一种动态行车环境下的钢轨轮廓自动配准方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种动态行车环境下的钢轨轮廓自动配准方法及装置，所述方法包括：采集钢轨廓形光条图像，提取廓形光条图像中的光条中心线；对光条中心线进行坐标变换，得到多个空间轮廓点；根据多个空间轮廓点计算得到最优拟合阶次值；利用最优拟合阶次值对多个空间轮廓点进行拟合，得到轮廓拟合曲线；对轮廓拟合曲线进行划分，得到多个区间；计算所述轮廓拟合曲线上不同区间的曲率熵，得到曲率熵最大时对应的目标区间；目标区间的起始点作为小圆起始点，目标区间的区间宽度作为分割宽度；根据小圆起始点与所述分割宽度在轮廓拟合曲线上确定小圆区域，并依据小圆区域确定小圆圆心；将小圆圆心与标准圆心对齐，以使轮廓拟合曲线与标准廓形配准。

A Method and Device for Rail Profile Automatic Registration in Dynamic Traffic Environment

The invention provides an automatic registration method and device for rail contour in dynamic driving environment. The method includes: collecting rail contour bars image, extracting the bars center line in the bars image, transforming coordinates of bars center line to obtain multiple spatial contour points, and calculating according to multiple spatial contour points. To the optimal fitting order value; using the optimal fitting order value to fit multiple spatial contour points to get the contour fitting curve; dividing the contour fitting curve to get multiple intervals; calculating the curvature entropy of different intervals on the contour fitting curve to get the corresponding target interval when the curvature entropy is maximum; and the target interval. The starting point is the starting point of a small circle, and the interval width of the target interval is the segmentation width; the small circle area is determined on the contour fitting curve according to the starting point of the small circle and the segmentation width, and the small circle center is determined according to the small circle area; the small circle center is aligned with the standard circle center, so that the contour fitting curve is matched with the standard contour shape.

【技术实现步骤摘要】
一种动态行车环境下的钢轨轮廓自动配准方法及装置
本专利技术涉及钢轨轮廓自动配准领域，尤指一种动态行车环境下的钢轨轮廓自动配准方法及装置。
技术介绍
