基于激光摄像技术的钢轨磨耗截面积测量方法研究

磨损后的钢轨轨头轮廓极不规整,传统钢轨磨耗计算方法无法准确表征磨损后的钢轨轮廓全貌。最新轨道检测车采用激光摄像技术,实现了钢轨轮廓连续在线检测。本文提出在现有的轨道检测车中添加钢轨磨耗截面积检测功能,以克服传统钢轨磨耗测量存在的不足。建立用于钢轨磨耗检测的激光摄像式传感器标定计算模型。对钢轨磨耗截面积测量中标准钢轨轮廓曲线解析式求解、动态钢轨轮廓基准点对齐、钢轨磨耗截面积数值计算等关键问题进行了详细的阐述。选取深圳地铁龙岗线GJ-2型轨道检测车,在六约至丹竹头区间进行试验。分别采用传统钢轨磨耗计算方法和钢轨磨耗截面积计算方法,同时对左右股钢轨磨耗进行检测,并给出采用上述不同方法在该区间2000m距离检测的数据。     

基于2D的钢轨轮廓特征点提取方法研究

钢轨轮廓数据特征点快速、准确提取是保证钢轨轮廓精确匹配、轨道几何不平顺精确检测的前提。对基于二维激光位移传感器(2D)的钢轨轮廓测量数据特征点提取方法进行研究,通过对采集的钢轨半断面轮廓数据采用基于中值误差与连续度自适应调整权值的平滑滤波方法对实测轮廓数据进行平滑处理,解决存在分段的轮廓数据达到分段平滑的效果。提出钢轨轮廓特征曲线的概念,并给出特征曲线的一种定义方式,利用特征曲线上的特征点去快速定位实测轮廓特征点。最后,采用GJ-2型轨道检测车进行试验,通过对实际轨道进行轮廓测量,采用本文所提出的特征点提取方法对实测轮廓数据进行特征点提取,试验证明,该方法能快速、准确地定位轮廓特征点。     

基于钢轨轮廓特征的钢轨探伤车轮探头对中方法与应用研究

大型钢轨探伤车为保障铁路安全起到重要作用,在检测作业时轮探头应始终与钢轨中心线对齐。分析机械涨轮式、电磁感应式、对中轮探头式、一维激光测距式、激光摄像式5种对中方式的特点。利用二维激光传感器采集钢轨内侧轮廓数据,选用轨顶点、轨头点簇、轨腰点簇作为钢轨轮廓特征。设计4个判据用于钢轨轮廓的可用性判别,根据不同线路条件设计了4种工况的判据组合与计算钢轨距离基准。对中系统参数标定时将钢轨探伤车停在平直的轨道上,调节激光器相对于大地坐标系旋转角度α,使轨腰点簇的斜率近似为0。在人工伤损线和既有线路进行检测试验,传感器的数据可靠、维护方式简单,可满足轮探头对中系统的要求。     

基于几何特征的钢轨磨耗检测系统的研究

为解决高速动态条件下车体振动对钢轨磨耗检测带来的问题,在大量调研国内外利用激光技术进行钢轨磨耗检测的基础上,提出一种基于标准钢轨轨廓固有曲线曲率的钢轨磨耗检测方法,首先利用基于激光三角测距原理的传感器得到组成钢轨全断面轮廓一系列点的空间坐标;其次利用L-M优化算法进行数据处理,采用Hough变换方法检测钢轨轮廓固有几何特性;最后进行钢轨轮廓匹配后实现钢轨磨耗高精度检测。该方法已经运用在轨道检测小车上,试验数据表明:钢轨磨耗检测系统的重复性精度能到达0.005 mm,其高精度性和快速性能满足铁路部门对钢轨磨耗检测的要求。     

钢轨轮廓全断面检测中的快速高鲁棒性匹配方法研究

采用激光摄像技术对钢轨全断面廓形进行检测,为保证检测数据的准确性和实时性,其关键在于钢轨廓形的快速高鲁棒性匹配算法。在分析国内外钢轨轮廓检测、匹配现状的基础上,对钢轨廓形匹配方法进行了系统研究。根据标准钢轨不同半径滚动圆空间几何分布特性,提出利用钢轨廓形的斜率切线值来对钢轨原始廓形轨腰曲线部分进行自动分段,结合最小二乘拟合算法,处理分段后的钢轨廓形,快速完成钢轨廓形初匹配。通过改进ICP算法,完成钢轨廓形二维点云的精确匹配,缩减了匹配时间,提高了匹配鲁棒性。最后,将该方法应用于轨道检测设备的数据采集中,验证了该方法的有效性。     

