鋼軌磨耗雷射視覺動態測量裝置及測量方法
2023-12-10 14:28:17
專利名稱：鋼軌磨耗雷射視覺動態測量裝置及測量方法
技術領域：
本發明屬於測量技術領域，涉及一種鋼軌磨耗綜合參數的非接觸動態測量裝置及測量方法。
背景技術：
鐵路的狀況與安全性密切相關，特別是對於高速列車更加重要。鋼軌的定期檢測對於合理計劃和保持低的維護成本是非常重要的。在鋼軌磨損和變形早期進行測量有助於制定更好的維護時間表，以避免等觀測到危險狀況時再作緊急處理，另一方面，進行提前維護使有限的人力和儀器設備資源得到更好的利用，從而降低了成本。此外，正確的維護減少了因車輪與鋼軌之間不良接觸所產生的噪聲汙染。近年來我國鐵路提速和重載運輸的大力發展、客貨運量和行車密度大幅度增長，導致鋼軌磨耗日益嚴重。如何高效而精確地測量鋼軌磨耗值一直是國內外鐵道部門的一個重要研究課題。
為了保證鐵路運行安全，要求在不影響火車運行的條件下，每個月要對鋼軌至少進行一次檢修。九五期間，我國鐵路鋼軌裡程達到68000多公裡，至今沒有合適的測量手段。長期以來，國內對鋼軌磨耗的測量都是採用手工測量，用專用卡尺人工抽樣檢測其斷面損耗。這種方式效率低下，耗費大量人力物力，而且處於高度危險中。由於在測量中不可避免地引入了測量者的人為因素，直接影響了測量的精度和可靠性。手工測量已經不能適應我國鐵路事業的發展。因此，研製一種快速準確的鋼軌磨耗自動測量裝置具有很大的現實意義。
國內外許多研究機構和學者對鋼軌磨耗的檢測方法進行了研究，並成功研製了各種測量裝置，根據檢測方式的不同，大致可以分為接觸式和非接觸式檢測。美國GreenWood公司研製的MiniProf專用量規鋼軌磨耗測量裝置，採用接觸式方式逐點測量鋼軌輪廓，然後與標準輪廓進行比對。Wroclaw科技大學研製了類似的接觸式高精度鋼軌斷面磨耗測量系統。在國內，哈爾濱鐵路計量局研製了一種類似國外的卡尺式鋼軌磨耗測量裝置。接觸式鋼軌磨耗測量系統測量精度高，但只適合靜態測量，操作複雜，測量效率低，主要用於實驗室研究鋼軌耐磨性能時使用，不適合在線測量。
北美和歐洲發達國家從20世紀80年代初期就開始利用計算機進行自動、精確鋼軌磨耗測量的研究。八十年代澳大利亞率先研製了LitesLice固體傳感器鋼軌斷面輪廓自動測量系統。1984年後相繼在澳大利亞、美國、加拿大和英國等投入使用，並不斷完善，逐漸成為世界上使用最為普遍的鋼軌斷面磨耗自動測量系統。該方法的缺陷在於，採用圖像上邊緣和左邊緣為定位基準，因此要求測量傳感器不能有較大的振動存在，因而比較適合於靜態測量。實際上，安裝在機車上的測量傳感器必然存在較大振動，由此影響到測量結果的精度和可靠性。此外，國外有採用兩套測量傳感器分別測量同一鋼軌的兩側，採用沒有磨耗的一側測量結果作為基準，該方法雖然解決振動對測量結果的影響，但成本高，且需要兩套測量傳感器坐標系的統一，操作複雜。目前，國內研究的鋼軌磨耗檢測系統基本上與國外類似，而且由於測量坐標繫到標準(設計)坐標系的轉換環節沒有很好的解決，因此實際研究的裝置僅僅用於靜態實驗研究，而沒有能夠解決動態條件下鋼軌磨耗的自動測量。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種精度較高，測量速度快，單一傳感器能夠同時測量單側鋼軌垂直磨耗、側面磨耗以及總磨耗等綜合參數的在線動態實時測量方法及系統裝置。以減小測量設備的體積，降低測量設備成本，提高測量效率，改善其工程化應用的可操作性和便捷性。
