基于機(jī)器視覺的軌道剛度測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于機(jī)器視覺的軌道剛度測(cè)量方法，通過“激光器+視覺傳感器”的測(cè)距方式，獲取鋼軌的垂直變形量，進(jìn)而獲取軌道剛度。通過測(cè)量視覺傳感器距離鋼軌橫斷面的距離，并對(duì)車體上下震動(dòng)、測(cè)量?jī)A角產(chǎn)生的測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲取鋼軌的垂直變形量，進(jìn)而獲取軌道剛度。本發(fā)明支持動(dòng)態(tài)采集，本發(fā)明采用橫斷面測(cè)距的方式，與傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)距方式相比，很大程度上降低甚至消除了測(cè)量結(jié)果受鋼軌表面不均勻磨耗、焊縫區(qū)不平順、軌道不平順等因素的影響，在快速測(cè)量的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確測(cè)量軌道剛度，間接降低了對(duì)成本的消耗。
【專利說明】基于機(jī)器視覺的軌道剛度測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種軌道剛度測(cè)量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 軌道剛度是指為使鋼軌產(chǎn)生單位下沉所需的豎直載荷（單位；kN/mm)，其中鋼軌 產(chǎn)生的單位下沉是指鋼軌在豎直壓力載荷作用下發(fā)生的單位垂直變形量。
[0003] 軌道剛度是影響軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)與變形、列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性及軌道養(yǎng)護(hù)維修 工作量的重要參數(shù)，合理的軌道剛度不僅能保證列車安全、平穩(wěn)的運(yùn)行，還能有效減緩輪軌 相互作用，減輕軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力，保持軌道的幾何狀態(tài)良好，從而減輕鋼軌的養(yǎng)護(hù)維修工 作量。
[0004] 目前有多種方法可用于軌道垂直剛度的測(cè)量，有的為靜態(tài)離散測(cè)量、有的為動(dòng)態(tài) 連續(xù)測(cè)量，但該些測(cè)量方法一般為基于加速度計(jì)或位移傳感器等單點(diǎn)測(cè)距的軌道剛度測(cè)方 法，且現(xiàn)有動(dòng)態(tài)連續(xù)測(cè)量方法測(cè)量的軌道垂直變形量除包含軌道在壓力載荷下的垂直變形 夕F，還包含有鋼軌表面不均勻磨耗、焊縫區(qū)不平順和軌道殘余變形不均勻等形成的無輪載 作用時(shí)已顯現(xiàn)出來的靜態(tài)不平順。
[0005] 目前國(guó)外的軌道加載車主要有北美鐵道協(xié)會(huì)（AAR)研制的軌道加載車，日本研制 的軌道加載車，W及瑞典研制的RSMV鋼軌剛度檢測(cè)車和移動(dòng)式軌道加載車。
[0006] 美國(guó)TTCI的TLV(track loading vehicle)可用于軌道的側(cè)面和垂直剛度的測(cè) 量，它利用第五輪（加載輪）工作，在靜止或行進(jìn)中，可對(duì)軌道結(jié)構(gòu)施加不同頻率的垂直力 和水平力并測(cè)定軌道響應(yīng)，測(cè)試軌道軌距保持能力、橫向穩(wěn)定性及脫軌性能。TLV的加載架 通過兩個(gè)垂向加載作動(dòng)器、兩個(gè)橫向作動(dòng)器W及兩個(gè)軌距擴(kuò)大加載作動(dòng)器施加荷載，加載 車通過計(jì)算機(jī)控制的電動(dòng)液壓系統(tǒng)提供荷載，最大移動(dòng)測(cè)試速度56km/h。此測(cè)量系統(tǒng)在同 一軌道上需要進(jìn)行兩次測(cè)量，兩次作用載荷不同，第一次發(fā)現(xiàn)問題，第二次定位問題。
