技术领域本发明涉及列车轨道测量技术领域。更具体地说，本发明涉及高速铁路Ⅲ型无砟轨道板外观尺寸检测。
背景技术：
CRTSⅢ型的轨道板是我国完全自主知识产权研发、一次成型的新型板式无砟轨道，目前已经在全国高铁项目上推广应用。相对I型、II型无砟轨道板。由于是一次加工成型，III型无砟轨道对加工尺寸要求严格十分严格，要求加工尺寸误差在限差内(部分要求0.5mm)。铁总科技﹝2013﹞125和162号文件要求：必须逐个对III板进行检测。检测分为：10大类、19项数据的检测。主要包含底座板外观三维尺寸；承轨台内测尺寸、底部坡度；预埋套管中心距离、线性度、纵断面坡度等。目前，高速铁路Ⅲ型无砟轨道板外观尺寸检测主要有以下两种手段：(1)基于马达驱动型全站仪+特殊工装的方式:在Ⅱ型无砟轨道板尺寸检测的基础上，对工装类型进行改进、对全站仪数据获取和分析软件进行升级，实现Ⅲ型无砟轨道板外观尺寸检测。国内市场上有南方测绘、成都普罗米新、中铁十二局等单位研制的轨道板检测系统。此类方法是目前工程上应用最多的检测手段，可实现轨道板外观尺寸直接检测。按照规范要求，要对一块轨道板外观尺寸进行完整检测，整套工序的检测时间约40分钟。要实现每一块轨道板检测，效率上很难满足轨道板厂实际生成需求。(2)基于近景摄影测量+机械驱动方式：解放军信息工程大学的卢书和中国矿业大学范生宏论述了此方法。基于近景摄影测量系统的自动化检测系统，通过步进电机驱动摄像机，让摄像机在轨道板上方沿着设定的路线进行移动摄像。此类方法可以实现轨道板外观尺寸的快速获取，再通过分析软件的处理，实现轨道板外观尺寸结果的自动生成。此类方法虽然在效率上得到很大的提高，但需要对检测现场进行改造，扫描仪运动的机械装置较为复杂，不能实现灵活的数据获取方式。另外，此方法需要在轨道板表面投射可见光源的激光光束，再通过计算机处理程序自动获取激光光束对应的轨道板坐标。由于承轨台内侧表面的激光光束数量有限，所获取的每个平面点数量只有大约6个，这种方式不能完整重建每个平面的精细模型。在申请号为201310747631.5，名称为《无砟轨道板尺寸检测方法及装置》的专利申请中，该方法采用从不同方向及位置对所述无砟轨道板进行拍摄，得到无砟轨道板的多个影像相片，由于每一张相片都是相对的，如果要把所有拍摄的相片拼接起来，就需要把每一张相片和模型进行拟合拼接，才能获得整个轨道板模型，十分繁琐。传统方法采用全站仪直接测量球型棱镜中心点的位置，属于单点定位测量，一般是测量2～3次，取测量的平均值，由于没有多余观测量，无法进行平差计算，精度较低，一般为0.3mm点位精度。
技术实现要素：
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。本发明还有一个目的是提供一种实现轨道板便捷、快速与高精度的检测方法。为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种检测CRTSⅢ型的轨道板外观尺寸偏差的方法，所述轨道板至少包括承轨台和预埋套管，包括以下步骤：S1、利用激光跟踪仪结合手持式激光扫描仪扫描待检测的高速铁路轨道板，获取所述轨道板表面的点云数据；S2、建立轨道板局部坐标系，将所述点云数据纠正至此坐标系，得到轨道板局部坐标系下的点云数据；S3、对所述坐标系下的点云数据进行分类，得到承轨台内表面以及预埋套管的点云数据；S4、采用平面拟合法从所述承轨台内表面的点云数据提取承轨台内表面的模型参数，同时采用球型模型拟合法从所述预埋套管的点云数据提取预埋套管的参数；S5、利用提取的承轨台内表面及预埋套管的参数，对比轨道板设计文件，计算轨道板尺寸偏差。优选地，所述承轨台内表面的参数包括所述承轨台底面平面的承轨面参数以及所述承轨台两侧平面的钳口面参数。