CN106055820B - Crtsⅲ型轨道板加工偏差检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CRTSⅢ型轨道板加工偏差检测方法，包括：利用机械臂及/或机械滑轨的激光扫描系统对轨道板进行扫描，将采集的数据纠正为统一坐标系的轨道板表面激光点云数据；从激光点云数据中自动提取轨道板各部件模型，获得轨道板各部件的几何尺寸；将获得的轨道板各部件的几何尺寸与轨道板的设计参数进行对比，计算轨道板的外形尺寸加工偏差；将轨道板表面激光点云数据与轨道板的三维设计模型进行对比，得到轨道板的整体加工偏差，并采用数据库方式将轨道板检测的数据进行管理，通过将检测原始数据和结果数据实时上传至远程服务器，利用网络发布系统，实现轨道板检测结果的信息化管理。该方法检测效率高、人员投入少且无需检测工装。

Description

CRTSⅢ型轨道板加工偏差检测方法

技术领域

本发明涉及高速铁路轨道板检测领域，特别是涉及一种高速铁路CRTSⅢ型轨道板加工偏差检测方法。

背景技术

CRTS(板式无砟轨道)Ⅲ型无砟轨道由钢轨、扣件、预制的无砟轨道板、自密实混凝土、限位结构、中间隔离层(土工布)和钢筋混凝土底座等部分组成。CRTSⅢ型的无砟轨道板是我国完全自主知识产权研发、一次成型的新型无砟轨道板，目前已经在全国高铁项目上推广应用。CRTSⅢ型无砟轨道板的结构大同小异，一般如图2所示，主要包括底部平面10、承轨台11和预埋套管12，其中承轨台11包括底部承轨面和两侧钳口面。由于是一次加工成型，所以对CRTS III型无砟轨道板的加工尺寸要求十分严格，其外形加工尺寸偏差要求在限差内(部分要求0.5mm)。对III型无砟轨道板的检测分为10大类，共测19项数据，主要包括：底座板外观三维尺寸、承轨台内测尺寸和底部坡度以及预埋套管的中心距离、线性度和横向偏差、垂向偏差等。

目前，高速铁路CRTSⅢ型无砟轨道板外形尺寸的检测主要有以下两种方式：

第一种是基于马达驱动型全站仪+特殊工装的方式:在Ⅱ型无砟轨道板尺寸检测的基础上，对工装类型进行改进、对全站仪数据获取和分析软件进行升级，实现Ⅲ型无砟轨道板外观尺寸检测。国内市场上有广州南方测绘仪器有限公司、成都普罗米新科技股份有限公司、中铁十二局集团有限公司等单位研制的轨道板检测系统。此类检测方法在目前工程上应用最多，可实现轨道板外形尺寸的直接检测。按照规范要求，要对一块轨道板的外形尺寸进行完整检测，整套工序的检测时间约为40分钟。要实现每一块轨道板的检测，效率上很难满足轨道板厂的实际生产需求。

第二种是基于近景摄影测量+机械驱动方式：解放军信息工程大学的卢书在其硕士学位论文《高速铁路轨道板快速精密检测技术研究》中和中国矿业大学的范生宏在其博士学位论文《基于数字摄影测量的轨道板快速检测关键技术研究》中论述了此方法。基于近景摄影测量系统的自动化检测系统，通过步进电机驱动摄像机，让摄像机在轨道板上方沿着设定的路线进行移动摄像。此类方法可以实现轨道板外观尺寸的快速获取，再通过分析软件的处理，实现轨道板外观尺寸结果的自动生成。此类方法虽然在效率上得到很大的提高，但需要对检测现场进行改造，带动摄像机运动的机械装置较为复杂，不能实现灵活的数据获取方式。另外，此方法需要在轨道板表面投射可见光源的激光光束，再通过计算机处理程序自动获取激光光束对应的轨道板坐标。由于承轨台内侧表面的激光光束数量有限，所获取的每个平面点数量只有大约6个，因此，这种方式不能完整重建每个平面的精细模型。

