CN100462678C - 钢轨磨耗激光视觉动态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术领域，涉及一种钢轨磨耗综合参数的非接触动态测量测量装置及测量方法。本发明测量装置由激光视觉传感器7、计算机、高速图像采集卡、标定靶标和测量软件等组成。本发明测量方法由激光投射器3投射出光平面，经钢轨断面成像***6成像后，由高速图像采集卡采集到计算机中，对采集图像进行处理，提取出断面特征轮廓的图像坐标，根据测量模型，计算出垂直磨耗、侧边磨耗和总磨耗。本发明首次实现了单激光视觉传感器同时测量单侧钢轨断面轮廓、垂直磨耗、侧面磨耗和总磨耗参数；实现了动态条件下对钢轨磨耗的现场测量。

Description

钢轨磨耗激光视觉动态测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种钢轨磨耗综合参数的非接触动态测量方法。

背景技术

铁路的状况与安全性密切相关，特别是对于高速列车更加重要。钢轨的定期检测对于合理计划和保持低的维护成本是非常重要的。在钢轨磨损和变形早期进行测量有助于制定更好的维护时间表，以避免等观测到危险状况时再作紧急处理，另一方面，进行提前维护使有限的人力和仪器设备资源得到更好的利用，从而降低了成本。此外，正确的维护减少了因车轮与钢轨之间不良接触所产生的噪声污染。近年来我国铁路提速和重载运输的大力发展、客货运量和行车密度大幅度增长，导致钢轨磨耗日益严重。如何高效而精确地测量钢轨磨耗值一直是国内外铁道部门的一个重要研究课题。

为了保证铁路运行安全，要求在不影响火车运行的条件下，每个月要对钢轨至少进行一次检修。九五期间，我国铁路钢轨里程达到68000多公里，至今没有合适的测量手段。长期以来，国内对钢轨磨耗的测量都是采用手工测量，用专用卡尺人工抽样检测其断面损耗。这种方式效率低下，耗费大量人力物力，而且处于高度危险中。由于在测量中不可避免地引入了测量者的人为因素，直接影响了测量的精度和可靠性。手工测量已经不能适应我国铁路事业的发展。因此，研制一种快速准确的钢轨磨耗自动测量装置具有很大的现实意义。

国内外许多研究机构和学者对钢轨磨耗的检测方法进行了研究，并成功研制了各种测量装置，根据检测方式的不同，大致可以分为接触式和非接触式检测。美国GreenWood公司研制的MiniProf专用量规钢轨磨耗测量装置，采用接触式方式逐点测量钢轨轮廓，然后与标准轮廓进行比对。Wroclaw科技大学研制了类似的接触式高精度钢轨断面磨耗测量***。在国内，哈尔滨铁路计量局研制了一种类似国外的卡尺式钢轨磨耗测量装置。接触式钢轨磨耗测量***测量精度高，但只适合静态测量，操作复杂，测量效率低，主要用于实验室研究钢轨耐磨性能时使用，不适合在线测量。

北美和欧洲发达国家从20世纪80年代初期就开始利用计算机进行自动、精确钢轨磨耗测量的研究。八十年代澳大利亚率先研制了LitesLice固体传感器钢轨断面轮廓自动测量***。1984年后相继在澳大利亚、美国、加拿大和英国等投入使用，并不断完善，逐渐成为世界上使用最为普遍的钢轨断面磨耗自动测量***。该方法的缺陷在于，采用图像上边缘和左边缘为定位基准，因此要求测量传感器不能有较大的振动存在，因而比较适合于静态测量。实际上，安装在机车上的测量传感器必然存在较大振动，由此影响到测量结果的精度和可靠性。此外，国外有采用两套测量传感器分别测量同一钢轨的两侧，采用没有磨耗的一侧测量结果作为基准，该方法虽然解决振动对测量结果的影响，但成本高，且需要两套测量传感器坐标系的统一，操作复杂。目前，国内研究的钢轨磨耗检测***基本上与国外类似，而且由于测量坐标系到标准(设计)坐标系的转换环节没有很好的解决，因此实际研究的装置仅仅用于静态实验研究，而没有能够解决动态条件下钢轨磨耗的自动测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种精度较高，测量速度快，单一传感器能够同时测量单侧钢轨垂直磨耗、侧面磨耗以及总磨耗等综合参数的在线动态实时测量方法及***装置。以减小测量设备的体积，降低测量设备成本，提高测量效率，改善其工程化应用的可操作性和便捷性。