本發明的技術解決方案是一種鋼軌磨耗雷射視覺動態測量裝置，其特徵在於，1、它由雷射投射器3和鋼軌斷面成像系統6組成的雷射視覺傳感器7、計算機、高速圖像採集卡、標定靶標和測量軟體等組成，雷射投射器3由半導體雷射器1和光平面發生光學系統2組成；鋼軌斷面成像系統6由CCD攝像機4和濾光系統5組成，鋼軌斷面成像系統6的光軸和雷射投射器3的光軸交匯角為45°～60°；雷射視覺傳感器7固定在火車底部車體上，與被測鋼軌10的距離為300～700mm；2、雷射投射器3投射的光平面8垂直於被測鋼軌10並與鋼軌斷面平行；鋼軌斷面成像系統6的成像系統能夠觀測到投射光平面8與被測鋼軌10表面相交形成的軌頭和軌腰特徵輪廓9；3、所說的標定靶標為一個二維平面，靶標平面上有預先設置的特徵點，在靶標平面上有成矩陣排列的黑色方塊，方塊的數量為4～100個，方塊的邊長為3～50mm，其精度為0.01～0.05mm，方塊間距為3～50mm，其精度為0.01～0.05mm，選取每個方塊的頂點為特徵點。
使用如上面所述的鋼軌磨耗雷射視覺動態測量裝置進行鋼軌磨耗綜合參數動態測量的方法，其特徵在於，測量的具體步驟是1、建立雷射視覺傳感器[7]的攝像機模型和測量模型，標定攝像機參數和傳感器結構參數；1.1、在光平面上建立二維測量坐標系om-xmym，原點om為光平面上任意點，xm軸和ym軸相互垂直且位於光平面內；1.2、標定攝像機的內部參數和雷射視覺傳感器的結構參數並保存到計算機；1.3、建立標準鋼軌二維設計坐標系on-xnyn，以鋼軌斷面對稱軸為yn軸，軌底為xn軸，選取標準鋼軌上軌腰部分大圓和小圓的兩個圓心以及圓心連線與小圓的交點為對準特徵點，分別計算對準特徵點的設計坐標，並保存到計算機，以備測量階段調用；2、測量鋼軌磨耗；2.1、將裡程表通過串口連接到計算機上；2.2、設定標準輪廓與測量輪廓對準參數，設定鋼軌輪廓最小長度閾值TL，它由輪廓特徵點數表示，取值範圍是40～100；軌頭輪廓與軌腰輪廓間距最小閾值TD，它由輪廓圖像的像素坐標表示，取值範圍為15～30pixels，典型值20pixels；保存設定參數，以備後續測量調用；2.3、測量程序監視串口數據狀態，當接收到串口發送的啟動命令和裡程數據時，保存裡程數據並控制攝像機拍攝一幅包括鋼軌斷面特徵輪廓的圖像，稱為測量圖像；2.4、提取測量圖像中鋼軌斷面特徵輪廓的圖像坐標，若未提取到兩條滿足長度大於TL的特徵輪廓，或者兩條特徵輪廓的間距小於TD，則返回到步驟2.3，重新根據串口狀態，控制採集鋼軌測量圖像；若找到兩條正確的鋼軌特徵輪廓，則根據雷射視覺傳感器[7]的測量模型，利用鋼軌斷面特徵輪廓的圖像坐標計算特徵輪廓的測量坐標；2.5、根據鋼軌斷面特徵輪廓的測量坐標，將測量輪廓自動分割成軌頭、軌腰大圓和軌腰小圓三部分。由分割的軌腰大圓和軌腰小圓部分的特徵輪廓，採用半徑約束方法分別擬合軌腰大圓和軌腰小圓，小圓半徑為20mm，大圓半逕取400mm，稱為60kg對準模式，大圓半逕取350mm，稱為50kg對準模式；2.6、分別採用60kg對準模式和50kg對準模式，計算對準特徵點的測量坐標，由其中至少2個對準特徵點的測量坐標及設計坐標，計算測量坐標繫到設計坐標系的二維變換；2.7、根據在兩種模式下求出的測量坐標繫到設計坐標系的變換，分別將鋼軌斷面軌頭部分的測量坐標轉換到設計坐標系中，直接和標準鋼軌比對，計算得到鋼軌的垂直磨耗、側面磨耗和總磨耗；2.8、比較兩種對準模式下的3個磨耗值，選取較小值作為最後的測量結果，並根據所採用的對準模式得到被測鋼軌的軌型，將測量結果、軌型以及對應的裡程數保存到測量結果文件中；2.9、向串口發送測量完成信號；2.10、重複2.3～2.9步，進行下一次測量。
