CN113776456A - 基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法及装置 - Google Patents

基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法及装置 Download PDF

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CN113776456A CN202111011662.5A CN202111011662A CN113776456A CN 113776456 A CN113776456 A CN 113776456A CN 202111011662 A CN202111011662 A CN 202111011662A CN 113776456 A CN113776456 A CN 113776456A
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Abstract

本发明提供了一种基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法及装置，该方法包括：基于曲线段的钢轨激光断面图像，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓；将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到第一辅助平面上，获得第一钢轨轮廓投影，将第二激光平面上的钢轨轮廓投影到第二辅助平面上，获得第二钢轨轮廓投影；根据第一钢轨轮廓投影和第二钢轨轮廓投影，创建辅助三维钢轨；根据第一钢轨轮廓投影，生成虚拟三维钢轨；基于辅助三维钢轨和虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面；将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓。本发明可以对曲线段钢轨轮廓测量误差进行修正，修正精度高。

Description

基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法及装置
技术领域
本发明属于铁路轨道检测技术领域，涉及一种基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法和装置。
背景技术
钢轨轮廓测量组件一般安装在车体下方或转向架上，与车体或者转向架刚性连接。一般情况下，车辆经过直线路段时，钢轨轮廓测量组件的激光平面垂直于钢轨的局部纵向，此时，测量结果是钢轨的横断面轮廓。而车辆经过曲线路段时，由于轮轨冲角的增大，钢轨轮廓测量组件的激光平面与钢轨纵向不再满足垂直的关系，此时，测量结果是钢轨的斜断面轮廓数据，而非横断面轮廓数据，造成测量轮廓存在一定程度的畸变，使测量轮廓中垂直磨耗点和侧面磨耗点的定位产生了一定的偏差，降低了钢轨磨耗测量精度。
在现有技术中，线结构光轮廓测量技术基于三角测量原理，可以实时获取被测物的轮廓信息，具有高速、高精度和非接触的特点，是钢轨廓形动态检测的主流方式。图1为现有技术中线结构光钢轨轮廓测量原理图，在钢轨左右两侧各有一套由相机、镜头和线激光器组成的激光摄像组件，两套组件的激光平面共面安装，分别用于获取钢轨左右半断面轮廓数据，由标定参数将半断面轮廓进行拼接，从而得到钢轨全断面轮廓。配合扫描运动，即可实现对整个钢轨的轮廓测量。
在上述方法中，车辆经过曲线路段时，轮对和车体要沿着线路弯曲的方向调整行进方向，如图2所示，图2为线结构光轮廓测量技术中曲线路段车体与钢轨局部纵向的关系的示意图，此时，由于轮轨冲角的增大，车体方向与钢轨局部纵向的夹角也增大，受此影响，激光平面与钢轨局部纵向不再满足垂直的关系。由图2可以看出，钢轨轮廓测量组件安装在车体上，尤其是车体端部时，受到的影响更大。
另外，激光平面相对于钢轨存在点头运动，摇头运动、侧滚运动以及绕三个轴的平移，其中，侧滚运动以及绕三个轴的平移不改变激光平面与钢轨纵向的垂直关系，因此，钢轨轮廓测量结果不存在畸变，相反，激光平面相对于钢轨的点头运动和摇头运动改变了激光平面与钢轨纵向的垂直关系，如图3所示为行车过程中激光平面相对钢轨的运动示意图，图3中的(a)为点头运动，图3中的(b)为摇头运动，这种条件下，测量结果是钢轨的斜断面轮廓，相比于正常轮廓存在一定的畸变，即沿某个方向出现了拉伸放大。对于激光平面的点头运动，相当于将正常钢轨轮廓沿Y轴进行了拉伸，对于激光平面的摇头运动，相当于将正常钢轨轮廓沿X轴进行了拉伸。
激光平面点头运动和摇头运动均造成了钢轨的磨耗测量误差，其中，钢轨垂直磨耗测量误差对激光平面的点头运动较为敏感，随着点头角度的增大而迅速增大，而钢轨的侧面磨耗测量误差对激光平面的摇头运动较为敏感，随着摇头角度的增大而迅速增大。因此，必须采取相应的误差修正措施来保证曲线路段的钢轨轮廓测量精度。
发明内容
本发明实施例提出一种基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法，用以对曲线段钢轨轮廓测量误差进行修正，修正精度高，该方法包括：
基于曲线段的钢轨激光断面图像，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓，所述钢轨激光断面图像包含两个激光平面与钢轨表面的交线；
将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到第一辅助平面上，获得第一钢轨轮廓投影，将第二激光平面上的钢轨轮廓投影到第二辅助平面上，获得第二钢轨轮廓投影；