本发明的技术解决方案是：钢轨磨耗激光视觉动态测量方法，使用钢轨磨耗激光视觉动态测量装置进行综合参数的动态测量，所说的钢轨磨耗激光视觉动态测量装置由激光投射器3和钢轨断面成像***6组成的激光视觉传感器7、计算机、高速图像采集卡、标定靶标和测量软件组成；激光投射器3由半导体激光器1和光平面发生光学***2组成；钢轨断面成像***6由CCD摄像机4和滤光***5组成，钢轨断面成像***6的光轴和激光投射器3的光轴交汇角为45°～60°；激光视觉传感器7固定在火车底部车体上，与被测钢轨10的距离为300～700mm；激光投射器3投射的光平面8垂直于被测钢轨10并与钢轨断面平行；钢轨断面成像***6的成像***能够观测到投射光平面8与被测钢轨10表面相交形成的轨头和轨腰特征轮廓9；所说的标定靶标为一个二维平面，靶标平面上有预先设置的特征点，在靶标平面上有成矩阵排列的黑色方块，方块的数量为4～100个，方块的边长为3～50mm，其精度为0.01～0.05mm，方块间距为3～50mm，其精度为0.01～0.05mm，选取每个方块的顶点为特征点；其特征在于，测量的具体步骤是：

1、建立激光视觉传感器7的摄像机模型和测量模型，标定摄像机参数和传感器结构参数；

1.1、在光平面上建立二维测量坐标系o_m-x_my_m，原点o_m为光平面上任意点，x_m轴和y_m轴相互垂直且位于光平面内；

1.2、标定摄像机的内部参数和激光视觉传感器的结构参数并保存到计算机；

1.3、建立标准钢轨二维设计坐标系o_n-x_ny_n，以钢轨断面对称轴为y_n轴，轨底为x_n轴，选取标准钢轨上轨腰部分大圆和小圆的两个圆心以及圆心连线与小圆的交点为对准特征点，分别计算出对准特征点的设计坐标，并保存到计算机，以备测量阶段调用；

2、测量钢轨磨耗；

2.1、将里程表通过串口连接到计算机上；

2.2、设定标准轮廓与测量轮廓对准参数，设定钢轨轮廓最小长度阈值T_L，它由轮廓特征点数表示，取值范围是40～100；轨头轮廓与轨腰轮廓间距最小阈值T_D，它由轮廓图像的像素坐标表示，取值范围为15～30像素，典型值20像素；保存设定参数，以备后续测量调用；

2.3、测量程序监视串口数据状态，当接收到串口发送的启动命令和里程数据时，保存里程数据并控制摄像机拍摄一幅包括钢轨断面特征轮廓的图像，称为测量图像；

2.4、提取测量图像中钢轨断面特征轮廓的图像坐标，若未提取到两条满足长度大于T_L的特征轮廓，或者两条特征轮廓的间距小于T_D，则返回到步骤2.3，重新根据串口状态，控制采集钢轨测量图像；若找到两条正确的钢轨特征轮廓，则根据激光视觉传感器7的测量模型，利用特征轮廓的图像坐标计算钢轨断面特征轮廓的测量坐标；

2.5、根据钢轨断面特征轮廓的测量坐标，将测量轮廓自动分割成轨头、轨腰大圆和轨腰小圆三部分。由分割的轨腰大圆和轨腰小圆部分的特征轮廓，采用半径约束方法分别拟合轨腰大圆和轨腰小圆，小圆半径为20mm，大圆半径取400mm，称为60kg对准模式，大圆半径取350mm，称为50kg对准模式；

2.6、分别采用60kg对准模式和50kg对准模式，计算对准特征点的测量坐标，由其中至少2个对准特征点的测量坐标及设计坐标，计算测量坐标系到设计坐标系的二维变换；