中国发明专利公开号CN103697813A公开了一种无砟轨道板尺寸检测方法及装置，该方法虽然实现了CRTSⅢ型轨道板外观尺寸偏差自动化检测，但是该方法还存在以下缺点：(1)需要在待检测无砟轨道板表面布设多个照相测量点及编码标志点，以及在轨道板上方放置两个标准尺，轨道板检测前，需要人工方式将这些装置安装在待检测板上，不能实现完全的自动化检测；(2)所述方法是通过在待检测轨道板上布设一定数量的照相测量点，采用回光反射标志或者激光发射器投射激光点，这些照相测量点一般为圆形，通过图形边缘提取算法提取边缘特征，再拟合出照相测量点中心点三维坐标，该方法的特性要求这些照相测量点必须布设在承轨台内侧表面平面区域内，在承轨台边缘及承轨台两侧圆柱形区域不能布设此类照相测量点，且该方法布设的照相测量点个数有限，基于有限个数的激光点，不能实现轨道板表面模型的精细化三维重建；(3)采用摄影测量方式实现轨道板检测，只能获得照相测量点位的三维坐标，如果采用激光扫描方式，可以直接获取轨道板表面海量激光点云。

在申请号为201610171840.3、发明名称为“检测CRTSⅢ型轨道板外观尺寸偏差的方法”的中国发明专利申请中，采用激光跟踪仪和手持扫描仪组合方式，实现人工方式的轨道板表面扫描，相对于传统的检测方法，其检测效率和结果精度提高得非常显著。但是该方法存在以下缺点：(1)在检测轨道板预埋套管相关尺寸偏差时，需借助球型自归心工装，通过扫描自归心工装顶部球型模型点云，拟合球型模型，再通过计算拟合球型模型中心点三维空间距离，间接检测同一承轨台预埋套管中心距离；(2)在轨道板激光扫描时，将自归心球型工装插入预埋套管中心，自归心工装底部平面和承轨面接触，整个工装中轴线和承轨面法向量平行，所以导致检测规范中要求的预埋套管歪斜值无法检测。(3)在轨道板检测时，只针对轨道板检测规范中要求的检测项目进行检测，没有实现轨道板整体加工偏差的检测。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、效率较高的检测CRTSⅢ型轨道板外形尺寸偏差的方法。

为此，本发明的技术方案如下：

一种CRTSⅢ型轨道板加工偏差检测方法，包括以下步骤：

S1、利用机械臂及/或机械滑轨，以及激光扫描系统，从多个位置对所述轨道板进行扫描，并将多个位置采集的数据纠正为统一坐标系的轨道板表面激光点云数据；

S2、采用模型随机采样一致性算法从所述激光点云数据中自动提取轨道板各部件模型，获得轨道板各部件的几何尺寸；

S3、将获得的轨道板各部件的几何尺寸与轨道板的设计参数进行对比，计算轨道板的外形尺寸加工偏差；

S4、将所述轨道板表面激光点云数据与轨道板的三维设计模型进行对比，得到轨道板的整体加工偏差。

所述激光扫描系统包括激光扫描仪和实时定位定姿装置，所述实时定位定姿装置包括激光跟踪仪或立体摄影测量装置，通过实时测量所述激光扫描仪上多个测量点的点位，再通过多个测量点的空间位置，解算激光扫描仪的空间位置和姿态，实现激光扫描系统的实时定位和定姿。

所述机械滑轨可以安装在被测轨道板周围，所述机械臂设置在所述机械滑轨上且能沿机械滑轨移动，所述激光扫描系统安装在所述机械臂上。

所述机械滑轨还可以是设置在所述轨道板周围及/或上部空间的立体导轨，所述立体导轨的结构使所述激光扫描系统能够按照预先设定的移动路线，在待检测轨道板上部一定空间内移动，从多个位置对所述轨道板进行扫描。