钢轨是铁路运输的主要载体，它直接支撑并引导机车车辆的车轮前行。随着列车的高速、重载和高密度运行，钢轨的磨耗问题日益突出[1]。长期以来，对于钢轨磨耗的检测，铁路工务部门多采用专用卡尺的方式进行人工定期抽样检测，该种方式效率低，精度由于人工摆放及读数偏差难以保证。近年来，随着激光摄像技术的快速发展，基于结构光视觉测量的钢轨磨耗检测技术得到了广泛的应用，国内外相关机构研制出多种类型的车载动态钢轨磨耗测量系统。该技术利用车载激光摄像组件获取钢轨轮廓断面的高分辨率激光图像，并通过图像处理、结构光测量、形状配准等方法，识别出轨形与基准点，再与相应标准轨廓的基准点进行对齐比较，得到所测量钢轨断面的磨耗值。在钢轨磨耗测量的过程中，选取准确有效的基准匹配点将系统实测的钢轨轮廓与标准钢轨轮廓对齐，这一过程称之为轮廓的配准，之后按照钢轨磨耗定义计算相关磨耗值。曲率阈值分割法以曲率作为轮廓曲线各线段的形状特征，利用固定的曲率阈值来分割轮廓曲线上的各段圆弧，并选择曲率半径为20mm的圆弧区段来拟合圆心作为轮廓对齐的基准匹配点。该方法数据处理量小，可以快速有效地完成对磨耗的实时测量。最近点迭代(ICP，IterativeClosestPoint)算法确定轨腰轮廓点从测量坐标系到轨道设计坐标系的几何校正参数，仅采用单一传感器实现了基准测量和磨耗测量。该方法测量重复性高，且实现成本低。为了提高算法效率，迭代搜索被限制在较小的局部区域内进行。而列车行车环境下，由于受到随机噪声、标定误差、车体扰动和采集设备自身等诸多因素的影响，实测的轮廓数据中存在大量不确定的噪声干扰。因此，依靠固定的曲率值分割小圆是行不通的。而ICP算法易受轨腰上的噪声数据影响，特别是当轨腰上存在脏污泥土等凸状斑点干扰时，测量精度有较大的损耗。此外若车体发生激烈的晃动，过小的搜索区域容易使迭代求解陷入局部最优，得到错误的校正参数。
技术实现思路
为了解决目前在动态行车状态下钢轨配准技术的易受噪声干扰、配准不准确等问题，本专利技术实施例提供一种动态行车环境下的钢轨轮廓自动配准方法及装置，所述方法包括：采集钢轨廓形光条图像，提取所述廓形光条图像中的光条中心线；对所述光条中心线进行坐标变换，得到多个空间轮廓点；根据所述多个空间轮廓点计算得到最优拟合阶次值；利用所述最优拟合阶次值对所述多个空间轮廓点进行拟合，得到轮廓拟合曲线；对所述轮廓拟合曲线进行划分，得到多个区间；计算所述轮廓拟合曲线上不同区间的曲率熵，得到所述曲率熵最大时对应的目标区间；所述目标区间的起始点作为小圆起始点，所述目标区间的区间宽度作为分割宽度；根据所述小圆起始点与所述分割宽度在所述轮廓拟合曲线上确定小圆区域，并依据所述小圆区域确定小圆圆心；将所述小圆圆心与标准圆心对齐，以使所述轮廓拟合曲线与标准廓形配准。本专利技术实施例还提供一种动态行车环境下的钢轨轮廓自动配准装置，所述装置包括：采集模块，用于采集钢轨廓形光条图像，提取所述廓形光条图像中的光条中心线；坐标变换模块，用于对所述光条中心线进行坐标变换，得到多个空间轮廓点；最优阶次计算模块，用于根据所述多个空间轮廓点计算得到最优拟合阶次值；曲线拟合模块，用于利用所述最优拟合阶次值对所述多个空间轮廓点进行拟合，得到轮廓拟合曲线；区间划分模块，用于对所述轮廓拟合曲线进行划分，得到多个区间；分割模块，用于计算所述轮廓拟合曲线上不同区间的曲率熵，得到所述曲率熵最大时对应的目标区间；所述目标区间的起始点作为小圆起始点，所述目标区间的区间宽度作为分割宽度；圆心拟合模块，用于根据所述小圆起始点与所述分割宽度在所述轮廓拟合曲线上确定小圆区域，并依据所述小圆区域确定小圆圆心；配准模块，用于将所述小圆圆心与标准圆心对齐，以使所述轮廓拟合曲线与标准廓形配准。本专利技术利用最优阶次的计算，准确的拟合钢轨的轮廓曲线，并通过对轮廓拟合曲线进行划分并对划分出的各区间计算曲率熵，以准确的确定出轮廓拟合曲线上的小圆区域，并将小圆区域中的小圆圆心与标准圆心对齐，由此实现钢轨轮廓的自动配准。本专利技术中的配准方法可有效克服噪声干扰，配准精度高且速度快，可以准确快速地完成钢轨轮廓配准。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为钢轨轮廓自动配准原理图；图2A、图2B及图2C为钢轨轮廓结构及各区段曲率分布示意图；图3为本专利技术实施例一种动态行车环境下的钢轨轮廓自动配准方法的流程图；图4A及图4B为本专利技术实施例钢轨廓形光条图像及其对应的光条中心线与空间轮廓点示意图；图5A及图5B为本专利技术实施例不同阶次的空间轮廓点的拟合结果示意图；图6A、图6B及图6C为本专利技术实施例4阶与6阶拟合的截断残差统计直方图及6阶拟合的截断残差统计直方图与正态分布图；图7为本专利技术实施例不同曲线的曲率分布示意图；图8A及图8B为本专利技术实施例曲率熵变化分布图与最大曲率熵区间搜索示意图；图9A及图9B为本专利技术实施例小圆区域分割及小圆圆心拟合结果示意图；图10A及图10B为本专利技术实施例小圆圆心与标准圆心示意图；图11为本专利技术实施例轮廓拟合曲线与标准轮廓配准示意图；图12A及图12B为本专利技术实施例静态重复测量的垂磨与侧磨数值统计结果图；图13为本专利技术实施例动态测量中拟合小圆的半径变化统计结果图；图14为本专利技术实施例一种动态行车环境下的钢轨轮廓自动配准装置结构示意图。