用于车轮踏面测量的二维激光测距传感器的设计实现

论文摘要

随着中国铁路近年来的迅速发展,列车的行车安全越来越受到重视。轮对是铁路车辆行走的主要部件,车轮踏面作为车轮与钢轨面上滚动接触的部位,在列车的运行过程中具有极其重要的作用,因此对车轮踏面外形尺寸技术参数的监控和测量对保证列车的行车安全具有重要的意义。本文设计实现了一种基于激光三角测量法的二维激光测距传感器以实现对车轮踏面外形尺寸的快速测量。首先在详细调研了国内外已有测距技术基础上,结合车轮踏面外形尺寸的测量的非接触式要求,采用了激光三角测量法,设计了传感器的总体方案,包括传感器的外形结构、硬件控制电路方案和总体数据处理流程。根据硬件电路方案完成了电路的各个模块设计和调试,包括：电源模块、FPGA与DSP外围电路与配置电路、CMOS图像传感器接口、通讯接口和SDRAM存储器扩展等。其次利用FPGA和DSP设计了激光光斑图像的采集和处理功能,在FPGA方面,设计了二维激光光斑图像的采集和存储功能,并完成了相应的逻辑控制功能,如DSP命令信号的译码和SDRAM控制器和总线切换开关等。在DSP方面,对采集到的原始图像进行数据处理,包括对激光光斑原始图像的畸变矫正、动态阈值处理和利用重心法提取光斑图像的中心线等。最后,利用最小二乘法对二维激光传感器实验平台的系统参数进行了标定；并在Matlab环境下设计了GUI控制界面实现对传感器系统的控制、数据读取和显示存储功能。应用整个传感器系统进行了踏面标件的测量实验,并分析了实验数据。实验结果表明所设计的传感器实验系统具备可靠的测量精度和测量速度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本课题的研究内容与意义
• 第2章 激光三角法测距原理
• 2.1 激光三角测量法的特点
• 2.2 Scheimpflug条件
• 2.3 直射式和斜射式三角测量法
• 2.3.1 直射式测量法
• 2.3.2 斜射式测量法
• 2.3.3 直射式与斜射式测量法的比较
• 第3章 传感器总体方案设计
• 3.1 传感器总体结构设计
• 3.2 控制电路方案设计
• 3.3 数据处理流程
• 3.4 机械支架设计
• 第4章 传感器硬件电路设计
• 4.1 硬件电路总体方案
• 4.2 电路功能模块设计
• 4.3 硬件电路的实现与调试
• 4.3.1 电路设计的实现
• 4.3.2 硬件电路的调试
• 第5章 电路系统功能设计
• 5.1 FPGA功能模块
• 5.1.1 开发工具及开发流程简介
• 5.1.2 总体功能设计
• 5.1.3 子模块的详细设计与实现
• 5.2 DSP功能模块
• 5.2.1 开发工具及器件简介
• 5.2.2 DSP处理流程设计
• 5.2.3 DSP通讯串口的实现
• 5.2.4 DSP的SPI boot设计
• 第6章 传感器数据处理
• 6.1 图像的几何畸变矫正
• 6.1.1 畸变的产生原因
• 6.1.2 畸变模型
• 6.1.3 矫正方法
• 6.1.4 畸变矫正实验
• 6.2 光斑中心线提取
• 6.2.1 图像的动态阈值处理
• 6.2.2 光斑中心线的提取
• 6.3 传感器系统参数标定
• 6.3.1 理想情况的参数标定
• 6.3.2 改进的标定方法
• 6.3.3 横向参数标定
• 第7章 实验与分析
• 7.1 实验平台
• 7.2 传感器性能分析
• 7.2.1 系统参数标定误差
• 7.2.2 重复性与测量精度分析
• 结论
• 1.全文总结
• 2.研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 部分电路原理图
• 附录2 PCB布局图与实物调试图
• 攻读硕士期间发表的论文