2.7、根据在两种模式下求出的测量坐标系到设计坐标系的变换，分别将钢轨断面轨头部分的测量坐标转换到设计坐标系中，直接和标准钢轨比对，计算得到钢轨的垂直磨耗、侧面磨耗和总磨耗；

2.8、比较两种对准模式下的3个磨耗值，选取较小值作为最后的测量结果，并根据所采用的对准模式得到被测钢轨的轨型，将测量结果、轨型以及对应的里程数保存到测量结果文件中；

2.9、向串口发送测量完成信号；

2.10、重复2.3～2.9步，进行下一次测量。

本发明的优点是：

第一、首次实现了单激光视觉传感器同时测量单侧钢轨轮廓以及垂直磨耗、侧面磨耗和总磨耗多参数，降低了设备成本；

第二、自动分割测量钢轨断面轮廓的轨头、轨腰大圆及轨腰小圆，实现了动态条件下对钢轨磨耗的现场测量；

第三、以钢轨断面轨腰大圆及小圆圆心及其衍生特征为对准特征点，自动获得测量基准，实现了钢轨测量轮廓与设计轮廓的自动对准，避免了火车运行过程中振动对测量的影响；

第四、实现了被测钢轨型号自动识别及磨耗实际检测点的里程记录；

第五、测量***装置结构简单、成本低、自动化程度高，测量精度高、速度快，测量过程简单。

第六、钢轨磨耗激光视觉测量***得到工程化应用。

附图说明

图1是钢轨磨耗激光视觉动态测量***基本原理示意图。图1中，1是半导体激光器，2是光平面发生光学***，3是由1和2组成的激光投射器，4是CCD摄像机，5是滤光***，6是由4和5组成的钢轨断面成像***，7是由3和6构成的激光视觉传感器，8是光平面，10是被测钢轨，9是8与10相交形成的钢轨断面特征轮廓9。

图2是激光视觉传感器的测量数学模型。4是CCD摄像机，3是激光投射器，7是由4和3组成的激光视觉传感器，204是图像平面，8是光平面，206是被测物体。

图3是钢轨设计二维坐标系的建立及对准特征点和磨耗测量点的选择示意图。

图4是投射到钢轨表面的特征光条及采集的包含钢轨断面特征轮廓图像。

图5是测量坐标系到设计坐标系的变换计算。

图6是“钢轨磨耗激光视觉动态检测***”软件界面。

图7是50kg右钢轨测量轮廓图像及提取特征轮廓。

图8是50kg右钢轨轮廓在测量坐标系和设计坐标系中的坐标。

图9是测量轮廓与设计轮廓对准后及磨耗计算结果。

图10是同一钢轨磨耗连续540次测量误差曲线图。

图11是测量软件流程图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。本发明将现代激光技术和计算机视觉技术相结合，使用单激光视觉传感器，在动态条件下，实现了单侧钢轨断面轮廓、垂直磨耗、侧面磨耗和总磨耗多参数的现场自动测量。

本发明钢轨磨耗激光视觉动态测量装置***基本原理如图1所示，它由激光投射器3和钢轨断面成像***6组成的激光视觉传感器7、计算机、高速图像采集卡和测量软件等组成。激光投射器3由半导体激光器1和光平面发生光学***2组成；钢轨断面成像***6由CCD摄像机4和滤光***5组成；钢轨断面成像***6的光轴和激光投射器3的光轴交汇角为45°～60°；激光视觉传感器7固定在火车底部车体上，与被测钢轨10的距离为300～700mm。固定激光视觉传感器7的装置为现有的固定装置或者类似的简单固定机构。

调整激光投射器3，使得投射光平面8垂直于被测钢轨10并与钢轨断面平行；调整钢轨断面成像***6，保证成像***能够观测到投射光平面8与被测钢轨10表面相交形成的轨头和轨腰特征轮廓9；分别固紧激光投射器3和成像***6。激光投射器3和钢轨断面成像***6的调整机构可以采用通用的各种二维机械调整和固紧机构。

所说的标定靶标为一个二维平面，靶标平面上有预先设置的特征点。在靶标平面上有成矩阵排列的黑色方块，方块的数量为4～100个，方块的边长为3～50mm，其精度为0.01～0.05mm，方块间距为3～50mm，其精度为0.01～0.05mm，选取每个方块的顶点为特征点。

