CN104501768B - 基于机器视觉的轨道刚度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的轨道刚度测量方法，通过“激光器+视觉传感器”的测距方式，获取钢轨的垂直变形量，进而获取轨道刚度。通过测量视觉传感器距离钢轨横断面的距离，并对车体上下震动、测量倾角产生的测量误差进行补偿，从而获取钢轨的垂直变形量，进而获取轨道刚度。本发明支持动态采集，本发明采用横断面测距的方式，与传统的单点测距方式相比，很大程度上降低甚至消除了测量结果受钢轨表面不均匀磨耗、焊缝区不平顺、轨道不平顺等因素的影响，在快速测量的基础上，准确测量轨道刚度，间接降低了对成本的消耗。

Description

基于机器视觉的轨道刚度测量方法

技术领域

本发明涉及一种轨道刚度测量方法。

背景技术

轨道刚度是指为使钢轨产生单位下沉所需的竖直载荷(单位：kN/mm)，其中钢轨产生的单位下沉是指钢轨在竖直压力载荷作用下发生的单位垂直变形量。

轨道刚度是影响轨道结构振动与变形、列车运行安全性、平稳性及轨道养护维修工作量的重要参数，合理的轨道刚度不仅能保证列车安全、平稳的运行，还能有效减缓轮轨相互作用，减轻轨道结构的动应力，保持轨道的几何状态良好，从而减轻钢轨的养护维修工作量。

目前有多种方法可用于轨道垂直刚度的测量，有的为静态离散测量、有的为动态连续测量，但这些测量方法一般为基于加速度计或位移传感器等单点测距的轨道刚度测方法，且现有动态连续测量方法测量的轨道垂直变形量除包含轨道在压力载荷下的垂直变形外，还包含有钢轨表面不均匀磨耗、焊缝区不平顺和轨道残余变形不均匀等形成的无轮载作用时已显现出来的静态不平顺。

目前国外的轨道加载车主要有北美铁道协会(AAR)研制的轨道加载车，日本研制的轨道加载车，以及瑞典研制的RSMV钢轨刚度检测车和移动式轨道加载车。

美国TTCI的TLV(track loading vehicle)可用于轨道的侧面和垂直刚度的测量，它利用第五轮(加载轮)工作，在静止或行进中，可对轨道结构施加不同频率的垂直力和水平力并测定轨道响应，测试轨道轨距保持能力、横向稳定性及脱轨性能。TLV的加载架通过两个垂向加载作动器、两个横向作动 器以及两个轨距扩大加载作动器施加荷载，加载车通过计算机控制的电动液压***提供荷载，最大移动测试速度56km/h。此测量***在同一轨道上需要进行两次测量，两次作用载荷不同，第一次发现问题，第二次定位问题。

瑞典RSMV(Rolling Stiffness Measurement Vehicle)包括两个垂向加载作动器和一个横向加载作动器，并装有液压缸，可对轨头或直接对轨枕/道床施加荷载，轨道的刚度通过测量的作用力和加速度计数据计算轨道刚度。

我国20世纪末，中国铁道科学研究院CARS(China Academy of RailwaySciences)研制的移动式线路动态加载实验车(TLV)轨道刚度***。这个***可以以60km/h的时速进行测量。它采用双弦测法，即采用弦长相同，而加载轮轮载有很大差异的两套弦测法***，先后测出同一位置的轨道下沉量之差和垂直荷载之差，从而得到轨道刚度。

