CN105526882B - 基于结构光测量的道岔磨耗检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于结构光测量的道岔磨耗检测系统及其检测方法，检测系统包括检测系统承载平台、支架、数字投影仪、工业相机、电脑，道岔数据测量模块、道岔点云数据处理模块、道岔曲面重建模块、对比检测和数据分析模块；检测方法包括对道岔数据进行采集，获取目标道岔的三维点云数据；对点云数据进行精简、优化处理，重构出连续的道岔三维曲面模型；将所得道岔三维曲面模型与同型号道岔标准CAD模型进行对比分析评估道岔的磨耗；本发明减少由于接触式测量设备本身的磨耗而产生的误差和人工测量的主观因素影响；获取的是连续的三维数据，将道岔磨耗测量从有限截面扩展到任意截面，可建立更为全面的道岔磨耗信息，预测道岔磨损趋势，有效防止漏检。

Description

基于结构光测量的道岔磨耗检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种道岔检测装置，特别是一种采集道岔廓形连续数据并将数据进行处理的道岔磨耗检测系统及其检测方法。

背景技术

道岔是机车车辆从一股轨道转入或越过另一股轨道的线路设备，由于道岔自身结构上存在的不平顺，使道岔成为线路上的薄弱环节，对列车的通过性能和行车安全有着重要的影响。当道岔的磨耗超过一定的界限时，必须对道岔进行必要的养护或更换，以免威胁行车安全，尤为需要数据完整、测量精确的道岔磨耗检测方法。

传统的道岔的检测仍然沿用测量钢轨磨耗的卡尺或其它接触式测量方法，这种方法不仅测量速度慢，而且受人为因素影响比较大。由于接触式测量方法的局限性，卡尺检测设备长时间使用时自身的损耗也会导致测量精度的下降。与此同时，由于高速道岔的尖轨、心轨和辙叉的工作踏面曲面的复杂性，使卡尺检测的结果难以直观地描述道岔的磨耗，现有的测量设备和方法已不能满足当前高速道岔磨耗检测的发展需求。

目前有一些道岔磨耗检测装置采用了有非接触式的工作模式，如采用点激光或线激光测量，但这些检测方式并不是对道岔进行连续测量，获取的二维数据难以全面分析评估道岔的磨耗。如果能够采用一种能够直接对道岔进行三维测量的方法，将能够得到更好地获取连续的道岔廓形数据，进而为道岔磨耗的评估提供可靠的检测手段。

发明内容

本发明针对传统接触式道岔磨耗检测速度慢、工作过程繁琐、激光检测的数据不连续等问题，考虑到道岔磨耗评估要求，提供一种基于结构光测量的道岔磨耗检测装置及其检测方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种基于结构光测量的道岔磨耗检测系统，包括：检测系统承载平台，所述承载平台上方的支架，固定于所述支架上的用于提供光源和投射结构光条的数字投影仪，位于数字投影仪左右两侧用于采集图像且镜头光轴线在平台上互呈锐角的两个工业相机，与数字投影仪和工业相机连接的用于操作控制和数据处理的电脑，用于数据的检测采集、优化、处理和与标准模型对比的分为以下几个模块的软件系统：

道岔数据测量模块：用于对道岔的测量采用基于结构光的非接触测量，从而生成道岔的点云模型，通过编码结构光对道岔进行扫描获取道岔表面的三维几何信息，再通过解算生成道岔点云模型；

