CN105548197B - 一种非接触的钢轨表面伤损检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触的钢轨表面伤损检测方法及其装置，钢轨表面伤损检测方法包括：由里程计测量载体平台的里程数据，同时由GPS接收机测量载体平台的位置数据；同步控制电路根据里程数据和位置数据对IMU和线激光扫描仪进行同步控制，并输出同步信息给计算机；IMU测量载体平台的姿态参数，线激光扫描仪获取钢轨表面数据并传输给计算机；计算机根据里程数据、位置数据、姿态参数和钢轨表面数据计算出钢轨表面三维点云；根据钢轨表面数据定位伤损区域并进行特征提取，结合钢轨表面三维点云判定伤损信息；利用激光扫描获取钢轨表面轮廓信息，避免钢轨表面伤损对超声波或电磁信号回波的干扰，通过钢轨表面三维点云提高了伤损判断的准确性。

Description

一种非接触的钢轨表面伤损检测方法及其装置

技术领域

本发明涉及钢轨表面伤损检测应用领域，特别涉及一种非接触的钢轨表面伤损检测方法及其装置。

背景技术

钢轨作为铁路基础设施最重要的组成部分之一，其服役状态对铁路运输的安全性和舒适性具有直接和至关重要的影响。钢轨伤损是危及行车安全的重大隐患，必须尽早发现和排除，加强对钢轨的动态检测和状态监控是指导钢轨养护维修的重要手段。钢轨表面伤损主要包括轨头磨耗、表面擦伤、剥离掉块等。对于轨头磨耗，一般采用轨廓仪手工测量，效率比较低，只能抽查。对于擦伤及剥离掉块等，更多依靠人眼进行巡检，容易漏检测。可见，对于钢轨外观伤损的检测，目前工务部门还是利用一些简单的工具进行人工检查，有的直接依靠人眼进行巡检，自动化程度不高，劳动强度大，作业效率低，检测结果可靠性差。

现有的超声波检测和电磁检测技术是钢轨核伤检测的重要技术，已被广泛用于在役钢轨的伤损检测。超声波探伤是依据定向辐射超声波束在缺陷界面上产生反射或使透过声能下降等原理，通过测量回波信息和透过声波强度变化来指示损伤的一种方法。电磁检测技术通过把电流或电磁场或两者同时引入钢轨，检测相应的电磁响应来获得钢轨表面和近表面附近的缺陷特征信息。受检测原理的限制，这两种方式很难区分钢轨核伤和表面伤损，需配合人工现场复查以判断伤损类型，自动化程度低，在钢轨表面伤损检测方面应用不足。并且，单个超声波探头探测角度范围和探测距离有限，对轨顶面还可以较全面探测，但到了轨侧面效果就差许多，到轨腰处就需要大功率超声波探伤设备，成本太高。

现有的二维钢轨表面伤损检测系统基于数字图像处理的钢轨检测技术，利用CCD摄像机获取钢轨表面图像以记录钢轨表面伤损信息，采用数字图像处理技术（对采样图像采取图像增强、平滑滤波等预处理技术，采用特征分析、特征提取的方法实现钢轨表面伤损的提取，）分析钢轨表面伤损。这种方法需要钢轨表面无污渍、无侵入物干扰；要求曝光均匀，光照不均会导致图像对比度太强，掩盖了伤损的特征信息，伤损的漏识别率与识别不全率高，往往需要加装相应的照明系统和电力系统，增加了成本；而且阴影还会造成伤损虚假信息，误识别率高；伤损信息较弱导致无法识别，正确识别率不高且无法定量评价伤损深度信息，检测速度较低且需要过多的人工干预。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种非接触的钢轨表面伤损检测方法及其装置，以解决现有钢轨表面伤损对超声波或电磁信号回波的干扰导致伤损判断不准确的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种非接触的钢轨表面伤损检测装置，其包括载体平台、设置在载体平台上的里程计、IMU、GPS接收机、同步控制电路、线激光扫描仪和计算机；

