CN101532827B - 一种激光视觉钢轨磨耗测量的纠偏方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光视觉钢轨磨耗测量的纠偏方法，包括：将激光视觉传感器测量得到的钢轨断面的特征轮廓的轨腰轮廓分为轨腰大圆和轨腰小圆；依据轨腰大圆和轨腰小圆的切点，拟合出钢轨纵轴轴线；将特征轮廓投影到垂直于钢轨纵轴轴线的辅助平面，得到钢轨断面的投影轮廓；通过钢轨断面的标准轮廓与投影轮廓的对齐，计算出钢轨断面的磨耗值；基于本发明的方法，可以消除由激光视觉传感器投射出的光平面与钢轨纵轴轴线不垂直带来的钢轨磨耗测量误差。

Description

一种激光视觉钢轨磨耗测量的纠偏方法 

技术领域

本发明涉及激光视觉测量技术，特别是指一种激光视觉钢轨磨耗测量的纠偏方法。 

背景技术

轨道的定期检测对于铁路运输的合理计划和低成本维护是非常重要的：一方面，在轨道磨损和变形早期阶段，进行轨道检测有助于制定合理的铁路维护时间表，以避免危险状况发生；另一方面，有效的轨道检测将为轨道从周期性检修向状态检修转变奠定基础，使有限的人力和仪器设备资源得到更好的利用，有效节约轨道维护成本。 

目前，国内外许多研究机构和学者对钢轨磨耗的检测方式进行了研究，并成功研制了各种测量装置，根据检测方式的不同，测量装置可以分为接触式和非接触式。其中，接触式测量装置的测量精度高，但操作复杂，测量效率低，只适合静态测量，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；非接触式测量装置适合动态测量。 

关于非接触式测量装置，在申请号为200510123725.0，发明名称为“钢轨磨耗激光视觉动态测量装置及测量方法”的中国专利申请中，公开了一种只在钢轨内侧设置一个单线激光视觉传感器，便可完成对钢轨垂直磨耗和侧面磨耗测量的装置，该装置及测量方法提高了钢轨磨耗测量效率，降低了测量设备成本，改善了工程化应用的可操作性和便捷性。但是该装置中的激光视觉传感器只投射一个光平面，因此每幅图像只包含一个钢轨断面的特征轮廓，造成图像信息的浪费。 

另外，在申请号为200710176429.6，发明名称为“一种钢轨磨耗综合参数车载动态测量装置及方法”的中国专利申请中，公开了一种基于光栅结构的激光视觉传感器测量钢轨垂直磨耗、水平磨耗及波浪磨耗的装置及方法。该专利申请中描述的装置及方法，在无需提高图像采集硬件性能的情况下，便可提高采集密度，从而满足波浪磨耗在线动态测量要求。

上述两种装置及测量方法在钢轨磨耗测量过程中，均要求激光视觉传感器所投射出的光平面垂直于钢轨纵轴轴线。但是，在激光视觉传感器安装过程中，很难保证其投射出的光平面与钢轨纵轴轴线垂直。此外，激光视觉传感器安装在列车底部，随列车运行时，由于列车的振动也会造成激光视觉传感器投射出的光平面与钢轨纵轴轴线不垂直，从而降低了钢轨磨耗测量的精度。 

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种激光视觉钢轨磨耗测量的纠偏方法，能够消除由激光视觉传感器投射出的光平面与钢轨纵轴轴线不垂直带来的钢轨磨耗测量误差，提高了钢轨磨耗测量的精度。 

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： 

本发明提供了一种激光视觉钢轨磨耗测量的纠偏方法，该方法包括： 

a、激光视觉传感器在钢轨内侧投射出光平面，所述光平面与钢轨相交形成钢轨断面的特征轮廓，将激光视觉传感器测量得到的钢轨断面的特征轮廓的轨腰轮廓分为轨腰大圆和轨腰小圆； 