[0007] 瑞典RSMV(Rolling Stiffness Measurement Vehicle)包括兩個(gè)垂向加載作動(dòng)器 和一個(gè)橫向加載作動(dòng)器，并裝有液壓缸，可對(duì)軌頭或直接對(duì)軌枕/道床施加荷載，軌道的剛 度通過測(cè)量的作用力和加速度計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算軌道剛度。
[000引 我國(guó)20世紀(jì)末，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院CARS (China Academy of Railway Sciences)研制的移動(dòng)式線路動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)車（TLV)軌道剛度系統(tǒng)。該個(gè)系統(tǒng)可WW 60km/ h的時(shí)速進(jìn)行測(cè)量。它采用雙弦測(cè)法，即采用弦長(zhǎng)相同，而加載輪輪載有很大差異的兩套弦 測(cè)法系統(tǒng)，先后測(cè)出同一位置的軌道下沉量之差和垂直荷載之差，從而得到軌道剛度。
[0009] 傳統(tǒng)的軌道剛度測(cè)量采用單點(diǎn)測(cè)距（通過加速度計(jì)或位移傳感器等設(shè)備）的方 式獲取剛軌的垂直變形量，由于鋼軌表面不均勻磨耗、焊縫區(qū)不平順、測(cè)量載體的震動(dòng)等原 因，此類方法在動(dòng)態(tài)測(cè)量情況下誤差較大；本發(fā)明利用數(shù)碼相機(jī)成像原理，采用兩臺(tái)激光器 加一臺(tái)相機(jī)組成一組測(cè)距系統(tǒng)的方式獲取剛軌道的垂直變形量，因本測(cè)量方法直接測(cè)量鋼 軌橫斷面距離傳感器的距離，即降低甚至消除了鋼軌表面不均勻磨耗、焊縫區(qū)不平順、軌道 不平順對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于機(jī)器視覺的軌道剛度測(cè)量方法，降低 甚至消除了鋼軌表面不均勻磨耗、焊縫區(qū)不平順、軌道不平順對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
[0011] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于機(jī)器視覺的軌道剛度測(cè)量方法，設(shè) 及的測(cè)量裝置包括兩個(gè)一字線激光器和一個(gè)視覺傳感器，安裝在火車輪上的壓力傳感器或 加速度計(jì)；所述視覺傳感器安裝在軌道面正上方的測(cè)量載體上，所述視覺傳感器在軌道面 上的視覺區(qū)域位于軌道的提曲線半徑之外；所述兩個(gè)一字線激光器分別安裝在所述視覺傳 感器的兩側(cè)，所述兩個(gè)一字線激光器與所述視覺傳感器安裝在同一水平面，兩條一字線激 光在軌道面的成像均位于所述視覺傳感器的視覺區(qū)域內(nèi)；其測(cè)量過程包括W下步驟：
[0012] i、記錄所述視覺傳感器距離軌面的安裝高度H、激光器距離所述視覺傳感器的水 平距離Li、L2、激光器的出射面與水平面的夾角0 1、0 2;開啟壓力傳感器或加速度計(jì)，測(cè)量 獲取車輪施加給鋼軌的壓力載荷F ;同時(shí)開啟所述兩個(gè)一字線激光器和所述視覺傳感器， 所述兩個(gè)一字線激光器分別發(fā)出兩條一字線激光，兩條一字線激光落在所述視覺傳感器的 視覺區(qū)域內(nèi)，所述視覺傳感器垂直采集軌道面上的圖像；
[0013] ii、處理所述視覺區(qū)域圖像，從所述視覺區(qū)域圖像中提取兩個(gè)一字線激光器分別 在所述視覺區(qū)域的成像，為兩條呈曲線的激光線；
[0014] iii、計(jì)算所述兩條激光線之間的最近距離d ;
[0015] iv、依下列公式計(jì)算所述視覺傳感器與軌道面之間的距離h'， tan 句 + lan 伏 . - 9
[0016] V、依下列公式計(jì)算載荷中屯、的提度心H-h' ；
[0017] Vi、依下列公式計(jì)算鋼軌剛度k，/f = f，其中k為軌道剛度，F(xiàn)為車輪施加給鋼軌 y r 的壓力載荷，y為壓力載荷為F情況下，載荷中屯、的鋼軌垂直變形量。
[0018] 優(yōu)選的，所述視覺傳感器為面陣列傳感器相機(jī)。