道岔点云数据处理模块：用于利用kdtree和八叉树Octree算法对点云数据建立空间索引，在此空间结构下对点云进行去噪、滤波和采样，从而得到优化的点云；

道岔曲面重建模块：用于利用泊松曲面重建算法对检测点云进行曲面重建，对道岔的磨损进行初步的评估；

对比检测和数据分析模块：用于利用ICP算法将点云检测模型和标准CAD模型进行匹配，得到磨损误差色温图和磨损检测报告，得到道岔的详细磨损和几何变形的数据，对道岔的磨损和几何形变进行详细评估。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述结构光测量的道岔磨耗检测系统对道岔磨耗进行检测的方法，包括如下步骤：(1)使用由两个相机和一个投影仪组成的双目视觉系统对道岔数据进行采集，综合道岔的曲面特征和结构光的最佳测量范围(指镜头获取的清晰成像范围，与相机的景深有关)两个因素，结合双目视觉系统的内、外参数及检测要求进行测量路径规划参数的确定，生成的运动轨迹数据驱动伺服机构调整结构光测量装置的位姿，获取目标道岔的三维点云数据；(2)对点云数据进行精简、优化处理，重构出连续的道岔三维曲面模型；(3)根据道岔标准设计数据建立三维CAD模型导入对比检测和数据分析模块，将所得道岔三维曲面模型与同型号道岔标准CAD模型进行对比分析进一步评估道岔的磨耗。

作为优选方式，所述步骤(1)中，采用双目视觉模式的CCD相机对道岔实时图像采集，每个相机安装有满足捕捉范围的定焦镜头，通过对具有一定特征的结构光光栅图像进行处理并实现三维重建，生成道岔的点云数据；其中，互成角度的双目视觉CCD相机清晰成像范围和数字投影仪的投影交集构成类圆锥体模型，测量过程中需要保证被测部位始终位于圆锥体模型内，该圆锥体模型即为系统测量模型，结合系统参数和测量要求规划测量过程中镜头和投影仪的角度和位置。

作为优选方式，所述步骤(1)进一步为：在待测道岔表面喷涂显影剂以突出物体特征，并粘贴一定数量用于拼接的图形标记点，控制支架使待测道岔表面位于系统测量模型范围内，通过投影仪将编码光栅投射在被测物体上，同时由所述的两台工业相机采集多幅含有变形条纹信息的道岔图像，从而计算物体上点的空间坐标；对于测量道岔的关键部位，如果廓形较为复杂，将通过控制系统多次从不同角度进行检测。确保点云拼接的完整性。

作为优选方式，所述步骤(1)中，测量路径规划参数的确定的方法为：从钢轨检测部位的特征出发，根据检测部位的大小确定系统的扫描范围，对检测系统进行标定，结合相机和投影仪的工业参数，得到系统测量模型，确定测量路径的规划参数。

作为优选方式，所述步骤(2)进一步为：在测量的过程中，通过投影仪将编码光栅投射在被测物体上，提取结构光编码条纹，从而计算物体上点的空间坐标；在空间坐标解算过程中，需要对测量系统中的相机参数畸变进行校正，从而生成每次测量的单片点云模型；由于铁轨表面特征不明显，因此点云之间的匹配采用估计点云表面的法线来描述和提取单片点云特征从而逐步匹配多幅点云。

作为优选方式，所述步骤(3)进一步为：对于步骤(2)生成好的点云，首先采用kdtree和八叉树Octree算法对点云建立空间索引，对点云进行重采样缩减点云数据量，再对点云进行滤波，移除离群点；得到优化的点云模型后，利用泊松曲面重建算法重建道岔的几何曲面模型，选择重构的道岔模型中未发生磨耗的曲面，以曲面的高斯曲率和平均曲率与道岔标准CAD模型中的相应曲面进行匹配实现模型的初步对齐，再基于ICP算法实现测量模型和标准模型的精确对齐，最后得到磨损误差色温图和磨损检测报告。

作为优选方式，所述双目视觉系统的内参数包括相机的焦距、像素间距、镜头畸变参数；外参数包括相机和投影仪的空间位置矩阵参数。

作为优选方式，所述的测量路径规划参数包括镜头和投影仪的角度和位置参数。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、基于结构光的道岔磨耗检测系统采用非接触式自动测量的工作模式，通过获取道岔的数字化模型，可以减少由于接触式测量设备本身的磨耗而产生的误差和人工测量的主观因素影响。

