车载钢轨轨距测量系统及测量方法与流程

本发明涉及以采用光学方法为特征的计量设备
技术领域：
，尤其涉及一种车载钢轨轨距测量系统及测量方法。
背景技术：
：在自然因素和列车载荷反复作用的影响下，轨道不仅容易产生弹性变形，而且经常发生永久变形，形成轨道不平顺。轨道不平顺可以引起列车各种振动，使轮轨作用力发生变化，是轨道方面影响列车运行安全性和平稳性的控制因素，是轨道结构部件损伤和失效的重要原因。随着高速铁路运营速度的提升和运营规模的扩大，加强轨道动态检测，及时掌握轨道状态信息，正确指导线路养护维修，确保轨道交通的运输安全，已成为轨道交通工作中的一项重要基础工作。轨道轨距作为最基本的轨道几何参数之一，一直是轨道检测的重要内容。轨距检测的关键是如何快速正确的选取轨距特征点以准确计算轨距值。由于轨道两端轨距测量点难以选定，当前轨距检测方法大多采用激光三角原理，首先分别采集单端轨道工作边轮廓，通过对左右轨道传感器坐标与基准坐标标定实现轨道工作边轮廓的图像融合，最终确定轨距测量点并实现轨距计算。此类方法首先运算较为复杂，每完成一次轨距计算，都需要分别对轨道两端传感器与空间坐标标定、激光轮廓曲线的提取、平滑滤波、轨头圆弧匹配、轨距计算点提取等空间变换和图像处理过程，计算量较大。与此同时，动态检测过程中，振动噪声的加剧与噪声类型的变化使得两传感器坐标与空间坐标标定和激光光带中心的定位算法的鲁棒性有待验证。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种车载钢轨轨距测量系统及测量方法，所述方法通过几何变换将两侧轨距特征点横移量的测量变为轨腰激光光斑中心点垂向位移的测量，提高了轨距特征点横移量值的分辨率，同时降低了振动对轨距特征点的轮轨相对位移检测的干扰。为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种车载钢轨轨距测量系统，其特征在于：包括第一至第二相机、第一至第二激光源、第一至第二倒T型固定架和计算机，所述第一相机与第一激光源通过第一倒T型固定架固定在机车转向架上，第一相机用于以一定的俯角拍摄左侧钢轨的侧面图像信息，所述第二相机与第二激光源通过第二倒T型固定架固定在机车转向架上，第二相机用于以一定的俯角拍摄右侧钢轨的侧面图像信息；第一至第二相机分别与所述计算机电连接，计算机用于根据第一相机和第二相机采集的图像提取激光光斑中心点的垂向位置信息，并与激光光斑中心点初始时刻的位置做对比，分别计算两个时刻左右两侧激光光斑中心点的垂向移动距离，根据激光光斑中心点垂向移动距离与轮轨相对横移的几何关系得出轮轨相对横向移动距离，即轮轨工作边轨距计算点横向移动距离，由两侧轮轨相对横移量变化的差值，得到轨距变化量，从而求得轨道轨距，由惯性基准测量单元对所测轨距进行调整，得到垂直于轨道铺设方向的动态轨距。进一步的技术方案在于：所述第一至第二倒T型固定架包括垂直杆和水平杆，所述垂直杆的上端与所述转向架固定连接，所述垂直杆的下端与所述水平杆固定连接，所述垂直杆垂直于水平面，水平杆与钢轨平行，所述相机和激光源固定在所述水平杆上。进一步的技术方案在于：所述第一至第二相机的镜头和第一至第二激光源的发射头轴线所在的平面与钢轨走向保持垂直，且两个所述激光源的焦点在垂直于钢轨走向的同一平面内。进一步的技术方案在于：所述第一相机和第二相机采集的图像信息包括钢轨轨头外侧面底线和激光光斑。进一步的技术方案在于：所述计算机内设置同步图像采集卡，所述第一相机和第二相机采集的图像通过所述同步采集卡同步传输给计算机进行图像处理。