上述的步骤S1中，通过对轨道板表面的特征点进行拼接和融合，或通过将多站采集的数据进行纠正和融合，将多个位置采集的数据纠正为统一坐标系的轨道板表面激光点云数据。

上述的步骤S2中，所述轨道板各部件模型的提取方法为：

根据轨道板承轨台底部的承轨面和承轨台两侧的钳口面的激光点云，通过平面模型的随机采样一致性算法，对承轨台内侧3个平面进行拟合，并提取3个平面的模型参数；

根据轨道板承轨台底部埋入的2个预埋套管内侧的激光点云，通过圆柱模型的随机采样一致性算法，对预埋套管的圆柱模型进行拟合，并提取圆柱的模型参数；

根据轨道板底面平面及四周侧面激光点云，通过平面模型的随机采样一致性算法，对轨道板底面及四周侧面进行拟合，并提取拟合平面的模型参数；

根据轨道板预埋套管顶部的激光点云，采用圆形模型的随机采样一致性算法，对预埋套管顶部的圆形模型进行拟合，并提取预埋套管顶部的圆形参数，或将预埋套管顶部一定高度的点云转换为深度影像数据，采用圆形特征提取算法，对预埋套管顶部的圆形进行拟合，并提取预埋套管顶部的圆形参数。

上述的步骤S4中，所述轨道板的设计模型为根据轨道板的设计文件和待检测的轨道板的类型，重建的轨道板三维设计模型，再将通过激光扫描获取的轨道板表面激光点云数据与该重建的轨道板三维设计模型进行对比分析，计算轨道板任意位置处的加工偏差，进而得到轨道板的整体加工偏差。

一种将上述CRTSⅢ型轨道板加工偏差检测方法检测的结果进行信息化方法，包括以下步骤：

S1、将所述轨道板表面的激光点云数据、轨道板的外形尺寸加工偏差数据和轨道板的整体加工偏差数据通过网络传输至轨道板数据库管理信息系统；

S2、通过数据发布系统发布传输至所述轨道板数据库管理信息系统内的数据。

本方法通过多角度激光扫描获取预埋套管内部数据，再利用预埋套管内部激光点云，直接提取预埋套管的模型参数；将轨道板表面测量数据与轨道板模型进行对比分析，实现了轨道板整体偏差的全面检测；实现了基于机械臂及/或移动滑轨的自动化在线采集；实现了基于数据库技术的检测数据管理和基于网络发布的检测结果信息化技术。

本发明的有益效果如下：

1、检测效率高：可根据设定的激光扫描路线，按照设定的移动速度，实现自动在线数据采集，避免人工方式的扫描速度和扫描路线的随意性，提高整块板的检测效率，减少检测区域遗漏的情况；

2、人员投入少：采用机械臂及/或机械滑轨系统实现自动扫描，代替人工方式的测量及激光扫描，完全实现自动化检测；

3、信息化程度高：将检测数据进行数据库组织管理，通过网络系统将检测结果进行查询和发布，实现检测数据的信息化管理。

4、无需检测工装：通过直接扫描预埋套管内部的激光点云，通过圆柱模型拟合算法，实现预埋套管模型参数的直接提取，代替采用球型自归心工装方式间接检测预埋套管中心距离。无需依靠任何工装设备，提高了轨道板检测的自动化程度。