优选地，所述预埋套管的中心三维坐标通过扫描插入所述预埋套管中的自归心球型工装顶部球模型表面获得；其中，所述自归心工装的底部为可插入预埋套管中的锥形塞子，所述锥形塞子的底部平面与所述承轨面贴合。优选地，所述步骤3中承轨面的点云数据分类的方法为：S3-1、根据所述承轨台底部平面的边界坐标定义承轨面边界包络多边形，所述包络多边形为忽略承轨面高程信息的二维平面多边形；S3-2、遍历扫描获取的整块轨道板点云，判断每一个点是否在所述包络多边形内，在XOY投影平面内完成承轨面的初步分类；S3-3、根据承轨面高程的最大值和最小值，采用高程滤波的方法，设定一定的高程阈值，遍历上一步矩形分割的点云数据，判断此点云数据对应的高程值是否在此高程范围，在此高程范围内的点，定义为承轨面点云数据。优选地，所述激光跟踪仪的型号为LeicaAT960，所述激光扫描仪型号为LeicaT-Scan5。优选地，所述激光扫描仪至所述激光跟踪仪距离为1-10米。本发明至少包括以下有益效果：1、检测效率：全站仪+工装方式，一块板整套检测时间约40分钟，严重影响正常的生产工序；激光跟踪和手持扫描仪组合技术只需3～5分钟，不影响正常的生产工序，效率优势明显。2、人员投入：全站仪+工装方式，需要两个技术人员协同完成；激光跟踪和手持扫描仪组合技术只需要一个人，如果采用机械臂协助扫描，可以实现自动化检测；3、成果精度：全站仪测距误差约为0.3mm，很难实现0.5mm检测误差的精度要求，扫描仪精度基本满足；激光跟踪和手持扫描仪组合技术的整体精度可以实现0.06mm，轨道板检测规范要求。4、检测效果：全站仪+工装方式只能进行固定点的检测，激光跟踪和手持扫描仪组合技术可以实现全面系统的检测，就像给轨道板做一次全身健康检查，不丢失任意位置的加工偏差。5、运行成本：按照每100公里3万6千块板、每块板节约40分钟，节约2万4千小时，按照每天8小时工作制，可以节约3千个工作日，按照每人每天200元，每百公里就可以节约120万元的人工费。本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明图1为本发明的流程图；图2为P5600型号的轨道板的结构示意图；图3a为轨道板左侧承轨台预埋套管中心距离图；图3b为轨道板右侧承轨台预埋套管中心距离图。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。如图1所示，本发明提供一种检测高速铁路CRTSⅢ型无砟轨道板外观尺寸偏差的方法，所述轨道板至少包括承轨台和预埋套管，包括以下步骤：S1、利用激光跟踪仪结合手持式激光扫描仪扫描待检测的高速铁路轨道板，获取所述轨道板表面的点云数据；S2、建立轨道板局部坐标系，将所述点云数据纠正至此坐标系，得到轨道板局部坐标系下的点云数据；S3、对所述坐标系下的点云数据进行分类，得到承轨台内表面以及预埋套管的点云数据；S4、采用平面拟合法从所述承轨台内表面的点云数据提取承轨台内表面的模型参数，同时采用球型模型拟合法从所述预埋套管点云数据提取预埋套管的参数；S5、利用提取的承轨台内表面及预埋套管的参数，对比轨道板设计文件，计算轨道板尺寸误差。本方法是激光跟踪仪和手持扫描仪组合技术，激光跟踪仪给手持扫描仪提供实时位置和姿态，扫描点云是在同一坐标系中，不需要进行模型拼接。通过模型拟合的方法分别对承轨台的承轨面(底面平面)、钳口面(两侧平面)进行平面拟合，对预埋套管进行球型拟合。由于预埋套管直径仅25.5mm，深度达141mm，这样的尺寸比例，不利于扫描仪直接获取预埋套管内侧点云数据，因此为了获得承轨台底部嵌入的预埋套管中心三维坐标，即预埋套管中轴线与承轨面的交点坐标，本申请人设计了自归心球型工装，所述自归心工装设计为：其底部为可插入预埋套管中的锥形塞子，插入预埋套管后的自归心工装底部的平面与承轨面严密贴合，贴合后的自归心球型工装的底面至顶部球的高度为固定值，且可以通过游标卡尺精确的测量，本方法中的自归心球型工装高度H为120mm，自归心球型工装顶部的球中心在承轨面上的投影点即为预埋套管中心点，且可以通过游标卡尺精确测量球的半径，本方法采用的球半径为45mm。