面向轨道维护的可变轨距轨道模型与钢轨点云的配准方法

基于车载Lidar技术相关的硬件和算法的快速发展,具备发展成快速车载轨道测量技术手段的潜力,从而替代传统的地面人工轨道测量手段。针对其中根据钢轨点云获取轨道轨距、钢轨位置等参数的问题,定义了可变轨距轨道模型,并在此实现可变轨距轨道模型与钢轨点云的配准方法。新算法在配准迭代过程根据钢轨点云到轨道工作边的距离来动态调整模型轨距,从而在轨道配准精度和轨距测量精度两项关键指标获得了同步提高。通过模拟数分析存在不同轨距偏差、超高等情况下算法性能,并和单钢轨轨道模型和固定轨距轨道模型的配准结果进行比较。最后通过一段干线铁路的实测点云进行测试,试验结果表明单钢轨轨道模型配准后左右钢轨的平行性得不到保证;在直线段与固定轨距轨道模型配准精度和轨距测量精度基本相当,配准精度为0.16 mm;在曲线段可变轨距轨道模型配准精度和轨距测量精度不受轨距变化的影响,显著优于固定轨距轨道模型的结果,精度高88.7%。     

基于双重匹配参数估计的钢轨动态轮廓校准方法

减轻运行过程中振动对车载钢轨轮廓检测系统的不利影响,获取实时准确的轮廓检测数据是钢轨维护工作面临的重要问题。在对比激光视像技术和激光位移技术轮廓检测原理异同的基础上,对更适合高速铁路检测精度需求的激光位移技术进行了系统研究,并利用二维激光位移传感器搭建了钢轨轮廓动态测量平台;针对位移技术在动态测量时一直未能有效解决的变形轮廓校正问题,指出传统视像技术的解决方法不能被机械地照用,并提出一种基于轨颚点与轨腰特征区域双重匹配的轮廓仿射变换参数估计方法,然后利用粒子群算法对变换参数进行迭代优化,实现钢轨变形轮廓校准,最后通过模拟振动实验验证了本方法的有效性。实验结果表明,本方法能较为准确地消除振动对测量数据的影响,为激光位移技术在钢轨轮廓高精度动态检测中的推广应用提供了新的思路和技术参考。     

基于动态参考的钢轨轮廓失真校准方法

有效修正车体运行过程中轮轨振动引起的廓形检测误差是钢轨廓形动态检测的关键。本文对轮轨振动的多个要素进行系统分析,指出引起廓形失真的点头和摇头振动是检测误差的主要来源;与标准轮廓相比,实测正常轮廓更适合作为曲线校准时的参考轮廓,因此本文提出一种参考轮廓构建方法,并通过在参考轮廓与待校准轮廓轨腰曲线上分别构造凸壳,实现特征点对的快速提取与仿射参数的求解。为验证本文方法的有效性,在室内基于二维激光位移传感器搭建钢轨轮廓测量平台,并进行模拟振动试验。试验结果表明:该方法能有效修正轮轨振动引起的廓形检测误差,检测速度可达225 km/h,具有一定的理论及工程应用价值。     

基于激光摄像技术的设备限界检测与图像融合拼接

将激光摄像技术运用到地铁设备限界检测,对相邻摄像机不重合、不完整的检测轮廓进行融合拼接。根据分析所得到标定精度较差摄像机与相邻摄像机视觉重合远处出现检测轮廓数据出现不重合、完整的原因,采用迭代最近点(ICP)算法并结合杭州地铁二号线地铁设备限界的检测轮廓数据,对所检测设备限界不完整的轮廓进行融合拼接。研究结果表明:基于激光摄像技术检测技术能够更加快速、高效的实现设备限界的非接触式检测;采用ICP算法实现精度较差摄像机与相邻摄像机视觉重合远处设备限界检测轮廓的融合拼接,可以使设备限界检测更加完整、可靠,对保障地铁的安全运行具有现实意义。     

钢轨轮廓全断面及轨道几何参数检测系统

阐述钢轨轮廓全断面及轨道几何参数检测系统整体设计,以及钢轨轮廓全断面的检测方法。钢轨轮廓全断面检测基于激光摄像非接触测量技术,主要由激光摄像组件、数据处理组件、里程定位组件等组成。通过检测数据分析与现场验证,钢轨轮廓全断面和轨道几何参数检测系统运用稳定可靠,准确度高,重复性好,满足现代铁路轨道基础设施检测的需要。     

