用于铁路钢轨轮廓测量的标定系统及标定方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于铁路钢轨轮廓测量的标定系统及标定方法，系统包括计算机数字图像采集装置和PC控制端(5)；计算机数字图像采集装置包括外壳(4)、位于外壳内的钢轨轮廓标定板(3)、围绕钢轨轮廓标定板的三支线激光器(2)，围绕钢轨轮廓标定板的四个工业相机(1)；线激光器(2)和工业相机(1)均与PC控制端(5)相连。本发明专利技术设计制作的标定板外缘有若干特征点，线激光消除了钢轨轮廓测量时激光平面和标定板平面不重合问题；兼具普适性和快速性，同时消除了由于一般标定板和激光平面不重合造成的测量误差。成的测量误差。成的测量误差。

【技术实现步骤摘要】
用于铁路钢轨轮廓测量的标定系统及标定方法


[0001]本专利技术属于图像标定
，特别涉及一种用于铁路钢轨轮廓测量消除激光平面和标定平面不重合的标定结构及标定方法。

技术介绍

[0002]随着高铁技术的发展，对于钢轨的轮廓外形检测提出了更高的要求。钢轨在生产和使用过程中容易产生畸变和磨损。如何对钢轨廓形进行快速准确的检测，成为需要迫切解决的问题。对钢轨进行轮廓检测的方式主要有人工接触式检测和利用图像处理的非接触式自动检测。人工检测耗时长，同时无法保证精度与效率要求。而利用图像处理进行自动检测速度快，能避免主观判断引入的误差，因而将成为轮廓检测的主要方式。
[0003]利用图像处理检测工件轮廓需要图像标定校正图像，图像标定技术是廓形检测中的最重要一环，其标定精度对廓形检测结果具有决定性影响。
[0004]图像的定标有多种方法，有线性模型和非线性模型。线性模型基于物象关系建立世界坐标系和图像坐标系的坐标关系，忽略了相机畸变；非线性模型考虑了图像畸变。具体标定方法主要有张氏标定法和Tsai两步标定法。
[0005]无论哪种标定方法，都是将事先制作的标定板放置在激光平面位置，由标定板上的若干坐标(世界坐标)和图像坐标建立图像变换关系。测量时，按照这个关系进行图像变换。然而，在实际操作过程中，很难将标定板放置在激光平面上，导致测量误差。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种标定板外缘有若干特征点，采用线激光消除了钢轨轮廓测量时激光平面和标定板平面不重合问题的用于铁路钢轨轮廓测量的标定系统，并提供对应的标定方法。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：用于铁路钢轨轮廓测量的标定系统，包括计算机数字图像采集装置和PC控制端；计算机数字图像采集装置包括外壳、位于外壳内的钢轨轮廓标定板、围绕钢轨轮廓标定板的三支线激光器，围绕钢轨轮廓标定板的四个工业相机；线激光器和工业相机均与PC控制端相连。
[0008]所述线激光器分别位于钢轨轮廓标定板的上面、左右侧面上，三支线激光器发出的线激光位于同一平面内；工业相机分别用于拍摄钢轨轮廓标定板的左上侧、右上侧、左侧、右侧。
[0009]进一步地，所述钢轨轮廓标定板外缘设有若干特征点，通过标定板上特征点的世界坐标(x
i
,y
i
)以及工业相机采集到的数字图像中特征点对应的图像坐标(u
i
,v
i
)，确定坐标系转换关系，利用转换关系完成对钢轨轮廓标定板图像的校正。
[0010]一种用于铁路钢轨轮廓测量的标定方法，包括以下步骤：
[0011]S1、设计加工一个钢轨轮廓标定板，外缘具有68个特征点；
[0012]S2、调整三支只激光平面在同一平面上，包括以下子步骤：
[0013]S21、在左右激光器之间垂直放置一张白纸，打开左激光器，调整左侧激光器使激光线平面与纸面垂直，然后固定左侧激光器；
[0014]S22、打开右激光器，调整右侧激光器的位置，使其打出的线激光与纸面上激光线重合，然后固定右侧激光器；
[0015]S23、将白纸水平放置，打开上侧激光器，调整上侧激光器，使其打出的线激光与纸面垂直，并与左右侧激光线处于同一平面；
[0016]S3、获取12个隐参数，包括以下子步骤：
[0017]S1、设计加工一个钢轨轮廓标定板，外缘设有多个特征点；
[0018]S2、调整三支只激光平面在同一平面上，包括以下子步骤：
[0019]S21、在左右激光器之间垂直放置一张白纸，打开左激光器，调整左侧激光器使激光线平面与纸面垂直，然后固定左侧激光器；
[0020]S22、打开右激光器，调整右侧激光器的位置，使其打出的线激光与纸面上激光线重合，然后固定右侧激光器；
