基于三层匹配的钢轨轮廓实时形态识别与失真校准方法技术

本发明专利技术公开了一种基于三层匹配的钢轨轮廓实时形态识别与失真校准方法。针对激光位移技术在钢轨轮廓高精度动态检测中所遇到的轮廓失真难以准确识别及校准问题，通过构造由轮廓轨颚点、轨头直线区与轨腰特征区所组成的三层匹配区，计算匹配度并与统计阈值进行对比，来对测量轮廓形态做出实时准确地区分；针对识别出的失真轮廓，通过与模板轮廓的初步对准与匹配度的迭代优化，获得最优仿射变换参数来校准失真轮廓。实验证明该方法有效消除了振动对钢轨轮廓测量数据的影响，提升了轮廓测量精度，为激光位移技术在钢轨轮廓高精度动态检测中的推广应用提供了新的思路和技术参考。

【技术实现步骤摘要】
基于三层匹配的钢轨轮廓实时形态识别与失真校准方法
本专利技术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。
技术介绍
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(IterativeClosestPoint)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；二是当测量轮廓发生仿射变形时，轨腰R400与R20由圆弧变为椭圆弧，弧长很短(相应的圆心角分别为12.3°和65.9°)，表面含有噪声，通过最小二乘法来拟合椭圆的中心点坐标、长短轴和倾斜角等5个参数，求解精度较低，难以满足实际需求。3)钢轨在生产过程中引入的测量误差实际钢轨在生产过程中，会与标准模板轮廓存在一定的误差，因此通过测量正常轮廓来提取B、F两个特征点坐标进行统计平均作为模板轮廓的两个匹配特征点。本专利技术相关轮廓符号集见表1表1相关轮廓符号集
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于三层匹配的钢轨轮廓实时形态识别与失真校准方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于三层匹配的钢轨轮廓实时形态识别与失真校准方法，包括以下步骤：1)采集多幅正常轮廓，经匹配特征点提取、特征区域点集映射、3层匹配区总体适应度值的计算与统计平均，获取后续用于识别校准的模板轮廓匹配特征点与分类阈值；2)随机动态采集测量轮廓，将所述测量轮廓与所述模板轮廓进行对齐匹配；3)提取测量轮廓匹配特征点，构建所述测量轮廓与所述模板轮廓的三层匹配区，计算所述测量轮廓的总适应度；4)比较所述测量轮廓总适应度与所述轮廓分类阈值，若所述总适应度小于或等于所述轮廓分类阈值，则所述测量轮廓为正常轮廓；否则，所述测量轮廓为变形轮廓；5)对所述正常轮廓，直接计算得到钢轨磨耗；对所述变形轮廓，先与所述模板轮廓进行预对准，再依据所述变形轮廓三层匹配区总适应度，使用粒子群算法逐步迭代获取最优仿射变换参数，最后对所述变形轮廓进行校准，计算钢轨磨耗。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：本专利技术通过分析测量变形轮廓、测量正常轮廓与标准模板轮廓各自的特点，最终选用现场测量的正常轮廓来提取模板轮廓校准特征点与分类阈值；通过模板轮廓向复原轮廓特征区域点集映射，创新性地构造出轨颚点、轨头直线区与轨腰特征区等三层匹配区，并计算三层总体适应度，来对正常轮廓与变形轮廓进行实时准确地分类；针对变形轮廓，先预对准，再利用粒子群算法，以仿射变换旋转角、垂直方向与水平方向伸缩比作为粒子群中每个粒子位置向量，以三层匹配区的总适应度作为粒子群迭代优化的适应度函数，通过迭代寻优估计钢轨轮廓仿射变换参数，最终实现变形轮廓校准；测量轮廓与模板轮廓初次匹配仍采用双圆弧法，识别出的大部分正常轮廓可直接计算磨耗，少部分变形轮廓使用粒子群算法校准后再计算磨耗，这在一定程度上保证了该方法实际应用中的实时性。附图说明图1为轨道基准坐标系；图2(a)、图2(b)、图2(c)为不同类型振动对测量的影响；图3为60Kg/m标准模板轮廓断面图；图4为本专利技术轮廓识别及校准流程；图5为本专利技术用于识别校准的轮廓匹配特征点与分类阈值的获取流程；图6为本专利技术Ramer分割后的原始轮廓及特征点定位；图7为本专利技术正常轮廓特征点提取；图8为本专利技术特征区域点集映射示意图；图9为本专利技术测量轮廓分类示意图；图10为本专利技术变形轮廓校准流程；图11(a)初始变形轮廓(点头振动)；图11(b)变形轮廓与模板轮廓初步校准；图11(c本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三层匹配的钢轨轮廓实时形态识别与失真校准方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采集多幅正常轮廓，经匹配特征点提取、特征区域点集映射、三层匹配区总体适应度值的计算与统计平均，获取后续用于识别校准的模板轮廓匹配特征点与分类阈值；2)随机动态采集测量轮廓，将所述测量轮廓与模板轮廓进行对齐匹配；3)提取测量轮廓匹配特征点，构建所述测量轮廓与所述模板轮廓的三层匹配区，计算所述测量轮廓的总适应度；4)比较所述测量轮廓总适应度与所述轮廓分类阈值，若所述总适应度小于或等于所述轮廓分类阈值，则所述测量轮廓为正常轮廓；否则，所述测量轮廓为变形轮廓；5)对所述正常轮廓，直接计算得到钢轨磨耗；对所述变形轮廓，先与所述模板轮廓进行预对准，再依据所述变形轮廓三层匹配区总适应度，使用粒子群算法逐步迭代获取最优仿射变换参数，最后对所述变形轮廓进行校准，计算钢轨磨耗。

