本申请涉及列车磨耗检测技术领域，特别涉及一种跨座式单轨列车部件磨耗检测设备及其检测方法。
背景技术：
单轨列车正常有8个转向架，每个转向架上有4个集电靴和8个轮胎，则单列车共32个集电靴以及64个轮胎。
集电靴，又称取流靴，是指地下铁道电动车组与第三轨接触的集电装置。集电靴分为上接触式、下接触式和侧接触式三种。为了保证良好取流，集电靴与第三轨之间的接触压力应保持在98～196n的范围内。集电靴受流装置主要应用于第三轨供电方式的线路，安装于车辆转向架构架两侧靠车辆外侧中部的位置。目前对集电靴磨耗检测的技术存在空白。
在传统的轮胎磨耗检测中，通常采用人工目测分析法、卡尺测量方法等。由于列车轮胎磨耗检测是跨座式单轨交通系统中监测维护的一个重要方面，而针对轮胎磨耗检测还主要靠人工进行巡检，人工巡检又无法进行规则化、系统性、高效率地检测，同时无法及时地反映轮胎的磨耗状况，因此将导致安全隐患的发生。
同时，由于传统检测方法效率低且劳动强度大，容易造成误检与漏检，无法实现在线动态测量，不能满足当前高速铁路的测量精度与速度的需求，有待改进。
技术实现要素：
有鉴于此，本申请的第一个目的在于提供一种跨座式单轨列车部件磨耗检测设备，以实现动态测量部件磨耗以及提升磨耗检测精度与效率的目的。其具体方案如下：
一种跨座式单轨列车部件磨耗检测设备，包括设置有供能装置的密封外壳体，所述外壳体的一侧设置有两个光学镜片，并在所述外壳体内设置有分别与相应的所述光学镜片匹配的面阵工业相机和一字线型激光器，所述面阵工业相机通过图像采集卡与工控机连接，所述激光器通过相应的所述光学镜片向测量物品横截面垂直投射一字线型激光，所述面阵工业相机通过相应的所述光学镜片拍摄激光光条图像。
优选地，还包括：所述供能装置包括向所述面阵工业相机和一字线型激光器供能的线缆以及套接在线缆上的密封护套，所述密封护套固定在外壳体上。
优选地，还包括：所述外壳体包括侧盖板，所述侧盖板与所述外壳体通过螺栓密封固定连接。
优选地，还包括：还包括固定在所述外壳体内的滤波器。
优选地，还包括：所述外壳体内设置有与所述面阵工业相机匹配的u型稳定支架，所述u型稳定支架的两端均设置有固定相应一端的固定边架。
优选地，还包括：所述固定边架设置有供所述u型稳定支架相应一端端部插入的插接固定槽，所述u型稳定支架的端部螺纹连接有与两个所述固定边架相向一侧抵接的固定螺栓。
本发明的第二个目的在于提供一种跨座式单轨列车部件磨耗检测方法，包括如下步骤：
步骤1：在钢梁上铺设磨耗检测设备，线缆通电并向磨耗检测设备内的面阵工业相机与激光器同时供能；
步骤2：激光器通过相应的光学镜片向测量物品横截面垂直投射一字线型激光；
步骤3：面阵工业相机通过相应的光学镜片拍摄激光光条图像，通过图像采集卡采集拍摄的激光光条图像并向工控机传送；
步骤4：工控机采用steger算法提取每一帧的结构光条纹中心；
步骤5：采用模版匹配算法，将测量物品表面花纹深度作为表征测量物品磨耗的物理量，通过比较中心花纹的深度变化与边缘花纹深度变化，得出测量物品的偏磨值；
步骤6：完成对转向架上的八个轮胎和四个集电靴偏磨值的同时测量。
优选地，还包括：所述steger算法包括如下步骤：
步骤1：对图像进行一般性去噪以及逐点微分，并采用高斯核对图像进行卷积，即
gx,σ(x,y)＝gσ(y)g′σ(x)
gy,σ(x,y)＝g′σ(y)gσ(x)
gxx,σ(x,y)＝gσ(y)g″σ(x)
gxy,σ(x,y)＝g′σ(y)g′σ(x)
gyy,σ(x,y)＝g″σ(y)gσ(x)
其中，gσ(x)和gσ(y)分别代表x轴和y轴的高斯分布，g′σ(x)和g′σ(y)代表一阶偏导，g″σ(x)和g″σ(y)代表二阶偏导，σ为经验值并代表与线宽相关的标准差；
步骤2：通过与相应的高斯核rx，ry，rxx，rxy，ryy进行卷积运算，计算曲线的法向方向，即
