轨道交通基础构件尺寸快速智能检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种轨道交通基础构件尺寸快速智能采集系统，包括激光测距仪、基础构件类型识别装置和激光点云采集系统。激光测距仪实时跟踪测量基础构件的距离信息；基础构件类型识别装置用于获得基础构件的设计参数信息；激光点云采集系统包括工业机器人、激光扫描仪和光学跟踪仪。工业机器人驱动激光扫描仪动态获取基础构件表面的激光点云数据，光学跟踪仪跟踪激光扫描仪，并为激光扫描仪提供实时的空间位置和姿态信息。本发明专利技术还公开了轨道交通基础构件尺寸偏差检测系统及检测方法。该方法无需检测人员干预，实现了对无砟轨道板等大型基础构件的自动化、智能化和信息化检测，与传统方法相比，其效率提升5倍以上，检测精度提高了一个数量级。

【技术实现步骤摘要】
轨道交通基础构件尺寸快速智能检测系统及方法
本专利技术涉及高速铁路无砟轨道板检测领域，特别是涉及一种轨道交通基础构件尺寸快速智能检测系统及检测方法。
技术介绍
高速铁路CRTSⅢ型无砟轨道板已在高速铁路建设中全面推广，该轨道板采用工厂化预制、一次成型生产。作为承载轨道的基础，CRTSⅢ型无砟轨道板直接影响到轨道的平顺性，所以对轨道板的制作精度要求非常高。根据铁总科技[2013]125号(后张法)和[2013]162号(先张法)文件要求，每一块板都必须经过全方位检测，并生成检测数据报告，检测工作量非常巨大。目前的CRTSⅢ型无砟轨道板检测技术是对CRTSII型板检测技术进行的改进，主要采用钢尺、游标卡尺、万能尺、全站仪及配套工装来完成。这套系统完成一块板检测的时间约为50分钟，每个无砟轨道板厂平均每天生产无砟轨道板的数量约为100块，当前的检测效率远远不能满足轨道板生产的实际需求。现有的采用全站仪配合工装的测量系统实际测量精度约为0.3mm，轨道板允许的加工误差为0.5mm，当前的检测系统在精度上不能完全满足尺寸检测误差的要求。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种轨道交通基础构件尺寸快速智能检测系统。本专利技术的另一目的是提供一种利用上述检测系统进行CRTSⅢ型无砟轨道板尺寸检测的方法。为此，本专利技术的技术方案如下：一种轨道交通基础构件尺寸快速智能检测系统，包括激光测距仪、基础构件类型识别装置、激光点云采集系统、模型重建系统和偏差检测系统，所述激光测距仪实时跟踪测量基础构件的距离信息，并判断基础构件是否在检测区域内；所述基础构件类型识别装置用于读取检测区域内基础构件的预埋电子芯片信息或基础构件侧面喷涂的流水号，与数据库中的基础构件参数进行匹配，进而获得基础构件的设计参数信息；所述激光点云采集系统包括工业机器人、激光扫描仪和光学跟踪仪，所述工业机器人驱动激光扫描仪动态获取所述基础构件表面的激光点云数据，所述光学跟踪仪跟踪所述激光扫描仪，并为激光扫描仪提供实时的空间位置和姿态信息；所述模型重建系统对轨道交通基础构件激光点云快速智能采集系统采集的激光点云数据进行处理，重建基础构件各部件的三维几何模型；所述偏差检测系统利用重建的基础构件各部件的三维几何模型，通过空间几何计算得到基础构件各部件的几何尺寸，再与设计尺寸进行比较，进而得到基础构件外形尺寸的加工偏差并形成检测报告。上述激光测距仪设置在距离轨道板短边0.5米处的地面上，基础构件类型识别装置设置在距离轨道板长边0.5米处的支架上。所述基础构件类型识别装置为识别技术读取轨道板预埋电子芯片信息的射频识别系统或通过文字识别技术读取轨道板侧面喷涂的流水号的工业相机。所述工业机器人包括一机械臂及其控制器，所述激光扫描仪安装在所述机械臂的下端，机械臂的上端设置在一精密滑轨上并能沿该精密滑轨移动；所述光学跟踪仪通过一万向云台和一支撑架安装在一直线滑台上并能沿该直线滑台移动。在本专利技术的一个实施例中，在所述直线滑台上安装有传送带，所述光学跟踪仪安装在所述传送带上，所述传送带在一步进电机的控制下进行移动。所述光学跟踪仪通过动态获取标靶的空间三维坐标实现自定位，所述标靶设置有多个，每个标靶分别安装在一个标靶安装工件上，标靶安装工件安装在工件安装支架的横梁上。