附图说明

图1为本发明的检测方法的流程图；

图2为一种CRTSⅢ型轨道板的结构示意图。

图中：

10、底部平面 11、承轨台 12、预埋套管

具体实施方式

下面结合附图对本发明的检测方法进行详细说明。

如图1所示，本发明的检测CRTSⅢ型轨道板外形尺寸偏差的方法包括以下步骤：

一种CRTSⅢ型轨道板加工偏差检测方法，包括以下步骤：

S1、利用机械臂及/或机械滑轨，以及激光扫描系统，从多个位置对所述轨道板进行扫描，并将多个位置采集的数据纠正为统一坐标系的轨道板表面激光点云数据；

S2、采用模型随机采样一致性算法从所述激光点云数据中自动提取轨道板各部件模型，获得轨道板各部件的几何尺寸；

S3、将获得的轨道板各部件的几何尺寸与轨道板的设计参数进行对比，计算轨道板的外形尺寸加工偏差；

S4、将所述轨道板表面激光点云数据与轨道板的三维设计模型进行对比，得到轨道板的整体加工偏差。

在上述的步骤S1中，采用机械臂及/或机械滑轨代替人工方式，搭载激光扫描系统，实现轨道的自动化在线数据采集。所述激光扫描系统包括激光扫描仪和实时定位定姿装置，所述实时定位定姿装置包括激光跟踪仪或立体摄影测量装置，通过实时测量激光扫描仪上多个测量点的点位，再通过多个测量点的空间位置，解算激光扫描仪的空间位置和姿态，实现激光扫描仪的实时定位和定姿。所述激光扫描系统为市售产品，例如：加拿大Creaform公司的C-Track光学跟踪器、德国Leica AT960绝对激光跟踪仪均能满足上述激光扫描要求。

由于CRTSⅢ型轨道板的宽度为2.5米、长度最长为5.6米，如果仅采用机械臂形式，对机械臂的臂长要求较高，相应的机械臂的制造成本较高，因此，在本发明中，采用机械臂和机械滑轨相结合的方式，在待检测轨道板的放置区域的四周铺设轨道，使机械臂在铺设的轨道上移动，通过机械臂的伸缩与多姿态旋转，以及机械臂自身沿着轨道的滑动，利用机械臂搭载的激光扫描设备，实现轨道板表面数据的采集。

或者是，在所述轨道板周围及/或上部空间设置立体导轨，所述立体导轨使所述激光扫描系统能够在待检测轨道板上部一定空间内移动，从多个位置对所述轨道板进行扫描。

在上述的步骤S1中，通过对轨道板表面的特征点进行拼接和融合，或通过将多站采集的数据进行纠正和融合，将多个位置采集的数据纠正为统一坐标系的轨道板表面激光点云数据。

在步骤S2中，采用激光点云的随机采样一致性算法和数字影像的特征提取算法，实现轨道板各部件模型的提取，所述算法均为本领域所熟知。具体为：

采用平面模型的随机采样一致性算法，对承轨台内侧3个平面进行拟合，并提取3个平面的模型参数；根据轨道板承轨台底部埋入的2个预埋套管内侧的激光点云，通过圆柱模型的随机采样一致性算法，对预埋套管的圆柱模型进行拟合，并提取圆柱的模型参数；根据轨道板底面平面及四周侧面激光点云，通过平面模型的随机采样一致性算法，对轨道板底面及四周侧面进行拟合，并提取拟合平面的模型参数；根据轨道板预埋套管顶部的激光点云，采用圆形模型的随机采样一致性算法，对预埋套管顶部的圆形模型进行拟合，并提取预埋套管顶部的圆形参数，或将预埋套管顶部一定高度的点云转换为深度影像数据，采用圆形特征提取算法，对预埋套管顶部的圆形进行拟合，并提取预埋套管顶部的圆形参数。

平面模型参数由此平面上任意一点的三维坐标以及平面的法线向量组成。圆柱形模型参数由圆柱中轴线法线向量、中轴线上任意一点三维坐标以及圆柱半径组成。圆形模型参数由圆的中心点三维坐标以及圆形半径组成。

上述步骤S3中，参照CRTSⅢ型轨道板检测规范要求，根据步骤S2中提取的轨道板各部件的几何尺寸，分别计算检测标准要求的各指标值，再将各指标值与检测规范的限差值进行对比，判断轨道板的加工偏差情况。

下面对检测标准中要求的各指标值的计算方法进行说明：

轨道板长度：提取轨道板底部四周竖直平面中两短边对应的平面模型参数，此平面为平行平面，通过计算两平行平面的空间距离，得到轨道板的长度值。

轨道板宽度：提取轨道板底部四周竖直平面中两长边对应的平面模型参数，此平面为平行平面，通过计算两平行平面的空间距离，得到轨道板的宽度值。

相邻预埋套管中心距离：分别将承轨台相邻预埋套管的中轴线与承轨面相交，计算交点的三维坐标，计算两交点的空间三维距离，得到相邻预埋套管的中心距离。

预埋套管歪斜：计算预埋套管法线向量与承轨面法线向量在承轨面顶部120mm处的空间水平距离，得到预埋套管歪斜数据。

承轨台横向偏差：预埋套管法线向量与承轨面相交，计算预埋套管与承轨面的三维交点。分别取同侧承轨台交点的平面坐标，沿线路方向首尾承轨台交点连接成直线，计算其他交点至此直线的水平面内的垂直距离，得到承轨台的横向偏差。