rx＝gx,σ(x,y)*i(x,y)
ry＝gy,σ(x,y)*i(x,y)
rxx＝gxx,σ(x,y)*i(x,y)
rxy＝gxy,σ(x,y)*i(x,y)
ryy＝gyy,σ(x,y)*i(x,y)
其中，i(x,y)代表图像矩阵，gx,σ、gy,σ、gxx,σ、gxy,σ和gyy,σ为步骤1得到的高斯核，rx，ry，rxx，rxy和ryy为相应的卷积结果；
步骤3：通过hessian矩阵，即
选取满足设定阀值的点计算特征向量和特征值，选取具有最大特征绝对值的特征向量作为曲线的法向方向；
步骤4：选组，满足上述方向导数特征点即为期望获取的结构光条纹中心。
优选地，还包括：所述σ由下列公式计算获得：
其中，w为曲线的像素宽度。
优选地，还包括：所述模版匹配算法包括如下计算公式：
其中，x(m)代表标准模板信号，k为信号的长度，y(n m)代表选择的光条中心邻域信号的偏移量。
通过采用上述技术方案，本申请提供了一种跨座式单轨列车部件磨耗检测设备，该检测设备具有密封性能强、使用寿命长且检测精准的效果，并实现基于结构光成像的，非接触式、实时通过式的在线检测技术；有效降低养护成本，且检测设备维护费用低，节约成本。
相应的，本申请提供的一种跨座式单轨列车部件磨耗检测方法，该检测方法具有效力与准确度高，可实时检测的效果；同时，通过工控机的计算机显示图形界面提升清晰度，工控机读取分析数据，提高科学性和准确度，且方便后期检测系统的更新；实现检测数据的记录、存储、上传和分析处理。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请公开的检测设备的结构示意图；
图2为本申请公开的检测设备的内部结构示意图。
附图标记说明：
1、外壳体；11、侧盖板；12、检测面板；13、光学镜片；14、密封支架；15、线束；16、密封护套；2、面阵工业相机；21、相机支架；3、滤波器；4、激光器；41、套接固定架；5、u型稳定支架；51、固定边架；52、插接固定槽。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，一种跨座式单轨列车部件磨耗检测设备，包括设置有供能装置的密封外壳体1。外壳体1包括侧盖板11，且侧盖板11与外壳体1通过螺栓密封固定连接。因此，在对该检测设备进行检修维护时，通过拆除侧盖板11即可。与此同时，在外壳体1的一侧设置有两个检测面板12，每个检测面板12上均设置有光学镜片13，每个光学镜片13均通过相应的密封支架14固定在外壳体1上。该检测设备设置有多个并固定在单轨列车接触和非接触式的钢梁上，且分别位于相应的八个轮胎和两组集电靴分布的位置，并起到对每个转向架上的四个集电靴和八个轮胎同时进行磨损检测的作用。
如图1、图2所示，外壳体1内设置有分别与相应的光学镜片13匹配的面阵工业相机2和一字线型激光器4。面阵工业相机2通过图像采集卡与工控机连接。激光器4通过相应的光学镜片13向测量物品横截面垂直投射一字线型激光；面阵工业相机2通过相应的光学镜片13拍摄激光光条图像。在外壳体1内还设置有滤波器3，起到滤除干扰噪声的作用。需要说明的是，供能装置可以为线束、电池等设备。在本实施例中，供能设备采用线束15，线束15的一端与面阵工业相机2、激光器4和滤波器3连接，另一端套接固定在外壳体1上的密封护套16并从外壳体1内穿出，以达到提升该检测设备密封性的目的。
如图2所示，外壳体1内设置有用于固定面阵工业相机2的相机支架21以及用于固定激光器4的套接固定架41，以起到提升面阵工业相机2与激光器4的固定稳定性的作用。与此同时，在外壳体1内还设置有与面阵工业相机2匹配的u型稳定支架5。u型稳定支架5的两端均设置有固定相应一端的固定边架51。固定边架51设置有供u型稳定支架5相应一端端部插入的插接固定槽52，并在u型稳定支架5的每个端部均螺纹连接有与固定边架51相向一侧抵接的固定螺栓。在使用时，面阵工业相机2伸长并插入u型稳定支架5内，达到进一步提升面阵工业相机2拍摄时的稳定性以及激光光条图像的拍摄精确度的目的。