所述里同步控制电路根据里程计测量载体平台的里程数据和GPS接收机测量载体平台的位置数据，对IMU和线激光扫描仪进行同步控制，并输出同步信息给计算机；IMU测量载体平台的姿态参数，线激光扫描仪获取钢轨表面数据并均传输给计算机；计算机根据里程数据、位置数据、姿态参数和钢轨表面数据计算出钢轨表面三维点云；及根据钢轨表面数据定位伤损区域并进行特征提取，结合钢轨表面三维点云判定伤损信息。

所述的非接触的钢轨表面伤损检测装置中，所述载体平台包括横梁支架、走行轮和连接件；

连接件将横梁支架与走行轮连接，走行轮控制载体平台沿着钢轨移动；所述里程计安装在载体平台的一端， IMU安装在横梁支架的底板中央，GPS接收机案装在横梁支架上方，同步控制电路安装在横梁支架的底板上，计算机安装在横梁支架上方。

所述的非接触的钢轨表面伤损检测装置中，所述线激光扫描仪包括左线激光扫描仪和右线激光扫描仪；左线激光扫描仪和右线激光扫描仪分别安装在横梁支架的底板的左右两端。

所述的非接触的钢轨表面伤损检测装置中，还包括电源模块，用于对载体平台上的里程计、IMU、GPS接收机、同步控制电路、线激光扫描仪和计算机供电。

一种采用所述的非接触的钢轨表面伤损检测装置的钢轨表面伤损检测方法，其包括：

A、由里程计测量载体平台的里程数据，同时由GPS接收机测量载体平台的位置数据；

B、同步控制电路根据里程数据和位置数据对IMU和线激光扫描仪进行同步控制，并输出同步信息给计算机；IMU测量载体平台的姿态参数，线激光扫描仪获取钢轨表面数据并均传输给计算机；

C、计算机根据里程数据、位置数据、姿态参数和钢轨表面数据计算出钢轨表面三维点云；

D、根据钢轨表面数据定位伤损区域并进行特征提取，结合钢轨表面三维点云判定伤损信息。

所述的非接触的钢轨表面伤损检测方法中，所述步骤B具体包括：

B1、同步控制电路根据里程数据和位置数据进行空间基准调整，并与GPS接收机进行时间同步；

B2、同步控制电路对线激光扫描仪和IMU进行同步控制，IMU测量载体平台的姿态参数并传输至计算机，线激光扫描仪获取钢轨表面数据并传输至计算机；

B3、同步控制电路将里程数据和生成的同步记录数据传输至计算机。

所述的非接触的钢轨表面伤损检测方法中，在所述步骤B2中，还包括：

B21、GPS接收机在预设频率下输出载体平台的绝对位置坐标，IMU连续获取载体平台运动过程中的姿态数据，里程计结合载体平台的起始位置获取线性参考坐标，并传输至计算机。

所述的非接触的钢轨表面伤损检测方法中，所述步骤C具体包括：

C1、计算机根据绝对位置坐标、姿态数据和线性参考坐标计算出载体平台的定位中心轨迹坐标；

C2、通过定位中心轨迹坐标计算钢轨表面上每个点的绝对位置坐标，根据所述绝对位置坐标生成钢轨表面三维点云。

所述的非接触的钢轨表面伤损检测方法中，在所述步骤C2中，所述绝对位置坐标，其中，为扫描点在线激光扫描仪坐标系下的坐标，为标定的线激光扫描仪到IMU体坐标系的旋转矩阵，为标定的线激光扫描仪到IMU体坐标系的平移量，为IMU体坐标系到世界坐标系的平移量，为IMU体坐标系到世界坐标系的旋转矩阵；

，

，

。

所述的非接触的钢轨表面伤损检测方法中，所述步骤D具体包括：

D1、根据预设的钢轨标准模型和钢轨表面数据定位伤损区域；

D2、对所述伤损区域的边界、形状、位置的特征信息进行提取，并将伤损区域在钢轨表面三维点云中标示以生成伤损特征图像；

D3、根据钢轨表面三维点云、特征信息和预设的钢轨表面伤损库判定伤损类型；

D4、对所述伤损特征图像采用图像处理技术提取伤损类型信息.

