李真花[1]2008年在《钢轨断面高精度动态检测系统设计》文中提出非接触式钢轨断面动态检测是钢轨磨耗和线路不平顺等轨道交通线路质量参数检测的核心技术,对指导线路养护维修、保障轨道交通安全具有重要意义。随着铁路运输向高速、重载、高密度方向发展,传统的手工、低速检测方式已经无法满足需求。因此开发高速钢轨断面检测技术具有重要意义。本论文在分析国内外钢轨断面检测技术的基础上,提出了钢轨断面高精度动态检测系统的整体结构和实现方法。系统采用叁角形摄影测量原理,借助线型激光和高速数字像机获取钢轨断面轮廓信息;通过基于FPGA的片上可编程系统(SOPC)对钢轨断面图像进行实时采集压缩等处理;采用高斯曲线拟和算法对光带进行亚像素级高精度定位和标定还原,进一步提高了系统测量精度。系统测量精度优于0.06mm,整体速度达到200帧/秒。论文重点介绍了钢轨断面检测方案、高速图像采集压缩系统设计、图像亚像素级处理以及标定还原算法,并对系统的测量速度和误差进行了理论分析和实验室实物验证。多次试验证明该检测系统在速度和精度上达到了要求,可以进行下一步的在线测试。
李辉[2]2004年在《基于FPGA的高速轨距测量技术的研究》文中指出轨距是最基本的轨道参数之一。自有轨检车以来，轨距一直是检测的一项内容。如果轨距不能精确的检测，将会造成重大的铁路安全隐患。为了适应快速、重载的需要，确保列车安全、平稳、无间断的运行，实现建立“数字”化的铁路的目标，迫使轨检车的检测能力需要提高，工作性能需要优化。如何精确而高效地测量出钢轨轨距一直是国内外铁道部门的一个重要的研究课题。 本文首先简要介绍了钢轨轨距检测的开发背景、研究现状及FPGA的有关知识。然后针对轨距自动检测系统，论述了系统的组成及检测原理，对摄像机标定、坐标变换、图像细化都作了详细介绍。最后利用VHDL语言编程实现轨距检测中的坐标变换，并仿真。比较了查找表和乘法器两种实现方案。FPGA是视频图像实时处理技术中最佳的折中方案，能够满足轨距自动检测系统高速、实时的检测要求。
李娜[3]2004年在《基于FPGA的图像细化算法及其在轨距测量系统中的应用》文中提出轨距是最基本的轨道参数之一。自有轨检车以来，轨距一直是检测的一项内容。如果轨距不能精确的检测，将会造成重大的铁路安全隐患。为了适应快速、重载的需要，确保列车安全、平稳、无间断的运行，迫使轨检车的检测能力需要提高，工作性能需要优化。如何精确而高效地测量出钢轨轨距一直是国内外铁道部门的一个重要的研究课题。 本文首先简要介绍了钢轨轨距检测的开发背景、研究现状及FPGA的有关知识。然后针对轨距自动检测系统，论述了系统的组成及检测原理，主要对图像细化都作了详细介绍。最后并利用VHDL语言编程实现轨距检测中的钢轨图像细化，并通过了仿真验证。 轨距测量系统是我们实验室的一个重要的研究课题，为了增强系统的实时性能，满足轨距自动检测系统高速、实时的检测要求，最大可能的降低成本，经过详细的分析轨距测量算法的特点和FPGA器件以及FPGA系统的特点，我们得出了利用FPGA实现轨距测量系统在性能、成本等方面有着巨大的优越性。
何永福[4]2013年在《基于FPGA的轨道几何状态检测系统研究与设计》文中指出轨道的高平顺性是实现列车高速运行的基本条件,对列车的运行品质具有重要影响。目前,铁路轨道几何状态检测仪器是高速铁路和客运专线轨道定位和运营维护的关键设备。论文在分析国内外相关研究现状的基础上,围绕传统轨道几何状态检测仪器硬件架构和FPGA现场可编程逻辑器件技术进行相关研究,提出了基于FPGA的新型轨道几何状态检测系统,并对其关键技术进行了研究和设计。探索出轨道几何状态检测系统硬件设计新方法和途径,对轨检设备的更新换代具有重大意义。论文主要研究内容包括：分析了轨道几何状态检测的原理,确立了检测系统构成。该检测系统由工业平板计算机和上位机软件、全站仪以及嵌入式数据采集系统组成。研究了FPGA内部结构和传统单片机轨检系统硬件架构。明确了将FPGA作为嵌入式数据采集系统硬件基础的优越性。设计的新型FPGA轨检系统采用Altera公司的一款Cyclone系列芯片作为控制核心,配合外围电路实现对多个数字传感器和模拟传感器数据的高速采集、处理、缓存和发送。这种系统弥补了传统单片机架构轨检系统处理能力不强、硬件分散、可扩展性差、采样频率低等缺陷。