本发明还公开了一种钢轨轨距测量方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：将第一相机和第一激光源通过第一倒T型固定架固定在机车转向架的左侧，将第二相机和第二激光源通过第二倒T型固定架固定在机车转向架的右侧，所述相机用于拍摄相应的所述激光源在钢轨侧面形成的激光光斑以及钢轨轨头外侧面底线位置图像，所述相机的镜头和所述激光源的发射头的轴线所在平面与钢轨走向保持垂直且两个所述激光源的焦点在垂直于钢轨走向的同一平面内；标定静止时刻左右两侧激光光斑中心所在对应的轨道轨距，并通过计算机同步获取第一相机和第二相机采集的图像信息；在机车运动的过程中，计算机对获取的图像信息进行分析和处理，实时得到左右侧钢轨外侧轨头底线与激光光斑位置信息；将左右侧钢轨轨头外底线与激光光斑中心点图像垂向距离转变为实际空间距离，对比初始时刻图像信息，得到两时刻激光光斑中心点垂向位移，由激光光斑中心点垂向位移与横向位移的几何关系，得到两侧钢轨相对于轮对的横向位移变化即轨距检测点与轮对的横向位移，根据轮对相对于两侧轨距检测点位移变化的差值即为轨距变化量；由惯性基准测量单元采集转向架空间扭转角度信息；根据基准轨距、轨距变化量和转向架空间扭转角度信息，进行计算得到垂直于轨道铺设方向的动态轨距。进一步的技术方案在于：所述的在机车运动的过程中，计算机对获取的图像信息进行分析和处理，实时得到左右侧钢轨外侧轨头底线与激光光斑位置信息的方法如下：1)对第一相机和第二相机采集的图像进行灰度和滤波处理；2)通过边缘检测器提取左右钢轨轨头外侧面底线，以激光光斑中亮度最大像素点为种子，采用区域生长方法和灰度重心法提取激光光斑中心点，分别计算两侧激光光斑中心点到钢轨轨头底线的垂向图像距离；3)根据标定的图片单像素表示的实际距离，将上述步骤2)得到两侧激光光斑中心点到钢轨轨头底线的图像距离转换为垂向实际距离；4)利用基准轨道轨距、轨距变化量和空间扭转角度信息得到垂直于轨道铺设方向的标准轨距。进一步的技术方案在于：取垂直于钢轨侧面为X轴方向，水平面垂线方向为Y轴方向，钢轨走向为Z轴方向；第一相机与第二相机的镜头和第一激光源与第二激光源的发射头轴线位于XY平面内始终与Z轴保持垂直，且两个激光源的焦点在垂直Z轴的同一XY平面内；所述第一倒T型固定架和第二倒T型固定架的垂直杆平行于Y轴方向，水平杆平行于Z轴方向；在列车最大横摆范围内分别调整左右两侧的激光源的发射头轴线使其与XZ平面夹角为θ与β，使激光光斑始终在轨腰范围内移动，同时调整两侧相机镜头轴线与XZ平面的夹角为θ1与β1，使激光光斑始终在其图像中部移动；列车运行过程中，所述激光发射器的水平倾角θ与β和所述相机的水平倾角θ1与β1固定。进一步的技术方案在于：边缘检测器提取左右钢轨轨头外侧面底线，以激光光斑中亮度最大像素点为种子，采用区域生长方法和灰度重心法提取激光光斑中心点，分别计算两侧激光光斑中心点到钢轨轨头底线的垂向图像距离；设相机镜头轴心与地面保持θ1夹角，激光发射器中轴线与地面成θ角，初始时刻固定支架与钢轨水平距离是l1，检测时刻固定支架向右移动距离l，此时固定支架与钢轨水平距离是l2，激光光斑中心点水平位移nn1是实际的轮轨相对横移，定义初始图片上的横向位移s是n点到图片底部的距离，而轮轨发生相对位移时另一张图片上的横向位移s1是m点到图片底部的距离，则nn1测量值为nn1＝n1n11*k＝(s1-s)/sin(θ1-θ)*cosθ*k其中，n1m1是nm的实际长度在图片上所映射的距离；n1n11是nn1的实际长度在图片上所映射的距离；k是实际距离与图上距离之比。进一步的技术方案在于：根据轨距定义为轨内距与轮轨游离量之和即L轨＝L内+A1+A2列车运行过程中，目标测量间距A1与目标测量间距A2处于不断变化中，其变化量分别为ΔA1和ΔA2，ΔA1和ΔA2之和即为轨距变化量，设车体向右横移为正，轨距变化量Δ＝ΔA1+ΔA2，将通过第一相机与第二相机得到两侧轮轨相对横向位移之差作为轨距变化量，则轨距可动态表示为L轨＝L内+A1+A2+Δ。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法通过几何变换将两侧轨距特征点横移量的测量，变为轨腰激光光斑中心点垂向位移的测量，提高了轨距特征点横移量值的分辨率，同时降低了振动对轨距特征点的轮轨相对位移检测的干扰，测量精度高。