CN111380456A - 一种无砟轨道板的快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无砟轨道板的快速检测方法，包括轨道板水养出池后，将轨道板以立式姿态吊装于负载车上并通过夹具固定，负载车以预设速度沿轨道运动至视觉检测工位。利用工业相机对无砟轨道板进行区域分块拍摄，采集无砟轨道板二维图像，并利用图像拼接方法获取完整的轨道板图像及二维坐标信息。建立坐标转换关系，获取无砟轨道板的世界坐标系下的实际二维工艺参数。控制距离传感器采集无砟轨道板的位置深度信息，获取无砟轨道板的坡面参数并检测是否达标。控制负载车载着无砟轨道板完成存放、运输工序。本发明方法实用图像处理技术进行检测，节省了工序间重复的放置吊装操作，提高了整套工艺生产流程的运行效率和稳定性。

Description

一种无砟轨道板的快速检测方法

技术领域

本发明涉及高铁无砟轨道检测领域，具体涉及一种无砟轨道板的快速检测方法。

背景技术

CRTSIII板是我国完全自主知识产权研发、一次成型的新型板式无砟轨道，目前已经在全国高铁项目上推广应用。相对I型、II型无砟轨道板。由于是一次加工成型，III型无砟轨道对加工尺寸要求严格十分严格，要求外形尺寸偏差在限差内(部分要求0.5mm)。铁总2013年125号以及162文件要求：必须逐个对III板进行检测。检测分为：10大类、19项数据的检测。主要包含底板外观三维尺寸；承轨台钳口面、承轨面相关尺寸；预埋套管中线距离、歪斜、横向偏差、垂向偏差等。

传统的轨道板测量系统，以钢尺、游标卡尺配合全站仪来完成测量。这套系统测量一块板所消耗的时间大约在40min左右，而且这套系统测量某些量时，需要特殊的工装，在测量时受到很多的限制，传统的这套系统远不能满足轨道板生产现场的测量需求，直接影响生产效率；运用视觉系统对轨道板进行检测是当前一个新的技术发展趋势，但是由于轨道板尺寸巨大，一般需要采用多个工业相机或移动相机拍摄区域完成对整块轨道板的数据采集重建工作，增加了生产成本、降低了设备的运行效率，与此同时，不同工序间需要重复的吊装翻转轨道板也增加了整个生产流程的复杂程度，造成了资源的浪费。

发明内容

针对传统的轨道板测量系统中存在的缺点与不足，本发明从整个生产流程工序角度入手，设计了一种立式测量流程，简化了不同工序间的吊装翻转操作，提高了生产效率。同时，基于该立式测量流程，使用单个工业相机结合距离传感装置搭建视觉测量单元，利用图像拼接技术完成整块轨道板二维信息的采集，并结合距离传感装置重建轨道板三维数据信息，完成重点参数的检验工序。该方法降低了相机设备的使用数量，省去了传统视觉方法移动拍摄的流程，降低了生产成本，最大化生产效率。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种无砟轨道板的快速检测方法，包括以下步骤：

