一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法与流程

本发明属于光电检测
技术领域：
，涉及一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，适用于铁轨轨距及轨道磨损的分析。
背景技术：
：铁路是国家交通运输的大动脉，承担了70％以上的客运和货运任务，线路是所有轨道运输的基础和灵魂。铁路轨道的几何尺寸对于保证列车运行安全性与舒适性有着尤为重要的意义。目前，我国铁路工务部门对轨道几何轮廓的检测仍然主要采用人工检测方法，这种测量方法作量大、测量速度慢、效率低、很难控制测量精度。激光摄像式检测方法是实现铁轨几何轮廓检测的一种新方法，它由激光器和相机等组成，其检测铁轨几何轮廓的原理见图1所示。激光器在检测的铁轨上投射出激光束，通过对相机拍摄的一幅或多幅图像进行处理来恢复铁轨在规定坐标系下(一般取铁轨所在的世界坐标系xyz)中的三维信息，然后对场景信息进行识别和理解。因而，其成为未来轨道几何轮廓检测系统的发展趋势。激光摄像式检测方法的难点在于实验环境困难，安装精度难以保障，换换关系众多。若按照传统的确定转换关系，即依次标定每个相机，再标定相机间及相机与单个铁轨之间的位置关系，虽不需要依赖于场景和标定物，但鲁棒性差而且存在误差传递的问题，得到的解的精度低。传统的标定方法是基于主动视觉的标定方法，需在主动视觉平台上控制摄像机做相对的运动，对装置的要求比较高，安装精度无法保证。传统的标定方法只能对双边铁轨分开标定，若只能得出铁轨在不同坐标系中的位置，轨距几何轮廓对应的特征点也位于不同坐标系当中，无法进行铁轨系统的几何轮廓检测。技术实现要素：针对现有技术的不足，本发明采用多个激光器和多个相机构建联合测量系统，通过对测量系统的联合标定及采集数据的综合处理，高精度获取两个无交叠的动态三维坐标系中铁轨几何轮廓特征点。这种检测设备安装简单灵活，检测精度高，可同时标定出双边铁轨的世界坐标，有效的完成铁轨几何轮廓的三维检测。本发明的技术方案是：一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法,其特征在于，具体方法是：根据铁轨几何检测的要求，完成激光器、相机和升降台的参数选取。选择4台线激光器和4个相机，通过刚性支撑架实现线激光器与相机的联接。将水平标定板放置于升降台表面，由测量系统发射线激光投影到标定板上形成激光线，实物图如图2，图中红色激光线位于黑色标定板，两者同在物方世界坐标系。同时，线激光投射到铁轨上形成轮廓线，实物图如图3，图中轮廓线位于物方世界坐标系。调节升降台的高度，通过相机记录投射在标定板上的激光线和铁轨上的轮廓线以及标定孔的图像。规定水平标定板的几何中心为规定世界坐标系的原点，像素面的中心为像方坐标系的原点，u、v轴平行于像平面坐标系的相应轴。根据标定孔在物方和像方的坐标，解算相机内外方位元素。测量系统发射线激光投射到轨道上形成轮廓线，由相机记录轮廓线的图像。通过图像处理提取激光线和轮廓线的像方坐标，结合相机内外方位元素解算激光线和轮廓线的物方坐标。通过拟合物方激光线，获取激光面在世界坐标系下的法向量，进而得到其旋转矩。利用旋转矩阵，将轨轮廓线的物方坐标进行变换，计算轮廓线的标准坐标。在上述的一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，根据铁轨几何检测的要求，完成激光器、相机和升降台的参数选取，包括以下子步骤：步骤2.1，根据铁轨几何检测的精度要求，选取相机的重要指标参数：相机分辨率可以控制在0.1mm/pixel范围内，相机镜头F数的范围为2.2～8，相机的入瞳控制在6cm～9cm，则可得到相机焦距f范围为13.2mm～72mm，景深范围为100mm～150mm。步骤2.2，根据图像质量以及激光图像坐标提取精度的要求，通过选择发散角比较小的激光器控制其线宽不超过1mm，激光波长在可见光波段。步骤2.3，根据铁轨的检测高度要求，升降台行程应覆盖钢轨176mm的高度范围。