承轨台垂向偏差：预埋套管法线向量与承轨面相交，计算预埋套管与承轨面的三维交点。分别取同侧承轨台交点的高程值，沿线路方向首尾承轨台交点连接成直线，计算其他交点至此直线的高程差值，得到承轨台的垂向偏差。

单个承轨台钳口距离：将承轨面沿此平面的法线向量，向上移动28mm，计算此平面与两侧钳口面的相交平行直线，再计算此平行直线的空间距离，得到单个承轨台的钳口距离。

承轨台与钳口面夹角：利用提取的承轨面法线与钳口面法线向量，计算两向量的夹角，得到承轨面与钳口面夹角。

承轨面坡度：利用提取的承轨面法线向量，计算此向量与竖直向量的夹角，得到承轨面的坡度。

承轨台间外钳口间距：沿线路方法，左侧承轨台的承轨面沿此平面法线向量上移28mm，计算此移动平面与左侧承轨台的左侧钳口面的相交直线，右侧承轨台的承轨面沿此平面法线向量上移28mm，计算此移动平面与右侧承轨台的右侧钳口面的相交直线，通过计算两相交直线的平行距离，得到承轨台间外钳口的间距。

承轨台外钳口距外侧套管中心距：外侧套管法线向量与承轨面相交，将此交点沿承轨面上移120mm，计算此交点至外侧钳口面的水平最短距离，得到外侧钳口距外侧套管中心的距离。

轨道板四角的承轨面水平：轨道板四角承轨面与预埋套管中轴线计算交点，每个承轨台有两个交点，取两个交点的平均值，得到四个交点的三维坐标，任意三个交点组成平面，计算第四个交点至此平面的最短距离，得到轨道板四角的承轨面水平差值。

单侧承轨面中央翘曲量：计算单侧承轨台每个承轨面与预埋套管中轴线交点，每个承轨台有两个交点，取两个交点的平均值。沿线路方向，取首尾交点连成直线，计算其他各点至此直线的垂直距离，得到单侧承轨面中央翘曲量。

在上述步骤S4中对轨道板与其设计模型的整体形位加工偏差进行了计算。轨道板的设计类型有很多种，根据轨道板各部件的设计尺寸和轨道板类型，完成每一块轨道三维设计模型的自动重建。基于轨道板激光扫描技术获得的轨道板表面数据，计算轨道板表面点至轨道板设计模型的最短三维距离，实现轨道板整体加工偏差的计算。

另外，本检测方法还包括以下信息传输和发布步骤：

S5、将所述轨道板表面的激光点云数据、轨道板的外形尺寸加工偏差数据和轨道板的整体加工偏差数据通过网络传输至轨道板数据库管理信息系统；

S6、通过数据发布系统发布传输至所述轨道板数据库管理信息系统内的数据，供相关人员查询分析，为实现轨道板检测数据的信息化和实时预警提供依据。

之后，将步骤S1中的轨道板原始观测数据、步骤S3中的轨道板检测偏差数据、步骤S4中轨道板整体加工偏差数据通过网络系统传输至远程数据库管理系统。轨道板检测的数据库管理系统是根据各类型数据的特征，分别采用表格数据与文件数据组合进行数据的存储与管理。

通过远程数据发布系统将检测数据分成不同的细节层次，逐级发布给轨道板生产、检测、管理等部门。通过对不同批次的轨道板检测数据进行比较分析，挖掘影响轨道板加工偏差的深层机理，为加工轨道板的磨具的调整以及生成轨道板的各环节工序进行改进和调整提供大数据参考。