S1：轨道板水养出池后，将轨道板以立式姿态吊装于负载车上并通过夹具固定，负载车以预设速度沿轨道运动至视觉检测工位；

S2：利用工业相机对无砟轨道板进行区域分块拍摄，采集无砟轨道板二维图像，并利用图像拼接方法获取完整的轨道板图像及二维坐标信息；

S3：建立视觉传感器下的图像坐标与无砟轨道板在世界坐标系下的实际坐标的转换关系，获取无砟轨道板的世界坐标系下的实际二维工艺参数；

S4：控制距离传感器采集无砟轨道板的位置深度信息，根据几何方法获取无砟轨道板的坡面参数，并检测是否达标；

S5：控制负载车载着无砟轨道板完成存放、运输工序。

所述工业相机与距离传感器设置在无砟轨道板一侧且与无砟轨道板距离相同，当无砟轨道板沿轨道运动时，工业相机用于拍摄图像，距离传感器用于测量其与无砟轨道板的距离。

所述夹具上设置有用于图像拼接的特征标识。

所述利用工业相机对无砟轨道板进行区域分块拍摄，采集无砟轨道板二维图像，并利用图像拼接方法获取完整的轨道板图像及二维坐标信息，包括：

控制相机相对无砟轨道板运动使其遍历整块无砟轨道板区域，或控制负载车载着无砟轨道板在视觉检测工位做往复运动，完成对整个无砟轨道板各个分块区域的二维信息采集；

利用夹具的特征标识完成分块图像的拼接工作。

所述利用夹具的特征标识完成分块图像的拼接工作，包括：

1)利用不同尺度的高斯滤波器G(x,y,σ)对分块图像I作卷积运算，进行尺度变换；获取分块图像I的尺度空间L：

L(x,y,σ)＝G(x,y,σ)I(x,y) (1)

其中，高斯函数为：

2)对分块图像I进行降采样建立高斯金字塔，再相减得到高斯差分金字塔，公式(3)如下：

D(x,y,σ)＝(G(x,y,kσ)-G(x,y,σ))×I(x,y)

＝L(x,y,kσ)-L(x,y,kσ) (3)

其中，(x,y)是图像I的空间坐标，I(x,y)是图像I在坐标(x,y)处的灰度值，σ是尺度空间因子；k为尺度倍数；

3)将尺度空间中每组高斯差分金字塔中相邻3层的极值点作为关键点；

4)采用皮尔逊相关系数对相邻两幅分块图像中的局部特征信息进行处理，获取相似性度量值：

其中，X,Y为待比对相似性判定度量值的分块图像的关键点；-1≤R(X,Y)≤1；若R(X,Y)＝0表示非线性相关，若R(X,Y)>0表示正相关，若R(X,Y)<0表示两个向量负相关，R(X,Y)的绝对值越大表明两个向量相关性越强；

5)根据2个分块图像的局部特征的相似性度量值得到相关系数矩阵；相关系数矩阵中，比较关键点对的相似性度量值，进行降序排序；如果该相似性度量值大于阈值，则接受这对关键点用于拼接，获取完整无砟轨道板图像。

所述建立视觉传感器下的图像坐标与同轨道板在世界坐标系下的实际坐标的转换关系，获取无砟轨道板的世界坐标系下的实际二维工艺参数，包括：

采用棋盘标定板完成工业相机的内、外参数标定及畸变矫正过程；

在棋盘标定板中选取关键点，分别获取选取的关键点在世界坐标系及图像坐标系下的坐标，建立视觉传感器下完整轨道板图像坐标与轨道板在世界坐标系下实际坐标的转换关系，获取无砟轨道板的世界坐标系下的实际二维工艺参数。

所述标定及畸变矫正过程包括：

按照公式(5)计算完整无砟轨道板图像的世界坐标信息(X,Y,Z)；

式(5)为物理世界坐标同屏幕像素坐标的转换关系，其中(X,Y,Z)为真实世界坐标，(x,y)为屏幕像素坐标，焦距f实际是透镜的物理焦距长度与成像仪单元尺寸的乘积，由于成像仪上单个像素点有可能是矩形形状，这里用f_x和f_y分别表示两个方向上的焦距；此外实际情况下,工业相机中的光电转换芯片的中心通常不在光轴上，用c_x和c_y表示工业相机中的光电转换芯片的中心相对于光轴的偏差；

其中，f_x和f_y按照如下方法获得：

由于镜头本身的原因成像畸变不可避免，式(6)和(7)分别用数学形式表达了镜头径向畸变和切向畸变的矫正过程，其中，用(x_corrected,y_corrected)来表示矫正后的坐标；

利用6组不同的棋盘视场图像来计算4个内参数(f_x,f_y,c_x,c_y)和5个外参数(k₁,k₂,k₃,p₁,p₂)，完成相机的参数标定和畸变矫正,获取f_x和f_y，并将(x_corrected,y_corrected)代入式(5)中的(x,y)屏幕像素坐标，获取世界坐标信息(X,Y,Z)。

