專利名稱：一種鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及動態(tài)測量技術(shù)，特別是涉及一種鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測 量裝置及方法。
背景技術(shù)：
軌道的定期檢測對于鐵路運(yùn)輸?shù)暮侠碛媱澓偷统杀揪S護(hù)是非常重要的一 方面，在軌道磨損和變形早期階段，進(jìn)行軌道檢測有助于制定合理的鐵路維護(hù)時間表，以避免危險狀況發(fā)生；另一方面，有效的軌道檢測將為軌道從周期性修向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ)，使有限的人力和儀器設(shè)備資源得到更好利用，有效 節(jié)約軌道維護(hù)成本。目前，國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對鋼軌磨耗的檢測方式進(jìn)行了研究，并 成功研制了各種測量裝置，根據(jù)檢測方式的不同，大致可以分為接觸式和非接 觸式測量裝置。其中，所述接觸式測量裝置測量精度高，但操作復(fù)雜，測量效 率低，只適合靜態(tài)測量，主要用于實(shí)驗(yàn)室研究鋼軌耐磨性能時使用，不適合在 線測量。所述非接觸式測量裝置適合動態(tài)測量，在申請?zhí)枮?00510123725.0，發(fā)明名稱為"鋼軌磨耗激光視覺動態(tài)測量裝置"的中國專利申請中，公開了一種只 在鋼軌內(nèi)側(cè)設(shè)置一個單線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器，即可完成對鋼軌垂直磨耗和側(cè)面 磨耗測量的裝置，該裝置提高了鋼軌磨耗測量效率，降低了測量設(shè)備成本，改 善了工程化應(yīng)用的可操作性和便捷性。但該裝置中的視覺傳感器只投射一個光 平面，因此每幅圖像只包含一個鋼軌斷面特征輪廓，造成圖像信息的浪費(fèi)，且 浪費(fèi)大量圖像處理時間。近年來，隨著鐵路提速和重載運(yùn)輸?shù)拇罅Πl(fā)展，以及客貨運(yùn)量和行車密度的大幅度增長，使鋼軌磨耗日益嚴(yán)重，而從上述分析可以看出，現(xiàn)有的鋼軌磨 耗測量裝置受圖像傳感與采集硬件設(shè)備的性能限制，裝置的采樣密集度和測量 精確度降低，尤其波浪磨耗屬于軌道的短波不平順，對釆樣密集度要求極高， 現(xiàn)有裝置已不能勝任對其的測量，且現(xiàn)有測量方法不能精確的測量波浪磨耗， 從而不能及時維護(hù)或更換軌道。如此，不僅加劇了軌道結(jié)構(gòu)部件的傷損和軌道 狀態(tài)的惡化，導(dǎo)致較高的鐵路運(yùn)輸成本；而且直接影響鐵路運(yùn)輸安全，甚至造 成鐵路運(yùn)輸重大事故。對于波浪磨耗的測量，目前國內(nèi)外波浪磨耗測量方法基本上可分為慣性基準(zhǔn)法和弦測法兩類慣性基準(zhǔn)法是采用軸箱加速度計測量波浪磨耗，由于該方 法需對時間進(jìn)行二重積分才能得到磨耗值，因此存在長時間積分漂移問題；而 弦測法的測量值與實(shí)際值很難保持一直，即傳遞函數(shù)不恒為l,存在原理誤差， 兩種方法均不能精確測量波浪磨耗。發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測 量裝置及方法，解決了現(xiàn)有動態(tài)測量裝置的采樣密集度受圖像傳感與釆集硬件 設(shè)備的性能限制的問題。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測量裝置，包括視覺傳感器、計算機(jī)、里 程計；計算機(jī)內(nèi)裝有高速圖像采集卡及測量模塊，視覺傳感器包括鋼軌斷面成 像系統(tǒng)，所述測量模塊用于求得鋼軌垂直磨耗、側(cè)面磨耗、波浪磨耗的波深與 波長；所述視覺傳感器還包括光柵投射器，用于投射出一個以上垂直于被測鋼 軌的光平面。