一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法技术

本发明专利技术属于光电检测技术领域，涉及一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，适用于铁轨轨距及轨道磨损的分析。本发明专利技术采用多个激光器和多个相机构建联合测量系统，通过对测量系统的联合标定及采集数据的综合处理，高精度获取两个无交叠的动态三维坐标系中铁轨几何轮廓特征点。这种检测设备安装简单灵活，检测精度高，可同时标定出双边铁轨的世界坐标，有效的完成铁轨几何轮廓的三维检测。本发明专利技术具有安装简单灵活，检测精度高，可同时标定出双边铁轨的世界坐标等特点。

A method for detecting geometric contour of rails with high accuracy

The invention belongs to the technical field of photoelectric detection, and relates to a high-precision method for detecting the geometric contour of rails, which is suitable for the analysis of rail gauge and track wear. The invention adopts a plurality of lasers and multiple cameras to build joint measurement system, through comprehensive processing and calibration data of the measurement system, high precision acquisition point track geometry contour features two non overlapping dynamic three-dimensional coordinate system. The detection device is simple and flexible, and has high detection accuracy. It can simultaneously calibrate the world coordinates of the bilateral rails, and effectively detect the geometric contour of the rail. The invention has the advantages of simple and flexible installation, high detection accuracy, and simultaneous calibration of the world coordinates of the bilateral rails.