所述实际二维工艺参数包括：无砟轨道板坡面任意两点间的距离L。

所述控制距离传感器采集无砟轨道板的位置深度信息，根据几何方法获取无砟轨道板的坡面参数，并检测是否达标，包括：

(1)在无砟轨道图像上设置测量点，并通过坐标转换关系将图像坐标转换成世界坐标系下测量点的位置信息；

(2)距离传感器采集测量点的深度信息；

(3)通过几何转换关系完成无砟轨道板承轨面坡度的计算。

所述通过几何转换关系完成无砟轨道板承轨面坡度θ的计算，包括：

tanθ＝(d2-d1)/L

其中，L为无砟轨道板坡面任意两点间的距离，d1、d2无砟轨道板坡面上任意两点的深度距离，通过距离传感器测量得到。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.一站式立式检测流程，节省了目标重复放置的工序，提高了生产效率；

2.在立式测量流程基础上，采用固定工业相机加距离传感装置，完成对轨道板关键参数的检验，降低了相机的使用数量，节省成本；节省了传统视觉方法通过移动相机位置采集信息的工序，加快了生产流程

3.检测中，采用图像拼接技术获取轨道板二位图像信息，用棋盘标定板完成工业相机的内、外参数标定及畸变矫正过程，结合距离传感装置获取准确三维图像信息。

附图说明

图1为CRTSIII型轨道板完整施工工艺流程图；

图2为本发明工序流程示意图；

图3为本发明方法步骤流程；

图4为图像拼接原理图；

图5为坐标标定过程图；

图6为承轨面坡度三维信息检测原理图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

图1为轨道板施工工艺的总体流程，本发明主要针对水养出池后的工序步骤进行设计，如图2-3所示，一种CRTSIII型无砟轨道板的快速检测方法主要包括以下步骤：

S1：轨道板经一系列生产工序后，将轨道板以立式姿态吊装于负载车上，并通过设计夹具固定，负载车通过传送轨道运动，设置负载车以预设速度沿轨道运动至检测工位；；

S2：到达检测工位后，利用工业相机对无砟轨道板进行区域分块拍摄，采集二维图像信息，并利用图像拼接技术获取完整的轨道板图像二维坐标信息；

S3：建立视觉传感器下图像坐标同轨道板在世界坐标系下实际坐标的转换关系，获取无砟轨道板的世界坐标系下的实际二维信息工艺参数；

S4：利用视觉系统引导距离传感装置采集特定位置深度信息，根据几何方法，获取无砟轨道板的三维信息工艺参数，并根据视觉系统获取的工艺信息检测其工艺参数是否达标；

S5：成品检测完成后，控制负载车载着无砟轨道板完成存放、运输工序。

如图1所示，轨道板在经历一系列复杂的生产工艺流程成型后需要进行蒸养、水养工艺，在这之后，需要将水养出池的轨道板运送至检测工位进行工艺参数的检验，来保证轨道板在后续使用过程中的安全性和稳定性。传统的检验环节需要利用吊车装置将出池后的轨道板翻转放平，再利用人工测量方式对轨道板的一些技术参数进行测量，此后还需要再次将轨道板进行吊装运输至下一工序进行存放，后续继续吊装装车运输，这种重复的装卸过程对生产流程造成了大量的资源浪费。

因此，本发明设计一种立式输送轨道系统，利用吊装装置将轨道板以立式姿态固定在轨道运输系统上，如图2所示。这种立式输送轨道系统由传送轨道，负载车和固定夹具组成，该套装置将后续的工序操作整合起来，节省了重复装卸轨道板的时间，加快了生产进程。

由于轨道板面积相对于相机视野区域巨大，一般多采用多相机采集或移动相机拍摄的方法对目标进行图像采集。本发明利用(可选用人为或现有的装置)单个工业相机运动的方式对整个大视场轨道板的图像采集，包括：将工业相机固定于轨道板待测面一侧，到达检测工位后，利用工业相机对无砟轨道板进行区域分块拍摄，采集二维图像信息，并利用图像拼接技术获取完整的轨道板图像二维坐标信息；由于轨道板待测面光滑且无特征差异，因此为了图像拼接的准确性，在设计轨道板夹具时在其上加入特征识别标识，再采用局部特征匹配的方式对相机采集的图像进行拼接，因为局部特征对遮挡情况、光照条件变化具有一定的鲁棒性。本发明采用经典的SIFT(尺度空间建立及特征点提取过程即为SIFT算法过程)特征提取轨道板分块图像的特征空间包含128维信息，进而完成图像的拼接过程，如图4所示。

