一种钢轨磨耗动态测量中的轨廓自动配准方法技术

本发明专利技术提供了一种钢轨磨耗动态测量中的轨廓自动配准方法，包括：通过RDP算法对获取的钢轨轨腰和轨底圆弧轮廓进行自动分割；对分割的所述圆弧轮廓进行基于半径约束的非线性二次拟合获取圆心坐标，将所述圆心坐标作为基准点，对钢轨测量轮廓和标准轮廓进行初步配准；将所述基准点的初步配准结果作为改进ICP算法的初值，经过迭代计算，得到最优刚体变换关系，完成钢轨磨耗动态测量中的轨廓自动配准。本发明专利技术提出了基于RDP算法和改进ICP算法的两段式钢轨轮廓自动配准方法，从而实现钢轨测量轮廓和标准轮廓的高精度自动配准。

An Automatic Registration Method for Rail Profile in Dynamic Measurement of Rail Wear

The invention provides an automatic rail profile registration method in dynamic measurement of rail wear, which includes: automatic segmentation of the obtained rail waist and rail bottom arc contours by RDP algorithm; non-linear quadratic fitting based on radius constraints for the separated arc contours to obtain the center coordinates, and taking the center coordinates as reference points to advance the rail measurement contours and standard contours. The initial registration results of the reference points are taken as the initial values of the improved ICP algorithm. After iterative calculation, the optimal rigid body transformation relationship is obtained, and the automatic rail profile registration in the dynamic measurement of rail wear is completed. The invention proposes a two-stage automatic rail profile registration method based on RDP algorithm and improved ICP algorithm, thereby realizing high precision automatic registration of rail measurement profile and standard profile.

【技术实现步骤摘要】
一种钢轨磨耗动态测量中的轨廓自动配准方法
本专利技术涉及轨道交通基础设施安全检测
，尤其涉及一种钢轨磨耗动态测量中的轨廓自动配准方法。
技术介绍
钢轨是支撑列车运行的重要基础设施，列车的高速、重载、高密度运行使钢轨磨耗问题日益突出。钢轨的过度磨损会对列车行车的平稳性、安全性、乘车舒适性以及车辆和轨道各零部件的使用寿命造成极大的危害。准确测量钢轨磨耗，对于制定养护维修计划和保证铁路行车安全，具有重大意义。长期以来，对于钢轨磨耗的测量，铁路部门主要采用专用卡尺由人工定期进行抽样检测，这种检测方式效率低，无法实现动态测量，且测量精度受人为因素影响较大。近年来随着计算机和图像处理技术的日臻成熟，基于结构光视觉的非接触式钢轨磨耗检测技术凭借其高精度、高效率、可实现动态测量等优点受到了使用部门和研究学者的重视。而在钢轨磨耗动态测量过程中关键问题之一就是将测量轮廓与标准轮廓配准，进而根据钢轨磨耗的定义计算相关磨耗值。目前，采用基于最小二乘的高斯-牛顿非线性二次拟合的办法获取轨腰圆弧的圆心坐标作为特征点，通过仿射变换进行配准，但轮廓的初始分割依靠其所用传感器的坐标特征，容易引入误差；同样利用轨腰的圆弧圆心作为配准的基准点，通过设定曲率阈值的办法来确定圆弧分割的切点，该方法在理想测量环境下能实现轨腰、轨底不同圆弧切点的自动划分，但实际测量中受噪声干扰导致曲率波动较大，难以确定稳定的分割阈值；采用了迭代最近点(IterativeClosetPoint)算法确定测量坐标系和设计坐标系之间的旋转平移关系，仅利用同一传感器实现了基准测量和磨耗测量，但为提高算法效率，将迭代搜索的范围限制在较小的窗口区域内，使得算法鲁棒性下降，容易陷入局部最优解。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了一种钢轨磨耗动态测量中的轨廓自动配准方法，以克服现有技术的缺陷。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。一种钢轨磨耗动态测量中的轨廓自动配准方法，包括：S1、通过RDP算法对获取的钢轨轨腰和轨底圆弧轮廓进行自动分割；S2、对分割的所述圆弧轮廓进行基于半径约束的非线性二次拟合获取圆心坐标，将所述圆心坐标作为基准点，对钢轨测量轮廓和标准轮廓进行初步配准；S3、将所述基准点的初步配准结果作为改进ICP算法的初值，经过迭代计算，得到最优刚体变换关系，完成钢轨磨耗动态测量中的轨廓自动配准。进一步地，所述的通过RDP算法对获取的钢轨轨腰和轨底圆弧轮廓进行自动分割，包括：S11、获取所述钢轨轨腰和轨底圆弧廓的测量轮廓数据点集；S12、采用RDP算法抽取所述数据点集中能反映所述钢轨轨腰和轨底圆弧轮廓形状的特征点，将所述特征点作为轮廓分割的依据；S13、确定轨腰处半径400mm圆弧圆心的坐标，利用所述测量轮廓数据点集进行基于半径约束的最小二乘圆弧拟合，拟合的目标函数为：式中，(Xo,Yo)为拟合圆弧圆心的坐标，(xi,yi)为测量数据点，目标函数是关于圆心坐标的非线性方程，利用非线性优化算法求解相关参数；S14、计算出所述特征点到所述拟合圆弧圆心的距离与实际半径之间的偏差；RDP算法提取的测量轮廓特征点集合为{(xt,yt)|t＝0,1,2…...m}，则特征点(xt,yt)到拟合圆弧圆心的距离为：δt表示特征点到拟合圆弧圆心的距离dt与实际半径R＝400mm的偏差程度：δt＝|dt-R|,t＝0,1,2......mS15、设定偏差的高阈值Th和低阈值Tl；S16、对所述钢轨轨腰和轨底圆弧轮廓进行自动分割；各特征点到圆心距离与实际半径的偏差δi，根据所述偏差δi和阈值Tl、Th的大小关系，自动识别半径20mm圆弧的首尾端点，利用半径20mm圆弧对轨腰、轨底廓形进行逐段分割。进一步地，所述的对分割的所述圆弧轮廓进行基于半径约束的非线性二次拟合获取圆心坐标，将所述圆心坐标作为基准点，对钢轨测量轮廓和标准轮廓进行初步配准，包括：S21、对所述圆弧轮廓进行基于半径约束的非线性二次拟合获取圆心坐标：设第一次利用基于半径约束的拟合圆弧圆心的坐标为(X1,Y1)，参与拟合的测量数据点为(xj,yj)，拟合圆弧的半径为r，计算所述参与拟合的数据点到相应圆心的距离与所述半径r的偏差：设定阈值δmax，其中将δj>δmax的数据点作为噪声点或错分点，从拟合点集中删除，利用筛减后的数据集再进行圆弧拟合，获取更正后的圆心坐标；S22、将所述更正后的圆心坐标作为基准点，计算测量坐标系与标准轨道平面坐标系之间的变换关系，实现钢轨标准轮廓与测量轮廓的初步配准；测量坐标系与标准轨道平面坐标系之间的变换关系为x，其中，R为旋转变换矩阵，θ为旋转角，T为平移变换矩阵，tx、ty分别为X轴和Y轴方向的平移分量，将不同半径的圆弧在标准轨道平面坐标系和测量坐标系下的圆心坐标带入上式，求解出旋转矩阵R和平移矩阵T，实现钢轨轮廓的初步配准。进一步地，所述改进ICP算法利用KD树加速ICP算法的最近邻点搜索速度，所述改进ICP算法的目标函数为：其中，P为钢轨测量廓形点集，Q为标准廓形点集，Pi为P中任意一点，Qi为Q中Pi的最近邻点，R为旋转矩阵、T为平移矩阵。由上述本专利技术的实施例提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例提供了一种钢轨磨耗动态测量中的轨廓自动配准方法，用于解决钢轨磨耗动态测量中关键的轮廓配准问题，该方法通过RDP(Ramer–Douglas–Peucker，拉默-道格拉斯-普克)算法对轨腰和轨底圆弧轮廓进行自动分割，并对提取的圆弧区域采用基于半径约束的非线性二次拟合方法获取圆心作为基准点，实现测量轮廓与标准轮廓的初步配准，然后利用基于KD树的改进迭代最近点算法进一步提高轮廓配准的精度，从而实现钢轨测量轮廓和标准轮廓的高精度自动配准。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种钢轨磨耗动态测量中的轨廓自动配准流程图；图2为本专利技术实施例提供的一种60kg/m标准钢轨断面轮廓示意图；图3为本专利技术实施例提供的一种测量轨腰轨底轮廓的特征点提取结果示意图；图4为本专利技术实施例提供的一种测量轨腰轨底轮廓分割点定位示意图；图5为本专利技术实施例提供的一种钢轨轮廓配准结果示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本
技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本专利技术的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钢轨磨耗动态测量中的轨廓自动配准方法，其特征在于，包括：S1、通过RDP算法对获取的钢轨轨腰和轨底圆弧轮廓进行自动分割；S2、对分割的所述圆弧轮廓进行基于半径约束的非线性二次拟合获取圆心坐标，将所述圆心坐标作为基准点，对钢轨测量轮廓和标准轮廓进行初步配准；S3、将所述基准点的初步配准结果作为改进ICP算法的初值，经过迭代计算，得到最优刚体变换关系，完成钢轨磨耗动态测量中的轨廓自动配准。