[0019] 在測(cè)量過程中，載體車會(huì)發(fā)生震動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此類運(yùn)動(dòng)會(huì)打破傳感器和車輪與 路面接觸點(diǎn)的垂直距離是恒定的假設(shè)，但載體車的上下震動(dòng)位移可通過加速度計(jì)或位移 傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)并補(bǔ)償；車身旋轉(zhuǎn)（俯仰）引起距離的變化，通過角度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 并對(duì)引起的距離誤差進(jìn)行補(bǔ)償。因此進(jìn)一步優(yōu)化的方案是，在測(cè)量載體上安裝加速度計(jì) 或位移傳感器、角度傳感器；設(shè)相機(jī)距離載荷輪中屯、的水平距離為S，傳感器測(cè)得的載體 上下震動(dòng)距離為h,、測(cè)量載體沿行車方向的俯仰角0，則相機(jī)距離軌面的有效距離h = h' *cos|3 -S*tan|3 -心貝帷所述步驟V中計(jì)算載荷中屯、的提度W y t= H-h替代。
[0020] 本發(fā)明通過"激光器+視覺傳感器"的測(cè)距方式，獲取鋼軌的垂直變形量，進(jìn)而獲 取軌道剛度。通過測(cè)量視覺傳感器距離鋼軌橫斷面的距離，并對(duì)車體上下震動(dòng)、測(cè)量?jī)A角產(chǎn) 生的測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲取鋼軌的垂直變形量，進(jìn)而獲取軌道剛度。
[0021] 本發(fā)明支持動(dòng)態(tài)采集，本發(fā)明采用橫斷面測(cè)距的方式，與傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)距方式相 比，很大程度上降低甚至消除了測(cè)量結(jié)果受鋼軌表面不均勻磨耗、焊縫區(qū)不平順、軌道不平 順等因素的影響，在快速測(cè)量的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確測(cè)量軌道剛度，間接的降低了對(duì)成本的消耗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說明。
[0023] 圖1為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的軌道剛度測(cè)量流程圖。
[0024] 圖2為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的兩個(gè)激光器和一個(gè)面陣列相機(jī)組成的測(cè)距系統(tǒng)示 意圖。
[0025] 圖3為鋼軌提曲線與傳感器測(cè)量值的示意圖。
[0026] 圖4為視覺傳感器、激光器之間幾何關(guān)系圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 本【具體實(shí)施方式】設(shè)及的測(cè)量系統(tǒng)包括兩個(gè)一字線激光器和一個(gè)相機(jī)，相機(jī)作為機(jī) 器視覺傳感器。如圖所示，相機(jī)與測(cè)量載體通過結(jié)構(gòu)件固定，使相機(jī)安裝在軌面正上方，且 相機(jī)在垂直于行車方向上與車輪保持同步運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)一字線激光器與所述視覺傳感器安裝 在同一水平面。兩個(gè)一字線激光器分別交叉發(fā)出一字線激光，相機(jī)在軌道上方拍攝到兩條 一字線激光在鋼軌上的成像，為圖2所示的激光線。其中，左邊的激光線為相機(jī)右側(cè)一字線 激光器的成像，右邊的激光線為相機(jī)左側(cè)一字線激光器的成像。兩條激光線最近的距離為 d。
[002引如圖3所示，假設(shè)相機(jī)相對(duì)車輪與路面接觸點(diǎn)之間的垂直距離是恒定的H，當(dāng)鋼軌 的相對(duì)變形量（壓力載荷作用點(diǎn)的鋼軌變形量與相機(jī)位置的鋼軌變形量的差值）發(fā)生變化 時(shí)，兩條激光線在鋼軌表面的距離也會(huì)隨之發(fā)生變化。當(dāng)相機(jī)與鋼軌表面的距離增加時(shí)，激 光線在鋼軌表面的距離也會(huì)增加，相反，當(dāng)相機(jī)與路面的距離減少時(shí)，激光線在鋼軌表面的 距離也會(huì)隨之減少。