FPGA片内逻辑设计中引入了Wishbone片上总线,设计了基于Wishbone的片内主机和从机的架构,并对自定义、可移植Wishbone总线封装主机和从机进行了设计。对控制主机、传感器从机、通讯从机、存储从机以及功能模块进行顶层、应用层、驱动层叁级建模。对FPGA片内设计进行了时序分析和部分优化。时序报告满足预定设计目标。试制了电路板并进行了检测系统功能测试。系统功能测试表明各项功能都达到了设计要求。新型检测系统处理能力更为强大、功能扩展更为方便、灵活性强、硬件可重构、显着提高采样频率,丰富的硬件资源能同时支持轨迹法和弦测法,具有更佳的现场应用价值。图68幅,表4个,参考文献91篇。
李强[5]2014年在《基于FPGA的轨检移变滤波器研究》文中认为随着中国高速铁路的快速发展,人们在获得便利的同时,对铁路行车安全、舒适度和平稳性的关注愈来愈强。轨道不平顺是机车轮轨耦合系统的激励源,是引起机车车辆振动和轮轨作用力的主要原因。轨检移变数字滤波器的研究是不平顺信号处理系统和车辆轨道耦合系统安全性、平稳性研究的重要组成部分。世界各国,如德国、美国、日本、法国等在轨道不平顺信号检测系统中研制了各具特色的轨检移变数字滤波器。根据我国铁路运行的现状,在引进吸收国外检测技术的基础上,我国设计了先进的GJ-5型轨道检查车,其轨道不平顺信号处理系统为模拟—数字级联混合处理系统。本文针对混合处理系统中模拟抗混迭滤波器的结构和特性,研究了相应的移变数字滤波器算法,并对该算法进行软硬件仿真研究,对比分析了FPGA实现算法的正确性和可行性。基于轨检移变数字滤波器原理,论文首先介绍了数字滤波器的设计基础、FPGA开发平台、设计方法,设计流程,并简要分析了轨道不平顺检测原理,包括轨道不平顺检测方法、检测模式和总体检测方案等。由此引出轨检移变数字滤波器在轨道不平顺信号处理系统中的作用,同时详细介绍了移变滤波器算法的推导过程。针对所设计的滤波器阶数低、系数个数少的特点,本文选取并行滤波器结构,将轨检移变滤波器划分为时钟控制模块、移位输入模块、权系数更新模块、乘法器模块以及并行累加输出模块五个基本模块,完成移变滤波器算法的FPGA实现。论文最后,针对轨检移变滤波器算法的研究,分别利用MATLAB软件和FPGA硬件实现算法,对移变滤波器软硬件设计结果进行仿真对比分析,验证了FPGA实现轨检移变滤波器算法的正确性和可靠性。
刘林[6]2011年在《基于FPGA的铁路轨道检测技术的研究》文中指出对铁路轨道进行静态几何参数的检测是铁路部门的一项常规工作,使用轨道检查仪能大幅度降低检测人员的工作量。随着近几年我国铁路建设的跨越式发展,对轨道检查仪器的性能提出了诸多新的要求。本文在参考国内外轨道检测技术的发展基础上,采用了以FPGA技术为核心的嵌入式智能仪器设计方案。利用FPGA芯片可编程设计的特点,用软件的思路对软硬件进行了设计,并且在SOPC Builder软件中构建模块化硬件系统,满足了自动化、智能化检测的要求。本论文主要完成了一下几个方面的工作：首先,介绍了轨道检查仪的研究背景,调查了轨道检查仪的发展和研究现状,并分析了现有轨道检查仪的优劣,对本课题的研究指明了方向；同时,运用智能仪器技术和嵌入式技术进行开发,明确了本论文的研究目的、主要内容。其次,对轨道检查仪的检测系统进行总体设计。对所检测的里程、轨距、水平叁个参数的要求标准的需求进行了传感器以及外围器件的选型,确定了以NiosⅡ软核处理器,从硬件和软件两个方面对设计方案分别进行了详尽地说明。在充分考虑系统可靠性、成本以及需求等因素的前提下,对系统各部分功能电路进行了具体的设计,包括CPU和外围设备控制器模块、模拟信号调理电路、数据采集电路、编码器数字接口电路、传感器电路、人机接口电路以及其它辅助电路等；软件系统的设计分为启动层程序、驱动层和应用层设计。最后,对整个系统进行了系统功能模块的测试,达到了对叁参数(里程、轨距、水平)检测标准的设计要求。