[0021]S23、将白纸水平放置，打开上侧激光器，调整上侧激光器，使其打出的线激光与纸面垂直，并与左右侧激光线处于同一平面；
[0022]S3、通过标定板上特征点的世界坐标以及工业相机采集到的数字图像中特征点对应的图像坐标确定坐标转化关系；包括以下子步骤：
[0023]S31、将标定板放置在激光器之间，使各个激光器发出的线激光打在标定板边缘上；启动相机驱动程序，采集标定板边缘上的特征点，记录这些特征点的世界坐标(x
i
,y
i
)，i＝1,2,
…
,12；同时在相机拍摄得到的图像中确定这些点对应的像素坐标(u
i
,v
i
)；
[0024]S32、根据隐参数模型，得到特征点的世界坐标(x
i
,y
i
)和其对应的像素坐标(u
i
,v
i
)之间变换关系为：
[0025][0026]S33、上式含有A～L十二个未知参数，采集12个特征点，采用最小二乘法计算各个参数；这些特征点的像素坐标构成24
×
12的矩阵α：
[0027][0028]对应的世界坐标构成12
×
1的矩阵β：
[0029]β＝[x1,x2,...x
12
,y1,y2,...y
12
]T
；
[0030]由矩阵运算：
[0031]γ＝(α
T
α)
‑1α
T
β；
[0032]得到各个参数构成的12
×
1的矩阵：
[0033]γ＝[A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L]T
；
[0034]S4、将标定板替换成钢轨，通过坐标转化关系校正钢轨轮廓图像。
[0035]本专利技术的有益效果是：本专利技术设计制作的标定板外缘有若干特征点，线激光消除了钢轨轮廓测量时激光平面和标定板平面不重合问题；兼具普适性和快速性，同时消除了由于一般标定板和激光平面不重合造成的测量误差。
附图说明
[0036]图1为用于铁路钢轨轮廓测量的标定系统的结构示意图；
[0037]图2为钢轨轮廓标定板结构示意图；
[0038]图3为钢轨轮廓标定板上特征点示意图；
[0039]图4为本专利技术的线激光图像采集的不同部位标定板图像；图3(a)、图3(b)是标定板两侧线激光图像，图3(c)、图3(d)是标定板左上侧和右上侧线激光图像；
[0040]图5为图4中不同部位图像校正结果；
[0041]1‑
工业相机，2
‑
线激光器，3
‑
钢轨轮廓标定板，4
‑
外壳，5
‑
PC控制端。
具体实施方式
[0042]本专利技术采用线激光扫描方式分别采集标定板左上侧、右上侧、左侧、右侧的信息，通过处理不同部位的线激光条纹，经由PC端图像处理模块得到标定板校正后的图像，完成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于铁路钢轨轮廓测量的标定系统，其特征在于，包括计算机数字图像采集装置和PC控制端(5)；计算机数字图像采集装置包括外壳(4)、位于外壳内的钢轨轮廓标定板(3)、围绕钢轨轮廓标定板的三支线激光器(2)，围绕钢轨轮廓标定板的四个工业相机(1)；线激光器(2)和工业相机(1)均与PC控制端(5)相连。2.根据权利要求1所述的用于铁路钢轨轮廓测量的标定系统，其特征在于，所述线激光器(2)分别位于钢轨轮廓标定板的上面、左右侧面上，三支线激光器(2)发出的线激光位于同一平面内；工业相机(1)分别用于拍摄钢轨轮廓标定板的左上侧、右上侧、左侧、右侧。3.根据权利要求1所述的用于铁路钢轨轮廓测量的标定系统，其特征在于，所述钢轨轮廓标定板外缘设有若干特征点，通过标定板上特征点的世界坐标(x
i
,y
i
)以及工业相机采集到的数字图像中特征点对应的图像坐标(u
i
,v
i
)，确定坐标系转换关系，利用转换关系完成对钢轨轮廓图像的校正。4.如权利要求1～3任意一项所述的用于铁路钢轨轮廓测量的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、设计加工一个钢轨轮廓标定板，外缘设有多个特征点；S2、调整三支只激光平面在同一平面上，包括以下子步骤：S21、在左右激光器之间垂直放置一张白纸，打开左激光器，调整左侧激光器使激光线平面与纸面垂直，然后固定左侧激光器；S22、打开右激光器，调整右侧激光器的位置，使其打出的线激光与纸面上激光线重合，然后固定右侧激光器；S23、将白纸水平放置，打开上侧激光器，调整上侧激光器，使其打出的线激光与纸面垂直，并与左右侧激光线处...

【专利技术属性】
技术研发人员：余学才，陈旭昂，韩言，冯波，邓恒，
申请(专利权)人：万岩铁路装备成都有限责任公司，
类型：发明
国别省市：