在此之前，需要完成相机的标定及畸变矫正工作，通过在棋盘标定板中选取标定点，标定选取的关键点在世界坐标系下和图像坐标系下的坐标，就可以建立世界坐标同相机坐标间正确的坐标转换关系，如图5所示。

对于轨道板承轨面坡度等三维指标，本发明结合距离传感装置完成对轨道板三维信息参数的整合工作；利用视觉系统引导距离传感装置采集坡面上特定两个位置点深度信息d1和d2,以及两点的二维距离信息L，根据几何方法，如下公式，获取无砟轨道板的三维信息工艺参数，如图6所示，并根据视觉系统获取的工艺信息检测其工艺参数是否达标。

tanθ＝(d2-d1)/L

检测环节结束后，控制负载车直接驶离检测工位，合格产品进入下一生产环节，不合格产品进行排除或修复等后续操作；从轨道板水养出池至参数检测完成及后续的贮存运输环节，轨道板始终保持立式姿态，本发明阐述的立式测量流程，简化了不同工序间的吊装翻转操作，提高了生产效率。同时，基于该立式测量流程，使用单个工业相机结合距离传感装置搭建视觉测量单元，利用图像拼接技术完成整块轨道板二维信息的采集，并结合距离传感装置重建轨道板三维数据信息，完成重点参数的检验工序。该方法降低了相机设备的使用数量，省去了传统视觉方法移动拍摄的流程，降低了生产成本，最大化生产效率。

Claims (10)

1.一种无砟轨道板的快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：轨道板水养出池后，将轨道板以立式姿态吊装于负载车上并通过夹具固定，负载车以预设速度沿轨道运动至视觉检测工位；

S2：利用工业相机对无砟轨道板进行区域分块拍摄，采集无砟轨道板二维图像，并利用图像拼接方法获取完整的轨道板图像及二维坐标信息；

S3：建立视觉传感器下的图像坐标与无砟轨道板在世界坐标系下的实际坐标的转换关系，获取无砟轨道板的世界坐标系下的实际二维工艺参数；

S4：控制距离传感器采集无砟轨道板的位置深度信息，根据几何方法获取无砟轨道板的坡面参数，并检测是否达标；

S5：控制负载车载着无砟轨道板完成存放、运输工序。

2.根据权利要求1所述的一种无砟轨道板的快速检测方法，其特征在于，所述工业相机与距离传感器设置在无砟轨道板一侧且与无砟轨道板距离相同，当无砟轨道板沿轨道运动时，工业相机用于拍摄图像，距离传感器用于测量其与无砟轨道板的距离。

3.根据权利要求1所述的一种无砟轨道板的快速检测方法，其特征在于，所述夹具上设置有用于图像拼接的特征标识。

4.根据权利要求1所述的一种无砟轨道板的快速检测方法，其特征在于，所述利用工业相机对无砟轨道板进行区域分块拍摄，采集无砟轨道板二维图像，并利用图像拼接方法获取完整的轨道板图像及二维坐标信息，包括：

控制相机相对无砟轨道板运动使其遍历整块无砟轨道板区域，或控制负载车载着无砟轨道板在视觉检测工位做往复运动，完成对整个无砟轨道板各个分块区域的二维信息采集；

利用夹具的特征标识完成分块图像的拼接工作。

5.根据权利要求4所述的一种无砟轨道板的快速检测方法，其特征在于，所述利用夹具的特征标识完成分块图像的拼接工作，包括：

1)利用不同尺度的高斯滤波器G(x,y,σ)对分块图像I作卷积运算，进行尺度变换；获取分块图像I的尺度空间L：

L(x,y,σ)＝G(x,y,σ)I(x,y) (1)

其中，高斯函数为：

2)对分块图像I进行降采样建立高斯金字塔，再相减得到高斯差分金字塔，公式(3)如下：

D(x,y,σ)＝(G(x,y,kσ)-G(x,y,σ))×I(x,y)

＝L(x,y,kσ)-L(x,y,kσ) (3)

