一种列车限界检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及列车车辆精密测量技术领域，具体涉及一种列车限界检测装置及检测方法。

背景技术

列车车辆限界是指按照铁道部规定，为确保列车车辆的正常运行及安全因素，对车辆接近建筑物或者任何设备的时候，不允许超过轮廓尺寸线。列车车辆的任何部位，在任何情况下均不得超出列车车辆限界规定的尺寸。列车车辆限界的检测方法主要是通过获取车辆外部轮廓(包络线)获得，列车车辆运行过程中某一时刻与轨道中心线垂直的一个截面轮廓为车辆该截面的最大轮廓，对车辆运行过程中的所有截面轮廓叠加出的最大轮廓即为该车辆的界限。

传统的列车车体空间尺寸检测使用的是各种检测工装、检测样板、卷尺、塞规等工具。检测的数据也会存在以下问题：受人为因素影响大，工具精度不高、多次测量数据不一致、测量劳动强度大、不可重复；工人在读取测量数据时，受经验和环境影响，在测量结果的获取上容易出现偏颇；并且使用传统的测量方法在测量整车或局部车体时无法获得准确的误差值，测量一次花费时间长，造成测量的效率底下。因此需要做非接触式激光限界研制，满足企业高产能条件下的自动、无接触、无损伤测量要求。

综上所述，急需一种列车限界检测装置及检测方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种列车限界检测装置及检测方法，用于提高检测效率，提高检测精度，提升设备检测兼容性，并可以提供三维数据给技术部门用于优化设计。

为实现上述目的，本发明提供了一种列车限界检测装置，包括龙门架、测距仪、相机支架、激光相机；龙门架安装在地基上；龙门架包括两个立柱和连接两个立柱的横梁；测距仪安装在立柱上，用于监控列车车身的位置；横梁上、立柱上以及地沟内设置有多个相机支架，地沟内的相机支架通过连接杆与龙门架连接；每个相机支架上均安装有激光相机；激光相机发出的光平面投射在列车的车身上，实现对列车车身、车底的360度无缝隙限界检测。

进一步地，所述龙门架上安装有升降横梁以及驱动升降横梁运动的电机，升降横梁两端分别与两个立柱滑动连接，以适应不同车型的列车限界检测

进一步地，所述地基上安装有导轨，龙门架底部安装有滑块，滑块上有与导轨相匹配的凹槽。

进一步地，所述地基上安装有齿条，齿条与导轨平行设置，龙门架底部安装有齿轮以及驱动齿轮转动的电机，齿轮与齿条啮合，通过齿轮转动，推动龙门架在导轨上移动。

进一步地，所述横梁外侧设有遮光板，以减少外部光线对激光相机图像采集的干扰。

本发明还提供了一种列车限界检测方法，采用了上述的检测装置，包括以下步骤：

步骤一：龙门架和相机支架及各种辅件安装好，将3D激光相机安装在活动相机支架上，微调每个相机的安装位置，使激光线连续过度地投射在车身上，设置相机的参数，采用定制的标准标定组件对相机群组进行标定，将所有相机的采集值同步到同一坐标系下；

步骤二：采用标准的校验块对检测装置的精度进行验证，将校验块放在相机视野下，相机采集校验块数据，并计算校验块的各个参数值，并与标准值进行比较，当误差在允许范围之内时才能将系统投入使用；

步骤三：将标准车身轮廓模板放在相机视野范围内，并将车身模板支架与列车轨道进行对中，相机扫描标准车身轮廓模板，得到车身轮廓模板的采集数据，根据模板数据建立系统坐标系；

步骤四：系统根据列车车型自动调整龙门架上升降横梁高度；

步骤五：龙门架在导轨上行进过程中系统通过测距仪实时监测车体距离并上传数据给检测软件系统，当列车车身进入龙门架下方相机视野内时，触发相机群组拍照采集车身轮廓数据，并将采集数据上传给检测软件系统；采用轮廓拼接技术，通过传感器级联的方式，把所有的轮廓点拼接成一个完整的车身截面轮廓；

步骤六：采用仿射变换的原理对采集车身轮廓进行实时校正并保存；

步骤七：将实时采集的车身轮廓与该车型的标准车身轮廓进行限界检测，并保存检测结果数据，重复步骤五～七直到整节列车车厢检测完成。

步骤八：根据步骤三～步骤七的结果对采集到的车身截面轮廓3D数据和测距仪采集到的数据进行融合，得到整车3D点云数据并生成相应的车身3D模型，在软件系统中进行显示，可以使用测量工具在模型上进行手动测量。