通过扫描自归心球型工装方式，间接获取预埋套管中心三维坐标。在所述步骤S1中，扫描承轨台时，将自归心球型工装插入对应预埋套管中，扫描自归心球型工装顶部球模型表面。采用自归心工装的方式，间接获取预埋套管中心位置，扫描效率显著提高。为了实现从扫描获取的整块轨道板表面点云数据中，分类出承轨台底部的承轨面以及两侧的钳口面的激光点云，所述步骤S3包括以下步骤，由于高速铁路进行设计时，每一块轨道板会设计一个全线唯一的编号，此编号的轨道板会提供设计参数，设计参数中包含轨道板部件的尺寸和相对位置，因此根据此轨道板承轨台底部平面的边界坐标定义承轨面边界包络多边形，此包络多边形为忽略承轨面高程信息的二维平面多边形，再遍历扫描获取的整块轨道板点云，判断每一个点(同样忽略点的高程值)是否在这个多边形内，采用这种方法，在XOY投影平面内完成承轨面的初步分类；其次，由于轨道板的设计文件中会定义承轨面的最低点、最高点及平面坡度值，因此，如公式1所示，根据承轨面高程的最大值和最小值，采用高程滤波的方法，设定一定的高程阈值，遍历上一步矩形分割的点云数据，判断此点云数据对应的高程值是否在此高程范围，在此高程范围内的点，定义为承轨面点云。同理可得到承轨台两侧的钳口面点云分类。公式1：Zmin-δ≤Zpi≤Zmax+δ；对点云数据进行高程滤波的计算公式其中，Zmin：轨道板设计文件中定义承轨面或钳口面的最小高程值；Zmax：轨道板设计文件中定义承轨面或钳口面的最大高程值；δ：激光点云高程滤波中的阈值，可根据扫描仪精度进行设定；Zpi：待分类的点云数据对应的高程值。进一步地，由于在高速铁路在设计时，会设计每一块无砟轨道板的参数，该参数包含了预埋套管的相对位置坐标，以下步骤为预埋套管中心局部坐标系下的设计三维坐标计算过程：以P5600型号的轨道板举例，如图2所示，此型号的预埋套管由9*4矩阵形式排列组成(图片逆时针翻转90°观察)。从轨道板设计标准平面图中可以读取:单侧承轨台预埋套管中心平面距离W1为233.3mm，两侧承轨台预埋套管对称中心平面距离W2为1515.6mm，单侧相邻承轨台预埋套管对称中心的平面距离L为630mm，两侧承轨面均设计为向线路内侧倾斜，倾斜坡度S为1:40。沿线路方向左侧承轨台的左边第一个预埋套管中心定义为轨道板局部坐标系原点，点号定义为T11,坐标值为(0，0，0)，其他任意预埋套管点号定义为Tij(其中i为预埋套管的行号，j为预埋套管的列号)，P5600型号轨道板任意预埋套管中心的局部坐标系的设计坐标值为：Yij＝{YT11+L*(i-1)＝630*(i-1)mm其中，i:承轨台行号，j:承轨台列号，W1:单侧承轨台预埋套管中心平面距离，W2:两侧承轨台预埋套管对称中心平面距离，L:单侧相邻承轨台预埋套管对称中心的平面距离，S:两侧承轨面向线路内侧倾斜坡度。其他两种型号的直线板(P4925、P4856)，也可以根据上面列举的公式，计算预埋套管设计中心在轨道板局部坐标系下的三维坐标值。曲线板相对于直线板，对应的承轨台在线路横向水平移动调整、在线路纵向上下移动调整，具体的调整值在设计文件中明确。如果设计文件中给定每一块板每一个预埋套管中心的工程坐标系下的三维坐标值，可以假设沿线路方向左下角第一个预埋套管中心为轨道板局部坐标系原点，其他预埋套管中心在轨道板局部坐标系下的设计坐标值，可以通过坐标系转换获得。将自归心球型工装安放于预埋套管处，再利用手持式激光扫描仪获取所述自归心球型工装表面激光点云，由于自归心球型工装顶部球型中心至工装底部的高度可以预先量测，自归心球型工装顶部球的中心理论三维坐标即可计算。