传统的轨道刚度测量采用单点测距(通过加速度计或位移传感器等设备)的方式获取刚轨的垂直变形量，由于钢轨表面不均匀磨耗、焊缝区不平顺、测量载体的震动等原因，此类方法在动态测量情况下误差较大；本发明利用数码相机成像原理，采用两台激光器加一台相机组成一组测距***的方式获取刚轨道的垂直变形量，因本测量方法直接测量钢轨横断面距离传感器的距离，即降低甚至消除了钢轨表面不均匀磨耗、焊缝区不平顺、轨道不平顺对测量结果的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于机器视觉的轨道刚度测量方法，降低甚至消除了钢轨表面不均匀磨耗、焊缝区不平顺、轨道不平顺对测量结果的影响。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于机器视觉的轨道刚度测量方法，涉及的测量装置包括两个一字线激光器和一个视觉传感器，安装在火车轮上的压力传感器或加速度计；所述视觉传感器安装在轨道面正上方 的测量载体上，所述视觉传感器在轨道面上的视觉区域位于轨道的挠曲线半径之外；所述两个一字线激光器分别安装在所述视觉传感器的两侧，所述两个一字线激光器与所述视觉传感器安装在同一水平面，两条一字线激光在轨道面的成像均位于所述视觉传感器的视觉区域内；其测量过程包括以下步骤：

i、记录所述视觉传感器距离轨面的安装高度H、激光器距离所述视觉传感器的水平距离L₁、L₂、激光器的出射面与水平面的夹角θ₁、θ₂；开启压力传感器或加速度计，测量获取车轮施加给钢轨的压力载荷F；同时开启所述两个一字线激光器和所述视觉传感器，所述两个一字线激光器分别发出两条一字线激光，两条一字线激光落在所述视觉传感器的视觉区域内，所述视觉传感器垂直采集轨道面上的图像；

ii、处理所述视觉区域图像，从所述视觉区域图像中提取两个一字线激光器分别在所述视觉区域的成像，为两条呈曲线的激光线；

iii、计算所述两条激光线之间的最近距离d；

iv、依下列公式计算所述视觉传感器与轨道面之间的距离h'，

v、依下列公式计算载荷中心的挠度y_r，y_r＝H-h'；

vi、依下列公式计算钢轨刚度k,其中k为轨道刚度，F为车轮施加给钢轨的压力载荷，y为压力载荷为F情况下，载荷中心的钢轨垂直变形量。

优选的，所述视觉传感器为面阵列传感器相机。

在测量过程中，载体车会发生震动及旋转运动，此类运动会打破传感器和车轮与路面接触点的垂直距离是恒定的假设，但载体车的上下震动位移可通过加速度计或位移传感器进行监测并补偿；车身旋转(俯仰)引起 距离的变化，通过角度传感器进行监测，并对引起的距离误差进行补偿。因此进一步优化的方案是，在测量载体上安装加速度计或位移传感器、角度传感器；设相机距离载荷轮中心的水平距离为S，传感器测得的载体上下震动距离为h_s、测量载体沿行车方向的俯仰角β，则相机距离轨面的有效距离h＝h'*cosβ-S*tanβ-h_s；则在所述步骤v中计算载荷中心的挠度以y_r＝H-h替代。

本发明通过“激光器+视觉传感器”的测距方式，获取钢轨的垂直变形量，进而获取轨道刚度。通过测量视觉传感器距离钢轨横断面的距离，并对车体上下震动、测量倾角产生的测量误差进行补偿，从而获取钢轨的垂直变形量，进而获取轨道刚度。

本发明支持动态采集，本发明采用横断面测距的方式，与传统的单点测距方式相比，很大程度上降低甚至消除了测量结果受钢轨表面不均匀磨耗、焊缝区不平顺、轨道不平顺等因素的影响，在快速测量的基础上，准确测量轨道刚度，间接的降低了对成本的消耗。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明具体实施方式的轨道刚度测量流程图。

图2为本发明具体实施方式的两个激光器和一个面阵列相机组成的测距***示意图。

图3为钢轨挠曲线与传感器测量值的示意图。

图4为视觉传感器、激光器之间几何关系图。

具体实施方式

本具体实施方式涉及的测量***包括两个一字线激光器和一个相机，相机作为机器视觉传感器。如图所示，相机与测量载体通过结构件固定，使相机安装在轨面正上方，且相机在垂直于行车方向上与车轮保持同步运动。两个一字线激光器与所述视觉传感器安装在同一水平面。两个一字线激光器分别交叉发出一字线激光，相机在轨道上方拍摄到两条一字线激光在钢轨上的成像，为图2所示的激光线。其中，左边的激光线为相机右侧一字线激光器的成像，右边的激光线为相机左侧一字线激光器的成像。两条激光线最近的距离为d。