在上述的一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，选择4台线激光器和4个相机，通过刚性支撑架实现线激光器与相机的联接，包括以下子步骤：步骤3.1，基于线激光器和相机的参数要求，选用4台线激光器和4个相机，每个线激光器和相机组合成一个子测量系统，每两个子测量系统构成左侧子系统和右侧子系统，用于测量左右铁轨几何轮廓，每个线激光器要求放置在同一平面内，其放置方式见图2所示。步骤3.2，4个相机通过刚性支撑架来联接，根据相机的景深要求，相机在支撑架的位置必须满足：Δl＝max(l·cosω)-min(l·cosω)，其中，Δl为景深，l为相机入瞳与铁轨的距离,ω是相机入瞳与铁轨轮廓上一点的连线与光轴的夹角。步骤3.3，将线激光器安装在刚性支撑架上，调整线激光器的位置，使得激光束能够完全覆盖铁轨平面,并且尽量保证每个铁轨两侧的激光面共面且与铁轨平面垂直。在上述的一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，将水平标定板放置于升降台表面，由测量系统发射线激光投影到标定板上，调节升降台的高度，通过相机记录激光线和标定孔的图像，包括以下子步骤：步骤4.1，制作由a×b个直径为d的通孔所组成的水平标定板，相邻通孔之间的横向和纵向间距为dxmm和dymm。规定水平标定板的几何中心为规定世界坐标系的原点，记标定板上坐标为(xij,yij),其中，i<a,j<b。步骤4.2，将水平标定板放置在高精度升降台上，保证标定板可同时呈现4条激光线，高精度升降台的起始位置应与铁轨底端齐平，此处记为高度为0。步骤4.3，将4个线激光器发射的激光束投影到标定板上，改变升降台的高度zs，zs＝(s-1)×dz，dz为高度变化的步长，s＝1,2,3...，int(H/dz)+1，H为铁轨的高度，int表示取整运算函数。原理见图4。从图4中可知，本发明的工作过程中，激光器和相机安装在铁轨的两侧，标定板放置在升降台上随升降台一起升降，激光线在标定板上的位置随升降台的高度改变，铁轨放置在升降台的下方，不随升降台移动。步骤4.4，在调整升降台高度的同时，由相机记录标定板和激光线的图像，标记其图像名称分别为Bst和Lst,其中，t＝1,2,3,4。在上述的一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，根据标定孔在物方和像方的坐标，解算物像方位置关系，包括以下子步骤：步骤5.1，采用图像处理算法中的阈值分割法及重心法，对图像Bst进行处理提取水平标定板上的通孔中心位置，获得所有通孔的像方坐标(uij,vij)；步骤5.2,根据通孔的物方坐标像方坐标，通过用多项式来标定求得物像方变换关系，解算相机的内外方位元素，它们满足以下关系式：其中,a11,a12...a1m和b21,b22...b2m为相机的内外方位元素，e为多项式拟合的次数，m<(a×b)。在上述的一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，测量系统发射线激光投射到轨道上形成轮廓线，由4个相机记录轮廓线的图像，标记其图像名称为Gj。在上述的一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，通过图像处理提取激光线和轮廓线的像方坐标，结合相机内外方位元素解算激光线和轮廓线的物方坐标。步骤7.1，可充分利用角点来提取激光线的像方坐标。相机拍摄到的标定板和激光器所投射在标定板上的激光线的效果原理图如图5，图中圆孔为标定板通孔，直线为激光器所投射在标定板上的激光线，先用阈值分割及重心法提取各激光线和标定通孔的中心的像方坐标：(uxs,vxs)和(uks,vks)。步骤7.2，由于物像方所有参考点均位于同一条激光线上，可将标定板通孔的像方坐标(uks,vks)按每列拟合一条直线，由激光线的像方坐标拟合激光线，并求其与各标定孔竖线的交点，即为像方参考点，将其代入物像面坐标转换关系即可得物方参考点坐标，拟合直线得到物方激光线。步骤7.3,采用阈值分割法及重心法提取轮廓线的中心，获得轮廓线的像方坐标(uls,vls)，结合相机的内外方位元素，即可得到轮廓线的物方坐标(xls,yls,zls,)。