基于虚实结合的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于虚实结合的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法及装置，该方法包括：基于曲线段的钢轨激光断面图像和钢轨图像，获得激光平面坐标系下的钢轨轮廓，所述钢轨激光断面图像包含一个激光平面与钢轨表面的交线；将激光平面坐标系下的钢轨轮廓投影到辅助平面上，获得辅助平面上的钢轨轮廓；根据辅助平面上的钢轨轮廓，获得图像平面上的虚拟三维钢轨；基于图像平面上的虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面；将激光平面坐标系下的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓。本发明专利技术可以对曲线段钢轨轮廓测量误差进行修正，修正精度高。修正精度高。修正精度高。

【技术实现步骤摘要】
基于虚实结合的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法及装置


[0001]本专利技术属于铁路轨道检测
，涉及一种基于虚实结合的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法和装置。

技术介绍

[0002]钢轨轮廓测量组件一般安装在车体下方或转向架上，与车体或者转向架刚性连接。一般情况下，车辆经过直线路段时，钢轨轮廓测量组件的激光平面垂直于钢轨的局部纵向，此时，测量结果是钢轨的横断面轮廓。而车辆经过曲线路段时，由于轮轨冲角的增大，钢轨轮廓测量组件的激光平面与钢轨纵向不再满足垂直的关系，此时，测量结果是钢轨的斜断面轮廓数据，而非横断面轮廓数据，造成测量轮廓存在一定程度的畸变，使测量轮廓中垂直磨耗点和侧面磨耗点的定位产生了一定的偏差，降低了钢轨磨耗测量精度。
[0003]在现有技术中，线结构光轮廓测量技术基于三角测量原理，可以实时获取被测物的轮廓信息，具有高速、高精度和非接触的特点，是钢轨廓形动态检测的主流方式。图1为现有技术中线结构光钢轨轮廓测量原理图，在钢轨左右两侧各有一套由相机、镜头和线激光器组成的激光摄像组件，两套组件的激光平面共面安装，分别用于获取钢轨左右半断面轮廓数据，由标定参数将半断面轮廓进行拼接，从而得到钢轨全断面轮廓。配合扫描运动，即可实现对整个钢轨的轮廓测量。
[0004]在上述方法中，车辆经过曲线路段时，轮对和车体要沿着线路弯曲的方向调整行进方向，如图2所示，图2为线结构光轮廓测量技术中曲线路段车体与钢轨局部纵向的关系的示意图，此时，由于轮轨冲角的增大，车体方向与钢轨局部纵向的夹角也增大，受此影响，激光平面与钢轨局部纵向不再满足垂直的关系。由图2可以看出，钢轨轮廓测量组件安装在车体上，尤其是车体端部时，受到的影响更大。
[0005]另外，激光平面相对于钢轨存在点头运动，摇头运动、侧滚运动以及绕三个轴的平移，其中，侧滚运动以及绕三个轴的平移不改变激光平面与钢轨纵向的垂直关系，因此，钢轨轮廓测量结果不存在畸变，相反，激光平面相对于钢轨的点头运动和摇头运动改变了激光平面与钢轨纵向的垂直关系，如图3所示为行车过程中激光平面相对钢轨的运动示意图，图3中的(a)为点头运动，图3中的(b)为摇头运动，这种条件下，测量结果是钢轨的斜断面轮廓，相比于正常轮廓存在一定的畸变，即沿某个方向出现了拉伸放大。对于激光平面的点头运动，相当于将正常钢轨轮廓沿Y轴进行了拉伸，对于激光平面的摇头运动，相当于将正常钢轨轮廓沿X轴进行了拉伸。
[0006]为了定量分析激光平面的点头运动和摇头运动对钢轨轮廓测量结果的影响，利用钢轨轮廓全断面测量系统仿真模型模拟行车过程中激光平面的点头运动和摇头运动，如图4所示为模拟行车过程中激光平面与钢轨纵向垂直的示意图，模拟测量标准60kg/m钢轨，得到标准钢轨的垂直磨耗和侧面磨耗测量结果。建立如图4中的(a)所示的激光平面坐标系，图4中的(a)为俯视图，图4中的(b)为左视图，其中，XOY平面位于激光平面上，X轴与轨距方向相同，Y轴垂直钢轨纵向。激光平面绕X轴旋转记为RX，通过绕X轴旋转模拟点头运动，如图
5所示为模拟行车过程中激光平面点头运动的示意图，图5中的(a)RX＝
‑5°
，图5中的(b)RX＝5
°
。绕Y轴旋转记为RY，通过绕Y轴旋转模拟摇头运动，如图6所示为模拟行车过程中激光平面摇头运动的示意图。模拟过程中，设置点头角度从RX＝
‑5°
(图6中的(a))到RX＝5
°
(图6中的(b))，步长1
°
，摇头运动的采样间隔与点头运动相同。
[0007]图7所示为钢轨激光断面图像和轮廓测量结果，即点头角
‑5°
(图7中的(a))和摇头角
‑5°
(图7中的(b))时钢轨激光断面图像和钢轨轮廓测量结果，其中横断面轮廓指的是激光平面与钢轨纵向垂直时的测量钢轨轮廓，可以看出，激光平面的点头运动造成测量轮廓沿垂向进行了拉伸，激光平面的摇头运动造成测量轮廓沿横向进行了拉伸。
[0008]图8为不同运动姿态下的标准钢轨磨耗测量结果，可以看出，激光平面点头运动和摇头运动均造成了钢轨的磨耗测量误差，其中，钢轨垂直磨耗测量误差对激光平面的点头运动较为敏感，随着点头角度的增大而迅速增大，而钢轨的侧面磨耗测量误差对激光平面的摇头运动较为敏感，随着摇头角度的增大而迅速增大。因此，必须采取相应的误差修正措施来保证曲线路段的钢轨轮廓测量精度。