D5、根据伤损类型和伤损类型信息输出伤损类型分类结果并显示。

相较于现有技术，本发明提供的非接触的钢轨表面伤损检测方法及其装置，通过里程计测量载体平台的里程数据，GPS接收机测量载体平台的位置数据；同步控制电路根据里程数据和位置数据对IMU和线激光扫描仪进行同步控制，并输出同步信息给计算机；IMU测量载体平台的姿态参数，线激光扫描仪获取钢轨表面数据并均传输给计算机；计算机根据里程数据、位置数据、姿态参数和钢轨表面数据计算出钢轨表面三维点云；根据钢轨表面数据定位伤损区域并进行特征提取，结合钢轨表面三维点云判定伤损信息；利用激光扫描获取钢轨表面轮廓信息，避免了钢轨表面伤损对超声波或电磁信号回波的干扰，通过钢轨表面三维点云提高了伤损判断的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的非接触的钢轨表面伤损检测装置的结构框图。

图2为本发明实施例提供的非接触的钢轨表面伤损检测装置的结构图。

图3为本发明实施例提供的非接触的钢轨表面伤损检测方法流程图。

图4为本发明实施例提供的非接触的钢轨表面伤损检测方法中同步控制原理示意图。

图5为本发明实施例提供的非接触的钢轨表面伤损检测方法中数据采集原理示意图。

图6为本发明实施例提供的非接触的钢轨表面伤损检测方法中定位原理示意图。

图7为本发明实施例提供的非接触的钢轨表面伤损检测方法中伤损检测示意图。

具体实施方式

本发明提供一种非接触的钢轨表面伤损检测方法及其装置，属于测绘科学技术与仪器科学的交叉领域。随着激光扫描技术的发展，基于三维点云的钢轨表面伤损检测技术成为新的发展方向，通过获取钢轨表面的三维信息，分析钢轨表面深度变化情况和伤损特征，从而可快速检测钢轨表面伤损。本发明涉及一种结合移动精密定位技术与高精度激光扫描技术的钢轨表面伤损检测装置，其集成了全球定位系统GPS（Global PositioningSystem）、惯性测量单元IMU（Inertial Measurement Unit）、线扫描激光器、里程计、嵌入式计算机等传感器和控制模块。还涉及一种获取钢轨表面高精密度三维点云，利用点云匹配技术、特征提取技术、图像处理技术以及支持向量机分类技术的钢轨表面伤损检测方法来自动识别钢轨表面伤损。可以广泛应用于轨道检测、工业检测等测绘和工业测量领域。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

钢轨表面伤损检测装置基于激光表面扫描，采用了激光扫描技术、多传感器集成及同步控制技术、数据融合技术、图像处理技术、点云数据分析技术和移动精密定位技术等高新技术。请同时参阅图1和图2，钢轨表面伤损检测装置包括载体平台1、设置在载体平台1上的里程计2、IMU 3、GPS接收机4、同步控制电路5、线激光扫描仪6、计算机7以及电源模块8。在载体平台1移动过程中，所述里程计2用于测量载体平台的里程数据，GPS接收机4用于测量载体平台1的位置数据。同步控制电路5根据里程数据和位置数据对IMU 3和线激光扫描仪6进行同步控制，并输出同步信息到嵌入式的计算机7中， IMU3用于测量载体平台的姿态参数，线激光扫描仪6用于垂直钢轨表面照射以获取钢轨表面数据。计算机7安装在载体平台上，根据钢轨表面数据定位伤损区域并进行特征提取，结合钢轨表面三维点云判定伤损类型和伤损信息；具体实施时对前述获取和测量的所有数据进行融合处理，利用点云匹配技术、特征提取技术、图像处理技术和支持向量机分类技术自动识别钢轨表面伤损。即计算机7用于实现钢轨表面数据和载体平台位置、姿态数据的采集、存储以及处理，以及参数的选择、检测的状态以及结果的显示等人机交互。电源模块8用于对载体平台1上的上述传感器和相应模块供电。