具体实施方式本专利技术实施例提供一种动态行车环境下的钢轨轮廓自动配准方法及装置。下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示为钢轨轮廓自动配准原理图，钢轨轮廓的自动配置首先采用线结构光视觉传感装置扫描钢轨断面生成钢轨的廓形光条图像；然后对图像进行细化操作，进一步提取光条的中心线；之后，通过坐标变换将两个轮廓半断面合成为一个全断面廓形，具体操作方法是根据预先标定好的激光摄像组件的参数矩阵，将提取的光条中心线的二维图像坐标转换为三维物理坐标，即得到钢轨截面的真实三维轮廓；最后，分别提取左右两侧轨廓上曲率半径为20mm的圆弧区域拟合两个圆心作为基准点进行空间配准，将实测的三维轮廓与标准钢轨轮廓统一到同一空间坐标系下进行比对，计算测量点与对应标准轨上的匹配点之间的欧式距离，得到钢轨轮廓上各点的磨耗值。由于轨头在使用过程中存在磨耗，所以不适合作为配准的基准，而轨腰和轨底状态较稳定，所以选取轨腰和轨底连接处半径为20mm的圆弧拟合两个圆心作为基准点来进行轨廓对齐。如图2A、图2B及图2C所示为钢轨轮廓结构及各区段曲率分布示意图，如图2A所示为标准60kg/m钢轨的轮廓结构图，轮廓曲线由多段直线和圆弧组成。其中，轨腰由一段半径本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动态行车环境下的钢轨轮廓自动配准方法，其特征在于，所述方法包括：采集钢轨廓形光条图像，提取所述廓形光条图像中的光条中心线；对所述光条中心线进行坐标变换，得到多个空间轮廓点；根据所述多个空间轮廓点计算得到最优拟合阶次值；利用所述最优拟合阶次值对所述多个空间轮廓点进行拟合，得到轮廓拟合曲线；对所述轮廓拟合曲线进行划分，得到多个区间；计算所述轮廓拟合曲线上不同区间的曲率熵，得到所述曲率熵最大时对应的目标区间；所述目标区间的起始点作为小圆起始点，所述目标区间的区间宽度作为分割宽度；根据所述小圆起始点与所述分割宽度在所述轮廓拟合曲线上确定小圆区域，并依据所述小圆区域确定小圆圆心；将所述小圆圆心与标准圆心对齐，以使所述轮廓拟合曲线与标准廓形配准。

【技术特征摘要】
1.一种动态行车环境下的钢轨轮廓自动配准方法，其特征在于，所述方法包括：采集钢轨廓形光条图像，提取所述廓形光条图像中的光条中心线；对所述光条中心线进行坐标变换，得到多个空间轮廓点；根据所述多个空间轮廓点计算得到最优拟合阶次值；利用所述最优拟合阶次值对所述多个空间轮廓点进行拟合，得到轮廓拟合曲线；对所述轮廓拟合曲线进行划分，得到多个区间；计算所述轮廓拟合曲线上不同区间的曲率熵，得到所述曲率熵最大时对应的目标区间；所述目标区间的起始点作为小圆起始点，所述目标区间的区间宽度作为分割宽度；根据所述小圆起始点与所述分割宽度在所述轮廓拟合曲线上确定小圆区域，并依据所述小圆区域确定小圆圆心；将所述小圆圆心与标准圆心对齐，以使所述轮廓拟合曲线与标准廓形配准。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述多个空间轮廓点计算得到最优拟合阶次值包括：计算截断残差；依据所述截断残差确定截断残差统计直方图，基于所述截断残差统计直方图计算最优拟合阶次值。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述轮廓拟合曲线进行划分，得到多个区间，包括：确定N-1个宽度不同的窗；其中，N为轮廓拟合曲线上拟合离散点的个数；将各个窗以每个拟合离散点为起始点进行滑动遍历，得到多个区间。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述轮廓拟合曲线上不同区间的曲率熵包括：计算轮廓拟合曲线方程的曲率；计算所述曲率的概率分布；根据所述概率分布计算各区间的曲率熵。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述小圆起始点、所述分割宽度及所述小圆区域内的实际离散点数对所述小圆起始点进行矫正。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述小圆区域确定小圆圆心包括：根据所述小圆区域的拟合离散点建立目标函数：根据最小二乘法求解所述目标函数的最小值，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王昊，王胜春，赵鑫欣，戴鹏，杜馨瑜，王卫东，
申请(专利权)人：中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，中国铁路总公司，北京铁科英迈技术有限公司，中国铁道科学研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11