【技术特征摘要】
1.一种基于三层匹配的钢轨轮廓实时形态识别与失真校准方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采集多幅正常轮廓，经匹配特征点提取、特征区域点集映射、三层匹配区总体适应度值的计算与统计平均，获取后续用于识别校准的模板轮廓匹配特征点与分类阈值；2)随机动态采集测量轮廓，将所述测量轮廓与模板轮廓进行对齐匹配；3)提取测量轮廓匹配特征点，构建所述测量轮廓与所述模板轮廓的三层匹配区，计算所述测量轮廓的总适应度；4)比较所述测量轮廓总适应度与所述轮廓分类阈值，若所述总适应度小于或等于所述轮廓分类阈值，则所述测量轮廓为正常轮廓；否则，所述测量轮廓为变形轮廓；5)对所述正常轮廓，直接计算得到钢轨磨耗；对所述变形轮廓，先与所述模板轮廓进行预对准，再依据所述变形轮廓三层匹配区总适应度，使用粒子群算法逐步迭代获取最优仿射变换参数，最后对所述变形轮廓进行校准，计算钢轨磨耗；步骤1)中，采用Ramer多边形分割法对所述多幅正常轮廓进行分割，提取每幅正常轮廓轨颚点、轨底斜率为1:3和1:9的直线交点，将分割后的所有正常轮廓的轨颚点、直线交点的坐标分别统计平均后作为模板轮廓的两个匹配特征点，两个匹配特征点坐标的计算公式为：其中，为模板轮廓轨颚点的坐标值；为第i个正常轮廓轨颚点的坐标值；为模板轮廓轨底特征点的坐标值；为第i个正常轮廓轨底特征点的坐标值；m为采集的正常轮廓个数。2.根据权利要求1所述的基于三层匹配的钢轨轮廓实时形态识别与失真校准方法，其特征在于，步骤1)中，点集映射方法为选取模板轮廓上指定点，沿X轴向与指定点相同Y坐标处的测量轮廓进行映射，过程为：取模板轮廓LKs轨腰曲线C'F'，确保C'F'响应点存在于测量轮廓LKnm轨腰区范围内；轨头区直线A'B'，确保A'B'响应点存在于L...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏立，李艳福，马子骥，王超，肖小兵，李志彬，郭帅锋，刘伟，唐涛，魏珲，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43