本發明的優點是第一、首次實現了單雷射視覺傳感器同時測量單側鋼軌輪廓以及垂直磨耗、側面磨耗和總磨耗多參數，降低了設備成本；第二、自動分割測量鋼軌斷面輪廓的軌頭、軌腰大圓及軌腰小圓，實現了動態條件下對鋼軌磨耗的現場測量；第三、以鋼軌斷面軌腰大圓及小圓圓心及其衍生特徵為對準特徵點，自動獲得測量基準，實現了鋼軌測量輪廓與設計輪廓的自動對準，避免了火車運行過程中振動對測量的影響；第四、實現了被測鋼軌型號自動識別及磨耗實際檢測點的裡程記錄；第五、測量系統裝置結構簡單、成本低、自動化程度高，測量精度高、速度快，測量過程簡單。
第六、鋼軌磨耗雷射視覺測量系統得到工程化應用。
圖1是鋼軌磨耗雷射視覺動態測量系統基本原理示意圖。圖1中，1是半導體雷射器，2是光平面發生光學系統，3是由1和2組成的雷射投射器，4是CCD攝像機，5是濾光系統，6是由4和5組成的鋼軌斷面成像系統，7是由3和6構成的雷射視覺傳感器，8是光平面，10是被測鋼軌，9是8與10相交形成的鋼軌斷面特徵輪廓9。
圖2是雷射視覺傳感器的測量數學模型。202是CCD攝像機，203是雷射投射器，201是由202和203組成的雷射視覺傳感器，204是圖像平面，205是光平面，206是被測物體。
圖3是鋼軌設計二維坐標系的建立及對準特徵點和磨耗測量點的選擇示意圖。
圖4是投射到鋼軌表面的特徵光條及採集的包含鋼軌斷面特徵輪廓圖像。
圖5是測量坐標繫到設計坐標系的變換計算。
圖6是「鋼軌磨耗雷射視覺動態檢測系統」軟體界面。
圖7是50kg右鋼軌測量輪廓圖像及提取特徵輪廓。
圖8是50kg右鋼軌輪廓在測量坐標系和設計坐標系中的坐標。
圖9是測量輪廓與設計輪廓對準後及磨耗計算結果。
圖10是同一鋼軌磨耗連續540次測量誤差曲線圖。
圖11是測量軟體流程圖。
具體實施例方式
下面對本發明做進一步詳細說明。本發明將現代雷射技術和計算機視覺技術相結合，使用單雷射視覺傳感器，在動態條件下，實現了單側鋼軌斷面輪廓、垂直磨耗、側面磨耗和總磨耗多參數的現場自動測量。
本發明鋼軌磨耗雷射視覺動態測量裝置系統基本原理如圖1所示，它由雷射投射器3和鋼軌斷面成像系統6組成的雷射視覺傳感器7、計算機、高速圖像採集卡和測量軟體等組成。雷射投射器3由半導體雷射器1和光平面發生光學系統2組成；鋼軌斷面成像系統6由CCD攝像機4和濾光系統5組成；鋼軌斷面成像系統6的光軸和雷射投射器3的光軸交匯角為45°～60°；雷射視覺傳感器7固定在火車底部車體上，與被測鋼軌10的距離為300～700mm。固定雷射視覺傳感器7的裝置為現有的固定裝置或者類似的簡單固定機構。
調整雷射投射器3，使得投射光平面8垂直於被測鋼軌10並與鋼軌斷面平行；調整鋼軌斷面成像系統6，保證成像系統能夠觀測到投射光平面8與被測鋼軌10表面相交形成的軌頭和軌腰特徵輪廓9；分別固緊雷射投射器3和成像系統6。雷射投射器3和鋼軌斷面成像系統6的調整機構可以採用通用的各種二維機械調整和固緊機構。
所說的標定靶標為一個二維平面，靶標平面上有預先設置的特徵點。在靶標平面上有成矩陣排列的黑色方塊，方塊的數量為4～100個，方塊的邊長為3～50mm，其精度為0.01～0.05mm，方塊間距為3～50mm，其精度為0.01～0.05mm，選取每個方塊的頂點為特徵點。