根据第一钢轨轮廓投影和第二钢轨轮廓投影，创建辅助三维钢轨；
根据第一钢轨轮廓投影，生成虚拟三维钢轨；
基于辅助三维钢轨和虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面；
将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓。
本发明实施例提出一种基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正装置，用以对曲线段钢轨轮廓测量误差进行修正，修正精度高，该装置包括：
钢轨轮廓获得模块，用于基于曲线段的钢轨激光断面图像，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓，所述钢轨激光断面图像包含两个激光平面与钢轨表面的交线；
钢轨轮廓投影获得模块，用于将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到第一辅助平面上，获得第一钢轨轮廓投影，将第二激光平面上的钢轨轮廓投影到第二辅助平面上，获得第二钢轨轮廓投影；
辅助三维钢轨创建模块，用于根据第一钢轨轮廓投影和第二钢轨轮廓投影，创建辅助三维钢轨；
虚拟三维钢轨生成模块，用于根据第一钢轨轮廓投影，生成虚拟三维钢轨；
最优辅助平面求解模块，用于基于辅助三维钢轨和虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面；
修正模块，用于将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓。
本发明实施例还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正。
本发明实施例还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法的计算机程序。
在本发明实施例中，基于曲线段的钢轨激光断面图像，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓，所述钢轨激光断面图像包含两个激光平面与钢轨表面的交线；将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到第一辅助平面上，获得第一钢轨轮廓投影，将第二激光平面上的钢轨轮廓投影到第二辅助平面上，获得第二钢轨轮廓投影；根据第一钢轨轮廓投影和第二钢轨轮廓投影，创建辅助三维钢轨；根据第一钢轨轮廓投影，生成虚拟三维钢轨；基于辅助三维钢轨和虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面；将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓。在上述过程中，通过优先构建辅助三维钢轨和虚拟三维钢轨，进而构建优化目标函数，求解最优辅助平面；将第一激光平面坐标系下的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓，可得到精度非常高的钢轨轮廓。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为现有技术中线结构光钢轨轮廓测量原理图；
图2为线结构光轮廓测量技术中曲线路段车体与钢轨局部纵向的关系的示意图图；
图3为行车过程中激光平面相对钢轨的运动示意图；
图4为本发明实施例中基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法的流程图；
图5为常规线结构光轮廓测量组件与本发明方法双线激光轮廓测量组件的示意图；
图6为本发明实施例中基于双线的钢轨激光断面图像示意图；
图7为本发明实施例中第一激光平面和第二激光平面对应的两个激光平面坐标系示意图；
图8为本发明实施例中第一辅助平面和第二辅助平面的示意图；
图9为本发明实施例中第一钢轨轮廓投影和第二钢轨轮廓投影的示意图；
图10为本发明实施例中由两个钢轨轮廓投影的轨头数据和两个辅助平面姿态参数生成的辅助三维钢轨的示意图；
图11为本发明实施例中不同辅助平面对应不同的辅助钢轨示意图；
图12为本发明实施例中由第一钢轨轮廓投影的轨头数据和第一辅助平面姿态参数生成虚拟三维钢轨的示意图；
图13为本发明实施例中不同辅助平面对应不同的虚拟三维钢轨示意图；
图14为本发明实施例中基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法的详细流程图；
图15为本发明实施例中基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正装置的示意图；
图16为本发明实施例中计算机设备的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本说明书的描述中，所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本发明的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
图4为本发明实施例中基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法的流程图，如图4所示，该方法包括：
步骤401，基于曲线段的钢轨激光断面图像，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓，所述钢轨激光断面图像包含两个激光平面与钢轨表面的交线；
