CN112699820A - 一种用于钢轨铺设的滚筒的回收方法与系统 - Google Patents

一种用于钢轨铺设的滚筒的回收方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于钢轨铺设的滚筒的回收方法与系统，涉及轨道交通领域，主要包括步骤：获取并判断实时激光扫描曲线中的滚筒并获取相应轮廓曲线，将当前滚筒所有的轮廓曲线组合利用三维数据特征提取的方式获取特征点，并计算得到滚筒边线位置和偏转角，最终得到机械手的夹取坐标对滚筒进行拾取回收。本发明通过光学信息的采集实现了滚筒的快速识别，并合理利用三维数据特征提取的方法获得滚筒的偏移量和中心位置，从而控制机械手快速准确的抓拾滚筒并回收，同时采用机械智能化操控，人力投入小，工作效率高，环境受限少。

Description

一种用于钢轨铺设的滚筒的回收方法与系统
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，具体涉及一种用于钢轨铺设的滚筒的回收方法与系统。
背景技术
无缝钢轨是当前铁路中普遍采取的主型轨道结构，在铁路建设中普遍采用，目前铺设无缝线路的施工技术，归纳起来主要有单枕、群枕以及长轨排三种铺设法。其中单枕铺设法取消了传统的轨排组装基地,长钢轨、轨枕直接运抵工地进行铺设,其综合作业效率高，技术先进、实用、可靠。
在进行轨道铺设的时候，为了降低钢轨在搬运过程中产生的摩擦力，需要将钢轨放置在滚筒上。无缝线路放散是无缝线路维修保养的必要工作，它是调整无缝线路锁定轨温，调节钢轨内应力，预防胀轨、断轨的有效手段。工务部门在钢轨放散时，为了减小钢轨伸缩阻力，更好的达到放散效果，根据《铁路线路修理规则》和《无缝线路铺设及养护维修方法》(TB/T1998-2007)有关规定，将长轨条每隔10m搁置在滚筒上，并辅助反复撞轨，直至轨条反弹。
而钢轨搬运完毕后，也需要对滚筒进行回收作业，而如何将滚筒通过滚筒回收车智能的从钢轨下方抽取出来，同时精确的拾取回滚筒回收车上也是急需改进的一项技术。
发明内容
为解决上述问题，使得滚筒能够在钢轨运输完毕后，能够被滚筒回收车精确无损的拾取，本发明提出了一种用于钢轨铺设的滚筒的回收方法，其以滚筒回收车行进方向为X轴，并在水平方向上与X轴垂直的Y轴上设有激光线束，垂直XY平面的方向为Z轴,包括步骤：
S1：获取滚筒回收车行进过程中的实时激光扫描曲线；
S2：截取最大跳变长度处的实时激光扫描曲线；
S3：判断最大跳变长度是否达到预设长度，若是，判断为滚筒的轮廓曲线并保存，进入下一步骤，否则返回步骤S1；
S4：判断是否保存完毕当前滚筒所有的轮廓曲线，若是，进入下一步骤，若否，返回步骤S1；
S5：根据当前滚筒所有的轮廓曲线构建滚筒下边沿特征曲线，并提取下边沿特征曲线的顶点作为特征点；
S6：根据特征点获取滚筒边线位置和相对偏转角；
S7：根据预置滚筒外形参数、边线位置和相对偏转角计算机械手的夹取坐标；
S8：根据夹取坐标控制机械手依次推拉、拾取滚筒。
进一步地，所述预设长度为滚筒在Y轴上的长度。
进一步地，所述步骤S5具体分为步骤：
S51：根据X轴上的坐标循序组合滚筒所有的轮廓曲线；
S52：提取各轮廓曲线Y轴上最小的一点组成下边沿特征曲线；
S53：提取下边沿特征曲线的两端点作为特征点。
进一步地，所述步骤S5之前还包括步骤：
S50：对滚筒所有的轮廓曲线进行滤波和振动补偿。
进一步地，所述步骤8具体分为：
S81：根据夹取坐标控制第一机械手推拉滚筒离开钢轨下方，并根据滚筒推拉后的坐标更新夹取坐标；
S82：根据夹取坐标控制第二机械手拾取滚筒至滚筒回收车上。
本发明还提出了一种用于钢轨铺设的滚筒的回收系统，其以滚筒回收车行进方向为X轴，并在水平方向上与X轴垂直的Y轴上设有激光线束，垂直XY平面的方向为Z轴，包括激光线阵、截取单元、提取单元、计算单元和控制单元，其通过：