其中，里程计2、IMU 3、GPS接收机4、线激光扫描仪6为传感器。所述里程数据包括运行速度和行驶距离。所述姿态参数包括加速度和角速度。所述位置数据包括位置坐标、时间和PPS信号；其中PPS信号为脉冲电信号，用于对同步控制电路进行时间基准的同步控制。里程计2、IMU 3、GPS接收机4主要用于建立高精度时间与空间基准；其他是用于高精度定位数据与表面轮廓数据的快速融合与处理分析。通过GPS接收机4和IMU 3测量的数据可获取载体平台1的绝对位置坐标。利用三维检测的方式直接获取钢轨表面三维信息，方法简单、快速、直观易懂、易于理解和分析，解决了超声波检测和电磁检测核伤与表面伤损难以区分、对技术人员专业要求高等难题，解决了图像检测方式遇到的受环境干扰大、速度慢等技术瓶颈，提高了钢轨表面伤损检测的效率和准确性。

在具体实施时，如图2所示，所述线激光扫描仪6包括扫描左钢轨的左线激光扫描仪L（61）和扫描右钢轨的右线激光扫描仪R（61）。通过一台里程计和两台高速线激光扫描仪，利用行程脉冲控制钢轨表面断面数据的采集，断面间隔可以更加精密。

所述载体平台1包括为各传感器提供机械搭载平台的横梁支架11、走行轮12和连接件13。通过连接件13将横梁支架11与走行轮12连接，走行轮12控制载体平台1沿着钢轨移动。所述里程计2安装在载体平台1的一端，位于左边走行轮的中心轴上，IMU 3安装在横梁支架11的底板中央，GPS接收机4案装在横梁支架11上方。同步控制电路5安装在横梁支架11的底板上，线激光扫描仪L 61（扫描左边的钢轨）和线激光扫描仪R 62（扫描右边的钢轨）分别安装在横梁支架11的底板的左右两端，计算机7安装在横梁支架11上方。载体平台1相当于一个壳体，IMU 3、同步控制电路5、线激光扫描仪L 61、线激光扫描仪R 62位于壳体内，GPS接收机4、计算机7、电源模块8位于壳体外。

本实施例中，所述电源模块8包括蓄电池81和电源变送及控制模块82。蓄电池81产生的直流电源，经电源变送及控制模块82进行降压滤过、静电保护等处理后，生成对应电压值的供电电压。一部分对线激光扫描仪供电，一部分对IMU和计算机供电；还有一部分输送到同步控制电路中，经同步控制电路传输给GPS接收机和里程计供电。

基于上述的钢轨表面伤损检测装置，本发明实施例还相应提供一种钢轨表面伤损检测方法。请参阅图3，所述钢轨表面伤损检测方法包括：

S100、由里程计测量载体平台的里程数据，同时由GPS接收机测量载体平台的位置数据；

S200、同步控制电路根据里程数据和位置数据对IMU和线激光扫描仪进行同步控制，并输出同步信息给计算机；IMU测量载体平台的姿态参数，线激光扫描仪获取钢轨表面数据并均传输给计算机；

S300、计算机根据里程数据、位置数据、姿态参数和钢轨表面数据计算出钢轨表面三维点云；

S400、根据钢轨表面数据定位伤损区域并进行特征提取，结合钢轨表面三维点云判定伤损信息。

在所述步骤S100之前，由计算机输出设置指令设置同步控制电路的参数，如设置触发脉冲信号每隔预设时间间隔（1毫秒）输出一个脉冲。需要检测时启动钢轨表面伤损检测装置，走行轮12控制载体平台1沿着钢轨移动。

在所述步骤S200中，由所述GPS接收机4与里程计2的获取的相关数据输入到同步控制电路5，由同步控制电路5完成同步处理，请一并参阅图4和图5，具体包括：

步骤210、同步控制电路根据里程数据和位置数据进行空间基准调整，与GPS接收机4进行时间同步。

检测时里程计2输出里程数据（运行速度和行驶距离）、GPS接收机4输出位置数据（位置坐标、时间和PPS信号）给同步控制电路5。同步控制电路5根据行驶距离和位置坐标进行空间基准调整，及根据PPS信号与GPS接收机4进行时间基准调整（即将同步控制电路5与GPS接收机4进行时间同步）。