b、依据所述轨腰大圆和轨腰小圆的切点在激光视觉传感器数学模型摄像机坐标系下的坐标拟合直线，将所述直线作为钢轨纵轴轴线； 

c、以钢轨纵轴轴线方向为投影方向，将所述特征轮廓投影到垂直于所述钢轨纵轴轴线的辅助平面，得到所述特征轮廓在所述辅助平面的投影作为钢轨断面的投影轮廓； 

d、通过钢轨断面的标准轮廓与所述投影轮廓的对齐，计算出钢轨断面的磨 耗值；所述磨耗值包括：垂直磨耗值和水平磨耗值； 

所述垂直磨耗值为所述标准轮廓的垂直磨耗测量点在垂直方向上到所述投影轮廓的距离；所述水平磨耗值为所述标准轮廓的水平磨耗测量点在水平方向上到所述投影轮廓的距离。 

其中，所述激光视觉传感器包含两个或两个以上的光平面投射器；所述激光视觉传感器投射出的多个光平面相互平行。 

在所述步骤a之后，该方法还包括：基于所述特征轮廓在激光视觉传感器数学模型二维测量坐标系下的坐标，采用半径约束非线性优化方法分别拟合所述轨腰大圆和轨腰小圆的方程；并基于所述轨腰大圆和轨腰小圆的方程计算出所述轨腰大圆和轨腰小圆的切点坐标。 

步骤d所述将钢轨断面的标准轮廓与所述投影轮廓对齐为：以所述投影轮廓的轨腰轮廓为基准，在所述辅助平面上将所述标准轮廓和投影轮廓对齐。本发明的激光视觉钢轨磨耗测量的纠偏方法，采用多线激光视觉传感器采集含有钢轨多个断面特征轮廓的图像，如此可以提高图像信息的利用率。 

另外，本发明将激光视觉传感器测量得到的钢轨断面的特征轮廓基于激光视觉传感器的数学模型，计算出钢轨纵轴轴线；依据垂直于钢轨纵轴轴线的辅助平面，并将测量得到的钢轨断面的特征轮廓投影在辅助平面上，得到投影轮廓。本发明以投影轮廓基准，将标准轮廓与其对齐，以此来计算出钢轨断面内的磨耗值，如此可以消除由激光视觉传感器投射出的光平面与钢轨纵轴轴线不垂直带来的钢轨磨耗测量误差，提高了钢轨磨耗测量的精度。 

附图说明

图1为本发明激光视觉钢轨磨耗测量的纠偏方法流程示意图； 

图2为激光视觉传感器拍摄到的钢轨断面的特征轮廓图像； 

图3为激光视觉传感器的数据模型； 

图4为在二维测量坐标系中确定钢轨轨腰大圆和轨腰小圆切点的示意图； 

图5为本发明中钢轨纵轴轴线与钢轨断面的特征轮廓及辅助平面的结构关系示意图； 

图6为钢轨断面的投影轮廓和标准轮廓对齐示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。 

本发明所提供的一种激光视觉钢轨磨耗测量的纠偏方法，如图1所示，主要包括以下步骤： 

步骤101，使用多线激光视觉传感器采集含有钢轨多个断面特征轮廓的图像，并基于激光视觉传感器的数学模型得到特征轮廓在摄像机坐标系下的三维数据。 

本发明中采用多线激光视觉传感器来测量钢轨内侧轨腰和轨头部分的多个断面，多线激光视觉传感器含有两个或两个以上的光平面投射器，可以投射出相互平行的多个光平面。较佳地，可以采用能投射三个光平面的激光视觉传感器，其中投射出的三个光平面相互平行。激光视觉传感器内的激光投射器对准钢轨内侧投射出光平面，该光平面与钢轨相交，形成钢轨断面，则钢轨断面与光平面重合。经过钢轨断面成像***成像后，得到钢轨断面的特征轮廓的图像。其中，钢轨断面成像***主要由摄像机、镜头和图像采集***构成。 

需要指出的是，原则上，所述激光视觉传感器内的激光投射器需要对准钢轨内侧垂直于钢轨纵轴轴线投射出光平面，但实际应用时，在激光视觉传感器安装过程中，很难保证其投射出的光平面与钢轨纵轴轴线绝对垂直；另外，激光视觉传感器安装在列车底部，随列车运行时，由于列车的振动也会造成激光视觉传感器投射出的光平面与钢轨纵轴轴线不垂直。鉴于上述的因素，本发明能够基于光平面与钢轨纵轴轴线不垂直的条件来测量钢轨的磨耗，并且可以消 除现有技术中由于激光视觉传感器投射出的光平面与钢轨纵轴轴线不垂直带来的钢轨磨耗测量误差。本发明通过后续的处理，可以精确的测量钢轨磨耗。 