本发明还提供了一种跨座式单轨列车部件磨耗检测方法，包括如下步骤：
步骤1：在钢梁上铺设磨耗检测设备，线缆通电并向磨耗检测设备内的面阵工业相机与激光器同时供能；
步骤2：激光器通过相应的光学镜片向测量物品横截面垂直投射一字线型激光；
步骤3：面阵工业相机通过相应的光学镜片拍摄激光光条图像，通过图像采集卡采集拍摄的激光光条图像并向工控机传送；
步骤4：工控机采用steger算法提取每一帧的结构光条纹中心；
步骤5：采用模版匹配算法，即
其中，x(m)代表标准模板信号，k为信号的长度，y(n m)代表选择的光条中心邻域信号的偏移量；
将测量物品表面花纹深度作为表征测量物品磨耗的物理量，通过比较中心花纹的深度变化与边缘花纹深度变化，得出测量物品的偏磨值；
步骤6：完成对转向架上的八个轮胎和四个集电靴偏磨值的同时测量。
需要说明的是，steger算法包括如下步骤：
步骤1：对图像进行一般性去噪以及逐点微分，并采用高斯核对图像进行卷积，即
gx,σ(x,y)＝gσ(y)g′σ(x)
gy,σ(x,y)＝g′σ(y)gσ(x)
gxx,σ(x,y)＝gσ(y)g″σ(x)
gxy,σ(x,y)＝g′σ(y)g′σ(x)
gyy,σ(x,y)＝g″σ(y)gσ(x)
其中，gσ(x)和gσ(y)分别代表x轴和y轴的高斯分布，g′σ(x)和g′σ(y)代表一阶偏导，g″σ(x)和g″σ(y)代表二阶偏导，σ代表与线宽相关的标准差，且所述σ由下列公式计算获得：
其中，w为曲线的像素宽度；
步骤2：通过与相应的高斯核rx，ry，rxx，rxy，ryy进行卷积运算，计算曲线的法向方向，即
rx＝gx,σ(x,y)*i(x,y)
ry＝gy,σ(x,y)*i(x,y)
rxx＝gxx,σ(x,y)*i(x,y)
rxy＝gxy,σ(x,y)*i(x,y)
ryy＝gyy,σ(x,y)*i(x,y)
其中，i(x,y)代表图像矩阵，gx,σ、gy,σ、gxx,σ、gxy,σ和gyy,σ为步骤1得到的高斯核，rx，ry，rxx，rxy和ryy为相应的卷积结果；
步骤3：通过hessian矩阵，即
选取满足设定阀值的点计算特征向量和特征值，选取具有最大特征绝对值的特征向量作为曲线的法向方向；
步骤4：选组，满足上述方向导数特征点即为期望获取的结构光条纹中心。
综上所述，本实施例提供的一种跨座式单轨列车部件磨耗检测设备具有密封性能强、使用寿命长且检测精准的效果，并实现基于结构光成像的，非接触式、实时通过式的在线检测技术；有效降低养护成本，且检测设备维护费用低，节约成本。相应的，提供的一种跨座式单轨列车部件磨耗检测方法具有效力与准确度高，可实时检测的效果；同时，通过工控机的计算机显示图形界面提升清晰度，工控机读取分析数据，提高科学性和准确度，且方便后期检测系统的更新；实现检测数据的记录、存储、上传和分析处理。
本申请涉及的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
1.一种跨座式单轨列车部件磨耗检测设备，其特征在于：包括设置有供能装置的密封外壳体(1)，所述外壳体(1)的一侧设置有两个光学镜片(13)，并在所述外壳体(1)内设置有分别与相应的所述光学镜片(13)匹配的面阵工业相机(2)和一字线型激光器(4)，所述面阵工业相机(2)通过图像采集卡与工控机连接，所述激光器(4)通过相应的所述光学镜片(13)向测量物品横截面垂直投射一字线型激光，所述面阵工业相机(2)通过相应的所述光学镜片(13)拍摄激光光条图像。