附图说明图1是本发明实施例所述测量系统的结构示意图；图2是本发明实施例中轨距的定义图；图3是本发明实施例中轨道轨距检测原理图；图4是本发明实施例中单侧轮轨相对运动示意图；图5是本发明实施例中激光点图像检测的流程图；图6是本发明实施例中基于激光源的轮轨图像；图7是图6经过亮度均衡后的图像；图8是本发明实施例中激光点粗略定位算法流程图；图9是图7经闭操作后轮轨图像；图10是本发明实施例中激光点粗略定位结果图；图11是本发明实施例中激光点精确定位结果图；图12是本发明实施例中所述检测系统的相对横移坐标示意图；图13是本发明实施例中所述轨距测量系统的数据处理界面图；其中：1、第一相机2、第二相机3、第一激光源4、第二激光源5、第一倒T型固定架6、第二倒T型固定架7、机车转向架8、钢轨9、车轮10、激光光斑。具体实施方式下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。总体的，如图1所示，本发明公开了一种车载钢轨轨距测量系统，包括第一至第二相机1，2、第一至第二激光源3，4、第一至第二倒T型固定架5，6和计算机(图中未示出)。所述第一相机1与第一激光源3通过第一倒T型固定架5固定在机车转向架7上，第一相机1用于以一定的俯角拍摄左侧钢轨8的侧面图像信息，所述第二相机2与第二激光源4通过第二倒T型固定架6固定在机车转向架7上，第二相机2用于以一定的俯角拍摄右侧钢轨8的侧面图像信息；所述第一相机1和第二相机2采集的图像信息包括钢轨轨头外侧面底线和激光光斑。进一步的，所述第一至第二倒T型固定架5，6包括垂直杆和水平杆，所述垂直杆的上端与所述转向架7固定连接，所述垂直杆的下端与所述水平杆固定连接，所述垂直杆垂直于水平面，水平杆与钢轨8平行，所述相机和激光源固定在所述水平杆上。所述第一至第二相机1,2的镜头和第一至第二激光源3,4的发射头轴线所在的平面与钢轨8走向保持垂直，且两个所述激光源的焦点在垂直于钢轨8走向的同一平面内。所述计算机内设置同步图像采集卡，所述第一相机1和第二相机2采集的图像通过所述同步采集卡同步传输给计算机进行图像处理。计算机用于根据第一相机1和第二相机2采集的图像提取激光光斑中心点的垂向位置信息，并与激光光斑中心点初始时刻的位置做对比，分别计算两个时刻左右两侧激光光斑中心点的垂向移动距离，根据激光光斑中心点垂向移动距离与轮轨相对横移的几何关系得出轮轨相对横向移动距离，即轮轨工作边轨距计算点横向移动距离，由两侧轮轨相对横移量变化的差值，得到轨距变化量，从而求得轨道轨距，由惯性基准测量单元对所测轨距进行调整，得到垂直于轨道铺设方向的动态轨距。总体的，本发明还公开了一种钢轨轨距测量方法，所述方法包括如下步骤：S101：将第一相机1和第一激光源3通过第一倒T型固定架5固定在机车转向架7的左侧，将第二相机2和第二激光源4通过第二倒T型固定架6固定在机车转向架7的右侧，所述相机用于拍摄相应的所述激光源在钢轨8侧面形成的激光光斑以及钢轨轨头外侧面底线位置图像，所述相机的镜头和所述激光源的发射头的轴线所在平面与钢轨8走向保持垂直且两个所述激光源的焦点在垂直于钢轨8走向的同一平面内；S102：标定静止时刻左右两侧激光光斑中心所在对应的轨道轨距，并通过计算机同步获取第一相机1和第二相机2采集的图像信息；S103：在机车运动的过程中，计算机对获取的图像信息进行分析和处理，实时得到左右侧钢轨外侧轨头底线与激光光斑位置信息；S104：将左右侧钢轨轨头外底线与激光光斑中心点图像垂向距离转变为实际空间距离，对比初始时刻图像信息，得到两时刻激光光斑中心点垂向位移，由激光光斑中心点垂向位移与横向位移的几何关系，得到两侧钢轨相对于轮对的横向位移变化即轨距检测点与轮对的横向位移，根据轮对相对于两侧轨距检测点位移变化的差值即为轨距变化量；S105：由惯性基准测量单元采集转向架空间扭转角度信息；S106：根据基准轨距、轨距变化量和转向架空间扭转角度信息，进行计算得到垂直于轨道铺设方向的动态轨距。轨距测量原理：轨道轨距定义为钢轨踏面下16mm范围内两股钢轨工作边之间的最小距离。目前，我国运营铁路和城市轨道交通的标准轨距为1435mm。