激光线阵获取滚筒回收车行进过程中的实时激光扫描曲线，并截取最大跳变长度处的实时激光扫描曲线；
截取单元获取最大跳变长度达到预设长度的实时激光扫描曲线；
提取单元在当前滚筒所有的轮廓曲线均已保存后构建滚筒下边沿特征曲线，并提取下边沿特征曲线的顶点作为特征点；
计算单元根据特征点获取滚筒边线位置和相对偏转度，并结合预置滚筒外形参数计算机械手的夹取坐标；
控制单元根据夹取坐标控制机械手依次推拉、拾取滚筒。
进一步地，所述预设长度为滚筒在Y轴上的长度。
进一步地，所述提取单元分为组合单元、第一提取子单元和第二提取子单元，其中所述：
组合单元根据X轴上的坐标循序组合滚筒所有的轮廓曲线；
第一提取子单元提取各轮廓曲线Y轴上最小的一点组成下边沿特征曲线；
第二提取子单元提取下边沿特征曲线的两端点作为特征点。
进一步地，所述组合单元中还包括图像预处理组件，所述图像预处理组件用于对滚筒所有的轮廓曲线进行滤波和振动补偿。
进一步地，所述控制单元控制机械手包括两个阶段，分别为：
第一阶段，根据夹取坐标控制第一机械手推拉滚筒离开钢轨下方，并根据滚筒推拉后的坐标更新夹取坐标
第二阶段，根据夹取坐标控制第二机械手拾取滚筒至滚筒回收车上。
与现有技术相比，本发明至少含有以下优点：
(1)本发明所述的一种用于钢轨铺设的滚筒的回收方法与系统，通过光学信息的采集实现了滚筒的快速识别，并合理利用三维数据特征提取的方法获得滚筒的偏移量和中心位置，从而控制机械手快速准确的抓拾滚筒并回收；
(2)采用机械智能化操控，无需投入大量人力资源，同时相较于人工操作，其工作周期短，不受天气环境影响，能够适应恶劣环境下的施工作业；
(3)因基本采用智能化操作，仅需远程人为监控，所以作业范围受限小，作业效率显著提高。
附图说明
图1为一种用于钢轨铺设的滚筒的回收方法的方法步骤图；
图2为一种用于钢轨铺设的滚筒的回收系统的系统结构图；
图3为滚筒的结构示意图；
图4为滚筒的激光扫描曲线图(横坐标为X轴坐标，纵坐标为高度)。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
为解决上述问题，使得滚筒能够在钢轨运输完毕后，能够被滚筒回收车精确无损的拾取，如图1所示，本发明提出了一种用于钢轨铺设的滚筒的回收方法，其以滚筒回收车行进方向为X轴，并在水平方向上与X轴垂直的Y轴上设有激光线束，垂直XY平面的方向为Z轴,包括步骤(启动前需先初始化)：
S1：获取滚筒回收车行进过程中的实时激光扫描曲线(通过固定于滚筒回收车上的激光相机扫描行进方向轨道上的滚筒)。
本发明采用激光作为数据获取媒介，是考虑到光波即具有波的特性又具有粒子的特性，能够根据反射光波有效的反映物体的外部结构，同时光波速度快，相应的也减少了数据获取的时间，提高了系统的反映速度。
S2：截取最大跳变长度处的实时激光扫描曲线；
S3：判断最大跳变长度是否达到预设长度，若是，判断为滚筒的轮廓曲线并保存，进入下一步骤，否则返回步骤S1(所述预设长度为滚筒在Y轴上的长度)；
S4：判断是否保存完毕当前滚筒所有的轮廓曲线，若是，进入下一步骤，若否，返回步骤S1。
步骤S2-S4中，是本发明中对数据进行判断的过程，因为本发明的目的是回收钢轨铺设完毕后钢轨下方的滚筒，因此对滚筒的位置进行坐标确认是最直接的方法。如图3和图4所示，本发明以边沿路基高度为Z轴的基准，考虑到滚筒自身的结构特点，滚筒本身长度固定且宽于轨道板，因此可以通过对最大跳变距离的长度进行判断来实现对滚筒的识别。
S5：根据当前滚筒所有的轮廓曲线构建滚筒下边沿特征曲线，并提取下边沿特征曲线的顶点作为特征点。
具体的，步骤S5分为步骤：
S51：根据X轴上的坐标循序组合滚筒所有的轮廓曲线；
S52：提取各轮廓曲线Y轴上最小的一点组成下边沿特征曲线；
S53：提取下边沿特征曲线的两端点作为特征点。
