[发明专利]一种钢轨外轮廓测量装置、方法及应用

说明书

本发明公开了一种钢轨外轮廓测量装置、方法及应用，该装置包括三个线激光发生器、一个CCD相机、两个平面反射镜和计算机；所述激光发生器、CCD相机与平面反射镜之间具有预定的相对空间位置关系，使得钢轨两测面的轮廓信息通过反射镜得以被测量；测量方法包括利用CCD相机采集钢轨顶面与镜面中的钢轨侧面上的激光条纹图像，经图像处理重建得到钢轨顶面与镜面中的侧面的三维点云，再转换合并得到实际钢轨外轮廓测量信息。本发明具有装置简易、测量精度高等优点，能够对钢轨外轮廓无死角测量。

技术领域

本发明属于线激光测量领域，具体涉及一种钢轨外轮廓测量装置及方法，能满足对钢轨外轮廓的高精度测量。

背景技术

钢轨是铁路轨道的重要组成部件，直接关系到高速列车的安全运行，但是在长期使用过程中，钢轨轮廓磨损严重，轮廓变形，这些问题极其容易引发安全事故，因此周期性的对钢轨外轮廓的测量至关重要。

目前，采用接触式钢轨磨耗卡尺测量钢轨外轮廓尺寸的方法普遍存在工作效率低，检测不准确的问题，无法满足国内钢轨测量需求；基于激光视觉测量技术的钢轨无损测量方法非常流行，通过提取线激光图像中的光条中心像素坐标，采用激光三角法解算得到钢轨外轮廓信息，该方法测量精度高，抗干扰能力强。但是，由于钢轨本身的结构特性，使用单个相机和单条激光线无法对钢轨外表面进行全部测量；使用三个相机结合线激光分别采集顶面和两个侧面的方法对测量系统的经济要求较高，程序繁琐，不利于部署实施。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术的不足，提供了一种钢轨外轮廓测量装置、方法及应用，以期采用单目相机即能实现对钢轨外表面轮廓全貌的测量，并通过采用两个平面反射镜对钢轨侧面镜面成像，从而能提高检测效率，并能避免单个相机无法对钢轨外轮廓全部测量的问题。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明一种钢轨轮廓测量装置的特点是在于，包括：三个线激光发生器、一个CCD相机、两个平面反射镜和计算机；

在待测钢轨的三个外表面分别设置有线激光发生器，且待测钢轨的三个外表面投射的线激光平面与待测钢轨的横断面共面，使得三个所述线激光发生器投射分别在所述钢轨的顶面、两个侧面上的线激光条纹能形成连续的激光条纹曲线，以反映待测钢轨表面形貌的三维特征；

两个所述平面反射镜分别用于对待测钢轨的两个侧面上的线激光条纹进行镜面成像；

所述CCD相机的光轴与待测钢轨的横断面成固定夹角，所述CCD相机用于采集由钢轨顶面激光条纹、两个镜面中的钢轨侧面激光条纹构成的激光条纹图像，并传输给计算机进行分析与计算；

所述计算机包括三维重建模块和测量工具模块，所述三维重建模块在接收所述激光条纹图像后，分别对激光条纹图像中三段不同位置的激光条纹进行处理和计算，并转换到统一相机坐标系下，从而获得待测钢轨的外轮廓三维点云数据；所述测量工具模块根据待测钢轨的外轮廓三维点云数据对待测钢轨进行外轮廓参数测量。

本发明一种钢轨轮廓测量方法的特点在于，是应用于由三个线激光发生器、一个CCD相机、两个平面反射镜和计算机所组成的系统中，并包括如下步骤：

步骤一，CCD相机与线激光平面的标定：

在待测钢轨的三个外表面分别设置有线激光发生器，且待测钢轨的三个外表面投射的线激光平面与待测钢轨的横断面共面；

令所述CCD相机的光轴与待测钢轨的横断面成固定夹角；

通过张正友标定法计算相机模型的内部参数与畸变系数，从而获得像素坐标系与相机坐标系之间的映射关系；

通过联立标定板已知的平面方程和所述CCD相机的光心，计算标定板上的一系列光条中心线特征点所对应的三维点坐标，并基于最小二乘法平面拟合三维点坐标，从而得到线激光平面方程；