钢轨磨耗激光视觉动态测量方法

摘要

本发明属于测量技术领域，涉及一种钢轨磨耗综合参数的非接触动态测量测量装置及测量方法。本发明测量装置由激光视觉传感器7、计算机、高速图像采集卡、标定靶标和测量软件等组成。本发明测量方法由激光投射器3投射出光平面，经钢轨断面成像系统6成像后，由高速图像采集卡采集到计算机中，对采集图像进行处理，提取出断面特征轮廓的图像坐标，根据测量模型，计算出垂直磨耗、侧边磨耗和总磨耗。本发明首次实现了单激光视觉传感器同时测量单侧钢轨断面轮廓、垂直磨耗、侧面磨耗和总磨耗参数；实现了动态条件下对钢轨磨耗的现场测量。

主权项

1、钢轨磨耗激光视觉动态测量方法，使用钢轨磨耗激光视觉动态测量装置进行综合参数的动态测量，所说的钢轨磨耗激光视觉动态测量装置由激光投射器(3)和钢轨断面成像系统(6)组成的激光视觉传感器(7)、计算机、高速图像采集卡、标定靶标和测量软件组成；激光投射器(3)由半导体激光器(1)和光平面发生光学系统(2)组成；钢轨断面成像系统(6)由CCD摄像机(4)和滤光系统(5)组成，钢轨断面成像系统(6)的光轴和激光投射器(3)的光轴交汇角为45°～60°；激光视觉传感器(7)固定在火车底部车体上，与被测钢轨(10)的距离为300～700mm；激光投射器(3)投射的光平面(8)垂直于被测钢轨(10)并与钢轨断面平行；钢轨断面成像系统(6)的成像系统能够观测到投射光平面(8)与被测钢轨(10)表面相交形成的轨头和轨腰特征轮廓(9)；所说的标定靶标为一个二维平面，靶标平面上有预先设置的特征点，在靶标平面上有成矩阵排列的黑色方块，方块的数量为4～100个，方块的边长为3～50mm，其精度为0.01～0.05mm，方块间距为3～50mm，其精度为0.01～0.05mm，选取每个方块的顶点为特征点；其特征在于，测量的具体步骤是：1.1、建立激光视觉传感器(7)的摄像机模型和测量模型，标定摄像机参数和传感器结构参数；1.1.1、在光平面上建立二维测量坐标系om-xmym，原点om为光平面上任意点，xm轴和ym轴相互垂直且位于光平面内；1.1.2、标定摄像机的内部参数和激光视觉传感器的结构参数并保存到计算机；1.1.3、建立标准钢轨二维设计坐标系on-xnyn，以钢轨断面对称轴为yn轴，轨底为xn轴，选取标准钢轨上轨腰部分大圆和小圆的两个圆心以及圆心连线与小圆的交点为对准特征点，分别计算出对准特征点的设计坐标，并保存到计算机，以备测量阶段调用；1.2、测量钢轨磨耗；1.2.1、将里程表通过串口连接到计算机上；1.2.2、设定标准轮廓与测量轮廓对准参数，设定钢轨轮廓最小长度阈值TL，它由轮廓特征点数表示，取值范围是40～100；轨头轮廓与轨腰轮廓间距最小阈值TD，它由轮廓图像的像素坐标表示，取值范围为15～30像素，典型值20像素；保存设定参数，以备后续测量调用；1.2.3、测量程序监视串口数据状态，当接收到串口发送的启动命令和里程数据时，保存里程数据并控制摄像机拍摄一幅包括钢轨断面特征轮廓的图像，称为测量图像；1.2.4、提取测量图像中钢轨断面特征轮廓的图像坐标，若未提取到两条满足长度大于TL的特征轮廓，或者两条特征轮廓的间距小于TD，则返回到步骤1.2.3，重新根据串口状态，控制采集钢轨测量图像；若找到两条正确的钢轨特征轮廓，则根据激光视觉传感器(7)的测量模型，利用特征轮廓的图像坐标计算钢轨断面特征轮廓的测量坐标；1.2.5、根据钢轨断面特征轮廓的测量坐标，将测量轮廓自动分割成轨头、轨腰大圆和轨腰小圆三部分，由分割的轨腰大圆和轨腰小圆部分的特征轮廓，采用半径约束方法分别拟合轨腰大圆和轨腰小圆，小圆半径为20mm，大圆半径取400mm，称为60kg对准模式，大圆半径取350mm，称为50kg对准模式；1.2.6、分别采用60kg对准模式和50kg对准模式，计算对准特征点的测量坐标，由其中至少2个对准特征点的测量坐标及设计坐标，计算测量坐标系到设计坐标系的二维变换；1.2.7、根据在两种模式下求出的测量坐标系到设计坐标系的变换，分别将钢轨断面轨头部分的测量坐标转换到设计坐标系中，直接和标准钢轨比对，计算得到钢轨的垂直磨耗、侧面磨耗和总磨耗；1.2.8、比较两种对准模式下的3个磨耗值，选取较小值作为最后的测量结果，并根据所采用的对准模式得到被测钢轨的轨型，将测量结果、轨型以及对应的里程数保存到测量结果文件中；1.2.9、向串口发送测量完成信号；1.2.10、重复1.2.3～1.2.9步，进行下一次测量。