本发明测量装置一式两套安装在火车底部，分别测量左右侧两条钢轨的磨耗。

钢轨磨耗激光视觉动态检测的工作原理为：由高强度的激光投射器3投射出光平面8，光平面8对准被测钢轨10的内侧进行照射并垂直于钢轨。光平面8与钢轨10相交，形成钢轨横断面特征轮廓9，经钢轨断面成像***6成像后，由高速图像采集卡采集到计算机内存，对图像进行处理分析得到钢轨断面特征轮廓的图像坐标，根据测量传感器的数学模型，求得钢轨断面的实际轮廓在测量坐标系中的二维坐标。将钢轨轮廓的测量坐标与设计坐标自动对准，根据磨耗测量的规定，计算垂直磨耗、侧边磨耗以及总磨耗。

参见图11，“钢轨磨耗激光视觉动态检测***”软件的主要功能包括：钢轨断面特征轮廓图像的实时采集；特征轮廓图像坐标的自动“亚像素”精度提取；摄像机镜头畸变校正；钢轨表面轮廓测量；测量***的参数标定；轨型(左右钢轨以及规格50kg和60kg)自动识别；测量基准自动建立、钢轨表面测量轮廓与标准轮廓的自动对准；垂直磨耗和侧面磨耗的自动计算；测量磨耗与里程对应等功能。

激光视觉传感器数学模型。

由CCD摄像机4和激光投射器3组成的激光视觉传感器7的数学模型如图2所示。摄像机三维坐标系为o_c-x_cy_cz_c，图像坐平面204的图像坐标系为o_u-x_uy_u。在光平面8上以一点o_m为原点，建立三维参考坐标系o_m-x_my_mz_m，其中o_m-x_my_m为二维测量坐标系，光平面8在参考坐标系下的方程为：

z_m＝0             [1]

设光平面上任意一点P的三维参考坐标为(x_m，y_m，z_m)，相应二维测量坐标系为(x_m，y_m)，点P在图像平面204上的透视投影点为p，p的图像坐标为(x_u，y_u)，归一化图像坐标为(x_n，y_n)，则摄像机模型可以表为：

$\begin{array}{cc}\mathrm{\ρ}\left(\begin{array}{c}{x}_n\\ y_n\\ 1\end{array}\right)=\left[\begin{array}{cc}{R}_c^m& T_c^m\end{array}\right]\left(\begin{array}{c}{x}_m\\ y_m\\ z_m\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}{r}_1& r_2& r_3& t_x\\ r_4& r_5& r_6& t_y\\ r_7& r_8& r_9& t_z\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_m\\ y_m\\ z_m\\ 1\end{array}\right)& \mathrm{\ρ}\≠0\end{array}---\left[2\right]$

$\begin{array}{cc}\mathrm{\λ}\left(\begin{array}{c}{x}_n\\ y_n\\ 1\end{array}\right)={\left(\begin{array}{ccc}{f}_x& 0& u_0\\ 0& f_y& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{x}_u\\ y_u\\ 1\end{array}\right)=A^{-1}\left(\begin{array}{c}{x}_u\\ y_u\\ 1\end{array}\right)& \mathrm{\λ}\≠0\end{array}---\left[3\right]$

其中ρ，λ为比例因子，A为摄像机302的内部参数矩阵，f_x，f_y为x、y方向上的有效焦距，(u₀，v₀)为主点坐标。

为3×3正交旋转矩阵，

为3×1平移矢量。

和

表示了参考坐标系o_m-x_my_mz_m到摄像机坐标系O_c-x_cy_cz_c的变换。

由公式[1]～[3]可得，归一化图像坐标与测量坐标的变换为：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\ρ}}_1\left(\begin{array}{c}{x}_n\\ y_n\\ 1\end{array}\right)={\left(\begin{array}{ccc}{r}_1& r_2& t_x\\ r_4& r_5& t_y\\ r_6& r_7& t_z\end{array}\right)}^{\mathrm{}}\left(\begin{array}{c}{x}_m\\ y_m\\ 1\end{array}\right)=H\left(\begin{array}{c}{x}_m\\ y_m\\ 1\end{array}\right)& {\mathrm{\ρ}}_1\≠0\end{array}---\left[4\right]$