[0029] 理想狀態(tài)下，測(cè)量載體無震動(dòng)及旋轉(zhuǎn)；或者暫不考慮測(cè)量載體的震動(dòng)及旋轉(zhuǎn)。圖3 所示各測(cè)量值之間存在如下關(guān)系。
[0030] h = H-y, (1) 閨]y,= y eamera-Ywheel 似
[0032] 其中，H為相機(jī)相對(duì)車輪與鋼軌接觸點(diǎn)的垂直距離，y,為相對(duì)變形量（相機(jī)位置的 鋼軌變形量與車輪位置的鋼軌變形量的相對(duì)變形量之差）為相機(jī)對(duì)應(yīng)位置的鋼軌變 形量，y，hwi為車輪位置的鋼軌變形量。在本【具體實(shí)施方式】中，H的取值范圍約為150mm? 600mm。
[0033] 在本發(fā)明的基于機(jī)器視覺的軌道剛度測(cè)量方法中，相機(jī)若安裝在提曲線半徑外， 即相機(jī)距離火車輪的水平距離為1. 5m?3m，此時(shí)相機(jī)對(duì)應(yīng)位置的鋼軌變形量近似為0,即 0。此時(shí)相機(jī)位置的鋼軌變形量與車輪位置的鋼軌變形量的相對(duì)變形量之差= H-h = -y，hwi，即為車輪位置的鋼軌變形量。
[0034] 通過幾何學(xué)原理，利用相機(jī)所獲得的激光線的距離，可獲得相機(jī)距離鋼軌的高度。 傳感器的幾何關(guān)系如圖4所示。
[003引（Li+li) tan 目 1二 h (3)
[0036] (X2+I2) tan 目 2 二 h (4)
[0037] d 二 1片2 (5)

【權(quán)利要求】
1. 一種基于機(jī)器視覺的軌道剛度測(cè)量方法，其特征在于，涉及的測(cè)量裝置包括兩個(gè)一 字線激光器和一個(gè)視覺傳感器，安裝在火車輪上的壓力傳感器或加速度計(jì)；所述視覺傳感 器安裝在軌道面正上方的測(cè)量載體上，所述視覺傳感器在軌道面上的視覺區(qū)域位于軌道的 撓曲線半徑之外；所述兩個(gè)一字線激光器分別安裝在所述視覺傳感器的兩側(cè)，所述兩個(gè)一 字線激光器與所述視覺傳感器安裝在同一水平面，兩條一字線激光在軌道面的成像均位于 所述視覺傳感器的視覺區(qū)域內(nèi)；其測(cè)量過程包括以下步驟：
1. 記錄所述視覺傳感器距離軌面的安裝高度H、激光器距離所述視覺傳感器的水平距 離U、L2、激光器的出射面與水平面的夾角0:、02;開啟壓力傳感器或加速度計(jì)，測(cè)量獲取 車輪施加給鋼軌的壓力載荷F;同時(shí)開啟所述兩個(gè)一字線激光器和所述視覺傳感器，所述 兩個(gè)一字線激光器分別發(fā)出兩條一字線激光，兩條一字線激光落在所述視覺傳感器的視覺 區(qū)域內(nèi)，所述視覺傳感器垂直采集軌道面上的圖像； ii、 處理所述視覺區(qū)域圖像，從所述視覺區(qū)域圖像中提取兩個(gè)一字線激光器分別在所 述視覺區(qū)域的成像，即兩條呈曲線的激光線； iii、 計(jì)算所述兩條激光線之間的最近距離d; iv、 依下列公式計(jì)算所述視覺傳感器與軌道面之間的距離h'，
v、 依下列公式計(jì)算載荷中心的燒度ypY1=H-h' ；
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機(jī)器視覺的軌道剛度測(cè)量方法，其特征在于，所述視覺 傳感器為面陣列傳感器相機(jī)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于機(jī)器視覺的軌道剛度測(cè)量方法，其特征在于，在測(cè)量 載體上安裝加速度計(jì)或位移傳感器、角度傳感器；設(shè)相機(jī)距離載荷輪中心的水平距離為S， 傳感器測(cè)得的載體上下震動(dòng)距離為hs、測(cè)量載體沿行車方向的俯仰角0，則相機(jī)距離軌面 的有效距離h=h'*cos0 _S*tan0 _hs; 所述步驟v中載荷中心的燒度?的計(jì)算公式以yH-h替代。
【文檔編號(hào)】G01B21/32GK104501768SQ201410400026
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】李清泉, 曹民, 張德津, 林紅, 謝和禮, 李輝, 張志剛, 文藝 申請(qǐng)人:武漢武大卓越科技有限責(zé)任公司