本发明的检测方法采用机械臂及/或移动滑轨系统，搭载激光扫描技术，对轨道板表面数据进行采集。基于模型拟合和特征提取的算法实现轨道板的承轨槽与预埋套管的参数提取，通过对实际提取的参数和设计参数进行对比，实现轨道板外形尺寸加工偏差的计算。基于轨道板设计参数和轨道板类型，建立轨道板三维设计模型，通过计算轨道板表面采集点至模型的距离，实现轨道板的整体加工偏差计算。建立轨道板检测的数据库管理系统，将检测的尺寸偏差结果、轨道板整体加工偏差计算结果、轨道板原始检测数据上传至服务器端的数据库中，再通过数据发布与管理信息系统，实现检测数据的信息化管理。

Claims (6)

1.一种CRTSⅢ型轨道板加工偏差检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用机械臂及/或机械滑轨，以及激光扫描系统，从多个位置对所述轨道板进行扫描，并将多个位置采集的数据纠正为统一坐标系的轨道板表面激光点云数据；

S2、采用模型随机采样一致性算法从所述激光点云数据中自动提取轨道板各部件模型，获得轨道板各部件的几何尺寸；

S3、将获得的轨道板各部件的几何尺寸与轨道板的设计参数进行对比，计算轨道板的外形尺寸加工偏差；

S4、将所述轨道板表面激光点云数据与轨道板的三维设计模型进行对比，得到轨道板的整体加工偏差，

其中，步骤S2中，所述轨道板各部件模型的提取方法为：

根据轨道板承轨台底部的承轨面和承轨台两侧的钳口面的激光点云，通过平面模型的随机采样一致性算法，对承轨台内侧3个平面进行拟合，并提取3个平面的模型参数；

根据轨道板承轨台底部埋入的2个预埋套管内侧的激光点云，通过圆柱模型的随机采样一致性算法，对预埋套管的圆柱模型进行拟合，并提取圆柱的模型参数；

根据轨道板底面平面及四周侧面激光点云，通过平面模型的随机采样一致性算法，对轨道板底面及四周侧面进行拟合，并提取拟合平面的模型参数；

根据轨道板预埋套管顶部的激光点云，采用圆形模型的随机采样一致性算法，对预埋套管顶部的圆形模型进行拟合，并提取预埋套管顶部的圆形参数，或将预埋套管顶部一定高度的点云转换为深度影像数据，采用圆形特征提取算法，对预埋套管顶部的圆形进行拟合，并提取预埋套管顶部的圆形参数。

2.根据权利要求1所述的CRTSⅢ型轨道板加工偏差检测方法，其特征在于：所述激光扫描系统包括激光扫描仪和实时定位定姿装置，所述实时定位定姿装置包括激光跟踪仪或立体摄影测量装置，通过实时测量所述激光扫描仪上多个测量点的点位，再通过多个测量点的空间位置，解算激光扫描仪的空间位置和姿态，实现激光扫描系统的实时定位和定姿。

3.根据权利要求2所述的CRTSⅢ型轨道板加工偏差检测方法，其特征在于：所述机械滑轨安装在被测轨道板周围，所述机械臂设置在所述机械滑轨上且能沿机械滑轨移动，所述激光扫描系统安装在所述机械臂上。

4.根据权利要求2所述的CRTSⅢ型轨道板加工偏差检测方法，其特征在于：所述机械滑轨为设置在所述轨道板周围及/或上部空间的立体导轨，所述立体导轨使所述激光扫描系统能够在待检测轨道板上部一定空间内移动，从多个位置对所述轨道板进行扫描。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的CRTSⅢ型轨道板加工偏差检测方法，其特征在于：步骤S1中，通过对轨道板表面的特征点进行拼接和融合，或通过将多站采集的数据进行纠正和融合，将多个位置采集的数据纠正为统一坐标系的轨道板表面激光点云数据。

6.根据权利要求2-4中任一项所述的CRTSⅢ型轨道板加工偏差检测方法，其特征在于：步骤S4中，所述轨道板的设计模型为根据轨道板的设计文件和待检测的轨道板的类型建立的轨道板三维设计模型，将通过激光扫描获取的轨道板表面激光点云数据与该轨道板三维设计模型进行对比分析，计算轨道板任意位置处的加工偏差，进而得到轨道板的整体加工偏差。