進(jìn)一步地，所述鋼軌斷面成像系統(tǒng)的光軸和所述光柵投射器的光軸夾角為 30。至75°。進(jìn)一步地，所述光柵投射器由半導(dǎo)體激光器和光學(xué)系統(tǒng)組成。 一種鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測量方法，該方法包括以下步驟200710176429.6說明書第3/6頁A、 采集包括多個鋼軌斷面特征輪廓的圖像，并將采集到的圖像及其對應(yīng) 的里程數(shù)據(jù)保存到計算機(jī)；B、 測量模塊同時處理一幅圖像中所包括的多個鋼軌斷面特征輪廓，求得 每個鋼軌斷面的三維輪廓，并將測量輪廓與鋼軌斷面標(biāo)準(zhǔn)輪廓進(jìn)行比對，獲得垂直磨耗和側(cè)面磨耗值；c、利用求得的垂直磨耗及其對應(yīng)得里程數(shù)據(jù)，計算出鋼軌波浪磨耗的波深與波長。進(jìn)一步地，步驟B之前還包括根據(jù)每幅圖像對應(yīng)的里程數(shù)據(jù)和光平面之 間的距離確定每個斷面特征輪廓所對應(yīng)的里程數(shù)據(jù)。進(jìn)一步地，步驟C中所述計算出鋼軌波浪磨耗的波深與波長具體為 Cl、將垂直磨耗按其對應(yīng)的里程數(shù)據(jù)的大小排序，得到垂直磨耗離散序列； C2、釆用插值和數(shù)值求導(dǎo)方法，將插值函數(shù)求導(dǎo)，找出連續(xù)兩個導(dǎo)數(shù)為零 時對應(yīng)的里程數(shù)據(jù)，并根據(jù)插值函數(shù)算出兩個里程數(shù)據(jù)分別對應(yīng)得垂直磨耗；C3、計算兩個里程數(shù)差的絕對值，將計算出的里程數(shù)差的絕對值作為波浪 磨耗的半波長，兩個垂直磨耗差的絕對值作為波浪磨耗的波深。進(jìn)一步地，所述垂直磨耗取自于利用一幅或多幅圖像求得的垂直磨耗。 本發(fā)明提供的鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測量裝置及方法，將光柵投射器 應(yīng)用于鋼軌磨耗的高速動態(tài)測量，由光柵投射器投射出的光柵結(jié)構(gòu)光代替單線 結(jié)構(gòu)光，使采集到的每幅圖像均包括多個鋼軌斷面的特征輪廓，在不需提高圖 像傳感與采集硬件設(shè)備性能的情況下，即可提高采樣密集度，使動態(tài)測量裝置 的采樣密集度不再受圖像傳感與釆集硬件設(shè)備的性能限制，從而滿足對釆樣密 集度要求極高的波浪磨耗的高速在線動態(tài)測量要求。本發(fā)明充分利用了圖像信息，因此可提高圖像信息利用率和處理效率，且 降低了裝置的造價。本發(fā)明根據(jù)垂直磨耗離散序列，利用數(shù)字信號處理方法進(jìn) 行波浪磨耗的計算，解決了慣性基準(zhǔn)法對時間積分的漂移問題，并克服了弦測 法傳遞函數(shù)不為1的缺陷。


圖1為本發(fā)明鋼軌磨耗車載動態(tài)測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明光柵結(jié)構(gòu)光視覺傳感器獲得的包括8個鋼軌斷面特征輪廓的圖像；圖3為本發(fā)明垂直磨耗與側(cè)面磨耗計算的原理示意圖； 圖4為本發(fā)明鋼軌波浪磨耗計算的原理示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供的鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測量裝置，如圖1所示，包括視 覺傳感器、計算機(jī)、里程計； 一般，計算機(jī)放置在火車車廂內(nèi)，計算機(jī)內(nèi)裝有 高速圖像釆集卡及測量模塊，視覺傳感器包括鋼軌斷面成像系統(tǒng)l和光柵投射器2,鋼軌斷面成像系統(tǒng)1由高速工業(yè)電荷耦合器件(CCD, Charge Coupled Device)攝像機(jī)3、濾光裝置4、遮光裝置5組成，光柵投射器2由半導(dǎo)體激光 器6和光學(xué)系統(tǒng)7組成。