步骤220、同步控制电路对线激光扫描仪和IMU进行同步控制，IMU测量载体平台的姿态参数并传输至计算机，线激光扫描仪获取钢轨表面数据并传输至计算机。

时间基准调整后，同步控制电路5输出触发脉冲信号控制线激光扫描仪与其同步（即主动同步）并采集钢轨表面数据，还输出时间和PPS信号控制IMU与其同步（即授时同步）。IMU3测量载体平台的姿态参数并结合GPS接收机4输出的位置数据获得载体平台的高精度的GPS绝对定位数据并传输至计算机7存储。线激光扫描仪6获取钢轨表面数据并传输至计算机7存储。

步骤230、同步控制电路将触发脉冲信号每个脉冲的触发时间与当前的行驶距离相对应，并记录为同步记录数据；将里程数据和同步记录数据发送（采用USB或RS232方式传输）至计算机7存储。

如图5所示，本实施例中数据采集原理为：同步控制电路5接收里程计的里程数据（运行速度和行驶距离），按照计算机发送的设置参数，产生触发脉冲信号，控制线激光扫描仪采集钢轨表面数据，同时记录下里程计的里程数据作为平台在线性参考坐标系下的坐标；线激光扫描仪一次采集获得钢轨表面上各点在线激光扫描仪坐标系中的坐标。

在所述步骤B220中，还包括GPS接收机和IMU按照一定频率输出载体平台在世界坐标系WGS-84下的绝对位置坐标与姿态数据。计算机主要用于对同步控制电路及线激光扫描仪的采集参数进行设置和对传输的数据进行存储。通过载体平台的移动，线激光扫描仪连续采集钢轨表面多个表面数据，辅以载体平台的绝对位置坐标与姿态数据，从而构成钢轨表面的三维点云数据。

在所述步骤S300中，计算机7根据上述处理得到的里程数据、GPS绝对定位数据、同步记录数据即可对钢轨表面数据进行分析，根据上述采集的各种数据计算出以IMU的坐标系为基准的载体平台的定位中心轨迹坐标，通过定位中心轨迹坐标计算钢轨表面上每个点的绝对位置坐标，生成钢轨表面三维点云，从而识别和提取钢轨表面伤损信息。

请一并参阅图6和图7，GPS接收机获取载体平台的绝对位置坐标（输出频率1Hz），IMU连续获取载体平台运动过程中的姿态数据（输出频率200Hz）。里程计结合载体平台的起始位置获取线性参考坐标（输出距离间隔1mm）。

所述步骤S300具体包括：

步骤310、计算机根据绝对位置坐标、姿态数据和线性参考坐标计算出载体平台的定位中心轨迹坐标；

计算机以IMU的导航中心作为载体平台的定位中心，将绝对位置坐标和惯性的姿态数据代入到卡尔曼滤波方程中，并以线性参考坐标作为约束条件，辅以GPS接收机和IMU的标定参数，可组合定位得到高精度、高密度的载体平台的定位中心轨迹坐标。该定位中心轨迹坐标与线性参考坐标一一对应。本实施例中以载体平台的定位中心为IMU体坐标系的原点。通过采用卡尔曼滤波方法融合GPS加IMU数据，并用高密度行程数据加以约束，获取载体平台运动轨迹的绝对坐标，能更有效地将绝对位置数据与高密度行程数据和精密三维断面数据融合。

步骤320、通过定位中心轨迹坐标计算钢轨表面上每个点的绝对位置坐标，根据所述绝对位置坐标生成钢轨表面三维点云。

需要将线激光扫描仪的坐标系下的定位中心轨迹坐标转换为与其对应的IMU体坐标系下的钢轨表面上每个点的绝对位置坐标。

由于线激光扫描仪是以线性坐标系下的里程计等距离触发的，因此线激光扫描仪的坐标与线性参考坐标一一对应，由此可知，线激光扫描钢轨表面数据与IMU的导航中心的定位中心轨迹坐标也一一对应。假设线激光扫描仪坐标中心在IMU体坐标系的标定参数分别为坐标平移量和坐标轴旋转角度，则钢轨表面上每个点的绝对位置坐标可以表示为：