在上述的一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，通过拟合物方激光线，获取激光面在世界坐标系下的法向量，进而得到其旋转矩，包括以下子步骤：步骤8.1,将所得的物方激光线拟合物方激光面，获取物方激光面的法向量其中αt是第t个物方激光面法向量与世界坐标系x轴的夹角，βt是第t个物方激光面法向量与世界坐标系y轴的夹角，γt是第t个物方激光面法向量与世界坐标系z轴的夹角。步骤8.2，利用旋转矩阵等方法补偿不共面和不垂直带来的误差。计算激光平面所确定的空间直角坐标系到世界坐标系的对应关系即旋转矩阵Mt，见图6：在上述的一种高精度的铁轨几何轮廓的检测方法，利用旋转矩阵Mt，将轨轮廓线的物方坐标进行变换，计算轮廓线的标准坐标,其空间坐标转换见图6，轮廓坐标(yb,zb)：yb＝M21·xp+M22·yp+M23·zpzb＝M31·xp+M32·yp+M33·zp其中Mqv表示M矩阵的第q行第v列元素，xp、yp、zp为轮廓线的物方坐标。本专利所设计的铁轨几何轮廓检测方法不同于普通检测方法，主要优点有：相机之间没有公共视场，但能够同时进行四台相机和四台激光器的标定，输出铁轨几何轮廓在同一个世界坐标系的坐标，高效率的完成铁轨几何轮廓的检测。将激光面也作为标定对象，经过旋转矩阵补偿激光器安装不垂直不共面的安装误差，提高了铁轨几何轮廓的检测精度。附图说明：图1激光摄像法铁轨几何轮廓检测原理图；图2激光线实物图；图3轮廓线实物图；图4铁轨几何轮廓检测系统；图5像方激光线坐标提取原理图；图6空间坐标变换；图7相机；图8激光器；图9标定实验与轨距测量实验现场；图10标定板的像方图像；图11激光线的像方图像；图12左侧像方标定点提取(z＝80mm)；图13钢轨轮廓像；图14物方激光线；图15物方激光面；图16部分铁轨轮廓图。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。实施例：1.根据铁轨几何检测的要求，完成激光器、相机和升降台的参数选取，包括以下子步骤：(1.1)根据铁轨几何检测的精度要求，选取相机的重要指标参数：分辨率1628×1236，像面尺寸1/1.8英寸。F数＝3.27，采用f＝28mm定焦镜头。景深在106mm。见图7。(1.2)根据图像质量以及激光图像坐标提取精度的要求，选择激光器的线宽小于1mm，激光波长为632nm，见图8。(1.3)根据铁轨的检测高度要求，升降台行程超过176mm的高度范围。2.选择4台线激光器和4个相机，通过刚性支撑架实现线激光器与相机的联接，包括以下子步骤：(2.1)基于线激光器和相机的参数要求，选用4台线激光器和4个相机，每个线激光器和相机组合成一个子测量系统，每两个子测量系统构成左侧子系统和右侧子系统，用于测量左右铁轨几何轮廓，每个线激光器要求放置在同一平面内。(2.2)4个相机通过刚性支撑架来联接，根据相机景深值要求，每个相机距钢轨为l＝880mm，机入瞳与铁轨轮廓上一点的连线与光轴的夹角为60°。(2.3)将线激光器安装在刚性支撑架上，调整线激光器的位置，使得激光束能够完全覆盖铁轨平面,并且尽量保证每个铁轨两侧的激光面共面且与铁轨平面垂直，试验现场如图9。3.将水平标定板放置于升降台表面，由测量系统发射线激光投影到标定板上，调节升降台的高度，通过相机记录激光线和标定孔的图像，包括以下子步骤：(3.1)制作由18×12个直径为3mm的通孔所组成的水平标定板，相邻通孔之间的横向和纵向间距为10mm和20mm。，规定水平标定板的几何中心所在点为规定世界坐标系的原点，记标定板上坐标为(xij,yij),其中i<18,j<12。(3.2)将水平标定板放置在高精度升降台上，保证标定板可同时呈现4条激光线，高精度升降台的起始位置应与铁轨底端齐平，此处记为高度为0。升降台升降过程中，水平标定板一起升降，而铁轨不升降。见图9标定实验与轨距测量实验现场；(3.3)将4个线激光器发射的激光束投影到标定板上，改变升降台的高度zs，zs＝(s-1)×10mm，s＝1,2,3...，19。(3.4)在调整升降台高度的同时，由相机记录标定板和激光线的图像，标记其图像名称分别为Bst和Lst,其中，t＝1,2,3,4，其中Bst是标定板的像方图像，实物图见图10，Lst是激光线的像方图像，实物图见图11。4.