步骤402，将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到第一辅助平面上，获得第一钢轨轮廓投影，将第二激光平面上的钢轨轮廓投影到第二辅助平面上，获得第二钢轨轮廓投影；
步骤403，根据第一钢轨轮廓投影和第二钢轨轮廓投影，创建辅助三维钢轨；
步骤404，根据第一钢轨轮廓投影，生成虚拟三维钢轨；
步骤405，基于辅助三维钢轨和虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面；
步骤406，将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓。
首先，介绍一下本发明实施例提出的方法的原理。
本发明实施例提出的方法的原理是将两个平行的线激光入射到钢轨表面，通过两个激光平面获取最优辅助平面。图5为常规线结构光轮廓测量组件与本发明方法双线激光轮廓测量组件的示意图，其中，图5中的(a)为单线激光，图5中的(b)为双线激光，与常规组件相比，多了一个线激光器，将靠近相机的激光平面称作第一激光平面，远离相机的激光平面称作第二激光平面。通过相机获取钢轨的激光断面图像，该激光断面图像中包含两条钢轨轮廓线，分别是两个激光平面与钢轨的交线，图6为本发明实施例中基于双线的钢轨激光断面图像示意图。
以激光平面为XOY平面，建立如图7所示的激光平面坐标系lcs1和lcs2。图7为本发明实施例中第一激光平面和第二激光平面对应的两个激光平面坐标系示意图，利用常规的系统标定方法，可以获取激光平面坐标系lcs1和lcs2在相机坐标系下的姿态参数(旋转矩阵
Figure BDA0003238281000000061
和平移向量
Figure BDA0003238281000000062
)。
激光平面相对钢轨的点头运动和摇头运动对钢轨轮廓测量结果产生影响，因此，将两个激光平面同时绕X轴旋转(点头运动)或者Y轴旋转(摇头运动)，由第一激光平面建立第一辅助平面，第二激光平面建立第二辅助平面，如图8所示为本发明实施例中第一辅助平面和第二辅助平面的示意图，则第一激光平面坐标系lcs1到第一辅助平面坐标系acs1的旋转矩阵
Figure BDA0003238281000000063
和平移向量
Figure BDA0003238281000000064
可以表示为：
Figure BDA0003238281000000065
Figure BDA0003238281000000066
同样的，第一激光平面坐标系lcs2到第一辅助平面坐标系acs2的旋转矩阵
Figure BDA0003238281000000067
和平移向量
Figure BDA0003238281000000068
可以表示为
Figure BDA0003238281000000069
Figure BDA00032382810000000610
其中，α为绕第一激光平面坐标系的X轴的旋转量，β为绕第一激光平面坐标系的X轴旋转后得到临时坐标系，再绕临时坐标系的Y轴的旋转量。
将第一激光平面上的光条中心投影到第一辅助平面上，得到第一钢轨轮廓投影，将第二激光平面上的光条中心投影到第二辅助平面上，得到第二钢轨轮廓投影，如图9所示为本发明实施例中第一钢轨轮廓投影和第二钢轨轮廓投影的示意图。
由于两个激光平面上的光条中心包含了钢轨的纵向信息，因此，两个光条中心的钢轨轮廓投影也反映了钢轨的纵向信息，因此，可以基于两个钢轨轮廓投影的轨头数据和两个辅助平面姿态参数，沿着实际钢轨的方向创建辅助三维钢轨，如图10所示为本发明实施例中由两个钢轨轮廓投影的轨头数据和两个辅助平面姿态参数生成的辅助三维钢轨的示意图。
图11为本发明实施例中不同辅助平面对应不同的辅助钢轨示意图，可以看出，由于两个激光平面距离较近，可以假设两个平面之间的钢轨轮廓近似相等，则辅助钢轨可以近似表示该区间内的实际钢轨。
同样的，利用第一钢轨轮廓投影和第一辅助平面姿态参数，沿着与第一辅助平面垂直的方向生成虚拟三维钢轨，如图12所示为本发明实施例中由第一钢轨轮廓投影的轨头数据和第一辅助平面姿态参数生成虚拟三维钢轨的示意图。由于辅助三维钢轨始终沿着实际钢轨的方向创建，而虚拟三维钢轨始终沿着与第一辅助平面垂直的方向创建，因此，在行车过程中，无论两个激光平面与钢轨纵向是否垂直，若创建的第一辅助平面与钢轨纵向垂直(此时，第二辅助平面也与钢轨纵向垂直)，则虚拟钢轨与辅助钢轨重合，反之，则虚拟钢轨与辅助钢轨不重合。将与钢轨纵向垂直的第一辅助平面称作最优辅助平面，该平面上的轮廓数据是钢轨的横断面轮廓数据。因此，无论行车过程中两个激光平面与钢轨纵向是否垂直，若获取了最优辅助平面，可以将第一激光平面上的钢轨轮廓数据投影的最优辅助平面上，从而可以修正行车过程中由于激光平面与钢轨纵向不垂直导致的钢轨轮廓测量误差。
图13为本发明实施例中不同辅助平面对应不同的虚拟三维钢轨示意图，可以看出，当虚拟钢轨与辅助钢轨重合，此时的第一辅助平面与钢轨纵向垂直，因此，由虚拟钢轨和辅助钢轨的重合度构建优化目标函数，只需要求解两个变量α和β的值即可确定最优辅助平面。将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到最优辅助平面上，即可得到与钢轨纵向垂直的轮廓数据，从而完成钢轨轮廓测量误差修正。
基于上述原理，下面给出进行修正的详细过程。
在一实施例中，基于曲线段的钢轨激光断面图像，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓，包括：
对钢轨激光断面图像进行光条中心提取，获得光条中心像素坐标系下的两个光条中心两个光条中心；
将光条中心像素坐标系下的两个光条中心变换至对应的激光平面坐标系下，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓。