【技术实现步骤摘要】
一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法
本专利技术属于光电检测
，涉及一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，适用于铁轨轨距及轨道磨损的分析。
技术介绍
铁路是国家交通运输的大动脉，承担了70％以上的客运和货运任务，线路是所有轨道运输的基础和灵魂。铁路轨道的几何尺寸对于保证列车运行安全性与舒适性有着尤为重要的意义。目前，我国铁路工务部门对轨道几何轮廓的检测仍然主要采用人工检测方法，这种测量方法作量大、测量速度慢、效率低、很难控制测量精度。激光摄像式检测方法是实现铁轨几何轮廓检测的一种新方法，它由激光器和相机等组成，其检测铁轨几何轮廓的原理见图1所示。激光器在检测的铁轨上投射出激光束，通过对相机拍摄的一幅或多幅图像进行处理来恢复铁轨在规定坐标系下(一般取铁轨所在的世界坐标系xyz)中的三维信息，然后对场景信息进行识别和理解。因而，其成为未来轨道几何轮廓检测系统的发展趋势。激光摄像式检测方法的难点在于实验环境困难，安装精度难以保障，换换关系众多。若按照传统的确定转换关系，即依次标定每个相机，再标定相机间及相机与单个铁轨之间的位置关系，虽不需要依赖于场景和标定物，但鲁棒性差而且存在误差传递的问题，得到的解的精度低。传统的标定方法是基于主动视觉的标定方法，需在主动视觉平台上控制摄像机做相对的运动，对装置的要求比较高，安装精度无法保证。传统的标定方法只能对双边铁轨分开标定，若只能得出铁轨在不同坐标系中的位置，轨距几何轮廓对应的特征点也位于不同坐标系当中，无法进行铁轨系统的几何轮廓检测。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术采用多个激光器和多个相机构建联合测量系统，通过对测量系统的联合标定及采集数据的综合处理，高精度获取两个无交叠的动态三维坐标系中铁轨几何轮廓特征点。这种检测设备安装简单灵活，检测精度高，可同时标定出双边铁轨的世界坐标，有效的完成铁轨几何轮廓的三维检测。本专利技术的技术方案是：一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法,其特征在于，具体方法是：根据铁轨几何检测的要求，完成激光器、相机和升降台的参数选取。选择4台线激光器和4个相机，通过刚性支撑架实现线激光器与相机的联接。将水平标定板放置于升降台表面，由测量系统发射线激光投影到标定板上形成激光线，实物图如图2，图中红色激光线位于黑色标定板，两者同在物方世界坐标系。同时，线激光投射到铁轨上形成轮廓线，实物图如图3，图中轮廓线位于物方世界坐标系。调节升降台的高度，通过相机记录投射在标定板上的激光线和铁轨上的轮廓线以及标定孔的图像。规定水平标定板的几何中心为规定世界坐标系的原点，像素面的中心为像方坐标系的原点，u、v轴平行于像平面坐标系的相应轴。根据标定孔在物方和像方的坐标，解算相机内外方位元素。测量系统发射线激光投射到轨道上形成轮廓线，由相机记录轮廓线的图像。通过图像处理提取激光线和轮廓线的像方坐标，结合相机内外方位元素解算激光线和轮廓线的物方坐标。通过拟合物方激光线，获取激光面在世界坐标系下的法向量，进而得到其旋转矩。利用旋转矩阵，将轨轮廓线的物方坐标进行变换，计算轮廓线的标准坐标。在上述的一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，根据铁轨几何检测的要求，完成激光器、相机和升降台的参数选取，包括以下子步骤：步骤2.1，根据铁轨几何检测的精度要求，选取相机的重要指标参数：相机分辨率可以控制在0.1mm/pixel范围内，相机镜头F数的范围为2.2～8，相机的入瞳控制在6cm～9cm，则可得到相机焦距f范围为13.2mm～72mm，景深范围为100mm～150mm。步骤2.2，根据图像质量以及激光图像坐标提取精度的要求，通过选择发散角比较小的激光器控制其线宽不超过1mm，激光波长在可见光波段。步骤2.3，根据铁轨的检测高度要求，升降台行程应覆盖钢轨176mm的高度范围。在上述的一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，选择4台线激光器和4个相机，通过刚性支撑架实现线激光器与相机的联接，包括以下子步骤：步骤3.1，基于线激光器和相机的参数要求，选用4台线激光器和4个相机，每个线激光器和相机组合成一个子测量系统，每两个子测量系统构成左侧子系统和右侧子系统，用于测量左右铁轨几何轮廓，每个线激光器要求放置在同一平面内，其放置方式见图2所示。步骤3.2，4个相机通过刚性支撑架来联接，根据相机的景深要求，相机在支撑架的位置必须满足：Δl＝max(l·cosω)-min(l·cosω)，其中，Δl为景深，l为相机入瞳与铁轨的距离,ω是相机入瞳与铁轨轮廓上一点的连线与光轴的夹角。步骤3.3，将线激光器安装在刚性支撑架上，调整线激光器的位置，使得激光束能够完全覆盖铁轨平面,并且尽量保证每个铁轨两侧的激光面共面且与铁轨平面垂直。在上述的一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，将水平标定板放置于升降台表面，由测量系统发射线激光投影到标定板上，调节升降台的高度，通过相机记录激光线和标定孔的图像，包括以下子步骤：步骤4.1，制作由a×b个直径为d的通孔所组成的水平标定板，相邻通孔之间的横向和纵向间距为dxmm和dymm。规定水平标定板的几何中心为规定世界坐标系的原点，记标定板上坐标为(xij,yij),其中，i<a,j<b。步骤4.2，将水平标定板放置在高精度升降台上，保证标定板可同时呈现4条激光线，高精度升降台的起始位置应与铁轨底端齐平，此处记为高度为0。步骤4.3，将4个线激光器发射的激光束投影到标定板上，改变升降台的高度zs，zs＝(s-1)×dz，dz为高度变化的步长，s＝1,2,3...，int(H/dz)+1，H为铁轨的高度，int表示取整运算函数。原理见图4。从图4中可知，本专利技术的工作过程中，激光器和相机安装在铁轨的两侧，标定板放置在升降台上随升降台一起升降，激光线在标定板上的位置随升降台的高度改变，铁轨放置在升降台的下方，不随升降台移动。步骤4.4，在调整升降台高度的同时，由相机记录标定板和激光线的图像，标记其图像名称分别为Bst和Lst,其中，t＝1,2,3,4。在上述的一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，根据标定孔在物方和像方的坐标，解算物像方位置关系，包括以下子步骤：步骤5.1，采用图像处理算法中的阈值分割法及重心法，对图像Bst进行处理提取水平标定板上的通孔中心位置，获得所有通孔的像方坐标(uij,vij)；步骤5.2,根据通孔的物方坐标像方坐标，通过用多项式来标定求得物像方变换关系，解算相机的内外方位元素，它们满足以下关系式：其中,a11,a12...a1m和b21,b22...b2m为相机的内外方位元素，e为多项式拟合的次数，m<(a×b)。在上述的一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，测量系统发射线激光投射到轨道上形成轮廓线，由4个相机记录轮廓线的图像，标记其图像名称为Gj。在上述的一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，通过图像处理提取激光线和轮廓线的像方坐标，结合相机内外方位元素解算激光线和轮廓线的物方坐标。步骤7.1，可充分利用角点来提取激光线的像方坐标。相机拍摄到的标定板和激光器所投射在标定板上的激光线的效果原理图如图5，图中圆孔为标定板通孔，直线为激光器所投射在标定板上的激光线，先用阈值分割及重心法提取各激光线和标定通孔的中心的像方坐标：(uxs,v本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法,其特征在于：包括以下步骤：将4台线激光器和4个相机通过刚性支撑架连接，实现线激光器与相机的联接，线激光器和相机组成测量系统；将水平标定板放置于升降台表面，由测量系统的线激光器发射线激光投影到水平标定板上形成激光线，线激光投射到铁轨上形成轮廓线；调节升降台的高度，通过相机记录投射在标定板上的激光线和铁轨上的轮廓线以及标定孔的图像；规定水平标定板的几何中心为规定世界坐标系的原点，像素面的中心为像方坐标系的原点；通过图像处理提取激光线和轮廓线的像方坐标；结合相机内外方位元素解算激光线和轮廓线的物方坐标；通过拟合物方激光线，获取激光面在世界坐标系下的法向量，进而得到其旋转矩；利用旋转矩阵，将轨轮廓线的物方坐标进行变换，计算轮廓线的标准坐标。