如图2所示，根据轨距定义为轨内距与轮轨游离量之和即L轨＝L内+A1+A2(1)列车运行过程中，目标测量间距A1与目标测量间距A2处于不断变化中，其变化量之和即为轨距变化量(设车体向右横移为正)Δ＝ΔA1+ΔA2(2)从而将轨道轨距的测量转化为初始轨距两侧轮轨相对横移变化量的测量。该检测系统采用两组激光源和摄像机组合测量轨道两侧轮轨的相对横向位移，如图3所示两组合分别通过刚性支架固定在转向架上(图3中，较重的曲线为初始时刻时的所述检测系统的结构示意图，较轻的曲线表示的是车体向右横移后的结构示意图)，其相机镜头和激光源发射头轴线所在平面始终与钢轨走向保持垂直且两个激光源焦点在垂直于钢轨走向的同一平面。为了准确采集目标图像同时保护设备不受损害，需使设备与地面保持一定的高度和角度。根据列车最大横摆范围分别调整两侧激光源发射头轴线与水平面夹角θ与β，使激光光斑始终在轨腰范围移动，同时调整两侧摄像机镜头水平角θ1与β1使激光光斑始终在其图像中部移动。列车运行过程中，激光发射器水平倾角θ与β和摄像机水平倾角θ1与β1固定，由于激光源和摄像机相对于转向架保持不动，当两侧轮对相对于初始时刻产生横向位移l与L时，激光源和摄像机就会相对轨道进行移动l与L，同时激光光斑就会在轨道侧面上产生纵向移动(m点→n点)(M点→N点)。光斑的中心点纵移与轮对横移存在几何关系，因此选取激光光斑中心点相较初始时刻在图片上纵坐标位置变化来计算两侧轮轨的横向位移值，由于两个激光源焦点在垂直于钢轨走向的同一平面，从而此刻两侧横向位移的变化量的差值即为相对于初始时刻的轨距变化量Δ，则轨距可动态表示为L轨＝L内+A1+A2+Δ(3)图像位移变换：系统中机车转向架相对轨距检测位置横向移动与两侧轮轨相对横移保持一致，因而两侧激光光斑中心点垂向移动位移与其垂直于钢轨走向平面作用边中轨距特征点的轮轨相对位移数值相对应。为了更直观的表现转向架的水平移动(以左侧装置为例)，如图4所示，将初始时刻与检测时刻的左侧检测设备位置与钢轨的实际位移表示为图中轨道相对检测设备的水平相对横移量，从而通过激光光斑中心点的移动建立前后两个时刻转向架与轨道相对横向位移关系模型。设摄像机镜头轴心与地面保持θ1夹角，激光发射器中轴线与地面成θ角，初始时刻固定支架与钢轨水平距离是l1，检测时刻固定支架向右移动距离l，此时固定支架与钢轨水平距离是l2，激光光斑中心点水平位移nn1是实际的轮轨相对横移，定义初始图片上的横向位移s是n点到图片底部的距离，而轮轨发生相对位移时另一张图片上的横向位移s1是m点到图片底部的距离，nn1测量步骤如下：n1m1＝(s1-s)/sin(θ1-θ)(4)n1n11＝n1m1*cosθ(5)nn1＝n1n11*k＝(s1-s)/sin(θ1-θ)*cosθ*k(6)其中，n1m1是nm的实际长度在图片上所映射的距离；n1n11是nn1的实际长度在图片上所映射的距离；k是实际距离与图上距离之比。然后结合右侧轮轨横移数据计算得出垂直于轨向同一平面内左右检测设备相对于轨距检测点的位移变化量即两侧轮轨相对位移变化量，进而可进行轨距的计算。图像检测：为了准确得到两侧图像中激光光斑中心点位置，对图像先进行直方图均衡化处理，增大图像明暗对比度，然后用了基于阈值分割的激光点粗略定位方法找到了激光光斑中亮度最大像素点，以该像素点为种子，采用区域生长方法搜寻整片激光区域的像素位置，最后通过灰度重心法实现了激光光斑中心点精确定位，并得到了良好的检测结果。整个激光区域的中心点坐标检测步骤流程如图5所示。直方图均衡化：直方图均衡化主要是对图像中像素个数多的灰度级进行扩宽，压缩那些像素个数少的灰度级，有利于提高原图像的对比度。轮轨图像经过直方图均衡化后，其结果如图6-7所示，图像对比度明显增强了，有利于后续的激光点提取。基于阈值分割的激光点粗略定位：基于阈值分割的激光点粗略定位是先粗略的标出激光区域在图像中的位置，即找到位于激光区域中一个点。粗略定位的处理过程依次经过了闭操作、图像亮度最大点选取及邻域判别和亮度最大激光点确定这三个步骤，整个激光点粗略定位的算法流程如图8所示。