基于激光摄像技术的钢轨波磨检测方法研究

目前常用的钢轨波磨检测方法有弦测法和惯性基准法,弦测法传递函数不恒定,惯性基准法受车速影响大。针对钢轨波磨检测方法的缺点,提出了一种基于激光摄像技术的波磨检测方法,通过多传感器并行工作对钢轨轮廓进行高频率采样,通过FPGA(现场可编程门阵列)对传感器获得的光条图像进行ROI(Region Of Interest)提取,将图像的ROI传送至上位机提取轮廓数据,进而完成钢轨的波磨信息提取。论证了通过多传感器并行工作提高钢轨轮廓的采样频率的可行性,在Xilinx SP605开发板上实现了光条图像ROI的实时提取。试验表明,ROI提取能够有效减小通信的数据量。     

基于动态模板的钢轨磨耗测量方法研究

对CCD摄像机拍摄的钢轨表面轮廓测量光带进行图像处理,获得单个像素宽的二值化钢轨横截面轮廓;将结构光平面方程与摄像机投影矩阵相结合,对钢轨横截面轮廓进行三维重建,提取钢轨轮廓线中轨腰圆弧段圆心和轨头下端点2个特征点的世界坐标值;由2个特征点和钢轨上任意不与这两点共线的点以及标准钢轨横截面轮廓的空间几何关系动态生成标准模板;将钢轨实测轮廓和动态生成的标准模板轮廓的坐标映射到测量坐标系下,对比计算获得钢轨磨耗值.实验室验证结果表明:该方法能快速、准确地动态生成钢轨横截面轮廓模板,实现钢轨磨耗的高精度测量,且测量结果具有良好的重复性和稳定性.     

钢轨轮廓全断面高精度动态视觉测量方法研究

在高速动态条件下获取准确的钢轨轮廓检测数据是钢轨维护面临的重要现实问题。本文在分析国内钢轨轮廓检测现状和借鉴国外钢轨轮廓检测经验基础上,对钢轨轮廓全断面动态检测技术进行系统研究。详细推演钢轨轮廓全断面视觉测量方法,建立内外侧钢轨轮廓测量视觉传感器全局测量模型;分析动态检测中车辆振动对钢轨轮廓检测的影响,探明车辆不同类型振动对钢轨轮廓测量误差影响规律,提出基于正交分解的车辆多自由度振动解耦和补偿方法;研制钢轨轮廓全断面动态检测装置,并进行静态标定试验和动态测量试验,试验结果验证方法切实可行。     

基于2D激光位移传感器的轨底坡动态检测系统研究

设置合理的轨底坡可使钢轨轨头与车轮踏面合理接触,减轻钢轨轨头的不均匀磨耗,延长钢轨使用寿命。为提高轨底坡静态检测精度,线路日常养护和维修效率,提出一种基于2D激光位移传感器(简称2D)的钢轨廓形检测原理和ARM嵌入式技术的轨底坡动态检测方法。结合传感器工作原理与特点,搭建一套可在线连续检测的轨底坡动态检测系统。考虑到2D空间姿态变化,建立适用于轨底坡动态检测的双2D空间姿态关系模型和标定解算模型。因为车体振动会产生对轨底坡计算结果的影响,利用Kalman滤波算法建立多传感器的状态空间模型,对轨底坡计算结果进行补偿。最后选用GJ-4型轨道检测车进行地铁正线试验,试验结果与人工复核结果的对比,符合工务段要求精度。试验结果验证了该轨底坡动态检测系统切实可行,Kalman滤波算法能够很好地对轨底坡的计算结果进行补偿修正。     

无砟轨道铺轨测量与精调技术

研究目的:在无砟轨道工程施工中,无论是板式还是双块式无砟轨道,都需要进行钢轨几何尺寸的精调工作.如方法不当、要求不严,就会出现反复测量反复调整,不仅费时费力,影响铺轨精调的整体进度,而且给钢轨和扣件带来一定的影响.本文针对合武铁路大别山隧道无砟轨道工程,探讨并提出一种快速的精调作业方法,应用于本工程,可为类似工程提供借鉴.研究结论:通过对无砟轨道精调技术的分析得出如下结论:进行无砟轨道精调时,将轨距调整至1 435～1 436 mm范围,相邻2根轨枕之间的轨距变化率应小于0.5 mm;轨向和轨顶面高程相邻2检测点之间的变化率应小于0.5 mm;作业顺序为:调整轨距,轨道测量重新拟合中线、获取高程数据,订货,现场标定钢轨调整内容,轨道调整班组进行轨道调整,快速整形到位.     