，

其中，为扫描点在线激光扫描仪坐标系下的坐标，为标定的线激光扫描仪到IMU体坐标系的旋转矩阵，为标定的线激光扫描仪到IMU体坐标系的平移量，为IMU体坐标系到世界坐标系的平移量，为IMU体坐标系到世界坐标系的旋转矩阵，这些旋转矩阵和平移量的计算公式如下：

，

，

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最后即可对钢轨表面上每个点的绝对位置坐标进行分析处理以识别伤损。具体包括：

步骤410、根据预设的钢轨标准模型和钢轨表面数据定位伤损区域；

钢轨标准模型为现有钢轨正常情况下表面各点的坐标值。正常情况下线激光扫描仪获取的钢轨表面数据与钢轨标准模型在整体和局部形状上是匹配的。若对应的同一点的坐标发生变化，则说明实际采集的钢轨表面出现伤损。因此，可先大致找出伤损区域，后续再详细判断。采用迭代最近点ICP（Iterative Closest Point）算法，计算出最佳的点云匹配参数并计算钢轨表面数据与钢轨标准模型之间对应坐标点的差值，超过阈值范围的点判定为伤损区域。

步骤420、对所述伤损区域的边界、形状、位置的特征信息进行提取，并将伤损区域在钢轨表面三维点云中标示以生成伤损特征图像；

在所述步骤S300中根据已得到的载体平台绝对位置坐标通过线性坐标与钢轨表面数据对应，辅以载体平台与线激光扫描仪的空间标定参数即可求出钢轨扫描表面上各个点的绝对位置坐标，生成钢轨表面三维点云。此处需对定位出的伤损区域采用特征提取算法，提取出伤损区域的边界、形状、位置等特征信息，同时将伤损区域在钢轨表面三维点云中标示出来，生成伤损特征图像。

步骤430、根据钢轨表面三维点云、特征信息和预设的钢轨表面伤损库判定伤损类型；

将钢轨表面三维点云、提取出的钢轨伤损的特征信息输入到支持向量机的SVM（Support Vector Machine）分类器中，并结合调用的钢轨表面伤损库进行比对，即可判定出伤损类型。

步骤440、对所述伤损特征图像采用图像处理提取伤损类型信息.

步骤450、根据伤损类型和伤损类型信息输出伤损类型分类结果并显示。最终输出的伤损类型分类结果即伤损信息（包括伤损类型、伤损范围、伤损程度等信息），这样综合能提高伤损识别正确率，实现快速、自动识别钢轨表面伤损。

需要理解的是，本实施例利用GPS+IMU+里程计实现高精度移动定位，在特殊环境下也可以通过机器视觉+IMU+里程计定位，此时需要在载体平台上增加CCD相机并在移动路径两端铺设已知坐标的控制点，通过机器视觉的方法采集控制点位置信息并由控制点（网）来反算载体平台定位中心的位置坐标，达到GPS接收机相同的效果；在地下或遮挡环境下，可以通过LiDAR+IMU+里程计定位，此时需要在载体平台上LiDAR激光扫描仪并在移动路径中间铺设已知坐标的控制点，通过LiDAR扫描控制点信息并由控制点（网）来载体平台定位中心的位置坐标，达到GPS接收机相同的效果。

综上所述，本发明提供的非接触的钢轨表面伤损检测方法及其装置，由于采用的传感器少，因此系统集成简单，系统同步控制方案的可扩展性强，可移植性强，安装、拆卸方便，可搭载其他测量模块，例如建立的时空基准很容易与其他功能模块协同工作，因此可搭载更多传感器实现更多功能，例如加入三维激光扫描仪即可实现动态测量轨道限界、第三轨等项目；