本發明測量裝置一式兩套安裝在火車底部，分別測量左右側兩條鋼軌的磨耗。
鋼軌磨耗雷射視覺動態檢測的工作原理為由高強度的雷射投射器3投射出光平面8，光平面8對準被測鋼軌10的內側進行照射並垂直於鋼軌。光平面8與鋼軌10相交，形成鋼軌橫斷面特徵輪廓9，經鋼軌斷面成像系統6成像後，由高速圖像採集卡採集到計算機內存，對圖像進行處理分析得到鋼軌斷面特徵輪廓的圖像坐標，根據測量傳感器的數學模型，求得鋼軌斷面的實際輪廓在測量坐標系中的二維坐標。將鋼軌輪廓的測量坐標與設計坐標自動對準，根據磨耗測量的規定，計算垂直磨耗、側邊磨耗以及總磨耗。
參見圖11，「鋼軌磨耗雷射視覺動態檢測系統」軟體的主要功能包括鋼軌斷面特徵輪廓圖像的實時採集；特徵輪廓圖像坐標的自動「亞像素」精度提取；攝像機鏡頭畸變校正；鋼軌表面輪廓測量；測量系統的參數標定；軌型(左右鋼軌以及規格50kg和60kg)自動識別；測量基準自動建立、鋼軌表面測量輪廓與標準輪廓的自動對準；垂直磨耗和側面磨耗的自動計算；測量磨耗與裡程對應等功能。
雷射視覺傳感器數學模型。
由CCD攝像機202和雷射投射器203組成的雷射視覺傳感器201的數學模型如圖2所示。攝像機三維坐標係為oc-xcyczc，圖像坐平面204的圖像坐標係為ou-xuyu。在光平面205上以一點om為原點，建立三維參考坐標系om-xmymzm，其中om-xmym為二維測量坐標系，光平面205在參考坐標系下的方程為zm＝0 [1]設光平面上任意一點P的三維參考坐標為(xm，ym，zm)，相應二維測量坐標係為(xm，ym)，點P在圖像平面204上的透視投影點為p，p的圖像坐標為(xu，yu)，歸一化圖像坐標為(xn，yn)，則攝像機模型可以表為xnyn1=RcmTcmxmymzm1=r1r2r3txr4r5r6tyr7r8r9tzxmymzm1---0--------[2]]]>xnyn1=fx0u00fyv0001-1xuyu1=A-1xuyu1---0------[3]]]>其中ρ，λ為比例因子，A為攝像機302的內部參數矩陣，fx，fy為x、y方向上的有效焦距，(u0，v0)為主點坐標。Rcm為3×3正交旋轉矩陣，Tcm為3×1平移矢量。Rcm和Tcm表示了參考坐標系om-xmymzm到攝像機坐標系Oc-xcyczc的變換。
由公式[1]～[3]可得，歸一化圖像坐標與測量坐標的變換為1xnyn1=r1r2txr4r5tyr6r7tzxmym1=Hxmym1---10----[4]]]>公式[4]表明光平面與圖像平面之間的關係可以通過一個3×3矩陣表示。公式[1]～[4]構成了歐式空間上的雷射視覺傳感器的數學模型。根據公式[3]由光平面上點的圖像坐標可以計算歸一化圖像坐標，然後根據公式[4]，計算其對應的測量坐標。
雷射視覺傳感器模型參數的標定方法參見周富強等的發明專利「一種基於平面靶標的結構光視覺傳感器標定方法」，申請號03142658.1，
公開日2005年1月19日。
根據雷射視覺傳感器7的測量模型和本發明的測量原理，鋼軌磨耗雷射視覺動態測量分為測量系統模型參數標定和根據模型進行測量兩個階段。