在上述实施例中，可以通过相机获取钢轨激光断面图像，利用灰度重心法对钢轨激光断面图像进行光条中心提取。将光条中心像素坐标系下的两个光条中心变换至对应的激光平面坐标系下，获得两个激光平面上的钢轨轮廓，记第一激光平面上的钢轨轮廓上的任意一点为
Figure BDA0003238281000000071
第二激光平面上的钢轨轮廓上的任意一点为
Figure BDA0003238281000000072
在一实施例中，第一激光平面上的钢轨轮廓投影到第一辅助平面上，获得第一钢轨轮廓投影，将第二激光平面上的钢轨轮廓投影到第二辅助平面上，获得第二钢轨轮廓投影，包括：
将第一激光平面上的钢轨轮廓变换到第一辅助平面坐标系下，得到第一辅助平面坐标系下的钢轨轮廓，将第二激光平面上的钢轨轮廓变换到第二辅助平面坐标系下，得到第二辅助平面坐标系下的钢轨轮廓；
将第一辅助平面坐标系下的钢轨轮廓投影到第一辅助平面内，获得第一钢轨轮廓投影，将第二辅助平面坐标系下的钢轨轮廓投影到第二辅助平面内，获得第一钢轨轮廓投影。
在上述实施例中，首先，创建第一辅助平面和第二辅助平面。
对第一激光平面坐标系lcs1进行旋转变换，首先，绕其X轴旋转α，得到临时坐标系，然后，绕临时坐标系的Y轴旋转β，得到第一辅助平面坐标系acs1，对第二激光平面坐标系进行相同的变换，得到第二辅助平面坐标系acs2。分别以两个辅助平面坐标系的XOY平面创建对应的辅助平面。
然后，将两个激光平面上的钢轨轮廓变换到对应的辅助平面坐标系下。
对于第一激光平面上的钢轨轮廓上的任意一点
Figure BDA0003238281000000081
通过式(5)将其变换到第一辅助平面坐标系acs1下，得到辅助平面坐标系下的钢轨轮廓
Figure BDA0003238281000000082
Figure BDA0003238281000000083
对于第二激光平面上的钢轨轮廓上的任意一点
Figure BDA0003238281000000084
通过式(6)将其变换到第一辅助平面坐标系acs2下，得到辅助平面坐标系下的钢轨轮廓
Figure BDA0003238281000000085
Figure BDA0003238281000000086
最后，将两个辅助平面坐标系下的钢轨轮廓投影到对应的XOY平面内，得到钢轨轮廓投影。
令
Figure BDA0003238281000000087
将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到第一辅助平面上，得到第一钢轨轮廓投影，则第一钢轨轮廓投影上任意一点
Figure BDA0003238281000000088
的坐标可表示为
Figure BDA0003238281000000089
令
Figure BDA0003238281000000091
将第二激光平面上的钢轨轮廓投影到第二辅助平面上，得到第二钢轨轮廓投影，则第二钢轨轮廓投影上任意一点
Figure BDA0003238281000000092
的坐标可表示为
Figure BDA0003238281000000093
在一实施例中，根据第一钢轨轮廓投影和第二钢轨轮廓投影，创建辅助三维钢轨，包括：
将第二钢轨轮廓投影变换到第一辅助平面坐标系，获得变换后的第二钢轨轮廓投影；
根据第一钢轨轮廓投影的轨头区域和变换后的第二钢轨轮廓投影的轨头区域，创建辅助三维钢轨。
在上述实施例中，通过式(9)将第二钢轨轮廓投影上任意一点
Figure BDA0003238281000000094
变换到第一辅助平面坐标系下，得到
Figure BDA0003238281000000095
Figure BDA0003238281000000096
其中，
Figure BDA0003238281000000097
和
Figure BDA0003238281000000098
是第一辅助平面坐标系到第二辅助平面坐标系的旋转矩阵和平移向量，通过式(10)得到：
Figure BDA0003238281000000099
而
Figure BDA00032382810000000910
和
Figure BDA00032382810000000911
是第一激光平面坐标系到第二辅助平面坐标系的旋转矩阵和平移向量，通过式(11)得到：
Figure BDA00032382810000000912
其中，
Figure BDA00032382810000000913
和
Figure BDA00032382810000000914
是相机坐标系到第一激光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量，通过系统标定得到。
Figure BDA00032382810000000915
和
Figure BDA00032382810000000916
是相机坐标系ccs到第二辅助平面坐标系acs2的旋转矩阵和平移向量，通过式(12)得到：
Figure BDA00032382810000000917
Figure BDA0003238281000000101
和
Figure BDA0003238281000000102
是相机坐标系到第二激光平面坐标系的旋转矩阵和平移向量，通过系统标定得到。
然后，分别在第一钢轨轮廓投影
Figure BDA0003238281000000103
和第二钢轨轮廓投影
Figure BDA0003238281000000104
上定位轨头区域。将第一钢轨轮廓投影上轨头区域的三维点记为
Figure BDA0003238281000000105
第二钢轨轮廓投影上轨头区域的三维点记为
Figure BDA0003238281000000106