基于激光三维表面扫描，利用激光高速、高密度扫描技术，以准直激光线照射钢轨表面，一次获取就能直接得到轨顶面、轨侧面、轨腰的三维信息，无需分离核伤和表面伤损，可以快速获取钢轨表面精密三维点云，快速生成轨道外观三维点云；方法简单、快速，检测范围全面，成本较低。采用的三维检测方法，直接获取钢轨表面的三维信息，激光器特别调制准直激光线不受环境光和阴影等干扰，有效解决了光照不均和阴影的问题；激光器在保证高速采集表面数据的同时，钢轨表面深度信息可以达到亚毫米的精度，表面间隔可以控制1mm以内，极大的提高了微弱伤损的识别与检测效果。同时采用了嵌入式同步控制方案，建立高精度的时空基准，提高了各传感器的同步精度，减小了数据融合的难度，从而提高检测数据的精度，使检测效果更加可靠。相较于传统的人工检测极大地提高了检测速度和检测精度。

并且，利用激光三维扫描技术，采用非接触模式检测钢轨表面伤损，直接获取钢轨表面轮廓三维信息，一方面避免了钢轨表面伤损对超声波或电磁信号回波的干扰，另一方面解决了超声波检测和电磁检测很难区分表面伤损与内部伤损的难题；利用钢轨表面三维信息，从深度上识别伤损，解决二维图像钢轨表面伤损检测中对于光照不均、阴影、异物干扰、伤损信息较弱带来的检测困难；

现有的检测技术（包含超声波检测、电磁检测、图像检测）如果要建立模型库是一个很复杂的过程，例如建立钢轨表面的超声波反射模型，由于在检测车在运动过程中，必然导致超声波探头与钢轨表面之间的相对位置时刻在发生改变，所以钢轨表面的超声波模型的建立需要测定超声波探头处于钢轨表面不同位置时获取的不同反射模型，需要专业人员才能看懂；图像检测由于受光照条件、拍摄角度、拍摄距离的影响基本无法建立参考模型库；本发明采用激光表面扫描技术，获取的钢轨表面数据只需要和标准钢轨表面几何尺寸对比即可，而标准钢轨的几何尺寸参数都是设计好的，只需要按照设计的分段函数曲线，自定义抽样间隔得到离散点，就可以建立高精密度的钢轨表面三维模型，方法简单、快速、直观易懂。

现有的钢轨伤损检测系统将里程计与内部时钟结合，用于按空间间隔采样控制传感器的工作，并为传感器的采集数据提供时间戳。其缺点是：没有将车辆行驶的线性参考坐标与采集的数据相关联，对于道路检测、轨道检测这类通常以线性参考坐标为基准的应用，空间定位表达十分不方便。本发明的通过GPS数据、高精度时间和里程数据的同步输出，快速建立世界坐标系（WGS-84）与道路线性参考坐标系的转换模型。将里程计、GPS、IMU与高精度时钟结合，通过时空基准电路，快速建立了线性参考坐标系与大地坐标系的转换模型；建立高精度的空间基准，并解决道路线性参考坐标与世界坐标（WGS-84）之间的快速转换。

通过建立高精度标准钢轨模型库，将钢轨表面精密三维点云数据与标准钢轨模型对比，定位伤损存在的区域，利用特征提取方法和图像处理技术提取各类轨面伤损的特征信息，建立伤损特征库，在存在伤损的区域采用SVM分类法确定伤损类型，并按照各类型输出伤损评估参数。采用高精度点云配准方法，精确检测钢轨细微变化，提高钢轨表面伤损的正确识别率并精确定量评价钢轨伤损程度。并且，获取精密三维点云速度快，提高了作业效率。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种非接触的钢轨表面伤损检测装置，其特征在于，包括载体平台、设置在载体平台上的里程计、IMU、GPS接收机、同步控制电路、线激光扫描仪和计算机；

所述同步控制电路根据里程计测量载体平台的里程数据和GPS接收机测量载体平台的位置数据，对IMU和线激光扫描仪进行同步控制，并输出同步信息给计算机；IMU测量载体平台的姿态参数，线激光扫描仪获取钢轨表面数据并传输给计算机；计算机根据里程数据、位置数据、姿态参数和钢轨表面数据计算出钢轨表面三维点云；及根据钢轨表面数据定位伤损区域并进行特征提取，结合钢轨表面三维点云判定伤损信息;