測量系統模型參數的標定具體步驟如下1、設定雷射視覺傳感器。雷射視覺傳感器7為由鋼軌斷面成像系統6和雷射投射器3組成。鋼軌斷面成像系統6的光軸和雷射投射器3的光軸按成45°～60°角度設置好後，其相對位置一經固緊後保持不變。雷射投射器3由半導體雷射器1和光平面發生光學系統2構成，半導體雷射器的雷射波長為紅外雷射或者可見雷射，光平面發生光學系統2由準直光路和柱面鏡構成。雷射投射器可以採用商業產品，如西安華科光電有限公司生產的一字雷射器等。鋼軌斷面成像系統由CCD攝像機4和濾光系統5組成，濾光系統的峰值波長與雷射波長相同。雷射視覺傳感器7固定在火車底部車體上，與被測鋼軌10的距離為300～700mm。
2、調整雷射投射器3，使得投射光平面8垂直於被測鋼軌10並與鋼軌斷面平行；調整鋼軌斷面成像系統6，保證成像系統能夠觀測到投射光平面8與被測鋼軌10表面相交形成的軌頭和軌腰特徵輪廓9；分別固緊雷射投射器3和成像系統6。
3、所說的標定靶標為一個二維平面，靶標平面上有預先設置的特徵點。在靶標平面上有成矩陣排列的黑色方塊，方塊的數量為4～100個，方塊的邊長為3～50mm，其精度為0.01～0.05mm，方塊間距為3～50mm，其精度為0.01～0.05mm，選取每個方塊的頂點為特徵點。
4、在光平面上建立二維測量坐標系om-xmym，原點om為光平面上任意點，xm軸和ym軸相互垂直且位於光平面內；5、打開傳感器的電源，啟動「鋼軌磨耗雷射視覺動態檢測系統」軟體，初始化圖像採集卡。
6、標定雷射視覺傳感器的攝像機參數和傳感器結構參數，標定方法和步驟參見周富強等的發明專利「一種基於平面靶標的結構光視覺傳感器標定方法」，申請號03142658.1，
公開日2005年1月19日。將標定參數保存到計算機，以備測量階段調用。
7、如圖3所示，建立標準鋼軌二維設計坐標系onxnyn，以鋼軌對稱軸為yn軸，軌底為xn軸。AB段輪廓表示標準鋼軌上軌腰部分大圓(50kg鋼軌的半徑為350mm，60kg鋼軌的半徑為400mm)，稱為軌腰大圓輪廓段。BC段輪廓表示軌腰部分小圓(半徑為20mm)，稱為軌腰小圓輪廓段。EF段輪廓為軌頭部分，稱為軌頭輪廓段。G點為側面磨耗測量點，H點為垂直磨耗測量點。根據「鐵道線路維修規則」的規定，G點位於標準斷面距離鋼軌頂面往下16mm處，H點位於鋼軌頂面寬1/3處(距標準作用邊)。選取軌腰大圓和軌腰小圓的2個圓心(用D1和D2表示)以及圓心連線D1D2與小圓的交點(用D3和D4)為對準特徵點，分別計算出50kg和60kg鋼軌的對準特徵點的設計坐標，並保存到計算機中，以備測量階段調用。
測量系統的參數只需要標定一次，標定好測量系統後，就可以進行鋼軌磨耗動態檢測。鋼軌磨耗的具體測量步驟如下8、將裡程表固定在火車適當位置，並通過串口連接到計算機上。
9、在火車運動或者靜止的兩種情況下，都可以啟動測量軟體的「磨耗動態檢測」功能。
10、設定鋼軌設計輪廓與測量輪廓對準參數。設定鋼軌輪廓最小長度(由輪廓特徵點數表示)閾值TL，取值範圍為40～100，典型值為50左右。軌頭輪廓與軌腰輪廓間距(由輪廓圖像的像素坐標表示)最小閾值TD，取值範圍為15～30pixels，典型值20pixels。設定軌腰大圓的最小長度為TBCL(由輪廓特徵點數表示，保證比實際圖像處理得到的長度小，典型值為70)，軌腰小圓的最大長度為TSCL(由輪廓特徵點數表示，典型值為30)。以上對準參數可以根據實際拍攝的鋼軌圖像，通過圖像處理得到，設定時，比實際得到數據小5左右。設定小圓關鍵點距離參數T14，T14＝‖D1D4‖-rBC，rBC為軌腰大圓半徑。對於50kg鋼軌，T14＝3.51mm，對於60kg鋼軌，T14＝3.07mm。保存設定參數到計算機，以備後續測量調用。
