一種基于機(jī)器視覺(jué)火車(chē)導(dǎo)軌輪廓測(cè)量中輪廓配準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于基于圖像的非接觸式自動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域，涉及圖像處理、激光與光學(xué)、計(jì)算 機(jī)、自動(dòng)控制領(lǐng)域，具體是指一種基于機(jī)器視覺(jué)火車(chē)導(dǎo)軌輪廓測(cè)量中輪廓配準(zhǔn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋼軌作為鐵路運(yùn)輸中的重要載體，是鐵路運(yùn)輸中最基礎(chǔ)單元之一，它的狀態(tài)好壞 直接影響著列車(chē)的運(yùn)行安全。尤其是當(dāng)列車(chē)在高速、重載、高密度下運(yùn)行時(shí)，鋼軌磨耗加大， 壽命縮短，對(duì)列車(chē)安全造成極大危害。鐵道部在鐵路線(xiàn)路"維規(guī)"中，針對(duì)鋼軌輕、重傷規(guī)定 了軌頭磨耗的限定值，并要求當(dāng)檢測(cè)出鋼軌軌頭磨耗超出限定值后就要及時(shí)進(jìn)行處理或更 換，以保證列車(chē)的運(yùn)行安全。
[0003] 隨著鐵路運(yùn)輸行車(chē)密度的提升、運(yùn)行速度的急劇提高，鋼軌的磨耗越來(lái)越嚴(yán)重，尤 其是軌頭處的小半徑曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)磨損尤為嚴(yán)重，影響了列車(chē)的平穩(wěn)運(yùn)行，微小軌道的幾何偏 差都有可能對(duì)列車(chē)（尤其是高鐵）造成搖晃和各種振動(dòng)，對(duì)列車(chē)行駛和旅客乘車(chē)的舒適度 都有影響，甚至由于軌道磨損加重造成橫向運(yùn)行的偏移。當(dāng)輪橫向力增大時(shí)，就有可能會(huì)發(fā) 生列車(chē)脫軌等情況，給旅客和行車(chē)安全帶來(lái)極大的危害。鋼軌的磨損程度決定鋼軌的使用 壽命，磨損值到達(dá)一定限度時(shí)，需要及時(shí)地更換。鋼軌磨耗的測(cè)量數(shù)據(jù)是工務(wù)系統(tǒng)決定鋼軌 是否需要更換的重要依據(jù)，因此，準(zhǔn)確地檢測(cè)軌道的磨耗量大小，并分析各個(gè)路段磨耗情況 是一項(xiàng)非常重要的工作。
[0004] 機(jī)械接觸測(cè)量法是我國(guó)目前使用得最多的一種方法，主要是采用卡尺進(jìn)行手工測(cè) 量，這種方法完全是依靠人工，接觸式測(cè)量的缺點(diǎn)是速度太慢，誤差大，人為因素影響大、效 率低，而且不便于事后分析統(tǒng)計(jì)和存檔。接觸式測(cè)量另一個(gè)分支就是機(jī)械和電子、可編程等 技術(shù)綜合應(yīng)用開(kāi)發(fā)的鋼軌磨耗檢查器。另外還有光電編碼法、位移傳感法和基于圖像處理 的非接觸式測(cè)量法，這種方法通過(guò)傳感器間接獲取鋼軌斷面的輪廓曲線(xiàn)，將繪制的曲線(xiàn)與 標(biāo)準(zhǔn)的曲線(xiàn)對(duì)比得到磨耗值。按照傳感器的不同又可分為光電編碼器和位移傳感器。丹麥 綠林公司研制的MINIPR0F系統(tǒng)，它由一臺(tái)筆記本、專(zhuān)用伸縮箱和輪軌測(cè)量裝置組成。通過(guò) 測(cè)量裝置上的小磁輪接觸被測(cè)鋼軌表面，人工控制小磁輪，通過(guò)計(jì)算機(jī)得到傳感器的極坐 標(biāo)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)后計(jì)算出輪廓。磁輪芯的軌跡會(huì)被記錄下來(lái)，計(jì)算機(jī)就可以算出 斷面的真實(shí)輪廓。國(guó)內(nèi)的光電編碼檢測(cè)設(shè)備有由同濟(jì)大學(xué)鐵道學(xué)院和靖江華星公司合作研 制的WRS2000型鋼軌軌頭外形測(cè)錄儀，它是通過(guò)高精度的光電編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。另外同濟(jì) 大學(xué)還研制了一種下置滑動(dòng)式鐵路鋼軌波浪形磨耗測(cè)量裝置，該裝置采用簡(jiǎn)單的機(jī)械構(gòu)件 形成縱向測(cè)量基準(zhǔn)和導(dǎo)軌，并采用USB接口和控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)無(wú)線(xiàn)傳輸測(cè)量結(jié)果，能即 時(shí)將結(jié)果顯示在屏幕上。
[0005] 基于機(jī)器視覺(jué)輪廓測(cè)量技術(shù)是一種非接觸測(cè)量技術(shù)，具有速度快、能獲取輪廓全 貌、數(shù)據(jù)管理方便等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)由于數(shù)字圖像技術(shù)、激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展， 基于機(jī)器視覺(jué)的火車(chē)導(dǎo)軌輪廓測(cè)量技術(shù)得到很大發(fā)展?；跈C(jī)器視覺(jué)輪廓測(cè)量技術(shù)是一種 非接觸測(cè)量技術(shù)，具有速度快、能獲取輪廓全貌、數(shù)據(jù)管理方便等優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 基于機(jī)器視覺(jué)火車(chē)導(dǎo)軌輪廓測(cè)量，其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是將所獲取的導(dǎo)軌輪廓和實(shí) 際輪廓比對(duì)，才能計(jì)算進(jìn)行磨耗計(jì)算，這個(gè)比對(duì)的過(guò)程稱(chēng)為輪廓配準(zhǔn)。