• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

钢轨断面全轮廓磨耗的激光视觉动态测量

李文涛 王培俊 王猛 陈鹏 李柏林

李文涛, 王培俊, 王猛, 陈鹏, 李柏林. 钢轨断面全轮廓磨耗的激光视觉动态测量[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(6): 1328-1336. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180821
引用本文: 李文涛, 王培俊, 王猛, 陈鹏, 李柏林. 钢轨断面全轮廓磨耗的激光视觉动态测量[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(6): 1328-1336. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180821
LI Wentao, WANG Peijun, WANG Meng, CHEN Peng, LI Bailin. Laser Visual Dynamic Measurement of Rail Wear on Complete Profile[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(6): 1328-1336. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180821
Citation: LI Wentao, WANG Peijun, WANG Meng, CHEN Peng, LI Bailin. Laser Visual Dynamic Measurement of Rail Wear on Complete Profile[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(6): 1328-1336. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180821

钢轨断面全轮廓磨耗的激光视觉动态测量

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180821
基金项目: 国家自然科学基金项目青年科学基金项目(51305368);四川省科技支撑计划项目(2013GZX0154)
详细信息
    作者简介:

    李文涛(1991—),男,博士研究生,研究方向为数字化设计与检测,E-mail:jxsjtao@my.swjtu.edu.cn

    通讯作者:

    王培俊(1962—),女,教授,研究方向数字化设计与检测、虚拟设计,E-mail:pjwang123@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: V221.3

Laser Visual Dynamic Measurement of Rail Wear on Complete Profile

  • 摘要: 钢轨磨耗直接影响铁路运行安全,为了替代目前手工测量方式,提高测量精度和效率,研究并设计了线激光钢轨断面全轮廓视觉测量系统来实现钢轨磨耗动态测量. 首先通过计算激光视觉测量模型完成激光测量单元的结构设计,然后采用平面标定法对测量头进行精确标定,获取激光平面与传感器成像平面之间的映射关系,将拍摄的钢轨轮廓光条图像还原为实际钢轨断面轮廓;利用钢轨同一截面两侧轮廓中轨头踏面轮廓相同的特征获取钢轨断面全轮廓数据,采用ICP精确配准将钢轨两侧测量轮廓合并,其中轨头踏面轮廓采用欧式聚类和距离分割方法提取;最后以双侧未磨损轨腰轮廓及其特征点为基准,将测量钢轨全轮廓与标准钢轨轮廓进行配准对比,获取钢轨磨耗值;将线激光钢轨磨耗测量单元装载于自行研制的轨道测量小车上进行现场测量试验. 研究结果表明:该测量系统标定精度可达4.922 × 10−3 mm,测量速度可达21.6 km/h,与钢轨磨耗尺测量值对比垂直磨耗、侧边磨耗平均偏差约为0.023 mm和0.093 mm,对同一对象多次重复测量最大偏差小于0.05 mm,该测量精度满足公务要求,提高了测量效率,便于铁路测量数字化管理.

     

  • 图 1  钢轨磨耗激光视觉测量系统结构

    Figure 1.  Structure of the rail wear laser visual measurement system

    图 2  激光测量头结构

    Figure 2.  Structure of the laser measurement probe

    图 3  单侧钢轨轮廓激光视觉测量模型

    Figure 3.  Visual measurement model of single-side rail profile

    图 4  激光测量头标定

    Figure 4.  Principle diagram of laser measuring probe calibration

    图 5  钢轨轮廓特征

    Figure 5.  Characteristics of rail profile

    图 6  钢轨断面全轮廓合成

    Figure 6.  Synthetic rail complete profile

    图 7  钢轨磨耗测量

    Figure 7.  Rail wear measurement

    图 8  现场测量试验

    Figure 8.  Field measurement test

    图 9  钢轨磨耗测量值

    Figure 9.  Rail wear measurements

    表  1  相机标定结果

    Table  1.   Cameras calibration results

    相机标定参数标定结果
    内侧相机 A${{A}}$$\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {2\;077.157\;23}&0\;\;\;\;\;\;\;&{486.549\;08} \\ 0\;\;\;\;\;\;\;&{2\;068.912\;80}&{599.250\;88} \\ 0\;\;\;\;\;\;\;&0\;\;\;\;\;\;\;&1\;\;\;\;\;\;\;\;\; \end{array}} \right]$
    ${{D}}$$\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{ - 0}}{\rm{.165\;22}}}&{{\rm{2}}{\rm{.437\;94}}}&{{\rm{ - 0}}{\rm{.006\;33}}}&{{\rm{0}}{\rm{.002\;11}}} \end{array}} \right]$
    $\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{R}}&{{t}} \end{array}} \right]$$\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{0}}{\rm{.954\;73}}}&{{\rm{ - 0}}{\rm{.0038\;2}}}\;\;\;\;&{{\rm{0}}{\rm{.297\;45}}}&{{\rm{ - 60}}{\rm{.166\;30}}} \\ {{\rm{0}}{\rm{.126\;0}}}\;\;\;&{{\rm{0}}{\rm{.910\;99}}}&{{\rm{ - 0}}{\rm{.392\;72}}}\;\;\;\;&{{\rm{ - 58}}{\rm{.465\;27}}} \\ {{\rm{ - 0}}{\rm{.269\;47}}}\;\;\;\;&{{\rm{0}}{\rm{.412\;42}}}&{{\rm{0}}{\rm{.870\;23}}}&\;{{\rm{326}}{\rm{.175\;65}}} \end{array}} \right]$
    外侧相机 B${{A}}$$\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {2\;550.854\;0}&0\;\;\;\;\;\;\;&{707.001\;42} \\ 0\;\;\;\;&{2\;717.902\;20}&{608.549\;12} \\ 0\;\;\;\;&0\;\;\;\;\;\;\;&1\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \end{array}} \right]$
    ${{D}}$$\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{ - 0}}{\rm{.171\;74}}}&{{\rm{1}}{\rm{.537\;84}}}&{{\rm{1}}{\rm{.537\;84}}}&{{\rm{ - 0}}{\rm{.021\;87}}} \end{array}} \right]$
    $\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{R}}&{{t}} \end{array}} \right]$$\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\rm{0}}{\rm{.945\;86}}}&{{\rm{ - 0}}{\rm{.025\;59}}}\;\;\;\;&{{\rm{ - 0}}{\rm{.323\;56}}}&{{\rm{ - 84}}{\rm{.213\;45}}} \\ {{\rm{ - 0}}{\rm{.137\;83}}}\;\;\;\;&{{\rm{0}}{\rm{.870\;87}}}&{{\rm{ - 0}}{\rm{.471\;79}}}&{{\rm{ - 48}}{\rm{.262\;83}}} \\ {{\rm{0}}{\rm{.293\;86}}}&{{\rm{0}}{\rm{.490\;84}}}&\;\;\;{{\rm{0}}{\rm{.820\;20}}}&\;{{\rm{382}}{\rm{.732\;68}}} \end{array}} \right]$
    下载: 导出CSV