由于加工误差一般较小，各预埋套管的位置基本固定，经过坐标系纠正的轨道板点云数据，可以设定一定的距离阈值，利用公式2所示的半径搜索的算法，进行半径搜索，可实现自归心球型工装激光点云自动分类。本方法通过扫描精密加工的球型表面，获得球表面大量激光点数据(约50个激光点/球)，再通过模型拟合的方法，可以提高测量精度，精度约为0.03mm的点位精度。公式2：(R+δ)2≤(Xi-X0)*(Xi-X0)+(Yi-Y0)*(Yi-Y0)+(Zi-Z0)*(Zi-Z0)对点云数据进行半径搜索的计算公式其中，Xi\\Yi\\Zi：轨道板激光点云数据的三维坐标；X0\\Y0\\Z0：轨道板设计文件中定义预埋套管顶部的自归心球形工装球心坐标；R：自归心球形工装球形半径值；δ：激光点云半径搜索的距离阈值，可根据扫描仪精度进行设定。实验与分析为了评价本文介绍方法的可靠性与精度，在某客专某板厂进行扫描实验。该线采用CRTSⅢ型轨道板，目前的检测方法主要是采用自动马达型全站仪+特殊工装来实现。本文选择瑞士徕卡测量系统的激光跟踪仪，绝对激光跟踪仪的型号为LeicaAT960，位置精度为：U_(x,y,z)＝0.015mm+0.006mm/m。手持激光扫描仪型号为LeicaT-Scan5，精度为：0.060mm，最大测量速率为：210000点/秒。激光跟踪仪设站在待检测轨道板附近区域，手持扫描仪至激光跟踪仪距离控制在10米范围内。将扫描仪获取的轨道板表面激光点云数据，导入轨道板点云数据处理软件，经过简单的交互操作，即可生成规范中要求的轨道板外观尺寸检测内容。图3a显示了轨道板左侧承轨台预埋套管中心距离，图3b显示了轨道板右侧承轨台预埋套管中心距离。此距离只是成果中的一项内容，其他各检测项也生成类似的表格和相应的曲线图。由于激光特性和采用的自归心工装，规范中要求的预埋套管歪斜和凸起高度，以及保护层厚度3项指标无法测量，可借助其他工装辅助测量。为了验证本文提出的检测方法可靠性，将从两个方面进行精度评定。首先分析模型拟合的精度，球型拟合的标准差为0.13mm，平面拟合的标准差为0.06mm。其次，采用传统全站仪检测方法，测量预埋套管距离，结果如表1。由于采用不同的设备，所以全站仪和扫描仪精度不完全一致，但是偏差值基本一致。表1全站仪测量的同一承轨台两相邻套管中心距表本发明的工业实用性采用激光跟踪仪+手持扫描仪技术，可以实现轨道板表面点云的快速高精度获取。针对轨道板检测规范要求的检测项目，编写激光点云数据处理软件，通过点云分类和采样一致性算法，提取轨道板部件模型，再与设计文件进行比较，可以自动实现轨道板外观尺寸检测。后期，可将扫描仪安置在机械臂上，实现在线自动化扫描与数据分析。1、检测效率：全站仪+工装方式，一块板整套检测时间约40分钟，严重影响正常的生产工序；激光跟踪和手持扫描仪组合技术只需3～5分钟，不影响正常的生产工序，效率优势明显。2、人员投入：全站仪+工装方式，需要两个技术人员协同完成；激光跟踪和手持扫描仪组合技术只需要一个人，如果采用机械臂协助扫描，可以实现自动化检测；3、成果精度：全站仪测距误差约为0.3mm，很难实现0.5mm检测误差的精度要求，扫描仪精度基本满足；激光跟踪和手持扫描仪组合技术的整体精度可以实现0.06mm，轨道板检测规范要求。4、检测效果：全站仪+工装方式只能进行固定点的检测，激光跟踪和手持扫描仪组合技术可以实现全面系统的检测，就像给轨道板做一次全身健康检查，不丢失任意位置的加工偏差。5、运行成本：按照每100公里3万6千块板、每块板节约40分钟，节约2万4千小时，按照每天8小时工作制，可以节约3千个工作日，按照每人每天200元，每百公里就可以节约120万元的人工费。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。