所述载体平台包括横梁支架、走行轮和连接件；

连接件将横梁支架与走行轮连接，走行轮控制载体平台沿着钢轨移动；所述里程计安装在载体平台的一端， IMU安装在横梁支架的底板中央，GPS接收机案装在横梁支架上方，同步控制电路安装在横梁支架的底板上，计算机安装在横梁支架上方。

2.根据权利要求1所述的非接触的钢轨表面伤损检测装置，其特征在于，所述线激光扫描仪包括左线激光扫描仪和右线激光扫描仪；左线激光扫描仪和右线激光扫描仪分别安装在横梁支架的底板的左右两端。

3.根据权利要求1所述的非接触的钢轨表面伤损检测装置，其特征在于，还包括电源模块，用于对载体平台上的里程计、IMU、GPS接收机、同步控制电路、线激光扫描仪和计算机供电。

4.一种采用权利要求1所述的非接触的钢轨表面伤损检测装置的钢轨表面伤损检测方法，其特征在于，包括：

A、由里程计测量载体平台的里程数据，同时由GPS接收机测量载体平台的位置数据；

B、同步控制电路根据里程数据和位置数据对IMU和线激光扫描仪进行同步控制，并输出同步信息给计算机；IMU测量载体平台的姿态参数，线激光扫描仪获取钢轨表面数据并均传输给计算机；

C、计算机根据里程数据、位置数据、姿态参数和钢轨表面数据计算出钢轨表面三维点云；

D、根据钢轨表面数据定位伤损区域并进行特征提取，结合钢轨表面三维点云判定伤损信息。

5.根据权利要求4所述的非接触的钢轨表面伤损检测方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：

B1、同步控制电路根据里程数据和位置数据进行空间基准调整，并与GPS接收机进行时间同步；

B2、同步控制电路对线激光扫描仪和IMU进行同步控制，IMU测量载体平台的姿态参数并传输至计算机，线激光扫描仪获取钢轨表面数据并传输至计算机；

B3、同步控制电路将里程数据和生成的同步记录数据传输至计算机。

6.根据权利要求5所述的非接触的钢轨表面伤损检测方法，其特征在于，在所述步骤B2中，还包括：

B21、GPS接收机在预设频率下输出载体平台的绝对位置坐标，IMU连续获取载体平台运动过程中的姿态数据，里程计结合载体平台的起始位置获取线性参考坐标，并传输至计算机。

7.根据权利要求6所述的非接触的钢轨表面伤损检测方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：

C1、计算机根据绝对位置坐标、姿态数据和线性参考坐标计算出载体平台的定位中心轨迹坐标；

C2、通过定位中心轨迹坐标计算钢轨表面上每个点的绝对位置坐标，根据所述绝对位置坐标生成钢轨表面三维点云。

8.根据权利要求7所述的非接触的钢轨表面伤损检测方法，其特征在于，在所述步骤C2中，所述绝对位置坐标，其中，为扫描点在线激光扫描仪坐标系下的坐标，为标定的线激光扫描仪到IMU体坐标系的旋转矩阵，为标定的线激光扫描仪到IMU体坐标系的平移量，为IMU体坐标系到世界坐标系的平移量，为IMU体坐标系到世界坐标系的旋转矩阵；

，

，

。

9.根据权利要求7所述的非接触的钢轨表面伤损检测方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：

D1、根据预设的钢轨标准模型和钢轨表面数据定位伤损区域；

D2、对所述伤损区域的边界、形状、位置的特征信息进行提取，并将伤损区域在钢轨表面三维点云中标示以生成伤损特征图像；

D3、根据钢轨表面三维点云、特征信息和预设的钢轨表面伤损库判定伤损类型；

D4、对所述伤损特征图像采用图像处理技术提取伤损类型信息.

D5、根据伤损类型和伤损类型信息输出伤损类型分类结果并显示。