018(05)
[6]动车组运行故障动态图像比对分析方法[J]. 路绳方,刘震. 激光与光电子学进展. 2017(09)
[7]基于棋盘格的线结构光平面标定方法[J]. 李瑞,熊显名. 仪器仪表用户. 2017(04)
[8]基于多阈值归一化分割的模糊图像边缘分割算法[J]. 黄爱华,王航,唐卫东. 半导体光电. 2017(01)
[9]基于连通区域的复杂车牌的字符分割算法[J]. 施隆照,王凯. 计算机工程与设计. 2016(08)
[10]轨道车辆故障诊断研究进展[J]. 刘志亮,潘登,左明健,李兴林. 机械工程学报. 2016(14)
硕士论文
[1]基于结构光的室内场景精确三维重建技术研究[D]. 张洪龙.中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院) 2018
[2]基于结构光和双目视觉的三维重建系统研究[D]. 赵焕谦.哈尔滨工业大学 2017
[3]基于机器视觉的TFDS典型故障识别方法研究[D]. 艾广.兰州交通大学 2017
[4]线结构光视觉测量光条中心提取及评价方法研究[D]. 史燕.华北理工大学 2017
[5]基于3D-TOF图像传感器采集系统的设计与实现[D]. 段志坚.湘潭大学 2015
[6]基于线结构光的三维重构[D]. 罗聪.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[7]基于计算机视觉的不规则物体体积测量方法研究[D]. 张娜.陕西科技大学 2015
本文编号：3550687
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２三维测量分类??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?３Ｄ?ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．??
搭建了一套软硬件结合的走行部三维测量实验平台。??２．１实验平台方案??列车走行部结构光三维扫描系统方案如图２－１所示，分为结构光扫描模块、??扫描启动光电模块、走行部模块以及上位机。结构光模块放置在铁轨侧部１－２米??处，由线激光器和工业相机组成，主要功能为采集和传输走行部扫描图像。扫描??启动光电模块主要部件为光电开关，分别放在左右两侧，左侧为开始采集点，右??侧为结束采集点，每侧光电开关由发射器和接收器组成，扫描启动光电模块主要??功能为发送触发信号到结构光扫描模块和计算机车的平均速度，利用触发控制结??构光扫描模块数据采集的开始和结束。走行部模块主要由机车和控制台组成。上??位机的主要功能为人机交互、图像处理、走行部三维重建、异物检测等。??光电开关接收端光电开关接收端??机车???＾?ｍｋ??——￡?Ｉ?￡?ｆ?Ｉ?ｉ?ｔ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?／／／／／／??光电开关发射端＜?４光电开关发射端??线激光器＿?ｉ）工业相机??幵始采集点Ｉ?「鬲涵集点］??激光器和相机固定架?￥??上位机??图２－１列车走行部结构光三维扫描系统方案??Ｆｉｇｕｒｅ?２－１?Ｓｃｈｅｍｅ?ｏｆ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ?ｌｉｇｈｔ?３Ｄ?ｓｃａｎｎｉｎｇ?ｓｙｓｔｅｍ?ｆｏｒ?ｔｒａｉｎ?ｂｏｇｉｅｓ．??结构光扫描模块是实验平台的核心模块，由光源、相机和被测物体组成。光??源将编码的结构光照射到被测物体的表面，因其高度变化，结构光发生畸变，被??与光源处在某一夹角位置的相机获取，得到被测物体表面结构光的畸变图像。利??用相机成像模型和三角几何测量原理
?列车走行部三维测量实验平台??图２－３现场实物图。１光电开关；２线激光器；３工业相机；４上位机；５机车??Ｆｉｇｕｒｅ?２－３?Ｆｉｅｌｄ?ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．?１?ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｓｗｉｔｃｈ；?２?ｌｉｎｅａｒ?ｌａｓｅｒ；?３?ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ?ｃａｍｅｒａ；?４?ｕｐｐｅｒ??ｃｏｍｐｕｔｅｒ；?５?ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ．??（开始）??１??异物测???标定数据采集?光条图像采集?加载基准点云??相机标定??Ｙ?｜?模型差分????阈值分割?Ｉ??ｒ?ｊ光平＾标定?异物检测与＊Ｉ量??＾＾?？?，?１?：??标＾结果ｉ?１基平＾标定?｜光条中ｌ提取?背景点Ｓ去除一??标定结果??ｙ??点云滤波与平滑??……系２！定—＊？三维重建?表面重构????＿?士?＿??（结束）??图２－４工作流程图??Ｆｉｇｕｒｅ?２－４?Ｗｏｒｋｆｌｏｗ?ｆｌｏｗｃｈａｒｔ．??２．２实验平台搭建??实验平台主要包括工业相机、激光器等硬件设备和软件两个部分，本小节根??据实验条件和要求对硬件设备进行选型和软件设计，完成实验平台的搭建。??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于结构光的高反物体三维形貌测量方法[J]. 杨鹏斌,邓林嘉,陈元,伏燕军,徐天义,王霖. 中国激光. 2019(02)
[2]基于两步法的摄像机标定算法[J]. 崔凌燕,陈婧. 测试技术学报. 2018(02)
[3]我国某铁路局2005—2014年行车事故分布规律分析[J]. 王列妮,牟瑞芳,张磊. 安全与环境学报. 2018(01)
[4]铁路客车故障轨旁图像监测系统（TVDS）统型机设计及运用[J]. 肖齐. 铁道机车车辆. 2018(01)
[5]基于改进的区域生长三维点云分割[J]. 李仁忠,刘阳阳,杨曼,张缓缓. 激光与光电子学进展. 2018(05)
[6]动车组运行故障动态图像比对分析方法[J]. 路绳方,刘震. 激光与光电子学进展. 2017(09)
[7]基于棋盘格的线结构光平面标定方法[J]. 李瑞,熊显名. 仪器仪表用户. 2017(04)
[8]基于多阈值归一化分割的模糊图像边缘分割算法[J]. 黄爱华,王航,唐卫东. 半导体光电. 2017(01)
[9]基于连通区域的复杂车牌的字符分割算法[J]. 施隆照,王凯. 计算机工程与设计. 2016(08)
[10]轨道车辆故障诊断研究进展[J]. 刘志亮,潘登,左明健,李兴林. 机械工程学报. 2016(14)
硕士论文
[1]基于结构光的室内场景精确三维重建技术研究[D]. 张洪龙.中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院) 2018
[2]基于结构光和双目视觉的三维重建系统研究[D]. 赵焕谦.哈尔滨工业大学 2017
[3]基于机器视觉的TFDS典型故障识别方法研究[D]. 艾广.兰州交通大学 2017
[4]线结构光视觉测量光条中心提取及评价方法研究[D]. 史燕.华北理工大学 2017
[5]基于3D-TOF图像传感器采集系统的设计与实现[D]. 段志坚.湘潭大学 2015
[6]基于线结构光的三维重构[D]. 罗聪.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2015
[7]基于计算机视觉的不规则物体体积测量方法研究[D]. 张娜.陕西科技大学 2015
本文编号：3550687
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