闭操作是先膨胀后腐蚀的结果，数学上，A被B的形态学闭操作记做A·B：图9是轮轨图像经闭操作后的结果，其提高了整个激光区域像素值的亮度值，去除了区域中低亮度像素点，更有利于后续找到这个激光区域所在的位置。图像亮度最大点选取及邻域判别首先是在图片中找到满足激光点RGB模型(R>200，B>200，G>200)的点A，由亮度公式：T＝R*0.299+G*0.587+B*0.114(8)计算亮度T0后再搜寻下一个满足激光点模型的图像点B，计算亮度T1，比较T0和T1亮度值大小取其最大值，判断该点5×5邻域中满足激光点模型的个数是否大于16，如果不满足条件则搜寻下个激光点，否则更新当前激光点位置，继续搜寻下一个激光点位置，如此反复直到满足条件则结束搜寻。通过这种方式，满足条件的亮度最大点位置将被找到，激光点粗略定位结果如图10所示。其中，检测出的点的坐标是x＝1487,y＝1068，位于原来白色激光区域的右侧，显然检测结果不是很准确。基于阈值生长的激光点精确定位：激光红点区域的粗略定位搜寻到整片激光区域中亮度最大的像素点。但为了准确计算车轮横向偏移的距离，需要知道整个激光区域中位于中心点的坐标。由于激光红点具有很好的方向性和高亮度，能量高度集中，所以可以通过区域生长算法寻找激光点光斑区域位置，再通过灰度重心法求出激光点光斑中心点坐标。区域生长实现的步骤如下：1)将上一节激光粗略定位结果的最大亮度点设为种子像素点(x0,y0)；2)以(x0,y0)为中心，考虑(x0,y0)的8邻域像素(x,y)，如果(x,y)满足激光点模型，将(x,y)与(x0,y0)合并在同一区域，并且将(x,y)压入堆栈；3)从堆栈中取出一个像素，以它为种子点(x0,y0)返回到步骤2)；4)当堆栈为空时，返回到步骤(1)；5)重复步骤1)-4)直到图像中的每个点都有归属时，生长结束。轮轨图像通过区域生长算法得到了激光点在图像中映射的所有像素点(xi,yj)，由式(8)计算各个像素点亮度Tij，通过灰度重心法(其中，激光光斑区域xi表示第i行的坐标且x∈(1,m)，yj表示第j列的坐标且y∈(1,n)，m,n∈(光斑区域),Tij表示第i行第j列的像素点灰度值)可得到激光光斑区域的中心点坐标。轮轨图像在经过精确定位后的结果如图11所示，检测所得点的坐标为x＝1456,y＝1058居于白色激光区域的中心，检测结果较为精确。实验数据处理及误差分析:为了测试基于激光源的轨道轨距测量系统的性能，本实验通过一个长10m的1:3机车转向架测试平台模拟车辆运动进行动态轨距测量。如图12所示，在转向架模拟运动的过程中，该实验以初始时刻机车所在位置为基准位置且此轨距测量点轨距为初始值进行定量左右各5次横向摆动检测轨距变化。在Linux系统环境下搭建一个基于OpenCV的Qt检测系统软件，图像数据处理界面如图13所示，结合使用轨距尺人工设定的数值与轨距检测设备采集数据进行数据分析，并改变轨距进行多次重复试验。本实验的轨距测量误差为检测数据与实际数据之差，由于两侧检测数据是图像上的像素值，转为实际距离时需要先计算图像采集时图像距离与实际距离的比例关系。经过现场测量左侧图像1像素对应实际距离约为0.092mm，右侧图像1像素对应实际距离约是0.093mm。经过软件测试分析，轨道轨距测量系统检测误差如表1所示。表1轨距检测数据分析mm检测次数设定轨距测量均值测量误差总不确定度(P＝0.95)误差范围10474474.400.400.110.29-0.5110477477.430.430.090.34-0.5210480480.510.510.170.34-0.6810483483.470.470.100.37-0.5710486486.380.380.140.24-0.55从误差结果分析来看，通过所述测量系统所得轨距测量误差范围在±0.7mm之内，检测误差较小，能精确的检测出轨道轨距且满足高速轨道±1mm检测误差要求。同时在保证检测精度前提下，简易性与适用性较现有技术有了一定提高。当前第1页1 2 3