由上述的三维点集
Figure BDA0003238281000000107
和三维点集
Figure BDA0003238281000000108
生成辅助三维钢轨，并将三维点集
Figure BDA0003238281000000109
作为评估虚拟三维钢轨和辅助三维钢轨重合度的参照物，后续称为第一三维点集。
在一实施例中，根据第一钢轨轮廓投影，生成虚拟三维钢轨，包括：
以第一钢轨轮廓投影的轨顶数据，沿着第一辅助平面法线的方向生成虚拟三维钢轨，所述虚拟三维钢轨的长度为第一激光平面和第二激光平面之间的距离。
在上述实施例中，虚拟三维钢轨为定长的，其长度等于两个激光平面之间的距离。
将虚拟三维钢轨上距离第一辅助平面最远的轮廓上的点记为第二三维点集，可表示为
Figure BDA00032382810000001010
在一实施例中，基于辅助三维钢轨和虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面，包括：
对虚拟三维钢轨上的第一三维点集与辅助三维钢轨上的第二三维点集进行重采样，获得重采样的第一三维点集与重采样的第二三维点集，所述重采样的第一三维点集与重采样的第二三维点集的点数相同；
基于重采样的第一三维点集与重采样的第二三维点集之间的平均距离构建优化目标函数；
基于所述距离平均值，构建优化目标函数；
基于优化目标函数，寻找使得优化目标函数值最小的第一变量和第二变量，所述第一变量为绕第一激光平面坐标系的X轴的旋转量，所述第二变量为绕第一激光平面坐标系的X轴旋转后得到临时坐标系，再绕临时坐标系的Y轴的旋转量；
根据寻找到的第一变量和第二变量，获得最优辅助平面。
在上述实施例中，从图13可以看出，不同辅助平面对应不同的虚拟三维钢轨，且虚拟三维钢轨上的第二维点集
Figure BDA00032382810000001011
与辅助三维钢轨上的第一三维点集
Figure BDA00032382810000001012
具有不同的空间位置关系。若第一辅助平面与钢轨纵向垂直，则虚拟三维钢轨上的第二三维点集
Figure BDA0003238281000000111
与辅助三维钢轨上的第一三维点集
Figure BDA0003238281000000112
具有最高的重合度(最近的距离)。记
Figure BDA0003238281000000113
和
Figure BDA0003238281000000114
点数分别为n4和n5，对三维点集
Figure BDA0003238281000000115
和
Figure BDA0003238281000000116
进行重采样，使其点数均为n6，其中，
n6＝round((n4+n5)/2) (13)
将
Figure BDA0003238281000000117
和
Figure BDA0003238281000000118
采样后的点集分别记为
Figure BDA0003238281000000119
和
Figure BDA00032382810000001110
与
Figure BDA00032382810000001111
之间的距离平均值d可表示为
Figure BDA00032382810000001112
因此，以三维点集
Figure BDA00032382810000001113
与三维点集
Figure BDA00032382810000001114
之间的距离构建优化目标函数
Figure BDA00032382810000001115
寻找使g取得最小值的两个变量α和β，从而可以确定最优的辅助平面。记最优的辅助平面坐标系为bcs，对应旋转矩阵为
Figure BDA00032382810000001116
最后，将激光平面坐标系下的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓，完成修正。对于第一激光平面内的钢轨轮廓上的任意一点
Figure BDA00032382810000001117
通过式(16)将其变换到最优辅助平面坐标系：
Figure BDA00032382810000001118
令
Figure BDA00032382810000001119
即可将第一激光平面内的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，得到修正后的钢轨轮廓Qbcs。
Figure BDA00032382810000001120
综合上述实施例，下面给出基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法的详细流程图，图14为本发明实施例中基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法的详细流程图，包括：
步骤1401，对钢轨激光断面图像进行光条中心提取，获得光条中心像素坐标系下的两个光条中心两个光条中心；
步骤1402，将光条中心像素坐标系下的两个光条中心变换至对应的激光平面坐标系下，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓；
步骤1403，将第一激光平面上的钢轨轮廓变换到第一辅助平面坐标系下，得到第一辅助平面坐标系下的钢轨轮廓，将第二激光平面上的钢轨轮廓变换到第二辅助平面坐标系下，得到第二辅助平面坐标系下的钢轨轮廓；
步骤1404，将第一辅助平面坐标系下的钢轨轮廓投影到第一辅助平面内，获得第一钢轨轮廓投影，将第二辅助平面坐标系下的钢轨轮廓投影到第二辅助平面内，获得第一钢轨轮廓投影；
步骤1405，将第二钢轨轮廓投影变换到第一辅助平面坐标系，获得变换后的第二钢轨轮廓投影；