采用能投射三个相互平行光平面的激光视觉传感器对准钢轨内侧投射出光平面，形成三个钢轨断面，分别为钢轨断面1、钢轨断面2和钢轨断面3。经过钢轨断面成像***成像后，得到包含三个钢轨断面的特征轮廓的图像，如图2所示，其中，特征轮廓1对应钢轨断面1、特征轮廓2对应钢轨断面2、特征轮廓3对应钢轨断面3，每个特征轮廓都包括轨头轮廓和轨腰轮廓两部分。 

将特征轮廓的图像，由高速图像采集卡采集到计算机内存，并对图像进行分析，得到特征轮廓在图像坐标系下的坐标，即图像坐标。然后通过激光视觉传感器的数学模型，将所述图像坐标转换到摄像机坐标系中，得到特征轮廓在摄像机坐标系下的三维坐标。 

其中，激光视觉传感器的数学模型如图3所示：摄像机坐标系为o_c-x_cy_cz_c；图像坐标平面31的图像坐标系为o_u-x_uy_u；光平面30、即由激光投射器对准钢轨内侧投射出的光平面，以光平面30任一点o_m为原点，建立三维参考坐标系o_m-x_my_mz_m，令z_m＝0，则得到光平面的二维测量坐标系为o_m-x_my_m。 

基于上述激光视觉传感器的数学模型，将特征轮廓的图像坐标依据图像坐标系和摄像机坐标系之间的转换，得到特征轮廓在摄像机坐标下的三维坐标。其中，激光视觉传感器的数学模型中各个坐标系之间的转换可以参考申请号为03142658.1，发明名称为“一种基于平面靶标的结构光视觉传感器标定方法”的中国专利申请。表1、表2、表3分别给出了图2中三个特征轮廓的轨腰轮廓在摄像机坐标系o_c-x_cy_cz_c下的部分三维坐标数据，单位为毫米(mm)。 

表1所示为特征轮廓1轨腰轮廓在摄像机坐标系下的部分三维数据： 

表1 

表2所示为特征轮廓2轨腰轮廓在摄像机坐标系下的部分三维数据： 

表2 

表3所示为特征轮廓3轨腰轮廓在摄像机坐标系下的部分三维数据： 

表3 

步骤102，在光平面的二维测量坐标系中拟合特征轮廓的轨腰大圆和轨腰小圆；并依据轨腰大圆和轨腰小圆的切点在摄像机坐标系下的三维数据拟合直线，作为钢轨纵轴轴线。 

建立钢轨断面的测量坐标系o_n-x_ny_n，如图4所示，以钢轨对称轴为y_n轴，以轨底为x_n轴，AB段轮廓表示钢轨轨腰上的大圆部分轮廓，BC段表示钢轨轨腰上的小圆部分轮廓。B点为所述大圆和小圆的切点。 

由于钢轨断面与图3中光平面30重合，因此上述测量坐标系o_n-x_ny_n与图3中光平面的二维测量坐标系o_m-x_my_m重合。 

基于激光视觉传感器的数学模型，通过摄像机坐标系和二维测量坐标系的转换，可以将表1、表2、表3所示轨腰的三维摄像机坐标映射到二维测量坐标系中，得到特征轮廓在光平面上的二维测量坐标。然后，在二维测量坐标系下将特征轮廓的轨腰轮廓分为轨腰大圆和轨腰小圆，并通过半径约束非线性优化方法分别拟合轨腰大圆和轨腰小圆的方程。其中，半径约束非线性优化方法及拟合算法为现有技术，此处不再赘述。 