公式[4]表明光平面与图像平面之间的关系可以通过一个3×3矩阵表示。公式[1]～[4]构成了欧式空间上的激光视觉传感器的数学模型。根据公式[3]由光平面上点的图像坐标可以计算归一化图像坐标，然后根据公式[4]，计算其对应的测量坐标。

激光视觉传感器模型参数的标定方法参见周富强等的发明专利“一种基于平面靶标的结构光视觉传感器标定方法”，申请号：03142658.1，公开日：2005年1月19日。

根据激光视觉传感器7的测量模型和本发明的测量原理，钢轨磨耗激光视觉动态测量分为测量***模型参数标定和根据模型进行测量两个阶段。

测量***模型参数的标定具体步骤如下：

1、设定激光视觉传感器。激光视觉传感器7为由钢轨断面成像***6和激光投射器3组成。钢轨断面成像***6的光轴和激光投射器3的光轴按成45°～60°角度设置好后，其相对位置一经固紧后保持不变。激光投射器3由半导体激光器1和光平面发生光学***2构成，半导体激光器的激光波长为红外激光或者可见激光，光平面发生光学***2由准直光路和柱面镜构成。激光投射器可以采用商业产品，如西安华科光电有限公司生产的一字激光器等。钢轨断面成像***由CCD摄像机4和滤光***5组成，滤光***的峰值波长与激光波长相同。激光视觉传感器7固定在火车底部车体上，与被测钢轨10的距离为300～700mm。

2、调整激光投射器3，使得投射光平面8垂直于被测钢轨10并与钢轨断面平行；调整钢轨断面成像***6，保证成像***能够观测到投射光平面8与被测钢轨10表面相交形成的轨头和轨腰特征轮廓9；分别固紧激光投射器3和成像***6。

3、所说的标定靶标为一个二维平面，靶标平面上有预先设置的特征点。在靶标平面上有成矩阵排列的黑色方块，方块的数量为4～100个，方块的边长为3～50mm，其精度为0.01～0.05mm，方块间距为3～50mm，其精度为0.01～0.05mm，选取每个方块的顶点为特征点。

4、在光平面上建立二维测量坐标系o_m-x_my_m，原点o_m为光平面上任意点，x_m轴和y_m轴相互垂直且位于光平面内；

5、打开传感器的电源，启动“钢轨磨耗激光视觉动态检测***”软件，初始化图像采集卡。

6、标定激光视觉传感器的摄像机参数和传感器结构参数，标定方法和步骤参见周富强等的发明专利“一种基于平面靶标的结构光视觉传感器标定方法”，申请号：03142658.1，公开日：2005年1月19日。将标定参数保存到计算机，以备测量阶段调用。

7、如图3所示，建立标准钢轨二维设计坐标系o_nx_ny_n，以钢轨对称轴为y_n轴，轨底为x_n轴。AB段轮廓表示标准钢轨上轨腰部分大圆(50kg钢轨的半径为350mm，60kg钢轨的半径为400mm)，称为轨腰大圆轮廓段。BC段轮廓表示轨腰部分小圆(半径为20mm)，称为轨腰小圆轮廓段。EF段轮廓为轨头部分，称为轨头轮廓段。G点为侧面磨耗测量点，H点为垂直磨耗测量点。根据“铁道线路维修规则”的规定，G点位于标准断面距离钢轨顶面往下16mm处，H点位于钢轨顶面宽1/3处(距标准作用边)。选取轨腰大圆和轨腰小圆的2个圆心(用D₁和D₂表示)以及圆心连线D₁D₂与小圆的交点(用D₃和D₄)为对准特征点，分别计算出50kg和60kg钢轨的对准特征点的设计坐标，并保存到计算机中，以备测量阶段调用。