如图3所示，假设相机相对车轮与路面接触点之间的垂直距离是恒定的H，当钢轨的相对变形量(压力载荷作用点的钢轨变形量与相机位置的钢轨变形量的差值)发生变化时，两条激光线在钢轨表面的距离也会随之发生变化。当相机与钢轨表面的距离增加时，激光线在钢轨表面的距离也会增加，相反，当相机与路面的距离减少时，激光线在钢轨表面的距离也会随之减少。

理想状态下，测量载体无震动及旋转；或者暂不考虑测量载体的震动及旋转。图3所示各测量值之间存在如下关系。

h＝H-y_r (1)

y_r＝y_camera-y_wheel (2)

其中，H为相机相对车轮与钢轨接触点的垂直距离，y_r为相对变形量(相机位置的钢轨变形量与车轮位置的钢轨变形量的相对变形量之差)，y_camera为相机对应位置的钢轨变形量，y_wheel为车轮位置的钢轨变形量。在本具体实施方式中，H的取值范围约为150mm～600mm。

在本发明的基于机器视觉的轨道刚度测量方法中，相机若安装在挠曲线半径外，即相机距离火车轮的水平距离为1.5m～3m，此时相机对应位置的钢轨变形量近似为0，即y_camera≈0。此时相机位置的钢轨变形量与车轮位置的钢轨变形量的相对变形量之差y_r＝H-h＝-y_wheel，即为车轮位置的钢轨变 形量。

通过几何学原理，利用相机所获得的激光线的距离，可获得相机距离钢轨的高度。传感器的几何关系如图4所示。

(L₁+l₁)tanθ₁＝h (3)

(L₂+l₂)tanθ₂＝h (4)

d＝l₁+l₂ (5)

其中L₁、L₂为激光器与相机的水平距离，本实施例中，L₁、L₂取值范围约为200mm～800mm；θ₁、θ₂为激光器与水平面的夹角，θ₁、θ₂的取值范围约为30°～60°；l₁、l₂为激光线在钢轨上的投影在水平方向上与相机的距离；h为相机到钢轨表面的垂直距离。

但是在测量过程中，载体车会发生震动及旋转运动，此类运动会打破相机相对车轮与路面接触点的垂直距离是恒定的假设。不过，相机载体的上下震动位移可通过加速度计或位移传感器进行监测并补偿；相机载体的旋转(俯仰)引起距离的变化，可通过角度传感器进行监测，并对引起的距离误差进行补偿。

在上述测量原理的支持下，结合图1所示，对测量方法做详细的描述。

1、获取激光线图像

利用图所示的仪器安装方式安装激光器和面阵列相机，并记录相机距离轨面的安装高度H、激光器距离相机的水平距离L₁、L₂、激光器与水平面的夹角θ₁、θ₂。在轨道刚度测量过程中，开启测量面阵相机，采集激光线图像，从而获取激光线图像。通过在火车轮上安装压力传感器或加速度计等获取车轮施加给钢轨的压力载荷F。

2、提取激光线

若选用黑白相机，则激光线在图像中较亮，即灰度值较高，通过统计激光线图像的灰度特征，计算灰度阈值，再将原始图片中各像素的灰度值与给定灰度阀值做比较，将大于灰度阈值的像素标记为激光线，从而提取出激光线；若选用彩色相机，则激光线在图像中存在明显的颜色特征，通过对图像进行颜色空间聚类，从而提取出激光线。