2.根据权利要求1所述的一种跨座式单轨列车部件磨耗检测设备，其特征在于：所述供能装置包括向所述面阵工业相机(2)和一字线型激光器(4)供能的线缆以及套接在线缆上的密封护套(16)，所述密封护套(16)固定在外壳体(1)上。
3.根据权利要求1所述的一种跨座式单轨列车部件磨耗检测设备，其特征在于：所述外壳体(1)包括侧盖板(11)，所述侧盖板(11)与所述外壳体(1)通过螺栓密封固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种跨座式单轨列车部件磨耗检测设备，其特征在于：还包括固定在所述外壳体(1)内的滤波器(3)。
5.根据权利要求1所述的一种跨座式单轨列车部件磨耗检测设备，其特征在于：所述外壳体(1)内设置有与所述面阵工业相机(2)匹配的u型稳定支架(5)，所述u型稳定支架(5)的两端均设置有固定相应一端的固定边架(51)。
6.根据权利要求5所述的一种跨座式单轨列车部件磨耗检测设备，其特征在于：所述固定边架(51)设置有供所述u型稳定支架(5)相应一端端部插入的插接固定槽(52)，所述u型稳定支架(5)的端部螺纹连接有位于所述固定边架(51)相向一侧的固定螺栓。
7.一种跨座式单轨列车部件磨耗检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在钢梁上铺设磨耗检测设备，线缆通电并向磨耗检测设备内的面阵工业相机与激光器同时供能；
步骤2：激光器通过相应的光学镜片向测量物品横截面垂直投射一字线型激光；
步骤3：面阵工业相机通过相应的光学镜片拍摄激光光条图像，通过图像采集卡采集拍摄的激光光条图像并向工控机传送；
步骤4：工控机采用steger算法提取每一帧的结构光条纹中心；
步骤5：采用模版匹配算法，将测量物品表面花纹深度作为表征测量物品磨耗的物理量，通过比较中心花纹的深度变化与边缘花纹深度变化，得出测量物品的偏磨值；
步骤6：完成对转向架上的八个轮胎和四个集电靴偏磨值的同时测量。
8.根据权利要求7所述的一种跨座式单轨列车部件磨耗检测方法，其特征在于，所述steger算法包括如下步骤：
步骤1：对图像进行一般性去噪以及逐点微分，并采用高斯核对图像进行卷积，即
gx,σ(x,y)＝gσ(y)g′σ(x)
gy,σ(x,y)＝g′σ(y)gσ(x)
gxx,σ(x,y)＝gσ(y)g″σ(x)
gxy,σ(x,y)＝g′σ(y)g′σ(x)
gyy,σ(x,y)＝g″σ(y)gσ(x)
其中，gσ(x)和gσ(y)分别代表x轴和y轴的高斯分布，g′σ(x)和g′σ(y)代表一阶偏导，g″σ(x)和g″σ(y)代表二阶偏导，σ为经验值并代表与线宽相关的标准差；
步骤2：通过与相应的高斯核rx，ry，rxx，rxy，ryy进行卷积运算，计算曲线的法向方向，即
rx＝gx,σ(x,y)*i(x,y)
ry＝gy,σ(x,y)*i(x,y)
rxx＝gxx,σ(x,y)*i(x,y)
rxy＝gxy,σ(x,y)*i(x,y)
ryy＝gyy,σ(x,y)*i(x,y)
其中，i(x,y)代表图像矩阵，gx,σ、gy,σ、gxx,σ、gxy,σ和gyy,σ为步骤1得到的高斯核，rx，ry，rxx，rxy和ryy为相应的卷积结果；
步骤3：通过hessian矩阵，即
选取满足设定阀值的点计算特征向量和特征值，选取具有最大特征绝对值的特征向量作为曲线的法向方向；
步骤4：选组，满足上述方向导数特征点即为期望获取的结构光条纹中心。
9.根据权利要求8所述的一种跨座式单轨列车部件磨耗检测方法，其特征在于，所述σ由下列公式计算获得：
其中，w为曲线的像素宽度。
10.根据权利要求7所述的一种跨座式单轨列车部件磨耗检测方法，其特征在于，所述模版匹配算法包括如下计算公式：
其中，x(m)代表标准模板信号，k为信号的长度，y(n m)代表选择的光条中心邻域信号的偏移量。
技术总结