测量***的参数只需要标定一次，标定好测量***后，就可以进行钢轨磨耗动态检测。钢轨磨耗的具体测量步骤如下：

8、将里程表固定在火车适当位置，并通过串口连接到计算机上。

9、在火车运动或者静止的两种情况下，都可以启动测量软件的“磨耗动态检测”功能。

10、设定钢轨设计轮廓与测量轮廓对准参数。设定钢轨轮廓最小长度(由轮廓特征点数表示)阈值T_L，取值范围为40～100，典型值为50左右。轨头轮廓与轨腰轮廓间距(由轮廓图像的像素坐标表示)最小阈值T_D，取值范围为15～30 pixels，典型值20 pixels。设定轨腰大圆的最小长度为T_BCL(由轮廓特征点数表示，保证比实际图像处理得到的长度小，典型值为70)，轨腰小圆的最大长度为T_SCL(由轮廓特征点数表示，典型值为30)。以上对准参数可以根据实际拍摄的钢轨图像，通过图像处理得到，设定时，比实际得到数据小5左右。设定小圆关键点距离参数T₁₄，T₁₄＝‖D₁D₄‖-r_BC，r_BC为轨腰大圆半径。对于50kg钢轨，T₁₄＝3.51mm，对于60kg钢轨，T₁₄＝3.07mm。保存设定参数到计算机，以备后续测量调用。

11、测量程序监视串口数据状态，当接收到串口发送的启动命令和里程数据时，测量程序保存里程数据并同时控制摄像机拍摄一幅包括钢轨断面特征轮廓的图像，称为测量图像。

12、提取测量图像中钢轨断面特征轮廓的图像坐标，根据传感器测量模型，利用特征轮廓的图像坐标计算特征轮廓在测量坐标系下的二维坐标，称为特征轮廓的测量坐标。特征轮廓的图像坐标提取算法参见Carsten Steger的文章“一种对称曲线结构探测器”[An UnbiasedDetector of Curvilinear Structures]，IEEE期刊《模式分析及机器智能》，20(2)，第113～125页，1998年。[IEEE Transactions on PatternAnalysis and Machine Intelligence，20(2)，February1998]。如图4所示，激光投射器投射光平面在钢轨表面形成的特征轮廓有两条，分别对应图4的AC段轮廓和EF段轮廓，若AC和EF轮廓的长度T_L，或者A点与C点对应的图像坐标之间的距离小于T_D，则表明图像中无钢轨轮廓特征，返回步骤11，重新根据串口状态，控制采集钢轨测量图像。正常情况，得到两条满足设定长度阈值以及距离阈值的轮廓特征，分别将两条轮廓的图像坐标按行坐标排序，轮廓开始点的行坐标较小的称为轨头轮廓，其长度为N_head，另一条称为轨腰轮廓，长度为N_waist。比较轨头轮廓的开始点和最后点的列坐标，如果开始点列坐标大于最后点，则钢轨为右钢轨，否则为左钢轨。

13、由轨腰轮廓的图像坐标，根据公式[3]和[4]表示的传感器的测量模型，计算得到轨腰轮廓的二维测量坐标。

14、根据轨腰轮廓的二维测量坐标，将轨腰轮廓自动分割成轨腰大圆和轨腰小圆两部分，提取对准特征点D₁～D₄的二维测量坐标。

轨腰大圆轮廓数据占整个大圆的比例不到1/3，通过无约束拟合圆，获得圆半径和中心坐标，误差大。因此，本发明假定圆半径为设计时的标准值，采用半径约束非线性优化方法拟合圆，主要的目的是获得圆的圆心坐标。非线性优化的目标函数为：

$f(x_{m0},y_{m0})=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(\sqrt{{(x_{\mathrm{mi}}-x_{m0})}^2+{(y_{\mathrm{mi}}-y_{m0})}^2}-r{)}^2---\left[5\right]$

(x_m0，y_m0)为拟合圆心坐标，r为已知半径，N为参加拟合圆的轮廓点数量。

由T_BCL个轨腰轮廓点的二维测量坐标拟合轨腰大圆，得到大圆圆心D₁的二维测量坐标。从轨腰的第T_BCL+1个点开始，按下式计算：

$d_i=\sqrt{{(x_{\mathrm{mi}}-x_{m0})}^2+{(y_{\mathrm{mi}}-y_{m0})}^2}-r_{\mathrm{BC}}$   i＝T_BCL+1～(N_waist-T_SCL/2)     [6]