11、測量程序監視串口數據狀態，當接收到串口發送的啟動命令和裡程數據時，測量程序保存裡程數據並同時控制攝像機拍攝一幅包括鋼軌斷面特徵輪廓的圖像，稱為測量圖像。
12、提取測量圖像中鋼軌斷面特徵輪廓的圖像坐標，根據傳感器測量模型，利用特徵輪廓的圖像坐標計算特徵輪廓在測量坐標系下的二維坐標，稱為特徵輪廓的測量坐標。特徵輪廓的圖像坐標提取算法參見Carsten Steger的文章「一種對稱曲線結構探測器」[An UnbiasedDetector of Curvilinear Structures]，IEEE期刊《模式分析及機器智能》，20(2)，第113～125頁，1998年。[IEEE Transactions on PatternAnalysis and Machine Intelligence，20(2)，February 1998]。如圖4所示，雷射投射器投射光平面在鋼軌表面形成的特徵輪廓有兩條，分別對應圖4的AC段輪廓和EF段輪廓，若AC和EF輪廓的長度TL，或者A點與C點對應的圖像坐標之間的距離小於TD，則表明圖像中無鋼軌輪廓特徵，返回步驟11，重新根據串口狀態，控制採集鋼軌測量圖像。正常情況，得到兩條滿足設定長度閾值以及距離閾值的輪廓特徵，分別將兩條輪廓的圖像坐標按行坐標排序，輪廓開始點的行坐標較小的稱為軌頭輪廓，其長度為Nhead，另一條稱為軌腰輪廓，長度為Nwaist。比較軌頭輪廓的開始點和最後點的列坐標，如果開始點列坐標大於最後點，則鋼軌為右鋼軌，否則為左鋼軌。
13、由軌腰輪廓的圖像坐標，根據公式[3]和[4]表示的傳感器的測量模型，計算得到軌腰輪廓的二維測量坐標。
14、根據軌腰輪廓的二維測量坐標，將軌腰輪廓自動分割成軌腰大圓和軌腰小圓兩部分，提取對準特徵點D1～D4的二維測量坐標。
軌腰大圓輪廓數據佔整個大圓的比例不到1/3，通過無約束擬合圓，獲得圓半徑和中心坐標，誤差大。因此，本發明假定圓半徑為設計時的標準值，採用半徑約束非線性優化方法擬合圓，主要的目的是獲得圓的圓心坐標。非線性優化的目標函數為f(xm0,ym0)=i=1N((xmi-xm0)2+(ymi-ym0)2-r)2-----[5]]]>(xm0，ym0)為擬合圓心坐標，r為已知半徑，N為參加擬合圓的輪廓點數量。
由TBCL個軌腰輪廓點的二維測量坐標擬合軌腰大圓，得到大圓圓心D1的二維測量坐標。從軌腰的第TBCL+1個點開始，按下式計算di=(xmi-xm0)2+(ymi-yw0)2-rBC----i=TBCL+1~(Nwaist-TSCL/2)---[6]]]>當滿足(Nwaist-TSCL/2)＞di＞T14時，停止計算。稱此時的輪廓點為小圓關鍵特徵點，其坐標為第i個軌腰輪廓點。若未滿足條件，則返回到第12步，重新根據串口狀態，控制採集鋼軌測量圖像。
以第i-TSCL/2到第i+TSCL/2個軌腰輪廓點的二維測量坐標，採用約束半徑擬合軌腰小圓，求得小圓圓心D2的二維測量坐標。由直線D1D2和小圓的方程，求得D3和D4的二維測量坐標。
15、由軌腰大圓和軌腰小圓的部分輪廓特徵點二維測量坐標，按步驟14所述方法，計算測量坐標繫到標準設計坐標的變換。小圓半徑為20mm，大圓半逕取400mm，稱為60kg對準模式，大圓半逕取350mm，稱為50kg對準模式。分別採用60kg對準模式和50kg對準模式，計算出對準特徵點D1～D4的二維測量坐標，由其中至少兩個對準特徵點，計算出測量坐標繫到設計坐標系的二維變換。