2、基于结构光的道岔磨耗检测系统具备了测量规划功能，生成的测量规划路径可控制系统多次从不同角度进行检测，能够更好确保数据的完整性和检测结果的准确性。

3、基于结构光的道岔磨耗检测系统获取的是连续的三维数据，将道岔磨耗测量从有限截面扩展到任意截面，可建立更为全面的道岔磨耗信息，有效防止漏检。

附图说明

图1为本发明基于结构光测量的道岔磨耗检测系统的结构示意图；

图2本发明检测方法步骤(1)中测量路径规划参数的确定的流程图；

图3为本发明检测方法步骤(2)的流程图；

图4为本发明检测方法步骤(3)的流程图；

其中，0为检测系统承载平台，1为数字投影仪，2为工业相机，3为电脑。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如图1所示，一种基于结构光测量的道岔磨耗检测系统，包括：检测系统承载平台0，所述承载平台上方的支架(支架在承载平台上可实现包括左右、俯仰、倾斜三个自由度的运动)，固定于所述支架上的用于提供光源和投射结构光条的数字投影仪1，位于数字投影仪左右两侧用于采集图像且镜头光轴线在平台上互呈锐角的两个工业相机2，与数字投影仪1和工业相机2连接的用于操作控制和数据处理的电脑3，用于数据的检测采集、优化、处理和与标准模型对比的分为以下几个模块的软件系统：

道岔数据测量模块：用于对道岔的测量采用基于结构光的非接触测量，从而生成道岔的点云模型，通过编码结构光对道岔进行扫描获取道岔表面的三维几何信息，再通过解算生成道岔点云模型；

道岔点云数据处理模块：测量的点云无序、数据量大、存在几何信息冗余、存在噪点。为了提高数据处理速度，去除噪点，减少数据量，道岔点云数据处理模块用于采用kdtree和八叉树Octree算法对点云数据建立空间索引，在此空间结构下对点云进行去噪，滤波和采样，从而得到优化的点云；

道岔曲面重建模块：用于利用泊松曲面重建算法对检测点云进行曲面重建，对道岔的磨损进行初步评估；

对比检测和数据分析模块：用于利用ICP算法将点云检测模型和标准CAD模型进行匹配，得到磨损误差色温图和磨损检测报告，得到道岔的详细磨损和几何变形的数据，对道岔的磨损和几何形变进行详细评估。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述结构光测量的道岔磨耗检测系统对道岔磨耗进行检测的方法，包括如下步骤：(1)使用由两个相机和一个投影仪组成的双目视觉系统对道岔数据进行采集，综合道岔的曲面特征和结构光的最佳测量范围(指镜头获取的清晰成像范围，与相机的景深有关)两个因素，结合双目视觉系统的内、外参数及检测要求进行测量路径规划参数的确定，生成的运动轨迹数据驱动伺服机构调整结构光测量装置的位姿，获取目标道岔的三维点云数据；(2)对点云数据进行精简、优化处理，重构出连续的道岔三维曲面模型；(3)根据道岔标准设计数据建立三维CAD模型导入对比检测和数据分析模块，将所得道岔三维曲面模型与同型号道岔标准CAD模型进行对比分析进一步评估道岔的磨耗。

所述步骤(1)中，采用双目视觉模式的CCD相机对道岔实时图像采集，每个相机安装有满足捕捉范围的定焦镜头，通过对具有一定特征的结构光光栅图像进行处理并实现三维重建，生成道岔的点云数据；其中，互成角度的双目视觉CCD相机清晰成像范围和数字投影仪的投影交集构成类圆锥体模型，测量过程中需要保证被测部位始终位于圆锥体模型内，该圆锥体模型即为系统测量模型，结合系统参数和测量要求规划测量过程中镜头和投影仪的角度和位置。