輪廓配準(zhǔn)不對(duì)時(shí)，計(jì) 算出的磨耗尺寸有非常大的、完全錯(cuò)誤的偏差，只有輪廓配準(zhǔn)正確，所計(jì)算的磨耗尺寸才是 在一定誤差范圍內(nèi)可信數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種非接觸式火車(chē)導(dǎo)軌輪廓測(cè)量中 的輪廓配準(zhǔn)方法，將經(jīng)過(guò)處理的導(dǎo)軌實(shí)際輪廓線(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)輪廓線(xiàn)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系中，并 對(duì)實(shí)際輪廓線(xiàn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移等處理，使得實(shí)際輪廓線(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)輪廓線(xiàn)的漸近線(xiàn)平行且端點(diǎn) 重合，以此確定兩條輪廓線(xiàn)的相對(duì)位置，配準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確、淺顯易懂、觀察和計(jì)算方便，能夠得 到可靠的磨耗數(shù)據(jù)。
[0008] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種基于機(jī)器視覺(jué)火車(chē)導(dǎo)軌輪廓測(cè) 量中輪廓配準(zhǔn)方法，其中，輪廓測(cè)量采用的是非接觸式測(cè)量，它能夠大大提高現(xiàn)場(chǎng)鐵路檢測(cè) 部門(mén)的工作效率。測(cè)量的主要原理是通過(guò)激光光切法獲取鋼軌斷面輪廓曲線(xiàn)，同時(shí)，CCD相 機(jī)采集激光圖像，并將圖像信息傳輸?shù)窖b載在小車(chē)上的計(jì)算機(jī)的處理芯片上，經(jīng)過(guò)鋼軌磨 耗測(cè)量程序?qū)Σ杉降膱D像進(jìn)行一系列的處理，得到鋼軌斷面的單像素曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)曲線(xiàn) 圖像的匹配校正，與鐵路檢測(cè)部門(mén)定義的鋼軌磨耗點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，得出相應(yīng)的側(cè)面磨耗和垂 直磨耗的值。
[0009] 輪廓測(cè)量具體包括以下步驟：S1，采集鋼軌圖像；S2,將采集到的鋼軌圖像傳輸至 計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，得到鋼軌斷面的單像素曲線(xiàn)；S3,對(duì)單像素曲線(xiàn)進(jìn)行標(biāo)定還原，得到實(shí)際 輪廓線(xiàn)；S4,進(jìn)行輪廓配準(zhǔn)；
[0010] 所述的步驟S4中的輪廓配準(zhǔn)包括以下子步驟：
[0011] S41 :以導(dǎo)軌非工作邊的最末端點(diǎn)作為輪廓線(xiàn)的定標(biāo)點(diǎn)，即原點(diǎn)，建立笛卡爾坐標(biāo) 系，將導(dǎo)軌的實(shí)際輪廓線(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)輪廓線(xiàn)統(tǒng)一到笛卡爾坐標(biāo)系中，分別取兩條輪廓線(xiàn)的漸近 線(xiàn)，并利用兩輪廓線(xiàn)的漸近線(xiàn)取得兩者之間的夾角Θ ;
[0012] S42 :用旋轉(zhuǎn)因子R( Θ )對(duì)實(shí)際輪廓線(xiàn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得兩條輪廓線(xiàn)的漸近線(xiàn)相互平 行，得到旋轉(zhuǎn)后的實(shí)際輪廓線(xiàn)；
[0013] S43:將旋轉(zhuǎn)后的實(shí)際輪廓線(xiàn)進(jìn)行平移，使該實(shí)際輪廓線(xiàn)端點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)輪廓線(xiàn)的端點(diǎn) 重合，完成輪廓線(xiàn)的配準(zhǔn)，此時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)輪廓線(xiàn)和配準(zhǔn)后的實(shí)際輪廓線(xiàn)相對(duì)位置已經(jīng)確定。
[0014] 進(jìn)一步地，所述的步驟Sl中采集鋼軌圖像的方法為：通過(guò)激光光切法獲取鋼軌斷 面輪廓曲線(xiàn)，并采用CCD相機(jī)采集激光圖像，CCD相機(jī)采集的是斷面輪廓的散射光，該輪廓 的散射光是二維圖像模型。
[0015] 進(jìn)一步地，步驟S3中的標(biāo)定還原是指對(duì)于采集到的二維圖像模型，通過(guò)計(jì)算來(lái)還 原實(shí)際的三維空間上圖像的信息，通過(guò)幾何模型來(lái)重構(gòu)二維圖像和三維實(shí)物之間的對(duì)應(yīng)關(guān) 系的過(guò)程。所述的步驟S3具體包括以下子步驟：
[0016] S31 :通過(guò)相機(jī)成像和圖像畸變的變化，設(shè)其隱參數(shù)關(guān)系式為：
【主權(quán)項(xiàng)】
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