在得到当前滚筒所有的轮廓曲线后，因为一个滚筒的激光扫描曲线是由高度不同、长度相同的多个轮廓曲线组成的(由滚筒首端(低)到滚筒顶点(高)，再由滚筒顶点(高)到滚筒末端(低))，因此当这些轮廓曲线按照X轴上的坐标大小组合起来时，就能得到滚筒上半部分的整体结构的轮廓曲线。此时再利用三维数据特征提取的方式，提取每一条轮廓曲线的Y轴方向上最小值坐标点(滚筒一侧的轮廓点)，将坐标点连接起来形成平滑曲线(滚筒一侧的轮廓曲线)，并将曲线两端的数据点作为特征点。
同时，步骤S5之前还包括步骤：
S50：对滚筒所有的轮廓曲线进行滤波和振动补偿。
通过该步骤对所有轮廓曲线进行平滑滤波，减少噪声信号，并对整个曲线进行高度和水平度(基于边沿路基高度)的补偿，消除部分震动信号，使得曲线呈现效果更佳。
S6：根据特征点获取滚筒边线位置和相对偏转角；
S7：根据预置滚筒外形参数、边线位置和相对偏转角计算机械手的夹取坐标。
获得特征点后，通过步骤S6-S7，对特征点进行计算，获取滚筒的偏转角度和侧面中心点位置，并根据滚筒整体结构的轮廓曲线识别出滚筒的偏转角度和中心点位置，计算出推拉机械手的理想夹取坐标(运动目标位置)。
S8：根据夹取坐标控制机械手依次推拉、拾取滚筒。
需要说明的是，因为钢轨在被滚筒回收车抬起之后，滚筒依旧是处于钢轨下方的，此时如果将滚筒直接拾取回滚筒回收车的话就需要对运动轨迹进行进一步地设计，为了降低系统错误率，同时降低实现难度，本发明采用了双机械手的方式，步骤S8具体如下：
S81：根据夹取坐标控制第一机械手推拉滚筒离开钢轨下方，并根据滚筒推拉后的坐标更新夹取坐标；
S82：根据夹取坐标控制第二机械手拾取滚筒至滚筒回收车上。
通过夹取坐标先利用第一机械手将滚筒推拉出钢轨下方，并更新滚筒的夹取坐标，再利用第二机械手拾取滚筒并回收至滚筒回收车中。
通过上述步骤S1至步骤S82，即可实现滚筒的快速识别与拾取回收，减少了铁路公司的人力资源投入，并提高了轨道铺设的运作效率。
实施例二
为了更加直观地了解本发明的技术特征与结构组成，本实施通过系统结构的方式来对本发明进行进一步地阐述，如图2所示，一种用于钢轨铺设的滚筒的回收系统，其以滚筒回收车行进方向为X轴，并在水平方向上与X轴垂直的Y轴上设有激光线束，垂直XY平面的方向为Z轴，包括激光线阵、截取单元、提取单元、计算单元和控制单元，其通过：
激光线阵获取滚筒回收车行进过程中的实时激光扫描曲线，并截取最大跳变长度处的实时激光扫描曲线；
截取单元获取最大跳变长度达到预设长度的实时激光扫描曲线；
提取单元在当前滚筒所有的轮廓曲线均已保存后构建滚筒下边沿特征曲线，并提取下边沿特征曲线的顶点作为特征点；
计算单元根据特征点获取滚筒边线位置和相对偏转度，并结合预置滚筒外形参数计算机械手的夹取坐标；
控制单元根据夹取坐标控制机械手依次推拉、拾取滚筒。
其中，所述预设长度为滚筒在Y轴上的长度。所述提取单元分为组合单元、第一提取子单元和第二提取子单元，其中所述：
组合单元根据X轴上的坐标循序组合滚筒所有的轮廓曲线；
第一提取子单元提取各轮廓曲线Y轴上最小的一点组成下边沿特征曲线；
第二提取子单元提取下边沿特征曲线的两端点作为特征点。
进一步地，所述组合单元中还包括图像预处理组件，所述图像预处理组件用于对滚筒所有的轮廓曲线进行滤波和振动补偿。
而控制单元控制机械手包括两个阶段，分别为：
第一阶段，根据夹取坐标控制第一机械手推拉滚筒离开钢轨下方，并根据滚筒推拉后的坐标更新夹取坐标
第二阶段，根据夹取坐标控制第二机械手拾取滚筒至滚筒回收车上。
综上所述，本发明所述的一种用于钢轨铺设的滚筒的回收方法与系统，通过光学信息的采集实现了滚筒的快速识别，并合理利用三维数据特征提取的方法获得滚筒的偏移量和中心位置，从而控制机械手快速准确的抓拾滚筒并回收。