技术实现思路

[0009]本专利技术实施例提出一种基于虚实结合的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法，用以对曲线段钢轨轮廓测量误差进行修正，修正精度高，该方法包括：
[0010]基于曲线段的钢轨激光断面图像和钢轨图像，获得激光平面坐标系下的钢轨轮廓，所述钢轨激光断面图像包含一个激光平面与钢轨表面的交线；
[0011]将激光平面坐标系下的钢轨轮廓投影到辅助平面上，获得辅助平面上的钢轨轮廓；
[0012]根据辅助平面上的钢轨轮廓，获得图像平面上的虚拟三维钢轨；
[0013]基于图像平面上的虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面；
[0014]将激光平面坐标系下的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓。
[0015]本专利技术实施例提出一种基于虚实结合的曲线段钢轨轮廓测量误差修正装置，用以对曲线段钢轨轮廓测量误差进行修正，修正精度高，该装置包括：
[0016]第一钢轨轮廓获得模块，用于基于曲线段的钢轨激光断面图像和钢轨图像，获得激光平面坐标系下的钢轨轮廓，所述钢轨激光断面图像包含一个激光平面与钢轨表面的交线；
[0017]第二钢轨轮廓获得模块，用于将激光平面坐标系下的钢轨轮廓投影到辅助平面上，获得辅助平面上的钢轨轮廓；
[0018]虚拟三维钢轨获得模块，用于根据辅助平面上的钢轨轮廓，获得图像平面上的虚拟三维钢轨；
[0019]最优辅助平面求解模块，用于基于图像平面上的虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面；
[0020]修正模块，用于将激光平面坐标系下的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓。
[0021]本专利技术实施例还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上
并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于虚实结合的曲线段钢轨轮廓测量误差修正。
[0022]本专利技术实施例还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述基于虚实结合的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法的计算机程序。
[0023]在本专利技术实施例中，基于曲线段的钢轨激光断面图像和钢轨图像，获得激光平面坐标系下的钢轨轮廓，所述钢轨激光断面图像包含一个激光平面与钢轨表面的交线；将激光平面坐标系下的钢轨轮廓投影到辅助平面上，获得辅助平面上的钢轨轮廓；根据辅助平面上的钢轨轮廓，获得图像平面上的虚拟三维钢轨；基于图像平面上的虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面；将激光平面坐标系下的钢轨轮廓本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于虚实结合的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法，其特征在于，包括：基于曲线段的钢轨激光断面图像和钢轨图像，获得激光平面坐标系下的钢轨轮廓，所述钢轨激光断面图像包含一个激光平面与钢轨表面的交线；将激光平面坐标系下的钢轨轮廓投影到辅助平面上，获得辅助平面上的钢轨轮廓；根据辅助平面上的钢轨轮廓，获得图像平面上的虚拟三维钢轨；基于图像平面上的虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面；将激光平面坐标系下的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓。2.如权利要求1所述的基于虚实结合的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法，其特征在于，基于曲线段的钢轨激光断面图像和钢轨图像，获得激光平面坐标系下的钢轨轮廓，包括：将钢轨激光断面图像和钢轨图像融合，获得融合图像；从融合图像中提取钢轨激光断面图像的光条中心；将光条中心像素坐标系下的光条中心变换至激光平面坐标系下，获得激光平面坐标系下的钢轨轮廓。3.如权利要求1所述的基于虚实结合的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法，其特征在于，将激光平面坐标系下的钢轨轮廓投影到辅助平面上，获得辅助平面上的钢轨轮廓，包括：根据激光平面坐标系到辅助平面坐标系的旋转矩阵，将激光平面坐标系下的钢轨轮廓变换到辅助平面坐标系下，得到辅助平面坐标系下的钢轨轮廓；将辅助平面坐标系下的钢轨轮廓投影到辅助平面内，获得辅助平面上的钢轨轮廓。4.如权利要求1所述的基于虚实结合的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法，其特征在于，根据辅助平面上的钢轨轮廓，获得图像平面上的虚拟三维钢轨，包括：以辅助平面上的钢轨轮廓，沿辅助平面坐标系的Z轴方向创建等间距的虚拟轮廓，构建虚拟三维钢轨；计算相机坐标系到辅助平面坐标系的旋转矩阵和平移向量；基于相机坐标系到辅助平面坐标系的旋转矩阵和平移向量，将虚拟三维钢轨变换到相机坐标系下，获得相机坐标系下的虚拟三维钢轨；利用相机内参矩阵，将相机坐标系下的虚拟三维钢轨投影到图像平面上，获得图像平面上的虚拟三维钢轨。5.如权利要求2所述的基于虚实结合的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法，其特征在于，基于图像平面上的虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面，包括：从融合图像中提取钢轨特征线；获得图像平面上的虚拟三维钢轨的边缘轮廓线在图像平面上的投影直线；计算钢轨特征线上所有点到所述投影直线上的距离平均值；基于所述距离平均值，构建优化目标函数；基于优化目标函数，寻找使得优化目标函数值最小的第一变量和第二变量，所述第一变量为绕第一激光平面坐标系的X轴的旋转量，所述第二变量为绕第一激光平面坐标系的X轴旋转后得到临时坐标系，再绕临时坐标系的Y轴的旋转量；根据寻找到的第一变量和第二变量，获得最优辅助平面。
6.如权利要求5所述的基于虚实结合的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法，其特征在于，采用如下方法的其中一种或任意组合，提取钢轨激光断面图像的光条中心：极值法，灰度重心法，模板匹配法，Steger法；采用如下算子的其中一种或任意组合，提取钢轨图像的钢轨特征线：Sobel算子，Roberts算子，Laplacian算子，Canny算子。7.一种基于虚实结合的曲线段钢轨轮廓测量误差修正装置，其特征在于，包括：第一钢轨轮廓获得模块，用于基于曲线段的钢轨激光断面图像和钢轨图像，获...

【专利技术属性】
技术研发人员：王乐，王胜春，方玥，王昊，任盛伟，王宁，黎国清，魏世斌，李海浪，赵鑫欣，程朝阳，王凡，韩强，侯智雄，
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北京铁科英迈技术有限公司，
类型：发明
国别省市：