罗坤[7]2008年在《高性能嵌入式实时图像处理和识别系统的研究与实现》文中提出随着现代工业自动化程度的高速发展,产品在线检测的速度和精度也越来越复杂。传统的质量检测手段成本高并且检测效率低,已经不能满足现代制造业的需求。视频图像处理和识别系统具有非接触检测、高精度、抗干扰性强、高速性和高效率等优点,非常适合自动化生产的要求,已经广泛地应用到汽车零件自动装配、机器人视觉、工业检测等领域。本文首先对数字图像处理算法原理进行分析,对各个算法的性能和处理效果进行了对比和选取,分析它们对图像处理系统实时性的影响。进而指出,采用并行处理是解决系统实时性问题的有效方法,采用可并行计算的处理器进行图像处理是目前研究的一个热点。又通过对现场可编程门阵列(FPGA)结构和工作方式的分析,指出了应用FPGA器件进行图像处理,以解决系统实时性问题的优势。研究了Altera公司的DSP Builder这种先进的开发工具在Matlab中进行高效的算法设计和仿真的方法,以及该工具生成的VHDL代码与QuartusⅡ中Verilog代码良好的集成性的特点。分析了嵌入式实时图像处理系统的设计思路及工作流程。根据实时图像处理系统的功能特点,构建了基于FPGA的实时图像处理和识别系统的总体结构,并分别对视频采集、视频数据格式转换、图像帧存、图像处理、实时显示等功能模块进行了设计。系统利用I~2C总线对CMOS图像传感器和液晶屏控制芯片的相应寄存器进行配置,驱动视频图像数据的实时采集和显示。视频数据格式转换实现了原始数据(RAW)格式到RGB格式的转换。图像帧存是设计多端口的SDRAM控制器,实现了单帧与双帧视频图像的存取。针对影响系统实时性最大的图像处理部分,采用DSP Builder工具设计了适合FPGA硬件计算的算法结构,实现了适合高速图像处理的中值滤波、边缘检测和图像识别算法电路模型,同时将流水线处理技术和并行处理等技术应用到电路模型设计中,提高了处理速度,节省了硬件开销。然后,在Matlab中对该工具设计的图像处理算法进行仿真调试,观察仿真环境下的算法处理结果。最后,将设计的算法处理电路模型转换成硬件描述语言下载到实时图像处理平台中进行实验验证和效果分析。结果表明,该嵌入式图像处理与识别系统能够满足系统功能和实时性要求,具有一定的实用参考价值。
程杨[8]2008年在《车载式轨道动态监测装置设计》文中研究指明2007年4月我国铁路进行了第六次大规模的提速,火车的提速有效地缓解了铁路运量与运能的矛盾,收到了十分显着的社会经济效益。为了适应铁道部提出的“高速重载”的要求,不仅列车需要提高改进,而且对提速段的线路轨道质量提出更加苛刻的要求。为了检测线路质量状况,确保列车运行安全和平顺程度,研究和设计车载式轨道动态监测装置很有必要。但是,从车载式轨道动态监测装置出现到现在还没有一个固定的硬件模式和系统的软件算法来支持,所依靠的判别依据还是基于工务部门以前的判别方法,这就使晃车仪在使用中存在诸多问题,需要通过不断的研究来解决。在数字电路系统迅速发展的今天,FPGA、DSP的作用越来越显着。而在FPGA芯片发展过程中,除了其成本越来越低外,FPGA与DSP的结合也正成为未来DSP芯片设计和生产的一大发展趋势。DSP+FPGA的最大特点是结构灵活、有很强的通用性,适用于模块化设计,从而能够提高算法的效率;又由于其开发周期较短,系统易于维护和扩展,适用于实时信号处理。本文首先介绍了国内外评价轨道质量状态的方法,通过分析车体振动加速度和轨道不平顺度的关系,对比轨道局部不平顺法和轨道区段整体不平顺法,结合基于系统特征参数提取的模糊解耦算法,介绍了车载式轨道动态监测装置的设计原理。然后,在简要介绍了FPGA和DSP的基本概念后详细介绍了车载式轨道动态监测装置的硬件设计,软件设计。本设计的重点是装置的软硬件设计,硬件方面包括DSP电路设计、FPGA电路设计等。软件设计方面包括在FPGA上实现MC8051 IP核并对MC8051 IP核进行功能仿真,串口通信,AD采样,加速度变化率计算等。