基于控制器局域网总线的车载轨道检测系统设计研制

为提高检测性能、简化系统结构,设计研制基于控制器局域网(CAN)总线的车载轨道检测系统,全部使用数字信号传感器,并将分立式传感器集成,将检测梁安装在车下,以检测梁作为惯性器件、激光摄像组件和数字式地面标志传感器ALD的安装平台;基于惯性基准测量技术、激光摄像测量技术、图像处理技术,通过CAN总线网络进行数字信号同步采集和传输,并根据检测梁与轨道之间的运动姿态关系,结合数字滤波及误差补偿和修正技术,建立与系统结构相匹配的数学计算模型,得到轨道的轨距、高低、轨向和水平等几何参数。通过实验室标定、第三方检验和现场实车测试,基于CAN总线的车载轨道检测系统的准确性、重复性和再现性等技术指标均达到相应的要求,且与现有型号的车载轨道检测系统相比零备件损耗可降低46%。     

线激光辅助单目视觉测量铁路侵限异物尺寸

异物入侵铁路线路严重危害行车安全,为及时发现异物并测量其尺寸,提出一种利用相机、异物和线激光空间几何关系计算图像中目标点世界坐标实现异物尺寸检测的方法。相机标定能够得到相机光心与目标点连线的直线方程,线激光投影中的点同时存在于线激光扫描平面和相机光心与该点的连线上。由于钢轨的约束,利用相机标定可以计算钢轨上线激光投影目标点的世界坐标,结合线激光光源坐标标定光平面方程。光平面方程和相机光心与该点连线方程的公共解为目标点的世界坐标。旋转线激光光源,求解异物多个断面关键目标点世界坐标,从而计算异物的三维尺寸。建立测量方法的数学模型并进行现场试验验证,结果表明,该测量方法能够较为准确地测量异物尺寸。     

钢轨磨耗测量中的光平面标定

针对高速铁路钢轨磨耗测量中如何得到光平面和摄像机之间的映射关系问题,提出一种基于标定板的光平面参数标定法。该方法采用2个CCD摄像机和2个扇形激光光源构成钢轨轮廓获取系统,分别布置在左右钢轨内侧。与以往的磨耗测量系统比较,该方法使用的设备较少,降低了检测成本,也减少了图像处理、分析等工作。通过定标,可直接得到光平面系数,进而推导出与摄像机的几何关系。试验结果表明,该方法获得的光平面精度较高,从而保证了光平面与摄像机之间映射关系的精度,满足磨耗测量的要求。     

基于Hu不变矩特征的铁路轨道识别检测算法

针对当前铁路钢轨检测算法在识别中准确性和鲁棒性不高的问题,提出采用Hu不变矩特征实现轨道线搜索,并以B样条曲线为拟合模型的钢轨自动检测方法。算法根据视频帧中钢轨的边缘特征,通过改进的霍夫变换识别并确定图像空间的轨道线消隐边界,完成近远景区的标定。针对近景区直轨,通过直线模型拟合;在远景区,采用可漂移检测窗通过比对Hu不变矩来提取轨道特征点,以最小二乘法实现B样条曲线模型拟合。并制定模型更新和切换原则自动跟踪轨迹线。实验结果表明:轨道线平均跟踪时间为0. 081 s,可以提高钢轨检测识别的精确性和鲁棒性,能够更好地解决曲线轨道的模型拟合问题。     

钢轨轮廓全断面检测中轨廓动态匹配方法研究

钢轨轮廓匹配是钢轨廓形检测的关键步骤,决定轨道几何参数检测精度。在高速动态条件下实现检测钢轨轮廓与标准钢轨轮廓高精度自动匹配,是轨道几何参数高精度动态测量面临的重要问题。本文对钢轨轮廓高精度自动匹配方法进行了研究。首先,根据标准钢轨轮廓曲线曲率固有特征信息,对检测获取的轨腰和轨底廓形中不同圆弧、线段之间切点进行自动识别,实现不同圆弧、线段自动分割;然后,对获取的不同圆弧添加半径约束进行非线性拟合,准确提取各圆弧圆心坐标;最后,针对道岔处钢轨廓形复杂特点,提出采用Kalman滤波器对检测获取的标准轨腰和轨底特征点进行连续在线跟踪和预测,并根据结果构建道岔钢轨虚拟标准轨腰和轨底,以解决道岔处钢轨轮廓匹配问题。将该方法已在轨道检测车中进行实际应用,证明其是切实可行的。