3、计算激光线距离

用各自激光线的行像素位置均值代表各自激光线所在行的像素位置，即首先获取各行像素中激光线的行像素位置代表，从而得到两条激光线在各行像素中的唯一像素位置；再计算各行像素中两条激光线的像素位置差值，并作为单行激光线的像素距离；在所有的行激光线像素距离中，选取激光线像素距离较小且像素距离变化较小的一段，计算此段的激光线像素距离均值作为两条激光线的像素距离d'，结合相机的安装高度H、相机镜头焦距f、相机在激光线测距方向上的感光尺寸w、分辨率A，则两条激光线的物距

4、计算相机与轨面的距离

利用相机距离轨面的安装高度H、激光线的距离d、激光器距离相机的水平距离L₁、L₂、激光器与水平面的夹角θ₁、θ₂，结合公式(7)计算相机沿相机光轴方向与轨面的距离h'

5、测距补偿

假设相机距离载荷轮中心的水平距离为S，传感器测得的载体上下震动距离为h_s、测量载体的俯仰角β(沿行车方向的倾角)，则相机距离轨面的有效距离h为

h＝h'*cosβ-S*tanβ-h_s (8)

6、获取挠度

假设相机对应的测点处，钢轨未发生形变，即相机对应位置的钢轨变形量为0，则此时载荷中心的挠度y_r为

y_r＝H-h (9)

7、计算钢轨刚度

由轨道刚度定义可知，轨道是指使钢轨产生单位下沉所需的竖直载荷(单位：kN/mm)。

其中k为轨道刚度，F为车轮施加给钢轨的压力载荷，y_r为压力载荷为F情况下，载荷中心的钢轨垂直变形量。

本发明支持动态采集，本发明采用横断面测距的方式，与传统的单点测距方式相比，很大程度上降低甚至消除了测量结果受钢轨表面不均匀磨耗、焊缝区不平顺、轨道不平顺等因素的影响，在快速测量的基础上，准确测量轨道刚度，间接的降低了对成本的消耗。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于机器视觉的轨道刚度测量方法，其特征在于，涉及的测量装置包括两个一字线激光器和一个视觉传感器，安装在火车轮上的压力传感器或加速度计；所述视觉传感器安装在轨道面正上方的测量载体上，所述视觉传感器在轨道面上的视觉区域位于轨道的挠曲线半径之外；所述两个一字线激光器分别安装在所述视觉传感器的两侧，所述两个一字线激光器与所述视觉传感器安装在同一水平面，两条一字线激光在轨道面的成像均位于所述视觉传感器的视觉区域内；其测量过程包括以下步骤：

i、记录所述视觉传感器距离轨面的安装高度H、激光器距离所述视觉传感器的水平距离L₁、L₂、激光器的出射面与水平面的夹角θ₁、θ₂；开启压力传感器或加速度计，测量获取车轮施加给钢轨的压力载荷F；同时开启所述两个一字线激光器和所述视觉传感器，所述两个一字线激光器分别发出两条一字线激光，两条一字线激光落在所述视觉传感器的视觉区域内，所述视觉传感器垂直采集轨道面上的图像；

ii、处理所述视觉区域图像，从所述视觉区域图像中提取两个一字线激光器分别在所述视觉区域的成像，即两条呈曲线的激光线；

iii、计算所述两条激光线之间的最近距离d；

iv、依下列公式计算所述视觉传感器与轨道面之间的距离h'，

v、依下列公式计算载荷中心的挠度y_r，y_r＝H-h'；

vi、依下列公式计算钢轨刚度

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的轨道刚度测量方法，其特征在于，所述视觉传感器为面阵列传感器相机。

3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的轨道刚度测量方法，其特征在于，在测量载体上安装加速度计或位移传感器、角度传感器；设所述面阵列传感器相机距离载荷轮中心的水平距离为S，传感器测得的载体上下震动距离为hs、测量载体沿行车方向的俯仰角β，则面阵列传感器相机距离轨面的有效距离h＝h'*cosβ-S*tanβ-h_s；

所述步骤v中载荷中心的挠度y_r的计算公式以y_r＝H-h替代。