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摘 要：本文对轨道车辆限界的检测进行了一定的论述，并根据检测要求设计了激光界限装置，有助于提高轨道车辆限界检测的检测精度，进而确保行车安全。
关键词：激光界限装置;视觉;轮廓检测
1 前言
轨道车辆限界是指按照铁道部规定，为确保铁路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。机车车辆的任何部位，在任何情况下均不得超出机车车辆限界规定的尺寸。城轨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，城轨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。因此，为了确保轨道车辆的安全行驶，就要对其车辆界限进行准确的测量，并根据检测结果采取有针对性的调整措施，进而保障车辆形式过程中的安全。
2 轨道车辆的限界检测
2.1 轨道车辆限界检测特点
轨道车辆限界检测结果的真实性与截面轮廓的采样密度（对应每一个截面）、采样频率（对应每一时刻）及检测系统精度都密切相关，结合城轨车辆的特点进行分析，可将城轨车辆限界检测的特点归纳为：动态、大尺寸、高精度。
2.2 检测系统技术指标要求
（1）检测范围：最大宽度≥3400mm，最小宽度≤2600mm，最大高度≥5030mm，最小高度≤3620mm，检测长度≥37000mm;
（2）X、Y、Z三个方向的测量误差：≤±1mm;
（3）超限界定位误差：≤±10 mm;
（4）工作环境温度：-5～45℃;
（5）工作环境湿度：95%以内，无凝结;
（6）供电：三相电源：AC380V±10%，（50±1）Hz;单相AC220V±10% ，（50±1）Hz;
（7）测量截面间隔距离：≤3mm;
（8）龙门框架宽度：≤4800mm，龙门框架高度：≤6000mm;
（9）检测速度：≤1.5km/h （非匀速运行）。
3 激光界限装置
3.1 激光界限的检测原理
激光界限装置采用了3D结构光的检测技术，通过激光发生器对被检测物投影一条直线，摄像头以一定的角度观察这条线。当物体的形状和位置发生变化时，这条投影的激光线也会发生偏移，通过检测图像中该线的偏移量和形状的变化，计算物体的形状和位置的变化。
通过三角测量法及有效的标定方法，可以把这个形变量和实际物理空间的变化量所对应起来，从而获得被检测对象的空间位置信息。
深度计算方法：C为摄像机，P为投影器，当观测物O的深度发生变化时，在相机中观测到的像素坐标x1、x2，通过相机和投影器的角度关系，可以计算出物体深度变化的数值。其中k为通过标定的方法获得的比例系数。
3.2 激光界限装置的结构组成
（1）三维激光轮廓传感器
Gocator是加拿大LMI Technology公司的3D激光检测系统产品，其具有高性能和使用便利的特点，并且还能为客户带来良好的经济效益。根据本文的技术要求，选用GOCATOR 2490型号的传感器，其所具有的特点主要有：2米扫描视野和超深测量范围，可覆盖1米×1米的超大扫描区域; XYZ方向综合分辨率达到2.5mm，以2米/秒的生产速度 进行完整的尺寸测量（宽×高×深）;Z方向分辨率达0.06mm，用于精密高度测量，其具体的参数如下表所示。
（2）Gocator 三维激光轮廓传感器产品的优势
1）组网同步功能
采用LMI Master Hub可实现多相机组网功能，并通过同步器，同时触发，保证所有相机能够在同一个时刻准确的测量物体的截面尺寸。避免因为物体运动过中检测造成相机触发不同带来的測量误差。
2）校正补偿功能
Gocator三维激光轮廓传感器提供的结构光位置校正功能，可以对结构光的投影位置做修正，大大降低标定的难度，同时对机械安装的要求更低，可以采用固定式的安装方式，放弃了使用滑台调整机构，降低不确定性和不可靠性 ，大大提高检测数据的稳定性。
