一种铁轨无损检测小车及方法

本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种铁轨无损检测小车及方法。

背景技术：

铁路运输在国民的生活中一直扮演着重要的角色，是国民经济的大动脉。在我国铁路运输作为连接社会资源的枢纽，它承担了百分之六十的旅客周转和百分之七十的货物运输，成为了人们生活中的重要组成部分。列车夜以继日的运行导致钢轨、扣件、轨道板和接触网等铁路基础设施出现非正常状态，其中钢轨的缺陷对铁路运行的安全影响最大。如果对表面缺陷不及时进行检测和维修，会对钢轨内部造成损伤，进而使得钢轨断裂，列车脱轨，造成重大的安全事故，对国家和人民的生命财产安全造成重大损失。

针对钢轨表面缺陷的检测，传统人工巡检主要依靠人工对铁轨以月、季、年为巡检周期对铁路进行巡检。人工巡检存在着许多不足之处：速度慢，人工巡检依靠人工行走，其速度远远达不到周期性检测铁轨缺陷的速度要求。并且检测人员在上岗之前需要接受专业的培训，效率十分低下；精度和准确度低，受钢轨探伤仪的检测原理的局限性，其检测精度较低，且容易受到铁轨轮廓、环境、铁轨表面杂物的影响。由于不同人的经验有差别，人工巡检的精度受到限制，缺陷判定标准也难以统一；安全隐患大。由于铁路运行，特别是高速铁路运行多集中在日间，导致了检测和维修工作多集中在夜间，不利于巡检工人的人身安全。综上，如何高效巡检铁轨表面缺陷是亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供一种铁轨无损检测小车，用以解决如何高效巡检铁轨表面缺陷的问题。

本发明提供一种铁轨无损检测小车，包括：检测车支架、牵动装置以及检测平台，所述检测车支架下方安装有所述牵动装置，当所述牵动装置沿铁轨滑动时，带动所述检测车支架沿铁轨移动；所述检测车支架上设有所述检测平台，所述检测平台包括触发机构、至少一个拍摄机构组、定位机构、陀螺仪以及数据处理中心，其中，所述触发机构包括设置于所述检测车支架上方的计数器和设置于所述检测车支架下方的光电编码器；所述光电编码器通过联轴器与所述牵动装置连接；所述至少一个拍摄机构组分别设置于所述检测车支架下方的不同位置，用于拍摄铁轨的内外侧；所述定位机构与所述计数器叠置，并共同设置与所述检测车支架的上方；所述陀螺仪、所述数据处理中心设置于所述检测车支架的上方，所述数据处理中心分别与所述触发机构、所述至少一个拍摄机构组、所述定位机构、所述陀螺仪通信连接。

