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原文传递基于FTP的车轮表面陡变部位三维形貌测量适应性研究

论文题名：	基于FTP的车轮表面陡变部位三维形貌测量适应性研究
关键词：	动车组;车轮轮廓;三维测量;傅里叶变换;小波分析
摘要：	为了快速、全面测量车轮三维形貌获取车轮外形轮廓和踏面擦伤、剥离等表面缺陷的三维数据，准确全面评估车轮踏面质量状况，本文基于傅里叶变换轮廓术(FTP)理论，对车轮三维形貌测量进行了适应性优化研究。　　文章通过对FTP三维形貌测量的光路结构、条纹投影及失真校正、滤波及相位提取、相位展开、三维标定、三维数据拼接等关键技术环节的理论分析，结合动车组车轮这一外形尺度大、踏面缺陷尺度小、轮缘根部形貌陡变及踏面缺陷部位形貌剧烈变化的特定对象，对以上各环节进行了适应性分析研究，结合Matlab平台仿真分析和车轮三维测量实验平台的实验验证，给出了车轮三维测量的优选参数和适应性算法: 　　1、为了获得最佳的三维形貌重构效果，研究了不同周期和不同方向的正弦光栅投影条纹对车轮三维形貌测量结果的影响，提出了正弦光栅投影条纹周期在1/16～1/8（条纹/像素）时，可有效复原车轮三维形貌。　　2、采用正弦光栅投影条纹的梯形校正算法和旋转校正算法，有效减少了条纹畸变对车轮三维形貌重构的影响。　　3、对比研究了傅里叶变换分析方法、小波变换分析方法、S变换分析方法对于车轮形貌陡变部位相位获取的适应性。在傅里叶变换分析上优选了正交椭圆滤波窗，在小波变换分析上优选了cmor0.7-1母小波函数，在s变换分析上优选了平顶高斯滤波窗作为局部频谱滤波窗。通过三种分析方法对实物车轮陡变部位的形貌恢复对比分析验证，得出三种方法均能有效恢复车轮三维形貌的结论。而小波变换分析方法和S变换分析方法能更好的适应车轮踏面缺陷形貌陡变部位的相位测量，其中小波分析方法具有更高的相位测量精度和更好的适应性，是踏面陡变部位三维测量的最优方法。　　4、相位展开方面，对比研究了与路径相关的和与路径无关的相位展开算法，选择了基于区域可靠度引导的相位展开算法，解决了形貌陡变部位相位展开的“拉伸”问题。　　5、基于“棋盘格”标定板，利用最小二乘拟合算法实现了摄像机系统的二维平面标定。利用7个已知高度的锥形目标，实现了高度标定，简化了相位-高度标定过程，提高了标定速度，但是高度方向的标定精度还需要进一步提高。　　6、为了获得车轮360度圆周方向的全周三维形貌，本文还对三维数据点云的拼接算法进行了研究。通过点云随机滤波去噪和均匀网格法对点云数据进行稀疏化，然后基于主成分分析方法实现三维数据初拼接，利用k-d tree算法对三维精拼接进行加速搜索，最后基于25帧连续拍摄的变形条纹图像实现了车轮全周三维数据的拼接。　　基于以上各关键技术环节的优化研究结果，本文不仅实现了大尺度的车轮360度圆周方向完整三维轮廓的快速准确测量，同时也实现了踏面擦伤、剥离缺陷等局部小尺度目标的三维精细测量。解决了传统测量技术无法一次性获得车轮表面三维数据、更无法快速测量车轮三维形貌的问题。并得出了小波分析方法是适应陡变部位形貌测量的最优方法的结论。
作者：	张渝
专业：	电磁场与微波技术
导师：	贾焕玉
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文