步骤九：生成和保存整车检测结果，输出检测结果报告，并进行打印。

进一步地，步骤三中建立系统坐标系具体是：采用右手坐标系，以模板底部端面为坐标系X正方向，模板中心线方向为Z正方向，列车行进方向为Y负方向，从采集模板数据中通过拟合计算的方式得到XZ轴，并以XZ轴的交点为坐标系原点，通过ZX叉乘计算得到Y轴方向。

进一步地，所述步骤七中限界检测具体是：先针对单个采集轮廓截面进行限界检测，检测车底是否存在超限；将采集的轮廓进行平滑处理与矫正，与导入的标准限界尺寸图进行对比，计算顶部是否超限，同时计算车身两侧是否超限。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明中，将所有相机安装在龙门架设计的位置上，将标准车身轮廓模板放在指定位置上，使所有相机的激光线都能投射在标准车身轮廓模板上，保证光线均匀，调整激光光线强度使其适应两种典型的标准车身轮廓模板颜色黑色和白色，微调相机安装调整机构，使得激光线之间的连接是连续且平行的，采用轮廓拼接技术，通过传感器级联的方式，把所有的轮廓点拼接成一个完整的车身截面轮廓，准确的还原车体的真实截面尺寸情况，通过相机群组的标定实现3D激光相机局部检测到整体检测，而不是单个传感器独立检测车身位置，采用3D轮廓拼接技术，极大提高了检测精度。

(2)本发明中，采用14个相机采集一个车身轮廓约有18000个数据点，以3mm间隔采集一次轮廓来算的话，一个25m长的车身总共要采集约8333条轮廓，结合测距仪采集的车身位置数据以及时间帧，将这8000多条轮廓点云数据采用轮廓拼接技术拼接成一个整车模型，可以直观的查看由图像采集生成的车身实际3D模型。

(3)本发明中，龙门架的横梁上、立柱上以及地沟内均安装有激光相机，激光相机发出的光平面投射在列车的车身上，实现对列车车身、车底的360度无缝隙限界检测。

(4)本发明中，龙门架上安装有升降横梁以及驱动升降横梁运动的电机，升降横梁两端分别与两个立柱滑动连接，升降横梁能够沿着立柱上下滑动，以便于调节龙门架的高度，能够适应不同车型的列车限界检测。

(5)本发明中，采用齿轮齿条传动，带动龙门架移动，传动平稳，运动精度高。采用双排导轨导向，稳定性好。

(6)本发明中，横梁外侧设有遮光板，以减少外部光线对激光相机图像采集的干扰，提高了检测精度。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是列车限界检测装置结构示意图；

图2是齿轮齿条安装结构示意图；

图3是列车限界检测装置立体图；

图4是标准车身轮廓模板；

图5是自动限界检测流程图；

其中，1、升降横梁，2、龙门架，3、测距仪，4、电机，5、相机支架，6、激光相机，7、光平面，8、列车，9、地基，10、地沟，11、导轨，12、遮光板，13、齿条，14、伺服电机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1～图4，一种列车限界检测装置，包括龙门架2、测距仪3、相机支架5、激光相机6；龙门架2安装在地基9上；龙门架2包括两个立柱和连接两个立柱的横梁；测距仪3安装在立柱上，用于监控列车8车身的位置；横梁上、立柱上以及地沟10内设置有多个相机支架5，地沟10内的相机支架5通过连接杆与龙门架2连接；每个相机支架5上均安装有激光相机6；激光相机6发出的光平面7投射在列车8的车身上，实现对列车8车身、车底的360度无缝隙限界检测。本实施例包含14台3D激光相机6，在空间中形成一个环形，其中有3个位于地沟10中。

龙门架2上安装有升降横梁1以及驱动升降横梁1运动的电机4，升降横梁1两端分别与两个立柱滑动连接，以适应不同车型的列车8限界检测。

地基9上安装有导轨11，龙门架2底部安装有滑块，滑块上有与导轨11相匹配的凹槽。本实施例采用双排导轨。

地基9上安装有齿条13，齿条13与导轨平行设置，龙门架2底部安装有齿轮(未图示)以及驱动齿轮转动的伺服电机14，齿轮与齿条13啮合，通过齿轮转动，推动龙门架2在导轨上移动。