其中，(x,y)是图像I的空间坐标，I(x,y)是图像I在坐标(x,y)处的灰度值，σ是尺度空间因子；k为尺度倍数；

3)将尺度空间中每组高斯差分金字塔中相邻3层的极值点作为关键点；

4)采用皮尔逊相关系数对相邻两幅分块图像中的局部特征信息进行处理，获取相似性度量值：

其中，X,Y为待比对相似性判定度量值的分块图像的关键点；-1≤R(X,Y)≤1；若R(X,Y)＝0表示非线性相关，若R(X,Y)>0表示正相关，若R(X,Y)<0表示两个向量负相关，R(X,Y)的绝对值越大表明两个向量相关性越强；

5)根据2个分块图像的局部特征的相似性度量值得到相关系数矩阵；相关系数矩阵中，比较关键点对的相似性度量值，进行降序排序；如果该相似性度量值大于阈值，则接受这对关键点用于拼接，获取完整无砟轨道板图像。

6.根据权利要求1所述的一种无砟轨道板的快速检测方法，其特征在于，所述建立视觉传感器下的图像坐标与同轨道板在世界坐标系下的实际坐标的转换关系，获取无砟轨道板的世界坐标系下的实际二维工艺参数，包括：

采用棋盘标定板完成工业相机的内、外参数标定及畸变矫正过程；

在棋盘标定板中选取关键点，分别获取选取的关键点在世界坐标系及图像坐标系下的坐标，建立视觉传感器下完整轨道板图像坐标与轨道板在世界坐标系下实际坐标的转换关系，获取无砟轨道板的世界坐标系下的实际二维工艺参数。

7.根据权利要求6所述的一种无砟轨道板的快速检测方法，其特征在于，所述标定及畸变矫正过程包括：

按照公式(5)计算完整无砟轨道板图像的世界坐标信息(X,Y,Z)；

式(5)为物理世界坐标同屏幕像素坐标的转换关系，其中(X,Y,Z)为真实世界坐标，(x,y)为屏幕像素坐标，焦距f实际是透镜的物理焦距长度与成像仪单元尺寸的乘积，由于成像仪上单个像素点有可能是矩形形状，这里用f_x和f_y分别表示两个方向上的焦距；此外实际情况下,工业相机中的光电转换芯片的中心通常不在光轴上，用c_x和c_y表示工业相机中的光电转换芯片的中心相对于光轴的偏差；

其中，f_x和f_y按照如下方法获得：

由于镜头本身的原因成像畸变不可避免，式(6)和(7)分别用数学形式表达了镜头径向畸变和切向畸变的矫正过程，其中，用(x_corrected,y_corrected)来表示矫正后的坐标；

利用6组不同的棋盘视场图像来计算4个内参数(f_x,f_y,c_x,c_y)和5个外参数(k₁,k₂,k₃,p₁,p₂)，完成相机的参数标定和畸变矫正,获取f_x和f_y，并将(x_corrected,y_corrected)代入式(5)中的(x,y)屏幕像素坐标，获取世界坐标信息(X,Y,Z)。

8.根据权利要求6所述的一种无砟轨道板的快速检测方法，其特征在于，所述实际二维工艺参数包括：无砟轨道板坡面任意两点间的距离L。

9.根据权利要求1所述的一种无砟轨道板的快速检测方法，其特征在于，所述控制距离传感器采集无砟轨道板的位置深度信息，根据几何方法获取无砟轨道板的坡面参数，并检测是否达标，包括：

(1)在无砟轨道图像上设置测量点，并通过坐标转换关系将图像坐标转换成世界坐标系下测量点的位置信息；

(2)距离传感器采集测量点的深度信息；

(3)通过几何转换关系完成无砟轨道板承轨面坡度的计算。

10.根据权利要求9所述的一种无砟轨道板的快速检测方法，其特征在于，所述通过几何转换关系完成无砟轨道板承轨面坡度θ的计算，包括：

tanθ＝(d2-d1)/L

其中，L为无砟轨道板坡面任意两点间的距离，d1、d2无砟轨道板坡面上任意两点的深度距离，通过距离传感器测量得到。

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