特征轮廓1的轨腰大圆和轨腰小圆在二维测量坐标系中的方程为： 

轨腰大圆：(x-266.129)²+(y+195.365)²＝122500 

轨腰小圆：(x+40.363)²+(y+62.060)²＝225 

特征轮廓2的轨腰大圆和轨腰小圆在二维测量坐标系中的方程为： 

轨腰大圆：(x-255.818)²+(y+170.034)²＝122500 

轨腰小圆：(x+49.864)²+(y+35.912)²＝225 

特征轮廓3的轨腰大圆和轨腰小圆在二维测量坐标系中的方程为： 

轨腰大圆：(x-244.819)²+(y+147.468)²＝122500 

轨腰小圆：(x+59.009)²+(y+8.736)²＝225 

根据上述轨腰大圆和轨腰小圆的方程，可以计算出轨腰大圆和轨腰小圆的 切点。特征轮廓1、特征轮廓2和特征轮廓3的轨腰大圆和轨腰小圆切点在二维测量坐标系下的坐标分别为：Q1_m(-54.118，-56.078)、Q2_m(-63.600，-29.885)、Q3_m(-72.654，-2.506)。 

基于二维测量坐标系和图像坐标系之间的转换，得到三个切点在图像坐标下的坐标为：Q1_u(359.410，381.806)、Q2_u(459.433，381.008)、Q3_u(545.057，376.976)。 

基于图像坐标系和摄像机坐标系之间的转换，得到三个切点在摄像机坐标系下的坐标为：Q1_c(-2.569，27.387，410.542)、Q2_c(24.995，27.709，418.689)、Q3_c(49.848，27.256，429.129)。 

然后，根据三个切点在在摄像机坐标系下的坐标，通过拟合算法得到一条直线，该直线即为钢轨纵轴轴线。其中，通过空间三点拟合直线的算法为现有技术，此处不再赘述。 

钢轨纵轴轴线方程用点向式表示为： $\frac{x+2.569}{1}=\frac{y-27.387}{-0.003}=\frac{z-410.542}{0.357};$ 用参数式表示为： $\left\{\begin{array}{c}x=t-2.569\\ y=-0.003\·t+27.387\\ z=0.357\·t+410.542\end{array}\right.,$ 其中t∈R，t为参数，R为轨腰大圆或轨腰小圆的半径。 

步骤103，过钢轨纵轴轴线上任意一点作垂直于钢轨纵轴轴线的平面，得到辅助平面。 

较佳地，可以取特征轮廓1在钢轨纵轴轴线上对应的轨腰大圆和轨腰小圆的切点Q1，如图5所示，过Q1作垂直于钢轨纵轴轴线的平面，得到辅助平面F。基于钢轨纵轴轴线的点向式方程或者参数式方程，得到过切点Q1_c(-2.569，27.387，410.542)垂直于钢轨纵轴轴线的辅助平面F的方程为：x-0.003y+0.357z-143.789＝0。 

步骤104，以钢轨纵轴轴线方向为投影方向，将特征轮廓投影到辅助平面上，得到钢轨断面的投影轮廓。 

将特征轮廓在辅助平面上的投影作为钢轨断面的投影轮廓。 

依据特征轮廓在摄像机坐标系下的三维数据，通过计算得到投影轮廓在摄像机坐标系下的三维数据。其中，特征轮廓上的点与该点在投影轮廓上的对应点、即投影点的关系为：过特征轮廓上某点作垂直于辅助平面的直线，该直线与辅助平面的交点即为该点在辅助平面上的投影点。则依据该点在摄像机坐标系下的三维坐标可以求得该点的投影点在摄像机坐标系下的坐标。类似的，特征轮廓上其它各点均采用此方法求取在辅助平面上的投影点。所述各个投影点组合起来即为投影轮廓。 

表4、表5和表6所示为图2中各钢轨断面的轨腰轮廓对应的投影轮廓在摄像机坐标系下的三维数据。特征轮廓1对应投影轮廓1、特征轮廓2对应投影轮廓2、特征轮廓3对应投影轮廓3。 

表4所示为投影轮廓1的轨腰轮廓在摄像机坐标系下的三维数据： 

表4 

表5所示为投影轮廓2的轨腰轮廓在摄像机坐标系下的三维数据： 

表5 

表6所示为投影轮廓3的轨腰轮廓在摄像机坐标系下的三维数据： 

表6 

步骤105：以钢轨断面的投影轮廓的轨腰轮廓为基准，将钢轨断面的投影轮廓与标准轮廓对齐，从而计算出钢轨断面的磨耗值。 

所谓标准轮廓，是指在钢轨没有磨耗，且规格正规的条件下，钢轨横断面的标准几何轮廓。由于钢轨在使用中的磨耗主要发生在轨头部分，而轨腰部分基本不会磨损，因此，本发明在辅助平面上将钢轨断面的投影轮廓和标准轮廓 的轨腰轮廓进行对齐，然后计算轨头轮廓的各个磨耗值、包括水平磨耗值和垂直磨耗值。 