如圖5所示，測量坐標系omxmym到標準設計坐標系onxnyn之間的變換包括旋轉和平移。大圓圓心D1和小圓圓心D2在標準坐標系下的坐標已知，測量坐標系下的坐標在步驟19求出，則測量坐標系中向量 與設計坐標系中對應向量 之間的夾角θ表示兩坐標系之間的旋轉。即=arctan(y1m-y2mx1m-x2m)-arctan(y1n-y2nx1n-x2n)------[7]]]>測量坐標繫到設計坐標系的變換為xnyn=cos-sinsincosxmym+txty----[8]]]>由4對對準特徵點，根據式[8]，採用線性最小二乘方法求得兩坐標系之間的平移。由此得到兩坐標系之間的變換參數θ、tx和ty。
16、根據在兩種模式下求出的測量坐標繫到設計坐標系的變換，分別將鋼軌斷面軌頭部分的測量坐標轉換到設計坐標系中，直接和標準鋼軌比對，求出鋼軌的垂直磨耗、側面磨耗和總磨耗。
根據「鐵道線路維修規則」的規定，鋼軌的垂直磨耗Wv在鋼軌頂面1/3處(距標準作用邊)測量，側面磨耗Wh在標準踏面(按標準斷面)下16mm處測量。
總磨耗為Ws＝Wv+Wh/2。
17、比較兩種對準模式下的3個磨耗值，取較小值作為最後的測量結果，並根據所採用的對準模式自動識別軌型，將測量結果、軌型以及目前所測鋼軌對應的裡程數保存到文件中。
18、向串口發送測量完成信號。
19、重複11～18步，進行下一次測量。
實施例根據本發明提出測量裝置和測量方法，設計了實際雷射視覺傳感器，對鋼軌進行了現場動態測量，測量系統的軟體界面如圖6所示。
圖7給出了一幅包括50kg鋼軌的測量圖像及提取出的輪廓特徵圖像。圖8為在測量坐標系的鋼軌斷面輪廓及變換到設計坐標系下的輪廓；圖9為對準後，測量輪廓和設計輪廓。
最後測量磨耗分別為垂直磨耗為1.9mm，側邊磨耗為-0.1mm，總磨耗為1.8mm，軌型為50R(50kg右鋼軌)。在PIV3.0計算機，單次測量時間為25.5ms。
圖10為火車停止時，對同一固定鋼軌表面，連續進行540次測量，得到的鋼軌表面磨耗重複性誤差曲線。RMS誤差分別為0.10mm，0.04mm，0.10mm。
權利要求
1.一種鋼軌磨耗雷射視覺動態測量裝置，其特徵在於，1.1、它由雷射投射器[3]和鋼軌斷面成像系統[6]組成的雷射視覺傳感器[7]、計算機、高速圖像採集卡、標定靶標和測量軟體組成，雷射投射器[3]由半導體雷射器[1]和光平面發生光學系統[2]組成；鋼軌斷面成像系統[6]由CCD攝像機[4]和濾光系統[5]組成，鋼軌斷面成像系統[6]的光軸和雷射投射器[3]的光軸交匯角為45°～60°；雷射視覺傳感器[7]固定在火車底部車體上，與被測鋼軌[10]的距離為300～700mm；1.2、雷射投射器[3]投射的光平面[8]垂直於被測鋼軌[10]並與鋼軌斷面平行；鋼軌斷面成像系統[6]的成像系統能夠觀測到投射光平面[8]與被測鋼軌[10]表面相交形成的軌頭和軌腰特徵輪廓[9]；1.3、所說的標定靶標為一個二維平面，靶標平面上有預先設置的特徵點，在靶標平面上有成矩陣排列的黑色方塊，方塊的數量為4～100個，方塊的邊長為3～50mm，其精度為0.01～0.05mm，方塊間距為3～50mm，其精度為0.01～0.05mm，選取每個方塊的頂點為特徵點。