当满足(N_waist-T_SCL/2)>d_i>T₁₄时，停止计算。称此时的轮廓点为小圆关键特征点，其坐标为第i个轨腰轮廓点。若未满足条件，则返回到第12步，重新根据串口状态，控制采集钢轨测量图像。

以第i-T_SCL/2到第i+T_SCL/2个轨腰轮廓点的二维测量坐标，采用约束半径拟合轨腰小圆，求得小圆圆心D₂的二维测量坐标。由直线D₁D₂和小圆的方程，求得D₃和D₄的二维测量坐标。

15、由轨腰大圆和轨腰小圆的部分轮廓特征点二维测量坐标，按步骤14所述方法，计算测量坐标系到标准设计坐标的变换。小圆半径为20mm，大圆半径取400mm，称为60kg对准模式，大圆半径取350mm，称为50kg对准模式。分别采用60kg对准模式和50kg对准模式，计算出对准特征点D₁～D₄的二维测量坐标，由其中至少两个对准特征点，计算出测量坐标系到设计坐标系的二维变换。

如图5所示，测量坐标系o_mx_my_m到标准设计坐标系o_nx_ny_n之间的变换包括旋转和平移。大圆圆心D₁和小圆圆心D₂在标准坐标系下的坐标已知，测量坐标系下的坐标在步骤19求出，则测量坐标系中向量与设计坐标系中对应向量

之间的夹角θ表示两坐标系之间的旋转。即

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{y_{1m}-y_{2m}}{x_{1m}-x_{2m}}\right)-\arctan \left(\frac{y_{1n}-y_{2n}}{x_{1n}-x_{2n}}\right)---\left[7\right]$

测量坐标系到设计坐标系的变换为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_n\\ y_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_m\\ y_m\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\end{array}\right]---\left[8\right]$

由4对对准特征点，根据式[8]，采用线性最小二乘方法求得两坐标系之间的平移。由此得到两坐标系之间的变换参数θ、t_x和t_y。

16、根据在两种模式下求出的测量坐标系到设计坐标系的变换，分别将钢轨断面轨头部分的测量坐标转换到设计坐标系中，直接和标准钢轨比对，求出钢轨的垂直磨耗、侧面磨耗和总磨耗。

根据“铁道线路维修规则”的规定，钢轨的垂直磨耗W_v在钢轨顶面1/3处(距标准作用边)测量，侧面磨耗W_h在标准踏面(按标准断面)下16mm处测量。

总磨耗为：W_s＝W_v+W_h/2。

17、比较两种对准模式下的3个磨耗值，取较小值作为最后的测量结果，并根据所采用的对准模式自动识别轨型，将测量结果、轨型以及目前所测钢轨对应的里程数保存到文件中。

18、向串口发送测量完成信号。

19、重复11～18步，进行下一次测量。

实施例

根据本发明提出测量装置和测量方法，设计了实际激光视觉传感器，对钢轨进行了现场动态测量，测量***的软件界面如图6所示。

图7给出了一幅包括50kg钢轨的测量图像及提取出的轮廓特征图像。图8为在测量坐标系的钢轨断面轮廓及变换到设计坐标系下的轮廓；图9为对准后，测量轮廓和设计轮廓。

最后测量磨耗分别为：垂直磨耗为1.9mm，侧边磨耗为-0.1mm，总磨耗为1.8mm，轨型为50R(50kg右钢轨)。在PIV3.0计算机，单次测量时间为25.5ms。

图10为火车停止时，对同一固定钢轨表面，连续进行540次测量，得到的钢轨表面磨耗重复性误差曲线。RMS误差分别为：0.10mm，0.04mm，0.10mm。

Claims (1)