    表  2  钢轨磨耗测量平均值

    Table  2.   Average results of rail wear measurement mm

    类别垂直磨耗侧边磨耗总磨耗
    钢轨磨耗尺0.163 500.431 500.379 25
    视觉测量系统0.186 400.338 950.355 90
    偏差0.022 900.092 550.023 35
    下载: 导出CSV
  • 金学松,李霞,李伟,等. 铁路钢轨波浪形磨损研究进展[J]. 西南交通大学学报,2016,51(2): 264-273. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.006

    JIN Xuesong, LI Xia, LI Wei, et al. Review of rail corrugation progress[J]. Journal of Southweat Jiaotong University, 2016, 51(2): 264-273. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.006
    成都铁路局. 轨道检测技术[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2008: 92-95.
    WANG C, MA Z, LI Y, et al. Distortion calibrating method of measuring rail profile based on local affine invariant feature descriptor[J]. Measurement, 2017, 110(6): 11-21.
    LIU Z, LI F, HUANG B, et al. Real-time and accurate rail wear measurement method and experimental analysis[J]. Journal of the Optical Society of America A —Optics Image Science and Vision, 2014, 31(8): 1721-1729. doi: 10.1364/JOSAA.31.001721
    YI B, YANG Y, YI Q, et al. Novel method for rail wear inspection based on the sparse iterative closest point method[J]. Measurement Science and Technology, 2017, 28(12): 1252-1258.
    王培俊,吕东旭,陈鹏. 高速道岔尖轨点云的复合拼接及数据处理优化[J]. 西南交通大学学报,2018,53(4): 806-812. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.019

    WANG Peijun, LU Dongxu, CHEN Peng. Complex point cloud registration and optimized data processing for high-speed railway turnout[J]. Journal of Southweat Jiaotong University, 2018, 53(4): 806-812. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.019
    MINBASHI N, BAGHERI M, GOLROO A, et al. Turnout degradation modelling using new inspection technologies: a literature review[C]//Current Trends in Reliability, Availability, Maintainability and Safety.[S.l.]: Springer International Publishing, 2016: 49-63.
    RUSU M, ROBERTS C, KENT S. The use of a laser based trolley for railway switch and crossing inspection[J]. International Journal of COMADEM, 2013, 16: 13-23.
    SUN J, LIU Z, ZHAO Y, et al. Motion deviation rectifying method of dynamically measuring rail wear based on multi-line structured-light vision[J]. Optics And Laser Technology, 2013, 50(2): 25-32.
    伯特霍尔德•霍恩. 机器视觉[M]. 北京: 中国青年出版社, 2014: 19-29.
    徐刚. 由2维影像建立3维模型[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2006: 6-14.
    ZHANG Z Y. A flexible new technique for camera calibration[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2000, 22(11): 1330-1334. doi: 10.1109/34.888718
    MADSEN K, NIELSEN H B, TINGLEFF O. Methods for nonlinear least squares problems[J]. Society for Industrial & Applied Mathematics, 2004(1): 1409-1415.
    RAVISHANKAR S, DUTT H N V, GURUMOORTHY B. Automated inspection of aircraft parts using a modified ICP algorithm[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2010, 46(1/2/3/4): 227-236.
    EGGERT D W, LORUSSO A, FISCHER R B. Estimating 3-D rigid body transformations:a comparison of four major algorithms[J]. Machine Vision And Applications, 1997, 9(5/6): 272-290.
    孙丰荣,刘积仁. 快速霍夫变换算法[J]. 计算机学报,2001,24(10): 1102-1109. doi: 10.3321/j.issn:0254-4164.2001.10.013

    SUN Fengrong, LIU Jiren. Fast hough transform algorithm[J]. Chinese Journal Computer, 2001, 24(10): 1102-1109. doi: 10.3321/j.issn:0254-4164.2001.10.013
    中华人民共和国铁道部. 高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2013: 20-23.
    STEGER C. An unbiased detector of curvilinear structures[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1998, 20(2): 113-125. doi: 10.1109/34.659930
  • 加载中
图(9) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  906
  • HTML全文浏览量:  532
  • PDF下载量:  67
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-09-30
  • 修回日期:  2018-11-22
  • 网络出版日期:  2020-03-07
  • 刊出日期:  2020-12-15

目录

    /

    返回文章
    返回