在本专利技术的一个实施例中，所述工件安装支架在所述检测区域内基础构件的两侧各设置有一个，其中一个工件安装支架上设置有2根横梁，所述2根横梁与所述基础构件的水平距离和垂直距离均不相同，在2根横梁分别均面多个所述标靶安装工件。一种CRTSⅢ型无砟轨道板尺寸检测方法，其特征在于包括以下步骤：S1.轨道板表面激光点云数据自动采集：1)将轨道板运输至检测区域，通过预先设置的激光测距仪实时跟踪测量轨道板的距离信息，判断轨道板是否在检测区域内；2)当判断轨道板已进入检测区域内后，启动基础构件类型识别装置，获得该轨道板的设计参数信息；3)启动激光点云采集系统，同步控制机械臂、激光扫描仪及光学跟踪仪，实时动态获取轨道板表面的激光点云；S2.轨道板三维模型重建：利用激光点云采集系统对CRTSⅢ型无砟轨道板的承轨台、预埋套管及底板的模型进行重建，提取模型参数；S3.轨道板各部件偏差检测：利用偏差检测系统，根据S2中提取的模型参数计算轨道板相应部件的尺寸值，再与设计值进行比较，得到轨道板各部件的加工尺寸偏差值。在步骤S1中，通过射频识别技术读取轨道板预埋电子芯片信息或通过文字识别技术读取轨道板侧面喷涂的流水号，再与数据库中的轨道板参数进行匹配，进而获得该轨道板的设计参数信息。步骤S2中，对承轨台进行模型重建包括以下步骤：(1)重建无砟轨道板承轨台两侧的钳口面及底部的承轨面的空间三维模型，所述空间三维模型的几何参数利用公式(1)进行计算：V1-ax+by+cz+d(1)式中：Vi：坐标观测值的残差；a、b、c：钳口面及或承轨面的法向量；d：钳口面及或承轨面方程的第四参数；x、y、z：钳口面或承轨面上的激光点坐标，钳口面或承轨面上的激光点三维坐标作为观测量，采样最小二乘法算法可计算出a、b、c、d四个参数的值。(2)建立无砟轨道板原始点云的树形数据结构，便于对激光点云进行快速搜索；(3)利用近邻域搜索方法从轨道板点云中快速搜索承轨台所在区域的激光点云；(4)利用矩形分割算法与高程滤波算法分别分割钳口面及承轨面处的激光点云；(5)采用平面模型的随机采样一致性算法获得承轨面及钳口面的平面采样点云；(6)采用最小二乘算法，分别计算平面模型的几何参数，对承轨台钳口面与承轨面的平面进行拟合。无砟轨道板的预埋套管是在轨道板浇筑之前，安装于轨道板模具定位栓上的绝缘套管。预埋套管为标准构件，其长度为141mm，顶部为圆柱体，其圆柱直径为25.5mm，底部为内螺纹结构。步骤S2中，对预埋套管进行模型重建包括以下步骤：(1)重建顶部圆柱体三维模型，圆柱体的几何参数包括圆柱中轴线法向量N(NX、NY、NZ)，圆柱中轴线点坐标P(PX、PY、PZ)以及圆柱的半径R，圆柱体模型的空间几何参数根据公式(2)进行计算：：式中：Vi：坐标观测值的残差；Nx、Ny、Nz：圆柱的法向量；Px、Py、Pz：圆柱的中轴线点；xi、yi、zi：圆柱上的激光点坐标；R：半径阈值；预埋套管内部的激光点三维坐标作为观测量，采样最小二乘法算法，计算Nx、Ny、Nz、x0、y0、z0、R等七个参数。(2)建立轨道板原始点云的树形数据结构，便于对激光点云进行快速搜索；(3)利用近邻域搜索方法从轨道板点云中快速搜索预埋套管所在区域内的激光点云；(4)利用矩形分割算法和高程滤波算法分别分割预埋套管的激光点云；(5)采用圆柱模型的随机采样一致性算法获得圆柱采样点云；(6)采用最小二乘算法计算圆柱模型的几何参数，对预埋套管的圆柱体进行拟合。步骤S2中，对轨道板底板进行模型重建的方法为：利用立方体型轨道板底板四角的平面计算底板框架四角的三维坐标，参照对承轨台的平面进行拟合的方法对轨道板底板的平面模型进行拟合，得到底板四角框架的平面拟合结果。