进一步地，所述牵动装置包括导轨轮支架和导轨组，其中，所述导轨轮支架设置在所述检测车支架上，所述导轨轮支架下方安装有导轨组。

进一步地，所述拍摄机构组包括线激光器和相机，其中，所述线激光器用于发出线结构光，所述相机朝向铁轨，用于拍摄铁轨的表面。

本发明还提供一种铁轨无损检测方法，基于如上所述的铁轨无损检测小车，包括：

初始化所述铁轨无损检测小车的运行参数；

在所述铁轨无损检测小车行驶过程中，牵动装置旋转带动光电编码器旋转，并发出脉冲信号，根据所述脉冲信号，计数器开始计数，确定对应的统计数目发送至数据处理中心；

当所述统计数目满足预设条件时，数据处理中心下发触发命令到至少一个拍摄机构组、定位机构、陀螺仪，分别获取对应采集的检测图像、小车倾角信息和小车位置信息；

根据所述检测图像、所述小车倾角，确定对应的点云数据，并根据所述小车位置信息，确定对应的坐标数据；

根据所述点云数据和所述坐标数据，确定所述待测铁轨对应的缺陷信息。

进一步地，所述运行参数包括拍摄参数和行驶参数，所述初始化所述铁轨无损检测小车的运行参数包括：

对所述铁轨无损检测小车的拍摄机构组的所述拍摄参数进行标定，其中，所述拍摄参数包括相机的内参数、外参数和光平面方程；

对所述牵动装置的所述行驶参数进行设置，其中，所述行驶参数包括行驶方向和行驶速度。

进一步地，所述预设条件包括：当所述统计数目为预设数值的整数倍。

进一步地，所述小车倾角包括横摇角和偏航角，所述根据所述检测图像、所述小车倾角，确定对应的点云数据包括：

根据所述检测图像中的光条像素坐标、所述内参数、所述外参数和所述光平面方程，确定点云三维坐标；

根据所述横摇角和所述偏航角，对所述点云三维坐标进行倾斜校正，确定所述点云数据。

进一步地，所述根据所述点云数据和所述坐标数据，确定所述待测铁轨对应的缺陷信息包括：

基于主成分分析法，将所述点云数据进行降维处理，确定对应的降维数据；

根据所述降维数据与标准铁轨断面进行配准，计算所述待测铁轨的磨损量大小；

对所述检测图像进行图像处理，确定对应的缺陷长度、缺陷面积；

根据所述坐标数据，确定所述缺陷长度、所述缺陷面积对应的缺陷位置。

进一步地，所述对所述检测图像进行图像处理，确定对应的缺陷长度、缺陷面积包括：

针对所述检测图像进行图像处理，确定表面缺陷特征；

将所述表面缺陷特征输入至训练完备的神经网络进行识别与分类，输出缺陷长度、缺陷面积。

进一步地，所述预设数值取决于相机采集图像的帧数大小和系统算法处理速度。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过在检测平台中设置光电编码器、计数器、拍摄机构组、定位机构、陀螺仪以及数据处理中心，光电编码器通过联轴器与检测小车车轮的轴相互连接，光电编码器连接到计数器上，计数器连接在数据处理中心上面，一方面可以作为计算缺陷位置的信息，另一方面可以计算出检测小车的运行速度，作为控制检测小车匀速运行的依据，计数器用来记录光电编码器发出脉冲信号的累计数量，陀螺仪的主要作用是采集检测小车运行过程中的车身姿态变化，主要包括横摇角和偏航角，以此结合多方面信息对缺陷进行检测；通过设置检测车支架，固定检测平台中的多个部件，同时连接牵动装置；通过设置牵动装置，使小车能沿着铁轨进行滑动。综上，本发明涉及无损检测小车的搭建和数据处理两个方面，无损检测小车的搭建主要包括确定工作平台中各个零件的布置方案、各个零部件的选型与设计以及检测流程的确定，由此来保证工作平台能够正常稳定的运行；在数据分析方面，本发明结合图像处理技术、信号特征分析技术等手段，对收集到的数据进行处理和分析，实现对铁轨内外部不同缺陷的测量。

附图说明

图1为本发明提供的铁轨无损检测小车的结构示意图；

图2为本发明提供的铁轨无损检测方法的流程示意图；

图3为本发明提供的步骤s4的流程示意图；

图4为本发明提供的步骤s5的流程示意图；

图5为本发明提供的步骤s53的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明实施例提供了一种铁轨无损检测小车，结合图1来看，图1为本发明提供的铁轨无损检测小车的结构示意图，包括：检测车支架1、牵动装置2以及检测平台3，检测车支架1下方安装有牵动装置2，当牵动装置2沿铁轨滑动时，带动检测车支架1沿铁轨移动；检测车支架1上设有检测平台，检测平台包括触发机构301、至少一个拍摄机构组302、定位机构303、陀螺仪304以及数据处理中心305，其中，触发机构301包括设置于检测车支架上方的计数器3011和设置于检测车支架下方的光电编码器3012；光电编码器3012通过联轴器与牵动装置2连接；至少一个拍摄机构组302分别设置于检测车支架1下方的不同位置，用于拍摄铁轨的内外侧；定位机构303与计数器3011叠置，并共同设置与检测车支架1的上方；陀螺仪304、数据处理中心305设置于检测车支架1的上方，数据处理中心1分别与触发机构301、至少一个拍摄机构组302、定位机构303、陀螺仪304通信连接。