1、钢轨磨耗激光视觉动态测量方法，使用钢轨磨耗激光视觉动态测量装置进行综合参数的动态测量，所说的钢轨磨耗激光视觉动态测量装置由激光投射器(3)和钢轨断面成像***(6)组成的激光视觉传感器(7)、计算机、高速图像采集卡、标定靶标和测量软件组成；激光投射器(3)由半导体激光器(1)和光平面发生光学***(2)组成；钢轨断面成像***(6)由CCD摄像机(4)和滤光***(5)组成，钢轨断面成像***(6)的光轴和激光投射器(3)的光轴交汇角为45°～60°；激光视觉传感器(7)固定在火车底部车体上，与被测钢轨(10)的距离为300～700mm；激光投射器(3)投射的光平面(8)垂直于被测钢轨(10)并与钢轨断面平行；钢轨断面成像***(6)的成像***能够观测到投射光平面(8)与被测钢轨(10)表面相交形成的轨头和轨腰特征轮廓(9)；所说的标定靶标为一个二维平面，靶标平面上有预先设置的特征点，在靶标平面上有成矩阵排列的黑色方块，方块的数量为4～100个，方块的边长为3～50mm，其精度为0.01～0.05mm，方块间距为3～50mm，其精度为0.01～0.05mm，选取每个方块的顶点为特征点；其特征在于，测量的具体步骤是：

1.1、建立激光视觉传感器(7)的摄像机模型和测量模型，标定摄像机参数和传感器结构参数；

1.1.1、在光平面上建立二维测量坐标系o_m-x_my_m，原点o_m为光平面上任意点，x_m轴和y_m轴相互垂直且位于光平面内；

1.1.2、标定摄像机的内部参数和激光视觉传感器的结构参数并保存到计算机；

1.1.3、建立标准钢轨二维设计坐标系o_n-x_ny_n，以钢轨断面对称轴为y_n轴，轨底为x_n轴，选取标准钢轨上轨腰部分大圆和小圆的两个圆心以及圆心连线与小圆的交点为对准特征点，分别计算出对准特征点的设计坐标，并保存到计算机，以备测量阶段调用；

1.2、测量钢轨磨耗；

1.2.1、将里程表通过串口连接到计算机上；

1.2.2、设定标准轮廓与测量轮廓对准参数，设定钢轨轮廓最小长度阈值T_L，它由轮廓特征点数表示，取值范围是40～100；轨头轮廓与轨腰轮廓间距最小阈值T_D，它由轮廓图像的像素坐标表示，取值范围为15～30像素，典型值20像素；保存设定参数，以备后续测量调用；

1.2.3、测量程序监视串口数据状态，当接收到串口发送的启动命令和里程数据时，保存里程数据并控制摄像机拍摄一幅包括钢轨断面特征轮廓的图像，称为测量图像；

1.2.4、提取测量图像中钢轨断面特征轮廓的图像坐标，若未提取到两条满足长度大于T_L的特征轮廓，或者两条特征轮廓的间距小于T_D，则返回到步骤1.2.3，重新根据串口状态，控制采集钢轨测量图像；若找到两条正确的钢轨特征轮廓，则根据激光视觉传感器(7)的测量模型，利用特征轮廓的图像坐标计算钢轨断面特征轮廓的测量坐标；

1.2.5、根据钢轨断面特征轮廓的测量坐标，将测量轮廓自动分割成轨头、轨腰大圆和轨腰小圆三部分，由分割的轨腰大圆和轨腰小圆部分的特征轮廓，采用半径约束方法分别拟合轨腰大圆和轨腰小圆，小圆半径为20mm，大圆半径取400mm，称为60kg对准模式，大圆半径取350mm，称为50kg对准模式；

1.2.6、分别采用60kg对准模式和50kg对准模式，计算对准特征点的测量坐标，由其中至少2个对准特征点的测量坐标及设计坐标，计算测量坐标系到设计坐标系的二维变换；

1.2.7、根据在两种模式下求出的测量坐标系到设计坐标系的变换，分别将钢轨断面轨头部分的测量坐标转换到设计坐标系中，直接和标准钢轨比对，计算得到钢轨的垂直磨耗、侧面磨耗和总磨耗；

1.2.8、比较两种对准模式下的3个磨耗值，选取较小值作为最后的测量结果，并根据所采用的对准模式得到被测钢轨的轨型，将测量结果、轨型以及对应的里程数保存到测量结果文件中；

1.2.9、向串口发送测量完成信号；

1.2.10、重复1.2.3～1.2.9步，进行下一次测量。

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