[发明专利]激光位移技术测量钢轨轮廓的校准方法

说明书

本发明公开了一种激光位移技术测量钢轨轮廓的校准方法，包括对钢轨轮廓分割并计算索引值；得到绝对仿射不变量；获取离线状态下和工作状态下钢轨轮廓的局部仿射不变形描述特征矢量集并匹配，得到匹配点集；计算离线状态下和工作状态下的轮廓数据的变换关系式；得到仿射传输矩阵；对于每一对匹配点，得到仿射传输矩阵集并完成数据处理；根据仿射传输矩阵、平移量和轮廓数据变换关系式对钢轨轮廓进行校准。本发明方法创新性提出钢轨轮廓局部仿射不变量的提取、描述与匹配新方法，而且提出快速最近点迭代算法精确调整仿射变换参数，解决了激光位移技术测量钢轨轮廓时的廓形变形问题，从而对钢轨轮廓进行了准确校准，而且方法计算速度快，精确度高。

技术领域

本发明具体涉及一种激光位移技术测量钢轨轮廓的校准方法。

背景技术

非接触式钢轨轮廓测量系统广泛应用于轨道交通检测领域。该系统利用线结构激光源和CCD工业相机感知轨道，随轨检车行进直接对钢轨断面等各项参数进行快速精确地测量，能提高轨道维护作业效率。

根据不同的CCD工业相机数据处理方式，非接触式钢轨轮廓测量技术可分为激光视像技术和激光位移技术两种。激光视像技术通过对视觉传感器进行高精度的标定，求得CCD摄像机成像模型的外部参数，将摄像机二维图像坐标系内的数据精确转换到三维世界坐标系中。然后通过识别测量图像中的钢轨轮廓、提取断面激光光条中心的亚像素坐标、依据成像模型转换得到测量轮廓世界坐标，最后实现测量轮廓与标准轮廓的对准与磨耗测量。该技术易受现场钢轨表面环境，如锈渍、油污及阳光反射等客观因素的影响，所以其轮廓检测精度相对较低。激光位移技术则基于几何原理，其依据钢轨表面反射激光在二维CCD成像阵列中的位置信息，采用激光三角法直接计算得到测量轮廓上各个采样点距光源入射点的数字距离坐标，进而通过与标准轮廓的对准实现磨耗测量。相比于激光视像技术，激光位移技术具有检测精度更高(约为量程的0.1％)，检测速度更快(可达6000轮廓/秒)，测量不受色彩、表面材质或离散光线影响等特点，更适合现代高速铁路的检测维护需求。

为了获得准确的钢轨断面测量结果，线结构激光需垂直于钢轨纵向方向。但由于测量系统通常吊装在轨检车下方，轨道不平顺和轨枕高低差会导致车体多自由度随机振动，因此很难保证激光面和钢轨纵向之间的垂直性，传统激光视像技术和激光位移技术的钢轨轮廓测量精度均会受到影响。车体行驶过程中的自由度随机振动可分为6种：沿轨距方向的侧摆振动、沿垂向的浮沉振动、沿轨道纵向的伸缩振动、绕轨距方向的点头振动、绕垂向的摇头振动、绕轨道纵向的侧滚振动。各方向振动相互耦合，很难直接测出，且只有点头振动和摇头振动引起测量轮廓发生失真变形，导致检测精度下降。其中，如图1～图5所示，图中1为点头轮廓，2为正常轮廓，3为摇头轮廓；点头振动引起测量轮廓在垂直方向的等比例拉伸，摇头振动引起测量轮廓在轨距方向的等比例拉伸。该影响可用公式表示为：

其中θ₁是点头角度，θ₂是摇头角度，(x,y)和(x′,y′)分别是正常轮廓和变形轮廓上的对应点的坐标。式(1)、式(2)和式(3)分别表示点头振动影响、摇头振动影响和两种振动同时存在对测量的影响。

针对轮廓失真变形问题，激光视像技术利用能够获取测量轮廓三维世界坐标的特性，国内外研究者先后提出了正交分解振动补偿法、最近点迭代ICP(Iterative ClosestPoint)校准法、基于多线结构光视觉传感器的辅助平面投影法等，取得了较好的轮廓校准效果。然而，检测精度更高的激光位移技术由于只能获取测量轮廓上各个采样点相对光源入射点的二维数字坐标，无法像激光视像技术一样获取第三维轨道纵向坐标，因此对该问题一直未能得到有效地解决，这也限制了激光位移技术在轮廓检测中的应用。