康高强[9]2015年在《基于结构光视觉的钢轨轮廓高速测量系统研究》文中研究表明对钢轨状态进行定期检测,是科学地进行线路养护和保证铁路行车安全的必要手段。传统的机械接触式测量方式测量速度慢、工作强度大、危险性高、可靠性差,已不能满足高速度、高密度行车的需要。激光无接触检测技术具有测量范围大、精度高、速度快、柔性好等优点,已成为轨检技术发展的主流,但国内现有的此类轨检设备存在的速度和精度不够高的问题。本文设计了一种钢轨轮廓高速检测系统,进行了相关的理论和实验研究。实现对钢轨轮廓的高速度、高密度采样,是高速、可靠获取钢轨状态信息的前提。本文设计了一种基于多传感器并行采样的钢轨轮廓图像高速采集系统,对该系统的可行性进行了论证,给出了根据检测速度、采样间隔以及摄像机本身性能确定所需传感器个数的方法。针对高速检测时所产生巨大数据量所带来的数据传输问题,设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的钢轨轮廓图像感兴趣区域(ROI)提取算法,并进行了相关实验。结果表明：该算法能够实现图像ROI的实时提取,有效减小通信的数据量。在理论分析的基础上,建立了测量系统的数学模型。采用二维平面靶标对测量系统进行了标定,确定了系统模型中的未知参数。基于钢轨轮廓图像自身特点,设计了一种亚像素光条中心提取算法。为减轻轨检车振动对测量系统的不利影响,建立了振动对测量影响的数学模型,提出了一种基于轮廓曲线特征点和最近点迭代算法(ICP)的数据校准方法。该方法通过识别动态轮廓曲线的特征点,完成数据初步校准,然后利用ICP算法确定初步校准数据与标准数据之间的变换矩阵,实现动态数据最终校准。最后通过实验模拟振动对测量的影响,以验证校准方法的有效性。实验结果表明：在垂磨和侧磨测量点处,校准后数据与标准数据偏差值的标准差分别为0.088mm、0.085mm,取置信水平为0.99时,校正精度分别为±0.227mm、±0.219mm,该方法有较好的重复精度,可应用于工程测量。
李伟[10]2016年在《基于立体视觉的高速结构光扫描系统》文中研究表明结构光叁维扫描技术的原理是通过激光器发出的光投向被测物体,在物体表面上形成检测光带图形,通过图像采集和处理技术对光带的坐标进行提取,从而得到物体表面的二维断面信息,当激光和摄像机相对于被测物体移动时,就能获取被测物体的叁维轮廓。为了提高现有结构光系统的扫描频率,本项目提出了多条光带的激光扫描测量技术,在采集处理模块处理速度和相机输出频率不变的条件下,极大地提高断面扫描频率,以满足钢轨断面车载检测等高速应用场景。论文首先介绍了激光叁角测量方法和双目立体视觉测量方法的基本原理,说明了单个相机测量多条光带时遇到的光带序号区分的问题；针对这个问题给出了基于立体机器视觉的结构光扫描系统工作的总体方案。然后对本文的主要内容分成几章进行详细的介绍,包括硬件设计与图像处理算法,软件系统设计,以及系统标定原理和实验验证。硬件设计与图像处理算法主要介绍了结构设计和硬件采集的设计,以及FPGA对五条光带的提取算法,移植在FPGA上后,硬件采集分辨率为1280×1024的图像时,帧频能达到300fps,采集断面速率为每秒1500断面。软件系统设计依靠DALSA公司提供的Sapera LT类库和MFC开发环境进行编程,实现对图像的设置、缓存、绘图和坐标数据的保存等功能。系统标定包括对双目立体视觉参数的标定和结构光叁角测量参数的标定。对双目立体视觉参数的标定采用张正友标定法,对结构光叁角测量的参数标定采用拟合的方式获取方程式中未知参数的解。通过系统测试,得到系统的采集速率达到每秒1500断面；系统光带区分的正确率可以达到98.26%；在标定的测量范围内,平均误差小于3mm。系统运行稳定,达到了预期要求。
参考文献：
[1]. 钢轨断面高精度动态检测系统设计[D]. 李真花. 北京交通大学. 2008
[2]. 基于FPGA的高速轨距测量技术的研究[D]. 李辉. 河北大学. 2004
[3]. 基于FPGA的图像细化算法及其在轨距测量系统中的应用[D]. 李娜. 河北大学. 2004
[4]. 基于FPGA的轨道几何状态检测系统研究与设计[D]. 何永福. 中南大学. 2013
[5]. 基于FPGA的轨检移变滤波器研究[D]. 李强. 西南交通大学. 2014
[6]. 基于FPGA的铁路轨道检测技术的研究[D]. 刘林. 中南大学. 2011
[7]. 高性能嵌入式实时图像处理和识别系统的研究与实现[D]. 罗坤. 江苏大学. 2008
[8]. 车载式轨道动态监测装置设计[D]. 程杨. 西南交通大学. 2008
[9]. 基于结构光视觉的钢轨轮廓高速测量系统研究[D]. 康高强. 西南交通大学. 2015
[10]. 基于立体视觉的高速结构光扫描系统[D]. 李伟. 北京交通大学. 2016