本专利技术的有益效果如下：本专利技术基于激光点云处理算法，重建轨道板预埋套管、承轨台及轨道板底板的三维模型，基于重建的几何模型，自动计算轨道板各部件几何尺寸，再将计算结果与设计参数进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轨道交通基础构件尺寸快速智能检测系统，其特征在于：包括激光测距仪、基础构件类型识别装置、激光点云采集系统、模型重建系统和偏差检测系统，所述激光测距仪实时跟踪测量基础构件的距离信息，并判断基础构件是否在检测区域内；所述基础构件类型识别装置用于读取检测区域内基础构件的预埋电子芯片信息或基础构件侧面喷涂的流水号，与数据库中的基础构件参数进行匹配，进而获得基础构件的设计参数信息；所述激光点云采集系统包括工业机器人、激光扫描仪和光学跟踪仪，所述工业机器人驱动激光扫描仪动态获取所述基础构件表面的激光点云数据，所述光学跟踪仪跟踪所述激光扫描仪，并为激光扫描仪提供实时的空间位置和姿态信息；所述模型重建系统对轨道交通基础构件激光点云快速智能采集系统采集的激光点云数据进行处理，重建基础构件各部件的三维几何模型；所述偏差检测系统利用重建的基础构件各部件的三维几何模型，通过空间几何计算得到基础构件各部件的几何尺寸，再与设计尺寸进行比较，进而得到基础构件外形尺寸的加工偏差并形成检测报告。

【技术特征摘要】
1.一种轨道交通基础构件尺寸快速智能检测系统，其特征在于：包括激光测距仪、基础构件类型识别装置、激光点云采集系统、模型重建系统和偏差检测系统，所述激光测距仪实时跟踪测量基础构件的距离信息，并判断基础构件是否在检测区域内；所述基础构件类型识别装置用于读取检测区域内基础构件的预埋电子芯片信息或基础构件侧面喷涂的流水号，与数据库中的基础构件参数进行匹配，进而获得基础构件的设计参数信息；所述激光点云采集系统包括工业机器人、激光扫描仪和光学跟踪仪，所述工业机器人驱动激光扫描仪动态获取所述基础构件表面的激光点云数据，所述光学跟踪仪跟踪所述激光扫描仪，并为激光扫描仪提供实时的空间位置和姿态信息；所述模型重建系统对轨道交通基础构件激光点云快速智能采集系统采集的激光点云数据进行处理，重建基础构件各部件的三维几何模型；所述偏差检测系统利用重建的基础构件各部件的三维几何模型，通过空间几何计算得到基础构件各部件的几何尺寸，再与设计尺寸进行比较，进而得到基础构件外形尺寸的加工偏差并形成检测报告。2.根据权利要求1所述的轨道交通基础构件尺寸快速智能检测系统，其特征在于：所述基础构件类型识别装置为识别技术读取轨道板预埋电子芯片信息的射频识别系统或通过文字识别技术读取轨道板侧面喷涂的流水号的工业相机。3.根据权利要求1所述的轨道交通基础构件尺寸快速智能检测系统，其特征在于：所述工业机器人包括机械臂及其控制器，所述激光扫描仪安装在所述机械臂的下端，机械臂的上端设置在一精密滑轨上并能沿该精密滑轨移动；所述光学跟踪仪通过一万向云台和一支撑架安装在一直线滑台上并能沿该直线滑台移动。4.根据权利要求1所述的轨道交通基础构件尺寸快速智能检测系统，其特征在于：所述光学跟踪仪通过动态获取标靶的空间三维坐标实现自定位，所述标靶设置有多个，每个标靶分别安装在一个标靶安装工件上，标靶安装工件安装在工件安装支架的横梁上。5.根据权利要求1-5中任一项所述的轨道交通基础构件尺寸快速智能检测系统，其特征在于：所述基础构件为CRTSⅢ型无砟轨道板。6.一种CRTSⅢ型无砟轨道板尺寸检测方法，其特征在于包括以下步骤：S1.轨道板表面激光点云数据自动采集：1)将轨道板运输至检测区域，通过预先设置的激光测距仪实时跟踪测量轨道板的距离信息，判断轨道板是否在检测区域内；2)当判断轨道板已进入检测区域内后，启动基础构件类型识别装置，获得该轨道板的设计参数信息；3)启动激光点云采集系统，同步控制机械臂、激光扫描仪及光学跟踪仪，实时动态获取轨道板表面的激光点云；S2.轨道板三维模型重建：利用激光点云采集系统对CRTSⅢ型无砟轨道板的承轨台、预埋套管及底板的模型进行重建，提取模型参数；S3.轨道板各部件偏差检测：利用偏差检测系统，根据S2中提取的模型参数计算轨道板相应部件的尺寸值，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王长进，许磊，孟宪军，李亚辉，康占龙，谭兆，张志刚，李新增，铁骊山，秦守鹏，林勇威，
申请(专利权)人：铁道第三勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12