横梁外侧设有遮光板12，以减少外部光线对激光相机6图像采集的干扰。

限界检测设备启动时，需要对检测系统中的输入信号进行有效反馈，针对测量设备的原理和特征，对如下情况进行检测和反馈，避免设备故障造成的测量误差。

1)检测3D激光相机功能是否正常，相机激光线强度和均匀性，视野内是否有遮挡，保证激光激光投射线激光正常，3D激光相机采集数据正常。

2)检测相机组采集数据是否正常，通过控制相机拍摄标准精度校验模块，并进行尺寸测量，与标准模块进行比较，以此验证相机组采集数据是否正常。

3)龙门位置检测，系统自校验完成后，在检测开始前对龙门升降横梁位置进行检查，确认位置是否与当前车型匹配，防止龙门架位置错误造成的碰撞等情况发生。

4)激光距离传感器检测，检测测距仪位置是否正常，避免无测距数据活碰撞情况发生，与车体平行。检测测距传感器的数据稳定性，保证设备对准反光板，反光板安装在车身尾部位置，检测激光发射光源投射的亮斑强度和均匀性，是否可以正常接收反射光数据。

检测设备部署在总成厂房内部，检测环境为开放空间，检测计算过程中需要克服恶劣的环境影响，因此本系统需要对如下的干扰因素进行测量与反馈：

1)天气等外部因素干扰，包括阴天和夜间检测；

2)震动产生测量误差；

3)车体缺陷造成测量遗漏；

4)车辆载荷导致的形变；

5)悬挂系统影响；

6)车辆制造误差；

以上的干扰因素可以导致车体在检测过程中产生误差，通过系统测量，需要对以上类型且不局限于以上类型的检测环境进行记录和实验分析，以便进行数据分析与限界计算。

采用上述列车限界检测装置的检测方法，包括以下步骤(如图5所示)：

步骤一：龙门架和相机支架及各种辅件安装好，将3D激光相机安装在活动相机支架上，微调每个相机的安装位置，使激光线连续过度地投射在车身上，设置相机的参数，采用定制的标准标定组件对相机群组进行标定，将所有相机的采集值同步到同一坐标系下。

步骤二：采用标准的校验块对检测装置的精度进行验证，将校验块放在相机视野下，相机采集校验块数据，并计算校验块的各个参数值，并与标准值进行比较，当误差在允许范围之内时才能将系统投入使用。

步骤三：将标准车身轮廓模板放在相机视野范围内，并将车身模板支架与列车轨道进行对中，相机扫描标准车身轮廓模板，得到车身轮廓模板的采集数据，根据模板数据建立系统坐标系。

建立系统坐标系具体是：采用右手坐标系，以模板底部端面为坐标系X正方向，模板中心线方向为Z正方向，列车行进方向为Y负方向，从采集模板数据中通过拟合计算的方式得到XZ轴，并以XZ轴的交点为坐标系原点，通过ZX叉乘计算得到Y轴方向。

步骤四：系统根据列车车型自动调整龙门架上升降横梁高度。

步骤五：龙门架在导轨上行进过程中系统通过测距仪实时监测车体距离并上传数据给检测软件系统，当列车车身进入龙门架下方相机视野内时，触发相机群组拍照采集车身轮廓数据，并将采集数据上传给检测软件系统；采用轮廓拼接技术，通过传感器级联的方式，把所有的轮廓点拼接成一个完整的车身截面轮廓。

步骤六：采用仿射变换的原理对采集车身轮廓进行实时校正并保存。

步骤七：将实时采集的车身轮廓与该车型的标准车身轮廓进行限界检测，并保存检测结果数据，重复步骤五～七直到整节列车车厢检测完成。

限界检测具体是：先针对单个采集轮廓截面进行限界检测，检测车底是否存在超限；将采集的轮廓进行平滑处理与矫正，与导入的标准限界尺寸图进行对比，计算顶部是否超限，同时计算车身两侧是否超限。

步骤八：根据步骤三～步骤七的结果对采集到的车身截面轮廓3D数据和测距仪采集到的数据进行融合，得到整车3D点云数据并生成相应的车身3D模型，在软件系统中进行显示，可以使用测量工具在模型上进行手动测量。

步骤九：生成和保存整车检测结果，输出检测结果报告，并进行打印。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。