光柵投射器2可投射出 一個以上垂直于被測鋼軌的光 平面，光平面之間的距離是已知的，鋼軌斷面成像系統(tǒng)1的光軸和光柵投射器 2的光軸夾角為30° 75°。視覺傳感器固定在火車底部車體上，與被測鋼軌的距 離為300mm 700mm;所述測量模塊用于利用鋼軌斷面特征輪廓，求得鋼軌斷 面實(shí)際輪廓并與其標(biāo)準(zhǔn)軌型輪廓比對，獲得垂直磨耗和側(cè)面磨耗值，并進(jìn)一步 利用垂直磨耗，通過采用數(shù)值求導(dǎo)和插值方法獲得鋼軌波浪磨耗的波深與波長。 測量時，光柵投射器2投射出一個以上垂直于被測鋼軌的光平面，每個光 平面與被測鋼軌表面相交形成一個鋼軌斷面特征輪廓，即軌頭和軌腰特征輪廓， 光柵投射器2投射出的一個以上的光平面與被測鋼軌表面相交形成的所有鋼軌 斷面特征輪廓均包括于高速工業(yè)CCD攝像機(jī)3所拍攝的一幅圖像中，即每拍攝 一幅圖像即攝取多個鋼軌斷面特征輪廓，如圖2所示。這樣，在提高火車行駛 速度時，保持甚至降低對高速工業(yè)CCD攝像機(jī)3和高速圖像采集卡的速度和性 能的要求，只需增加光柵投射器2所投射光平面的個數(shù)，即可保持或增加測量 裝置的采樣密集度，使本發(fā)明所述動態(tài)測量裝置可較精確的測量鋼軌波浪磨耗，
突破了 CCD攝像機(jī)和高速圖像采集卡速度和性能的限制，降低了測量裝置的造 價。本發(fā)明還提供了鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測量方法，包括以下步驟 步驟A、釆集包括多個鋼軌斷面特征輪廓的一幅圖像，并將采集到的圖像及相應(yīng)的里程數(shù)據(jù)保存到計算機(jī)中；步驟B、利用鋼軌斷面特征輪廓，根據(jù)結(jié)構(gòu)光視覺測量模型，求得每個鋼軌斷面的測量輪廓，即鋼軌斷面三維輪廓，將測量輪廓與標(biāo)準(zhǔn)輪廓進(jìn)行比對獲得垂直磨耗和側(cè)面磨耗值；具體來說，如圖3所示，G點(diǎn)為側(cè)面磨耗測量點(diǎn)，H點(diǎn)為垂直磨耗測量點(diǎn)， G點(diǎn)距測量輪廓的水平距離即為側(cè)面磨耗值Wh, H點(diǎn)距測量輪廓的豎直距離即 為垂直磨耗Wv。這里，如何根據(jù)結(jié)構(gòu)光視覺測量模型，求得鋼軌斷面三維輪廓的方法，參 見張廣軍編著的《機(jī)器視覺》，科學(xué)出版社，第127 155頁，2005年。在求得每個鋼軌斷面的測量輪廓前，還需先根據(jù)每幅圖像對應(yīng)的里程數(shù)據(jù) 和光平面之間的距離確定每個斷面特征輪廓所對應(yīng)的里程數(shù)據(jù)。步驟C、利用求得的垂直磨耗計算鋼軌波浪磨耗的波深與波長。本步驟中計算鋼軌波浪磨耗的波深與波長的具體步驟為步驟C1、將垂直磨耗按其對應(yīng)的里程數(shù)據(jù)的大小排序，得到垂直磨耗離散 序列；步驟C2、采用插值和數(shù)值求導(dǎo)方法，將插值函數(shù)求導(dǎo)，找出連續(xù)兩個導(dǎo)數(shù) 為零時對應(yīng)的里程數(shù)據(jù)，并根據(jù)插值函數(shù)算出兩個里程數(shù)據(jù)分別對應(yīng)得垂直磨耗；步驟C3、計算兩個里程數(shù)差的絕對值，并將計算出的里程數(shù)差的絕對值作 為波浪磨耗的半波長，兩個垂直磨耗差的絕對值作為波浪磨耗的波深，如圖4 所示。這里，所述垂直磨耗可取自于利用一幅或多幅圖像求得的垂直磨耗，利用 插值和數(shù)值求導(dǎo)方法進(jìn)行波浪磨耗的計算，解決了慣性基準(zhǔn)法對時間積分的漂 移問題，并克服克服了弦測法傳遞函數(shù)不為1的缺陷。