3）软硬件滤波
Gocator三维激光轮廓传感器提供了特定波长光波的滤镜，同时接合软件的滤波算法，在硬件和软件上实现对干扰的抑制，保证检测的稳定性，降低误报率。
4）轮廓拼接技术
采用轮廓模式，可以提取整个测量区域内的轮廓。并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型截面的轮廓，更准确的还原车体的真实尺寸情况。
5）完整车型检测
采用更大视野的3D相机，可以覆盖更多的检测区域，按照最大车型，采用14台相机可以实现整个车体外轮廓的数据提取，实现整车的轮廓尺寸检测。
6）自动标定
该传感器的一个核心关键点是通过3D相机的数据整合到一个坐标系中，因此需要对所有的相机做空间位置的标定，标定需要对整个轮廓做统一的标定，因此需要相机同时检测同一个标准物体，通过匹配激光线在标定块上的位置来实现坐标的统一。增强的软件功能，可以自动去计算每个标定的结果来统一计算坐标变换的矩阵。可以实现所有相机参数的自动标定。
7）实时测定结果
整列车通过后，采用高速计算机，对每个截面的最大界限范围进行计算，同时立刻给出当前检测截面检测结果，如果超差给出报警信号，告知此处有偏差。同时记录下来每个截面的采集时刻及位置。最后整列车检测完成后，对这些截面的数据进行拼接，给出完整车辆的车型数据。
4 结语
总而言之，激光界限装置具有非常优良的检测性能，有助于提高轨道车辆限界得检测精度，进而为行车安全提供科学合理的依据，促进轨道车辆行驶安全水平的不断提高。
参考文献：
[1] 王铁成， 李玉龙， 徐练， 等. 轨道车辆动态限界测试系统设计[J]. 中国测试， 2020（05）：77-78.
[2] 周博， 王枫. 复杂工况下地铁车辆限界精细化分析[J]. 大连交通大学学报， 2018（04）：101-102.
[3] 年悦， 张济民. 悬浮型有轨电车垂向车辆限界算法研究[J]. 齐齐哈尔大学学报（自然科学版）， 2018（05）：42-43.
关键词：激光界限装置;视觉;轮廓检测
1 前言
轨道车辆限界是指按照铁道部规定，为确保铁路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。机车车辆的任何部位，在任何情况下均不得超出机车车辆限界规定的尺寸。城轨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，城轨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。因此，为了确保轨道车辆的安全行驶，就要对其车辆界限进行准确的测量，并根据检测结果采取有针对性的调整措施，进而保障车辆形式过程中的安全。
2 轨道车辆的限界检测
2.1 轨道车辆限界检测特点
轨道车辆限界检测结果的真实性与截面轮廓的采样密度（对应每一个截面）、采样频率（对应每一时刻）及检测系统精度都密切相关，结合城轨车辆的特点进行分析，可将城轨车辆限界检测的特点归纳为：动态、大尺寸、高精度。
2.2 检测系统技术指标要求
（1）检测范围：最大宽度≥3400mm，最小宽度≤2600mm，最大高度≥5030mm，最小高度≤3620mm，检测长度≥37000mm;
（2）X、Y、Z三个方向的测量误差：≤±1mm;
（3）超限界定位误差：≤±10 mm;
（4）工作环境温度：-5～45℃;
（5）工作环境湿度：95%以内，无凝结;
（6）供电：三相电源：AC380V±10%，（50±1）Hz;单相AC220V±10% ，（50±1）Hz;
（7）测量截面间隔距离：≤3mm;
（8）龙门框架宽度：≤4800mm，龙门框架高度：≤6000mm;
（9）检测速度：≤1.5km/h （非匀速运行）。
3 激光界限装置