根据标定孔在物方和像方的坐标，解算物像方位置关系，包括以下子步骤：(4.1)采用图像处理算法中的阈值分割法及重心法，规定相机的中心为像方坐标的原点，对图像Bst进行处理提取水平标定板上的通孔中心位置，获得所有通孔的像方坐标(uij,vij)，图12是左侧标定区域在zs＝80mm高度下的标定点提取效果图。其中红十字为所提取的标定板通孔，蓝线为激光线。(4.2)根据通孔的物方坐标、像方坐标，见表1，其中(u,v)为像方坐标，(x,y)为物方坐标。通过二元三次多项式求得物像方变换关系，解算相机的内外方位元素fst，见表2：表1通孔的物方坐标、像方坐标uvxy4545-36.242390915411-36.24239091541109595-33.4705548055907-33.4705548055907145145-30.5944998783789-30.5944998783789195195-27.5993957110939-27.5993957110939245245-24.470411881054-24.4704118810540295295-21.1927179655773-21.1927179655773345345-17.7514835419822-17.7514835419822395395-14.1318781875868-14.1318781875868395395-10.319071479709-10.3190714797094445445-6.29823299566822-6.29823299566822495495-2.05453231278153-2.054532312781535455452.426860991632462.426860991632465955957.160777340255517.16077734025551表2二元三次方程拟合系数表其中,a11,a12...a1m和b21,b22...b2m为相机的内外方位元素。5.测量系统发射线激光投射到轨道上形成轮廓线，由4个相机记录轮廓线的图像，标记其图像名称为Gj。见图13。6.通过图像处理提取激光线和轮廓线的像方坐标，结合相机内外方位元素解算激光线和轮廓线的物方坐标。(6.1)可充分利用角点来提取激光线的像方坐标。由于物像方所有参考点均位于同一条激光线上，因此可先用阈值分割及重心法提取各激光线和标定通孔的中心的像方坐标：(uxs,vxs)和(uks,vks)。(6.2)将标定板通孔的像方坐标(uks,vks)并按每列拟合一条直线，由激光线的像方坐标拟合激光线，并求其与各标定孔竖线的交点，即为像方参考点，将其代入物像面坐标转换关系即可得物方参考点坐标，拟合直线得到物方激光线。见图14。(6.3)采用阈值分割法及重心法提取轮廓线的中心，获得轮廓线的像方坐标(uls,vls)，结合相机的内外方位元素，即可得到轮廓线的物方坐标(xls,yls,zls,)。7.通过拟合物方激光线，获取激光面在世界坐标系下的法向量，进而得到其旋转矩，包括以下子步骤：(7.1)将所得的物方激光线拟合物方激光面，见图15，获取物方激光面的法向量为n1＝(1,-0.0028,0.0016),n2＝(1,-0.0209,0.0037)。其中n1的三个坐标值分别是激光面的法向量与世界坐标系x，y，z轴的夹角，n2同上。(7.2)利用旋转矩阵等方法补偿不共面和不垂直带来的误差。计算激光平面所确定的空间直角坐标系到世界坐标系的对应关系即旋转矩阵:8.利用旋转矩阵M，将轨轮廓线的物方坐标进行变换，计算轮廓线的标准坐标,部分铁轨轮廓图如图16，其中特征点坐标：H＝(-31.689mm，160mm)，V＝(-12.167mm，172.310mm)。本方案的标定不同于普通多目视觉标定，一是本专利系统是对激光面成像，二是不同相机没有公共视场。因此本专利提出利用升降台升降标定板的方法来进行激光面标定以及像面到世界坐标的转换关系标定，最后用多项式拟合的方法进行具体计算，对安装误差进行投影处理，并进行了实验验证，达到精度要求。良好的解决了技术背景中存在的主要问题，该方法简单灵活精度高，有效的完成标定模型高精度的三维标定。本专利中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属
技术领域：
的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。当前第1页1 2 3