【技术特征摘要】
1.一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法,其特征在于：包括以下步骤：将4台线激光器和4个相机通过刚性支撑架连接，实现线激光器与相机的联接，线激光器和相机组成测量系统；将水平标定板放置于升降台表面，由测量系统的线激光器发射线激光投影到水平标定板上形成激光线，线激光投射到铁轨上形成轮廓线；调节升降台的高度，通过相机记录投射在标定板上的激光线和铁轨上的轮廓线以及标定孔的图像；规定水平标定板的几何中心为规定世界坐标系的原点，像素面的中心为像方坐标系的原点；通过图像处理提取激光线和轮廓线的像方坐标；结合相机内外方位元素解算激光线和轮廓线的物方坐标；通过拟合物方激光线，获取激光面在世界坐标系下的法向量，进而得到其旋转矩；利用旋转矩阵，将轨轮廓线的物方坐标进行变换，计算轮廓线的标准坐标。2.根据权利要求1所述的高精度的铁轨几何轮廓的检测方法,其特征在于：所述的相机分辨率在0.1mm/pixel范围内，相机镜头F数的范围为2.2至8，相机的入瞳控制在6cm至9cm，则可得到相机焦距f范围为13.2mm至72mm，景深范围为100mm至150mm；所述的线激光器线宽不超过1mm，激光波长在可见光波段；所述的升降台行程大于等于176mm。3.根据权利要求1所述的高精度的铁轨几何轮廓的检测方法,其特征在于：所述的线激光器、相机和刚性支撑架的连接方法为：每个线激光器和相机组合成一个子测量系统，每两个子测量系统构成左侧子系统和右侧子系统，左侧子系统、右侧子系统用于测量左右铁轨几何轮廓，每个线激光器要求放置在同一平面内；所述的4个相机通过刚性支撑架来联接，相机在支撑架的位置必须满足：Δl＝max(l·cosω)-...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨辉，魏立夫，朱光宇，谷林辉，
申请(专利权)人：武汉滨湖电子有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42