[发明专利]基于三层匹配的钢轨轮廓实时形态识别与失真校准方法

说明书

技术领域

本发明涉及属于轨道交通检测领域，具体涉及一种基于二维激光位移传感器的钢轨轮廓动态测量轮廓是否发生失真变形的实时识别、变形后的轮廓校正新方法等。

背景技术

目前，采用线结构激光光源与CCD摄像机组合构建的非接触式钢轨轮廓动态测量系统在轨道养护中得到了广泛应用。该系统装于轨检车或公铁两用检测车上，随车体行进直接对钢轨断面的各项参数进行快速精确地测量，大大提升了养护作业效率。

按照CCD成像数据处理方式的不同，该系统可分为激光视像技术和激光位移技术两种。

激光视像技术在传统非接触式钢轨轮廓检测系统中应用最为普遍，它通过对视觉传感器进行高精度的标定，求得CCD摄像机成像模型的外部参数，将摄像机二维图像坐标系内的数据精确转换到三维世界坐标系中。然后通过识别测量图像中的钢轨轮廓、提取断面激光光条中心的亚像素坐标、依据成像模型转换得到测量轮廓世界坐标，最后实现测量轮廓与标准轮廓的对准与磨耗测量。由于现场钢轨表面锈渍、油污及阳光反射影响，激光视像技术的轮廓检测精度相对较低。

激光位移技术依据钢轨表面反射激光在二维CCD成像阵列中的不同位置，通过激光三角法直接计算得到测量轮廓上各个采样点距光源入射点的数字距离坐标，进而通过与标准轮廓的对准实现磨耗测量。

两者相比，激光位移技术具有检测精度更高(约为量程的0.1％)，检测速度更快(可达6000轮廓/s)，测量不受色彩、表面材质或离散光线影响等特点，更适合现代高速铁路的检测维护需求。

建立轨道基准坐标系如图1所示，其中轨距方向为X轴，垂直于轨顶踏面方向为Y轴，钢轨纵向为Z轴。车体行驶过程中的6个自由度振动分别为沿X轴的侧摆振动、沿Y轴的浮沉振动、沿Z轴的伸缩振动、绕X轴的点头振动、绕Y轴的摇头振动、绕Z轴的侧滚振动。各方向振动相互耦合，很难直接测出。

6种振动形式中，只有点头振动和摇头振动引起测量轮廓发生失真变形，导致检测精度下降。其中，点头振动引起测量轮廓在垂直方向的等比例拉伸，摇头振动引起测量轮廓在轨距方向的等比例拉伸，示意图如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示。

设点头角度为θ₁，摇头角度为θ₂，取正常轮廓和变形轮廓上对应的一点(x₁,y₁)和(x₁',y₁')，则点头振动的影响为：

摇头振动的影响为：

若两个方向均发生振动，则

针对动态测量时的轮廓变形问题，激光视像技术利用能够获取测量轮廓三维世界坐标的特性，国内外研究者先后提出了正交分解振动补偿法、最近点迭代ICP(Iterative Closest Point)校准法、基于多线结构光视觉传感器的辅助平面投影法等，取得了较好的轮廓校准效果。然而，检测精度更高的激光位移技术由于只能获取测量轮廓上各个采样点相对光源入射点的二维数字坐标，无法像激光视像技术一样获取第三维轨道纵向坐标，因此对该问题一直未能得到有效地解决，这也限制了激光位移技术在轮廓检测中的应用。

基于二维数字坐标的激光位移技术在轮廓变形识别与校准中所面临的技术难点主要有以下几个方面：

1)难以找到直观有效的特征对原始测量轮廓是否发生变形做出实时准确地识别

由于传感器倾斜照射钢轨内侧，原始测量轮廓是旋转的。相对测量正常轮廓，测量变形轮廓发生了拉伸变换，所以两者的直观区别在于特征点对的距离会在拉伸前后发生变化。

60Kg/m标准模板轮廓如图3所示，轮廓断面分为轨头、轨腰、轨底三部分。轨头区点B为轨颚点，由1:20直线AB与1:3直线BC相交而成；轨腰区CD为R400mm圆弧，DE为R20mm圆弧，两者切于点E；轨底区EF和FG分别为1:3与1:9直线，两者交于点F。

实际测量环境中点A会被磨损，且点C易被轨颚区遮挡、点G被道砟或扣件掩盖、点D和点E由于噪声影响位置变化较大，所以可用的特征点只有B、F两点。B、F垂直坐标差较大、水平坐标差较小，只能对变化角度较大的点头振动引起的轮廓变形做出识别，难以实时准确地识别其他变形轮廓(摇头轮廓、混合变形轮廓)或小角度点头轮廓。

2)常规二维轮廓匹配方法校准难度大

一是A～G七个特征点中可用的特征点只有B、F两点，不能通过直接凑齐3对特征点来求得仿射变换参数；