采用机械智能化操控，无需投入大量人力资源，同时相较于人工操作，其工作周期短，不受天气环境影响，能够适应恶劣环境下的施工作业。因基本采用智能化操作，仅需远程人为监控，所以作业范围受限小，作业效率显著提高。
本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种用于钢轨铺设的滚筒的回收方法，其特征在于，以滚筒回收车行进方向为X轴，并在水平方向上与X轴垂直的Y轴上设有激光线束，垂直XY平面的方向为Z轴,包括步骤：
S1：获取滚筒回收车行进过程中的实时激光扫描曲线；
S2：截取最大跳变长度处的实时激光扫描曲线；
S3：判断最大跳变长度是否达到预设长度，若是，判断为滚筒的轮廓曲线并保存，进入下一步骤，否则返回步骤S1；
S4：判断是否保存完毕当前滚筒所有的轮廓曲线，若是，进入下一步骤，若否，返回步骤S1；
S5：根据当前滚筒所有的轮廓曲线构建滚筒下边沿特征曲线，并提取下边沿特征曲线的顶点作为特征点；
S6：根据特征点获取滚筒边线位置和相对偏转角；
S7：根据预置滚筒外形参数、边线位置和相对偏转角计算机械手的夹取坐标；
S8：根据夹取坐标控制机械手依次推拉、拾取滚筒。
2.如权利要求1所述的一种用于钢轨铺设的滚筒的回收方法，其特征在于，所述预设长度为滚筒在Y轴上的长度。
3.如权利要求1所述的一种用于钢轨铺设的滚筒的回收方法，其特征在于，所述步骤S5具体分为步骤：
S51：根据X轴上的坐标循序组合滚筒所有的轮廓曲线；
S52：提取各轮廓曲线Y轴上最小的一点组成下边沿特征曲线；
S53：提取下边沿特征曲线的两端点作为特征点。
4.如权利要求3所述的一种用于钢轨铺设的滚筒的回收方法，其特征在于，所述步骤S5之前还包括步骤：
S50：对滚筒所有的轮廓曲线进行滤波和振动补偿。
5.如权利要求1所述的一种用于钢轨铺设的滚筒的回收方法，其特征在于，所述步骤8具体分为：
S81：根据夹取坐标控制第一机械手推拉滚筒离开钢轨下方，并根据滚筒推拉后的坐标更新夹取坐标；
S82：根据夹取坐标控制第二机械手拾取滚筒至滚筒回收车上。
6.一种用于钢轨铺设的滚筒的回收系统，其特征在于，以滚筒回收车行进方向为X轴，并在水平方向上与X轴垂直的Y轴上设有激光线束，垂直XY平面的方向为Z轴，包括激光线阵、截取单元、提取单元、计算单元和控制单元，其通过：
激光线阵获取滚筒回收车行进过程中的实时激光扫描曲线，并截取最大跳变长度处的实时激光扫描曲线；
截取单元获取最大跳变长度达到预设长度的实时激光扫描曲线；
提取单元在当前滚筒所有的轮廓曲线均已保存后构建滚筒下边沿特征曲线，并提取下边沿特征曲线的顶点作为特征点；
计算单元根据特征点获取滚筒边线位置和相对偏转度，并结合预置滚筒外形参数计算机械手的夹取坐标；
控制单元根据夹取坐标控制机械手依次推拉、拾取滚筒。
7.如权利要求6所述的一种用于钢轨铺设的滚筒的回收系统，其特征在于，所述预设长度为滚筒在Y轴上的长度。
8.如权利要求6所述的一种用于钢轨铺设的滚筒的回收系统，其特征在于，所述提取单元分为组合单元、第一提取子单元和第二提取子单元，其中所述：
组合单元根据X轴上的坐标循序组合滚筒所有的轮廓曲线；
第一提取子单元提取各轮廓曲线Y轴上最小的一点组成下边沿特征曲线；
第二提取子单元提取下边沿特征曲线的两端点作为特征点。
9.如权利要求8所述的一种用于钢轨铺设的滚筒的回收系统，其特征在于，所述组合单元中还包括图像预处理组件，所述图像预处理组件用于对滚筒所有的轮廓曲线进行滤波和振动补偿。
10.如权利要求6所述的一种用于钢轨铺设的滚筒的回收系统，其特征在于，所述控制单元控制机械手包括两个阶段，分别为：
第一阶段，根据夹取坐标控制第一机械手推拉滚筒离开钢轨下方，并根据滚筒推拉后的坐标更新夹取坐标
第二阶段，根据夹取坐标控制第二机械手拾取滚筒至滚筒回收车上。
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