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基于机器视觉的钢轨磨耗检测系统研究

作　者: 李冬
导　师: 王海涛
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 机器视觉 图像处理 钢轨磨耗 相机标定
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


列车运行时，轮对与钢轨之间存在复杂的作用力，造成钢轨的表面和侧面磨耗，当磨耗值超过一定限度时会对车辆的运行安全构成很大威胁。因此，铁路维护部门需要定期的检测钢轨的磨耗情况。目前，对钢轨磨耗的检测主要以人工接触式测量为主，该方法效率低下，无法满足当前高速铁路发展的需要，因此迫切需要一种新型的自动化检测方法。本文基于机器视觉的基本理论，结合光电测量技术和数字图像处理技术，搭建了一套钢轨磨耗检测软硬件平台。硬件部分包括CCD相机、光源、图像采集卡、测速定位单元等。本文对各硬件部分进行了详细的参数计算和选型。为了使相机拍摄频率与列车运行速度同步，引入了外触发模块，利用光电编码器、单片机设计了鉴相电路，实现了测速定位功能。研究了相机标定方法，采用zhang相机标定方法进行系统标定，解决了钢轨轮廓图像失真这一关键问题。设计了轮廓图像处理算法流程，包括阈值分割、去噪、轮廓搜索、图像细化、轮廓还原、轮廓匹配、磨耗值计算，对每一环节进行了深入的研究和分析。基于VS2008开发平台，结合OpenCV算法库和Access数据库编写了系统测量软件。实现了数据的存储、查询、报表的生成、磨耗数据分析等功能。通过在实验室搭建模拟平台，分别进行了静态和动态测试，验证了系统的整体性能。实验结果表明，系统能够准确的测量出钢轨的磨耗值，并对超限部位进行定位和报警，实现了非接触自动测量，具有很好的适用性。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-14
第一章 绪论  14-22
  1.1 研究背景及意义  14
  1.2 磨耗检测技术现状  14-18
    1.2.1 接触式检测  15-16
    1.2.2 非接触式检测  16-18
  1.3 机器视觉技术概述  18-20
  1.4 课题研究内容及章节安排  20-22
第二章 磨耗检测系统硬件设计  22-34
  2.1 系统功能分析  22
  2.2 检测系统总体方案设计  22-24
  2.3 图像获取系统设计  24-30
    2.3.1 CCD 相机参数及选型  24-25
    2.3.2 图像采集卡  25-26
    2.3.3 光源选择  26-27
    2.3.4 镜头参数及选型  27-30
  2.4 测速定位模块设计  30-33
    2.4.1 光电编码器  30-31
    2.4.2 计数电路的原理与实现  31-32
    2.4.3 串行通讯接口电路  32-33
  2.5 本章小结  33-34
第三章 钢轨磨耗检测系统标定  34-46
  3.1 摄像机标定技术  34
  3.2 针孔成像几何模型  34-35
  3.3 坐标系的相互转换  35-39
  3.4 非线性模型  39-40
  3.5 摄像机标定方法  40-44
    3.5.1 直接线性变换法  41
    3.5.2 Tsai 两步法  41-42
    3.5.3 zhang 相机标定方法  42-44
  3.6 本系统标定实现  44-45
  3.7 本章小结  45-46
第四章 磨耗缺陷检测算法实现  46-58
  4.1 图像处理算法流程  46
  4.2 目标提取  46-53
    4.2.1 阈值分割  46-49
    4.2.2 图像去噪  49-50
    4.2.3 轮廓搜索  50-51
    4.2.4 图像细化  51-53
  4.3 轮廓还原  53
  4.4 标准轮廓与实测轮廓的配准  53-55
  4.5 磨耗值的计算  55-57
  4.6 本章小结  57-58
第五章 软件设计与实现  58-70
  5.1 软件开发平台  58
  5.2 软件功能和框架  58-59
  5.3 系统软件主界面  59-61
  5.4 图像采集与处理实现  61-62
  5.5 相机标定实现  62-63
  5.6 测速定位功能实现  63-65
    5.6.1 上位机程序设计  63-64
    5.6.2 下位机程序设计  64-65
  5.7 数据管理模块的设计  65-69
    5.7.1 数据存储功能实现  65
    5.7.2 数据查询功能实现  65-66
    5.7.3 磨耗趋势分析  66-67
    5.7.4 打印报表  67-69
  5.8 本章小结  69-70
第六章 系统性能测试与分析  70-80
  6.1 系统硬件搭建  70
  6.2 相机标定实验  70-75
    6.2.1 图像幅数的确定  71-73
    6.2.2 畸变矫正  73-74
    6.2.3 标定精度评价  74-75
  6.3 系统测试及结果分析  75-78
    6.3.1 静态测试  76-77
    6.3.2 动态测试  77-78
  6.4 误差分析  78-79
  6.5 本章小结  79-80
第七章 总结与展望  80-82
  7.1 工作总结  80-81
  7.2 展望  81-82
参考文献  82-86
致谢  86-87
在学期间的研究成果及发表的学术论文  87

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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