【技术特征摘要】
1.一种钢轨磨耗动态测量中的轨廓自动配准方法，其特征在于，包括：S1、通过RDP算法对获取的钢轨轨腰和轨底圆弧轮廓进行自动分割；S2、对分割的所述圆弧轮廓进行基于半径约束的非线性二次拟合获取圆心坐标，将所述圆心坐标作为基准点，对钢轨测量轮廓和标准轮廓进行初步配准；S3、将所述基准点的初步配准结果作为改进ICP算法的初值，经过迭代计算，得到最优刚体变换关系，完成钢轨磨耗动态测量中的轨廓自动配准。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的通过RDP算法对获取的钢轨轨腰和轨底圆弧轮廓进行自动分割，包括：S11、获取所述钢轨轨腰和轨底圆弧廓的测量轮廓数据点集；S12、采用RDP算法抽取所述数据点集中能反映所述钢轨轨腰和轨底圆弧轮廓形状的特征点，将所述特征点作为轮廓分割的依据；S13、确定轨腰处半径400mm圆弧圆心的坐标，利用所述测量轮廓数据点集进行基于半径约束的最小二乘圆弧拟合，拟合的目标函数为：式中，(Xo,Yo)为拟合圆弧圆心的坐标，(xi,yi)为测量数据点，目标函数是关于圆心坐标的非线性方程，利用非线性优化算法求解相关参数；S14、计算出所述特征点到所述拟合圆弧圆心的距离与实际半径之间的偏差；RDP算法提取的测量轮廓特征点集合为{(xt,yt)|t＝0,1,2…...m}，则特征点(xt,yt)到拟合圆弧圆心的距离为：δt表示特征点到拟合圆弧圆心的距离dt与实际半径R＝400mm的偏差程度：δt＝|dt-R|,t＝0,1,2......mS15、设定偏差的高阈值Th和低阈值Tl；S16、对所述钢轨轨腰和轨底圆弧轮廓进行自动分割；各特征点到圆心距离与实...

【专利技术属性】
技术研发人员：史红梅，余祖俊，许西宁，朱力强，郭保青，张志鹏，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11