步骤1406，根据第一钢轨轮廓投影的轨头区域和变换后的第二钢轨轮廓投影的轨头区域，创建辅助三维钢轨；
步骤1407，以第一钢轨轮廓投影的轨顶数据，沿着第一辅助平面法线的方向生成虚拟三维钢轨，所述虚拟三维钢轨的长度为第一激光平面和第二激光平面之间的距离；
步骤1408，对虚拟三维钢轨上的第一三维点集与辅助三维钢轨上的第二三维点集进行重采样，获得重采样的第一三维点集与重采样的第二三维点集，所述重采样的第一三维点集与重采样的第二三维点集的点数相同；
步骤1409，基于重采样的第一三维点集与重采样的第二三维点集之间的平均距离构建优化目标函数；
步骤1410，基于所述距离平均值，构建优化目标函数；
步骤1411，基于优化目标函数，寻找使得优化目标函数值最小的第一变量和第二变量，所述第一变量为绕第一激光平面坐标系的X轴的旋转量，所述第二变量为绕第一激光平面坐标系的X轴旋转后得到临时坐标系，再绕临时坐标系的Y轴的旋转量；
步骤1412，根据寻找到的第一变量和第二变量，获得最优辅助平面；
步骤1413，将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓。
当然，可以理解的是，还可以有其他变化的步骤，相关变化例均应落入本发明的保护范围内。
综上所示，在本发明实施例提出的方法中，基于曲线段的钢轨激光断面图像，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓，所述钢轨激光断面图像包含两个激光平面与钢轨表面的交线；将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到第一辅助平面上，获得第一钢轨轮廓投影，将第二激光平面上的钢轨轮廓投影到第二辅助平面上，获得第二钢轨轮廓投影；根据第一钢轨轮廓投影和第二钢轨轮廓投影，创建辅助三维钢轨；根据第一钢轨轮廓投影，生成虚拟三维钢轨；基于辅助三维钢轨和虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面；将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓。在上述过程中，通过优先构建辅助三维钢轨和虚拟三维钢轨，进而构建优化目标函数，求解最优辅助平面；将第一激光平面坐标系下的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓，可得到精度非常高的钢轨轮廓。
本发明实施例还提出一种基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正装置，其原理与基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法类似，这里不再赘述。
图15为本发明实施例中基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正装置的示意图，如图15所示，该装置包括：
钢轨轮廓获得模块1501，用于基于曲线段的钢轨激光断面图像，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓，所述钢轨激光断面图像包含两个激光平面与钢轨表面的交线；
钢轨轮廓投影获得模块1502，用于将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到第一辅助平面上，获得第一钢轨轮廓投影，将第二激光平面上的钢轨轮廓投影到第二辅助平面上，获得第二钢轨轮廓投影；
辅助三维钢轨创建模块1503，用于根据第一钢轨轮廓投影和第二钢轨轮廓投影，创建辅助三维钢轨；
虚拟三维钢轨生成模块1504，用于根据第一钢轨轮廓投影，生成虚拟三维钢轨；
最优辅助平面求解模块1505，用于基于辅助三维钢轨和虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面；
修正模块1506，用于将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓。
在一实施例中，钢轨轮廓获得模块具体用于：
对钢轨激光断面图像进行光条中心提取，获得光条中心像素坐标系下的两个光条中心两个光条中心；
将光条中心像素坐标系下的两个光条中心变换至对应的激光平面坐标系下，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓。
在一实施例中，钢轨轮廓投影获得模块具体用于：
将第一激光平面上的钢轨轮廓变换到第一辅助平面坐标系下，得到第一辅助平面坐标系下的钢轨轮廓，将第二激光平面上的钢轨轮廓变换到第二辅助平面坐标系下，得到第二辅助平面坐标系下的钢轨轮廓；
将第一辅助平面坐标系下的钢轨轮廓投影到第一辅助平面内，获得第一钢轨轮廓投影，将第二辅助平面坐标系下的钢轨轮廓投影到第二辅助平面内，获得第一钢轨轮廓投影。
在一实施例中，辅助三维钢轨创建模块具体用于：
将第二钢轨轮廓投影变换到第一辅助平面坐标系，获得变换后的第二钢轨轮廓投影；
根据第一钢轨轮廓投影的轨头区域和变换后的第二钢轨轮廓投影的轨头区域，创建辅助三维钢轨。
在一实施例中，虚拟三维钢轨生成模块具体用于：
以第一钢轨轮廓投影的轨顶数据，沿着第一辅助平面法线的方向生成虚拟三维钢轨，所述虚拟三维钢轨的长度为第一激光平面和第二激光平面之间的距离。
在一实施例中，最优辅助平面求解模块具体用于：
对虚拟三维钢轨上的第一三维点集与辅助三维钢轨上的第二三维点集进行重采样，获得重采样的第一三维点集与重采样的第二三维点集，所述重采样的第一三维点集与重采样的第二三维点集的点数相同；
基于重采样的第一三维点集与重采样的第二三维点集之间的平均距离构建优化目标函数；