如图6所示为钢轨断面的投影轮廓和标准轮廓对齐示意图，G点为水平磨耗测量点，H点为垂直磨耗测量点。根据《铁道线路维修规则》规定，G点位于标准断面距钢轨顶面16mm处，H点位于钢轨顶面宽1/3处。将钢轨断面的投影轮廓与标准轮廓以轨腰轮廓为基准对齐，即可求出钢轨断面的垂直磨耗值W_v、水平磨耗值W_h。 

具体的，如图6所示，垂直磨耗值W_v为钢轨断面标准轮廓的垂直磨耗测量点H在垂直方向上到投影轮廓的距离；水平磨耗值W_h为钢轨断面标准轮廓的水平磨耗测量点G在水平方向上到投影轮廓的距离。 

基于摄像机坐标系和光平面的二维测量坐标系之间的转换，得到投影轮廓在光平面上的二维测量坐标数据；由于光平面与辅助平面之间的夹角已知，因此可以通过余弦计算得出投影轮廓在辅助平面上的坐标数据。则将投影轮廓与标准轮廓以轨腰轮廓为基准对齐后，可以得出标准轮廓上垂直磨耗测量点和水平磨耗测量点的坐标，从而得出三个钢轨断面的磨耗值为： 

钢轨断面1：垂直磨耗值：3.862mm，水平磨耗值：-1.550mm； 

钢轨断面2：垂直磨耗值：3.894mm，水平磨耗值：-1.696mm； 

钢轨断面3：垂直磨耗值：3.840mm，水平磨耗值：-1.716mm。 

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 

Claims (4)

1.一种激光视觉钢轨磨耗测量的纠偏方法，其特征在于，该方法包括：

a、激光视觉传感器在钢轨内侧投射出光平面，所述光平面与钢轨相交形成钢轨断面的特征轮廓，将激光视觉传感器测量得到的钢轨断面的特征轮廓的轨腰轮廓分为轨腰大圆和轨腰小圆；

b、依据所述轨腰大圆和轨腰小圆的切点在激光视觉传感器数学模型摄像机坐标系下的坐标拟合直线，将所述直线作为钢轨纵轴轴线；

c、以钢轨纵轴轴线方向为投影方向，将所述特征轮廓投影到垂直于所述钢轨纵轴轴线的辅助平面，得到所述特征轮廓在所述辅助平面的投影作为钢轨断面的投影轮廓；

d、通过钢轨断面的标准轮廓与所述投影轮廓的对齐，计算出钢轨断面的磨耗值；所述磨耗值包括：垂直磨耗值和水平磨耗值；

所述垂直磨耗值为所述标准轮廓的垂直磨耗测量点在垂直方向上到所述投影轮廓的距离；所述水平磨耗值为所述标准轮廓的水平磨耗测量点在水平方向上到所述投影轮廓的距离。

2.根据权利要求1所述激光视觉钢轨磨耗测量的纠偏方法，其特征在于，所述激光视觉传感器包含两个或两个以上的光平面投射器；所述激光视觉传感器投射出的多个光平面相互平行。

3.根据权利要求1所述激光视觉钢轨磨耗测量的纠偏方法，其特征在于，在所述步骤a之后，该方法还包括：基于所述特征轮廓在激光视觉传感器数学模型二维测量坐标系下的坐标，采用半径约束非线性优化方法分别拟合所述轨腰大圆和轨腰小圆的方程；并基于所述轨腰大圆和轨腰小圆的方程计算出所述轨腰大圆和轨腰小圆的切点坐标。

4.根据权利要求1所述激光视觉钢轨磨耗测量的纠偏方法，其特征在于，步骤d所述将钢轨断面的标准轮廓与所述投影轮廓对齐为：以所述投影轮廓的轨腰轮廓为基准，在所述辅助平面上将所述标准轮廓和投影轮廓对齐。

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