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、 一種鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測量裝置，包括視覺傳感器、計算機(jī)、里程計；計算機(jī)內(nèi)裝有高速圖像釆集卡及測量模塊，視覺傳感器包括鋼軌斷面 成像系統(tǒng)，所述測量模塊用于求得鋼軌垂直磨耗、側(cè)面磨耗、波浪磨耗的波深 與波長；其特征在于所述視覺傳感器還包括光柵投射器，用于投射出一個以 上垂直于被測鋼軌的光平面。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測量裝置，其特征在 于，所述鋼軌斷面成像系統(tǒng)的光軸和所述光柵投射器的光軸夾角為30°至75°。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測量裝置，其特 征在于，所述光柵投射器由半導(dǎo)體激光器和光學(xué)系統(tǒng)組成。
4、 一種鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測量方法，其特征在于，該方法包括以A、 釆集包括多個鋼軌斷面特征輪廓的圖像，并將釆集到的圖像及其對應(yīng) 的里程數(shù)據(jù)保存到計算機(jī)；B、 測量模塊同時處理一幅圖像中所包括的多個鋼軌斷面特征輪廓，求得 每個鋼軌斷面的三維輪廓，并將測量輪廓與鋼軌斷面標(biāo)準(zhǔn)輪廓進(jìn)行比對，獲得 垂直磨耗和側(cè)面磨耗值；C、 利用求得的垂直磨耗及其對應(yīng)得里程數(shù)據(jù)，計算出鋼軌波浪磨耗的波 深與波長。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測量方法，其特征在 于，步驟B之前還包括根據(jù)每幅圖像對應(yīng)的里程數(shù)據(jù)和光平面之間的距離確 定每個斷面特征輪廓所對應(yīng)的里程數(shù)據(jù)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測量方法，其特征在 于，步驟C中所述計算出鋼軌波浪磨耗的波深與波長具體為Cl、將垂直磨耗按其對應(yīng)的里程數(shù)據(jù)的大小排序，得到垂直磨耗離散序列； C2、釆用插值和數(shù)值求導(dǎo)方法，將插值函數(shù)求導(dǎo)，找出連續(xù)兩個導(dǎo)數(shù)為零 時對應(yīng)的里程數(shù)據(jù)，并根據(jù)插值函數(shù)算出兩個里程數(shù)據(jù)分別對應(yīng)得垂直磨耗；C3、計算兩個里程數(shù)差的絕對值，將計算出的里程數(shù)差的絕對值作為波浪 磨耗的半波長，兩個垂直磨耗差的絕對值作為波浪磨耗的波深。
7、根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測量方法，其特 征在于，所述垂直磨耗取自于利用一幅或多幅圖像求得的垂直磨耗。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測量裝置，包括視覺傳感器、計算機(jī)、里程計，計算機(jī)內(nèi)裝有高速圖像采集卡及測量模塊，視覺傳感器包括鋼軌斷面成像系統(tǒng)和光柵投射器，光柵投射器可投射出一個以上的垂直于被測鋼軌的光平面，所述測量模塊用于求得鋼軌垂直磨耗、側(cè)面磨耗、波浪磨耗的波深與波長；本發(fā)明還公開了一種鋼軌磨耗綜合參數(shù)車載動態(tài)測量方法。采用本發(fā)明所述的裝置及方法，在不需提高圖像傳感與采集硬件設(shè)備的性能的情況下，即可提高采樣密集度，從而滿足波浪磨耗的高速在線動態(tài)測量要求，且可求得較精確的波浪磨耗的波深與波長。
文檔編號G01B21/30GK101144714SQ200710176429
公開日2008年3月19日 申請日期2007年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月26日
發(fā)明者周富強(qiáng), 孫軍華, 張廣軍, 魏振忠 申請人:北京航空航天大學(xué)