基于所述距离平均值，构建优化目标函数；
基于优化目标函数，寻找使得优化目标函数值最小的第一变量和第二变量，所述第一变量为绕第一激光平面坐标系的X轴的旋转量，所述第二变量为绕第一激光平面坐标系的X轴旋转后得到临时坐标系，再绕临时坐标系的Y轴的旋转量；
根据寻找到的第一变量和第二变量，获得最优辅助平面。
综上所述，在本发明实施例提出的装置中，基于曲线段的钢轨激光断面图像，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓，所述钢轨激光断面图像包含两个激光平面与钢轨表面的交线；将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到第一辅助平面上，获得第一钢轨轮廓投影，将第二激光平面上的钢轨轮廓投影到第二辅助平面上，获得第二钢轨轮廓投影；根据第一钢轨轮廓投影和第二钢轨轮廓投影，创建辅助三维钢轨；根据第一钢轨轮廓投影，生成虚拟三维钢轨；基于辅助三维钢轨和虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面；将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓。在上述过程中，通过优先构建辅助三维钢轨和虚拟三维钢轨，进而构建优化目标函数，求解最优辅助平面；将第一激光平面坐标系下的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓，可得到精度非常高的钢轨轮廓。
本发明的实施例还提供一种计算机设备，图16为本发明实施例中计算机设备的示意图，该计算机设备能够实现上述实施例中的基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法中全部步骤，所述计算机设备具体包括如下内容：
处理器(processor)1601、存储器(memory)1602、通信接口(CommunicationsInterface)1603和通信总线1604；
其中，所述处理器1601、存储器1602、通信接口1603通过所述通信总线1604完成相互间的通信；所述通信接口1603用于实现服务器端设备、检测设备以及用户端设备等相关设备之间的信息传输；
所述处理器1601用于调用所述存储器1602中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中的基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法中的全部步骤。
本发明的实施例还提供一种计算机可读存储介质，能够实现上述实施例中的基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法中全部步骤，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法的全部步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法，其特征在于，包括：
基于曲线段的钢轨激光断面图像，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓，所述钢轨激光断面图像包含两个激光平面与钢轨表面的交线；
将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到第一辅助平面上，获得第一钢轨轮廓投影，将第二激光平面上的钢轨轮廓投影到第二辅助平面上，获得第二钢轨轮廓投影；
根据第一钢轨轮廓投影和第二钢轨轮廓投影，创建辅助三维钢轨；
根据第一钢轨轮廓投影，生成虚拟三维钢轨；
基于辅助三维钢轨和虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面；
将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓。
2.如权利要求1所述的基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法，其特征在于，基于曲线段的钢轨激光断面图像，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓，包括：
对钢轨激光断面图像进行光条中心提取，获得光条中心像素坐标系下的两个光条中心两个光条中心；
将光条中心像素坐标系下的两个光条中心变换至对应的激光平面坐标系下，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓。
3.如权利要求1所述的基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法，其特征在于，将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到第一辅助平面上，获得第一钢轨轮廓投影，将第二激光平面上的钢轨轮廓投影到第二辅助平面上，获得第二钢轨轮廓投影，包括：
将第一激光平面上的钢轨轮廓变换到第一辅助平面坐标系下，得到第一辅助平面坐标系下的钢轨轮廓，将第二激光平面上的钢轨轮廓变换到第二辅助平面坐标系下，得到第二辅助平面坐标系下的钢轨轮廓；
将第一辅助平面坐标系下的钢轨轮廓投影到第一辅助平面内，获得第一钢轨轮廓投影，将第二辅助平面坐标系下的钢轨轮廓投影到第二辅助平面内，获得第一钢轨轮廓投影。
4.如权利要求1所述的基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法，其特征在于，根据第一钢轨轮廓投影和第二钢轨轮廓投影，创建辅助三维钢轨，包括：