所述步骤(1)中，在待测道岔表面喷涂显影剂以突出物体特征，并粘贴一定数量用于拼接的图形标记点，控制支架使待测道岔表面位于系统测量模型范围内，通过投影仪将编码光栅投射在被测物体上，同时由所述的两台工业相机采集多幅含有变形条纹信息的道岔图像，从而计算物体上点的空间坐标；对于测量道岔的关键部位，如果廓形较为复杂，将通过控制系统多次从不同角度进行检测，确保点云拼接的完整性。

如图2所示，所述步骤(1)中，测量路径规划参数的确定的方法为：从钢轨检测部位的特征出发，根据道岔轮廓部位的大小确定系统的扫描检测范围，对检测系统进行标定，当标定误差≤0.5mm时标定完成，结合相机和投影仪的工业参数(焦距、成像的像素间距)，得到系统测量模型，确定测量路径的规划参数。

如图3所示，所述步骤(2)进一步为：在测量的过程中，通过投影仪将编码光栅投射在被测物体上，提取结构光编码条纹，从而计算物体上点的空间坐标；在空间坐标解算过程中，需要对测量系统中的相机参数畸变进行校正，从而生成每次测量的单片点云模型；由于铁轨表面特征不明显，因此点云之间的匹配采用估计点云表面的法线来描述和提取单片点云特征从而逐步匹配多幅点云。

如图4所示，所述步骤(3)进一步为：对于步骤(2)生成好的点云，首先采用kdtree和八叉树Octree算法对点云建立空间索引，对点云进行重采样缩减点云数据量，再对点云进行滤波，移除离群点；得到优化的点云模型后，利用泊松曲面重建算法重建道岔的几何曲面模型，选择重构的道岔模型中未发生磨耗的曲面，以曲面的高斯曲率和平均曲率与道岔标准CAD模型中的相应曲面进行匹配实现模型的初步对齐，再基于ICP算法实现测量模型和标准模型的精确对齐，最后得到磨损误差色温图和磨损检测报告。

所述双目视觉系统的内参数包括相机的焦距、像素间距、镜头畸变参数等；外参数包括相机和投影仪的空间位置矩阵参数。

所述的测量路径规划参数包括镜头和投影仪的角度和位置参数。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种基于结构光测量的道岔磨耗检测系统，其特征在于，包括：检测系统承载平台，所述承载平台上方的支架，固定于所述支架上的用于提供光源和投射结构光条的数字投影仪，位于数字投影仪左右两侧用于采集图像且镜头光轴线在平台上互呈锐角的两个工业相机，与数字投影仪和工业相机连接的用于操作控制和数据处理的电脑，用于数据的检测采集、优化、处理和与标准模型对比的分为以下几个模块的软件系统：

道岔数据测量模块：用于对道岔的测量采用基于结构光的非接触测量，从而生成道岔的点云模型，通过编码结构光对道岔进行扫描获取道岔表面的三维几何信息，再通过解算生成道岔点云模型；

道岔点云数据处理模块：用于利用kdtree和八叉树Octree算法对点云数据建立空间索引，在此空间结构下对点云进行去噪、滤波和采样，从而得到优化的点云；

道岔曲面重建模块：用于利用泊松曲面重建算法对检测点云进行曲面重建，对道岔的磨损进行初步的评估；

对比检测和数据分析模块：用于利用ICP算法将点云检测模型和标准CAD模型进行匹配，得到磨损误差色温图和磨损检测报告，得到道岔的详细磨损和几何变形的数据，对道岔的磨损和几何形变进行详细评估。

在测量的过程中，通过投影仪将编码光栅投射在被测物体上，提取结构光编码条纹，从而计算物体上点的空间坐标；在空间坐标解算过程中，需要对测量系统中的相机参数畸变进行校正，从而生成每次测量的单片点云模型；由于铁轨表面特征不明显，因此点云之间的匹配采用估计点云表面的法线来描述和提取单片点云特征从而逐步匹配多幅点云。