在本发明实施例中，通过在检测平台中设置光电编码器、计数器、拍摄机构组、定位机构、陀螺仪以及数据处理中心，光电编码器通过联轴器与检测小车车轮的轴相互连接，光电编码器连接到计数器上，计数器连接在数据处理中心上面，一方面可以作为计算缺陷位置的信息，另一方面可以计算出检测小车的运行速度，作为控制检测小车匀速运行的依据，计数器用来记录光电编码器发出脉冲信号的累计数量，陀螺仪的主要作用是采集检测小车运行过程中的车身姿态变化，主要包括横摇角和偏航角，以此结合多方面信息对缺陷进行检测；通过设置检测车支架，固定检测平台中的多个部件，同时连接牵动装置；通过设置牵动装置，使小车能沿着铁轨进行滑动。

优选地，牵动装置包括导轨轮支架201和导轨组202，其中，导轨轮支架201设置在检测车支架1上，导轨轮支架1下方安装有导轨组202。作为具体实施例，本发明实施例设置导轨轮支架和导轨组有效牵动小车沿铁轨滑动。

优选地，拍摄机构组302包括线激光器3021和相机3022，其中，线激光器3021用于发出线结构光，相机3022朝向铁轨，用于拍摄铁轨的表面。作为具体实施例，本发明实施例设置有效的激光器和相机，相互配合，完成对铁轨的拍摄。

实施例2

本发明实施例提供了一种铁轨无损检测方法，结合图2来看，图2为本发明提供的铁轨无损检测方法的流程示意图，基于上述的铁轨无损检测小车，包括步骤s1至步骤s5，其中：

在步骤s1中，初始化铁轨无损检测小车的运行参数，其中，运行参数决定着小车各个部件的运行，比如拍摄参数和行驶参数；

在步骤s2中，在铁轨无损检测小车行驶过程中，牵动装置旋转带动光电编码器旋转，并发出脉冲信号，根据脉冲信号，计数器开始计数，确定对应的统计数目发送至数据处理中心；

在步骤s3中，当统计数目满足预设条件时，数据处理中心下发触发命令到至少一个拍摄机构组、定位机构、陀螺仪，分别获取对应采集的检测图像、小车倾角信息和小车位置信息；

在步骤s4中，根据检测图像、小车倾角，确定对应的点云数据，并根据小车位置信息，确定对应的坐标数据；

在步骤s5中，根据点云数据和坐标数据，确定待测铁轨对应的缺陷信息。

在本发明实施例中，首先，初始化运行参数，保证小车的初始运行；然后，利用光电编码器和计数器进行有效触发，保证多种数据的同步采集；接着，在触发命令的作用下，同步采集检测图像、小车倾角信息和小车位置信息；进而，对多种采集数据做不同的数据处理，确定对应的点云数据和坐标数据；最后，结合点云数据和坐标数据，确定铁轨的缺陷信息。

优选地，运行参数包括拍摄参数和行驶参数，初始化铁轨无损检测小车的运行参数包括：

对铁轨无损检测小车的拍摄机构组的拍摄参数进行标定，其中，拍摄参数包括相机的内参数、外参数和光平面方程；

对牵动装置的行驶参数进行设置，其中，行驶参数包括行驶方向和行驶速度。

作为具体实施例，本发明实施例对拍摄参数和行驶参数进行有效的初始化，保证小车初始运行的高效性和稳定性。

需要说明的是，内参数指的是相机的内参数(焦距、主点坐标顿号、坐标轴倾斜参数、镜头径向畸变、切向畸变)是与相机自身特性相关的参数；外参数(旋转矩阵、平移矩阵)是世界坐标系与相机坐标系的转换矩阵；光平面参数是线激光器所发出的激光的平面在相机坐标系中的平面方程。