2.使用如權利要求1所述的鋼軌磨耗雷射視覺動態測量裝置進行鋼軌磨耗綜合參數動態測量的方法，其特徵在於，測量的具體步驟是2.1、建立雷射視覺傳感器[7]的攝像機模型和測量模型，標定攝像機參數和傳感器結構參數；2.1.1、在光平面上建立二維測量坐標系om-xmym，原點om為光平面上任意點，xm軸和ym軸相互垂直且位於光平面內；2.1.2、標定攝像機的內部參數和雷射視覺傳感器的結構參數並保存到計算機；2.1.3、建立標準鋼軌二維設計坐標系on-xnyn，以鋼軌斷面對稱軸為yn軸，軌底為xn軸，選取標準鋼軌上軌腰部分大圓和小圓的兩個圓心以及圓心連線與小圓的交點為對準特徵點，分別計算出對準特徵點的設計坐標，並保存到計算機，以備測量階段調用；2.2、測量鋼軌磨耗；2.2.1、將裡程表通過串口連接到計算機上；2.2.2、設定標準輪廓與測量輪廓對準參數，設定鋼軌輪廓最小長度閾值TL，它由輪廓特徵點數表示，取值範圍是40～100；軌頭輪廓與軌腰輪廓間距最小閾值TD，它由輪廓圖像的像素坐標表示，取值範圍為15～30pixels，典型值20pixels；保存設定參數，以備後續測量調用；2.2.3、測量程序監視串口數據狀態，當接收到串口發送的啟動命令和裡程數據時，保存裡程數據並控制攝像機拍攝一幅包括鋼軌斷面特徵輪廓的圖像，稱為測量圖像；2.2.4、提取測量圖像中鋼軌斷面特徵輪廓的圖像坐標，若未提取到兩條滿足長度大於TL的特徵輪廓，或者兩條特徵輪廓的間距小於TD，則返回到步驟2.2.3，重新根據串口狀態，控制採集鋼軌測量圖像；若找到兩條正確的鋼軌特徵輪廓，則根據雷射視覺傳感器[7]的測量模型，利用特徵輪廓的圖像坐標計算鋼軌斷面特徵輪廓的測量坐標；2.2.5、根據鋼軌斷面特徵輪廓的測量坐標，將測量輪廓自動分割成軌頭、軌腰大圓和軌腰小圓三部分。由分割的軌腰大圓和軌腰小圓部分的特徵輪廓，採用半徑約束方法分別擬合軌腰大圓和軌腰小圓，小圓半徑為20mm，大圓半逕取400mm，稱為60kg對準模式，大圓半逕取350mm，稱為50kg對準模式；2.2.6、分別採用60kg對準模式和50kg對準模式，計算對準特徵點的測量坐標，由其中至少2個對準特徵點的測量坐標及設計坐標，計算測量坐標繫到設計坐標系的二維變換；2.2.7、根據在兩種模式下求出的測量坐標繫到設計坐標系的變換，分別將鋼軌斷面軌頭部分的測量坐標轉換到設計坐標系中，直接和標準鋼軌比對，計算得到鋼軌的垂直磨耗、側面磨耗和總磨耗；2.2.8、比較兩種對準模式下的3個磨耗值，選取較小值作為最後的測量結果，並根據所採用的對準模式得到被測鋼軌的軌型，將測量結果、軌型以及對應的裡程數保存到測量結果文件中；2.2.9、向串口發送測量完成信號；2.2.10、重複2.2.3～2.2.9步，進行下一次測量。
全文摘要
本發明屬於測量技術領域，涉及一種鋼軌磨耗綜合參數的非接觸動態測量測量裝置及測量方法。本發明測量裝置由雷射視覺傳感器7、計算機、高速圖像採集卡、標定靶標和測量軟體等組成。本發明測量方法由雷射投射器3投射出光平面，經鋼軌斷面成像系統6成像後，由高速圖像採集卡採集到計算機中，對採集圖像進行處理，提取出斷面特徵輪廓的圖像坐標，根據測量模型，計算出垂直磨耗、側邊磨耗和總磨耗。本發明首次實現了單雷射視覺傳感器同時測量單側鋼軌斷面輪廓、垂直磨耗、側面磨耗和總磨耗參數；實現了動態條件下對鋼軌磨耗的現場測量。
文檔編號G01B21/02GK1776364SQ20051012372
公開日2006年5月24日 申請日期2005年11月22日 優先權日2005年11月22日
發明者周富強, 張廣軍, 朱奎義, 閆偉, 江潔, 魏振忠 申請人:北京航空航天大學