将第二钢轨轮廓投影变换到第一辅助平面坐标系，获得变换后的第二钢轨轮廓投影；
根据第一钢轨轮廓投影的轨头区域和变换后的第二钢轨轮廓投影的轨头区域，创建辅助三维钢轨。
5.如权利要求1所述的基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法，其特征在于，根据第一钢轨轮廓投影，生成虚拟三维钢轨，包括：
以第一钢轨轮廓投影的轨顶数据，沿着第一辅助平面法线的方向生成虚拟三维钢轨，所述虚拟三维钢轨的长度为第一激光平面和第二激光平面之间的距离。
6.如权利要求1所述的基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正方法，其特征在于，基于辅助三维钢轨和虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面，包括：
对虚拟三维钢轨上的第一三维点集与辅助三维钢轨上的第二三维点集进行重采样，获得重采样的第一三维点集与重采样的第二三维点集，所述重采样的第一三维点集与重采样的第二三维点集的点数相同；
基于重采样的第一三维点集与重采样的第二三维点集之间的平均距离构建优化目标函数；
基于所述距离平均值，构建优化目标函数；
基于优化目标函数，寻找使得优化目标函数值最小的第一变量和第二变量，所述第一变量为绕第一激光平面坐标系的X轴的旋转量，所述第二变量为绕第一激光平面坐标系的X轴旋转后得到临时坐标系，再绕临时坐标系的Y轴的旋转量；
根据寻找到的第一变量和第二变量，获得最优辅助平面。
7.一种基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正装置，其特征在于，包括：
钢轨轮廓获得模块，用于基于曲线段的钢轨激光断面图像，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓，所述钢轨激光断面图像包含两个激光平面与钢轨表面的交线；
钢轨轮廓投影获得模块，用于将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到第一辅助平面上，获得第一钢轨轮廓投影，将第二激光平面上的钢轨轮廓投影到第二辅助平面上，获得第二钢轨轮廓投影；
辅助三维钢轨创建模块，用于根据第一钢轨轮廓投影和第二钢轨轮廓投影，创建辅助三维钢轨；
虚拟三维钢轨生成模块，用于根据第一钢轨轮廓投影，生成虚拟三维钢轨；
最优辅助平面求解模块，用于基于辅助三维钢轨和虚拟三维钢轨，构建优化目标函数，求解最优辅助平面；
修正模块，用于将第一激光平面上的钢轨轮廓投影到最优辅助平面内，获得修正后的钢轨轮廓。
8.如权利要求7所述的基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正装置，其特征在于，钢轨轮廓获得模块具体用于：
对钢轨激光断面图像进行光条中心提取，获得光条中心像素坐标系下的两个光条中心两个光条中心；
将光条中心像素坐标系下的两个光条中心变换至对应的激光平面坐标系下，获得第一激光平面上的钢轨轮廓和第二激光平面上的钢轨轮廓。
9.如权利要求7所述的基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正装置，其特征在于，钢轨轮廓投影获得模块具体用于：
将第一激光平面上的钢轨轮廓变换到第一辅助平面坐标系下，得到第一辅助平面坐标系下的钢轨轮廓，将第二激光平面上的钢轨轮廓变换到第二辅助平面坐标系下，得到第二辅助平面坐标系下的钢轨轮廓；
将第一辅助平面坐标系下的钢轨轮廓投影到第一辅助平面内，获得第一钢轨轮廓投影，将第二辅助平面坐标系下的钢轨轮廓投影到第二辅助平面内，获得第一钢轨轮廓投影。
10.如权利要求7所述的基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正装置，其特征在于，辅助三维钢轨创建模块具体用于：
将第二钢轨轮廓投影变换到第一辅助平面坐标系，获得变换后的第二钢轨轮廓投影；
根据第一钢轨轮廓投影的轨头区域和变换后的第二钢轨轮廓投影的轨头区域，创建辅助三维钢轨。
11.如权利要求7所述的基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正装置，其特征在于，虚拟三维钢轨生成模块具体用于：
以第一钢轨轮廓投影的轨顶数据，沿着第一辅助平面法线的方向生成虚拟三维钢轨，所述虚拟三维钢轨的长度为第一激光平面和第二激光平面之间的距离。
12.如权利要求7所述的基于双线激光的曲线段钢轨轮廓测量误差修正装置，其特征在于，最优辅助平面求解模块具体用于：
对虚拟三维钢轨上的第一三维点集与辅助三维钢轨上的第二三维点集进行重采样，获得重采样的第一三维点集与重采样的第二三维点集，所述重采样的第一三维点集与重采样的第二三维点集的点数相同；
基于重采样的第一三维点集与重采样的第二三维点集之间的平均距离构建优化目标函数；
基于所述距离平均值，构建优化目标函数；
基于优化目标函数，寻找使得优化目标函数值最小的第一变量和第二变量，所述第一变量为绕第一激光平面坐标系的X轴的旋转量，所述第二变量为绕第一激光平面坐标系的X轴旋转后得到临时坐标系，再绕临时坐标系的Y轴的旋转量；
根据寻找到的第一变量和第二变量，获得最优辅助平面。
13.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6任一项所述方法。
14.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至6任一项所述方法的计算机程序。
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