优选地，预设条件包括：当统计数目为预设数值的整数倍。作为具体实施例，本发明实施例当计数器的统计数目为m(预设数值)的整数倍时，进行触发，保证多种信号的同步处理。

优选地，预设数值取决于相机采集图像的帧数大小和系统算法处理速度。作为具体实施例，本发明实施例依据实际应用场景确定预设数值，即采样周期，采样周期为系统的采样周期、这里主要取决于相机采集图像的帧数大小、系统算法处理速度，通常系统采样周期应大于相机采样周期，但为了提高检测速度和获取更多的采集数据，周期尽量小，所以此值依据系统整体响应速度确定。

优选地，小车倾角包括横摇角和偏航角，结合图3来看，图3为本发明提供的步骤s4的流程示意图，包括步骤s41至步骤s42，其中：

在步骤s41中，根据检测图像中的光条像素坐标、内参数、外参数和光平面方程，确定点云三维坐标；

在步骤s42中，根据横摇角和偏航角，对点云三维坐标进行倾斜校正，确定点云数据。

作为具体实施例，本发明实施例利用检测图像和小车倾角信息，有效确定点云数据。

优选地，结合图4来看，图4为本发明提供的步骤s5的流程示意图，包括步骤s51至步骤s54，其中：

在步骤s51中，基于主成分分析法，将点云数据进行降维处理，确定对应的降维数据；

在步骤s52中，根据降维数据与标准铁轨断面进行配准，计算待测铁轨的磨损量大小；

在步骤s53中，对检测图像进行图像处理，确定对应的缺陷长度、缺陷面积；

在步骤s54中，根据坐标数据，确定缺陷长度、缺陷面积对应的缺陷位置。

作为具体实施例，本发明实施例根据点云数据的降维处理和配准处理，确定相对应的磨损量大小，且利用对检测图像的图像处理，确定对应的缺陷长度、缺陷面积，同时，结合坐标数据，对缺陷位置进行定位。

优选地，结合图5来看，图5为本发明提供的步骤s53的流程示意图，包括步骤s531至步骤s532，其中：

在步骤s531中，针对检测图像进行图像处理，确定表面缺陷特征；

在步骤s532中，将表面缺陷特征输入至训练完备的神经网络进行识别与分类，输出缺陷长度、缺陷面积。

作为具体实施例，本发明实施例利用神经网络对检测图像的处理，快速、高效确定缺陷长度、缺陷面积。

本发明公开了一种铁轨无损检测小车及方法，通过在检测平台中设置光电编码器、计数器、拍摄机构组、定位机构、陀螺仪以及数据处理中心，光电编码器通过联轴器与检测小车车轮的轴相互连接，光电编码器连接到计数器上，计数器连接在数据处理中心上面，一方面可以作为计算缺陷位置的信息，另一方面可以计算出检测小车的运行速度，作为控制检测小车匀速运行的依据，计数器用来记录光电编码器发出脉冲信号的累计数量，陀螺仪的主要作用是采集检测小车运行过程中的车身姿态变化，主要包括横摇角和偏航角，以此结合多方面信息对缺陷进行检测；通过设置检测车支架，固定检测平台中的多个部件，同时连接牵动装置；通过设置牵动装置，使小车能沿着铁轨进行滑动。

本发明技术方案，涉及无损检测小车的搭建和数据处理两个方面，无损检测小车的搭建主要包括确定工作平台中各个零件的布置方案、各个零部件的选型与设计以及检测流程的确定，由此来保证工作平台能够正常稳定的运行；在数据分析方面，本发明结合图像处理技术、信号特征分析技术等手段，对收集到的数据进行处理和分析，实现对铁轨内外部不同缺陷的测量，利用线结构光在物体三维几何形貌测量方面精度高，抗干扰性强等优点，实现对钢轨表面磨耗、剥落和擦伤等表面缺陷的检测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。