3.1 激光界限的检测原理
激光界限装置采用了3D结构光的检测技术，通过激光发生器对被检测物投影一条直线，摄像头以一定的角度观察这条线。当物体的形状和位置发生变化时，这条投影的激光线也会发生偏移，通过检测图像中该线的偏移量和形状的变化，计算物体的形状和位置的变化。
通过三角测量法及有效的标定方法，可以把这个形变量和实际物理空间的变化量所对应起来，从而获得被检测对象的空间位置信息。
深度计算方法：C为摄像机，P为投影器，当观测物O的深度发生变化时，在相机中观测到的像素坐标x1、x2，通过相机和投影器的角度关系，可以计算出物体深度变化的数值。其中k为通过标定的方法获得的比例系数。
3.2 激光界限装置的结构组成
（1）三维激光轮廓传感器
Gocator是加拿大LMI Technology公司的3D激光检测系统产品，其具有高性能和使用便利的特点，并且还能为客户带来良好的经济效益。根据本文的技术要求，选用GOCATOR 2490型号的传感器，其所具有的特点主要有：2米扫描视野和超深测量范围，可覆盖1米×1米的超大扫描区域; XYZ方向综合分辨率达到2.5mm，以2米/秒的生产速度 进行完整的尺寸测量（宽×高×深）;Z方向分辨率达0.06mm，用于精密高度测量，其具体的参数如下表所示。
（2）Gocator 三维激光轮廓传感器产品的优势
1）组网同步功能
采用LMI Master Hub可实现多相机组网功能，并通过同步器，同时触发，保证所有相机能够在同一个时刻准确的测量物体的截面尺寸。避免因为物体运动过中检测造成相机触发不同带来的測量误差。
2）校正补偿功能
Gocator三维激光轮廓传感器提供的结构光位置校正功能，可以对结构光的投影位置做修正，大大降低标定的难度，同时对机械安装的要求更低，可以采用固定式的安装方式，放弃了使用滑台调整机构，降低不确定性和不可靠性 ，大大提高检测数据的稳定性。
3）软硬件滤波
Gocator三维激光轮廓传感器提供了特定波长光波的滤镜，同时接合软件的滤波算法，在硬件和软件上实现对干扰的抑制，保证检测的稳定性，降低误报率。
4）轮廓拼接技术
采用轮廓模式，可以提取整个测量区域内的轮廓。并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型截面的轮廓，更准确的还原车体的真实尺寸情况。
5）完整车型检测
采用更大视野的3D相机，可以覆盖更多的检测区域，按照最大车型，采用14台相机可以实现整个车体外轮廓的数据提取，实现整车的轮廓尺寸检测。
6）自动标定
该传感器的一个核心关键点是通过3D相机的数据整合到一个坐标系中，因此需要对所有的相机做空间位置的标定，标定需要对整个轮廓做统一的标定，因此需要相机同时检测同一个标准物体，通过匹配激光线在标定块上的位置来实现坐标的统一。增强的软件功能，可以自动去计算每个标定的结果来统一计算坐标变换的矩阵。可以实现所有相机参数的自动标定。
7）实时测定结果
整列车通过后，采用高速计算机，对每个截面的最大界限范围进行计算，同时立刻给出当前检测截面检测结果，如果超差给出报警信号，告知此处有偏差。同时记录下来每个截面的采集时刻及位置。最后整列车检测完成后，对这些截面的数据进行拼接，给出完整车辆的车型数据。
4 结语
总而言之，激光界限装置具有非常优良的检测性能，有助于提高轨道车辆限界得检测精度，进而为行车安全提供科学合理的依据，促进轨道车辆行驶安全水平的不断提高。
参考文献：
[1] 王铁成， 李玉龙， 徐练， 等. 轨道车辆动态限界测试系统设计[J]. 中国测试， 2020（05）：77-78.
[2] 周博， 王枫. 复杂工况下地铁车辆限界精细化分析[J]. 大连交通大学学报， 2018（04）：101-102.
[3] 年悦， 张济民. 悬浮型有轨电车垂向车辆限界算法研究[J]. 齐齐哈尔大学学报（自然科学版）， 2018（05）：42-43.