2.利用权利要求1所述的检测系统对道岔磨耗进行检测的方法，其特征在于包括如下步骤：(1)使用由两个相机和一个投影仪组成的双目视觉系统对道岔数据进行采集，综合道岔的曲面特征和结构光的最佳测量范围两个因素，结合双目视觉系统的内、外参数及检测要求进行测量路径规划参数的确定，生成的运动轨迹数据驱动伺服机构调整结构光测量装置的位姿，获取目标道岔的三维点云数据；(2)对点云数据进行精简、优化处理，重构出连续的道岔三维曲面模型；(3)根据道岔标准设计数据建立三维CAD模型导入对比检测和数据分析模块，将所得道岔三维曲面模型与同型号道岔标准CAD模型进行对比分析进一步评估道岔的磨耗。

3.根据权利要求2所述的对道岔磨耗进行检测的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，采用双目视觉模式的CCD相机对道岔实时图像采集，每个相机安装有满足捕捉范围的定焦镜头，通过对具有一定特征的结构光光栅图像进行处理并实现三维重建，生成道岔的点云数据；其中，互成角度的双目视觉CCD相机清晰成像范围和数字投影仪的投影交集构成类圆锥体模型，测量过程中需要保证被测部位始终位于圆锥体模型内，该圆锥体模型即为系统测量模型，结合系统参数和测量要求规划测量过程中镜头和投影仪的角度和位置。

4.根据权利要求2所述的对道岔磨耗进行检测的方法，其特征在于：所述步骤(1)进一步为：在待测道岔表面喷涂显影剂以突出物体特征，并粘贴一定数量用于拼接的图形标记点，控制支架使待测道岔表面位于系统测量模型范围内，通过投影仪将编码光栅投射在被测物体上，同时由所述的两台工业相机采集多幅含有变形条纹信息的道岔图像，从而计算物体上点的空间坐标；对于测量道岔的关键部位，如果廓形较为复杂，将通过控制系统多次从不同角度进行检测。

5.根据权利要求2所述的对道岔磨耗进行检测的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，测量路径规划参数的确定的方法为：从钢轨检测部位的特征出发，根据检测部位的大小确定系统的扫描范围，对检测系统进行标定，结合相机和投影仪的工业参数，得到系统测量模型，确定测量路径的规划参数。

6.根据权利要求2所述的对道岔磨耗进行检测的方法，其特征在于：所述步骤(2)进一步为：在测量的过程中，通过投影仪将编码光栅投射在被测物体上，提取结构光编码条纹，从而计算物体上点的空间坐标；在空间坐标解算过程中，需要对测量系统中的相机参数畸变进行校正，从而生成每次测量的单片点云模型；由于铁轨表面特征不明显，因此点云之间的匹配采用估计点云表面的法线来描述和提取单片点云特征从而逐步匹配多幅点云。

7.根据权利要求2所述的对道岔磨耗进行检测的方法，其特征在于：所述步骤(3)进一步为：对于步骤(2)生成好的点云，首先采用kdtree和八叉树Octree算法对点云建立空间索引，对点云进行重采样缩减点云数据量，再对点云进行滤波，移除离群点；得到优化的点云模型后，利用泊松曲面重建算法重建道岔的几何曲面模型，选择重构的道岔模型中未发生磨耗的曲面，以曲面的高斯曲率和平均曲率与道岔标准CAD模型中的相应曲面进行匹配实现模型的初步对齐，再基于ICP算法实现测量模型和标准模型的精确对齐，最后得到磨损误差色温图和磨损检测报告。

8.根据权利要求2所述的对道岔磨耗进行检测的方法，其特征在于：所述双目视觉系统的内参数包括相机的焦距、像素间距、镜头畸变参数；外参数包括相机和投影仪的空间位置矩阵参数。

9.根据权利要求2所述的对道岔磨耗进行检测的方法，其特征在于：所述的测量路径规划参数包括镜头和投影仪的角度和位置参数。