CN114457746B - 基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污方法及系统，该方法包括：通过异物检测相机采集钢轨和道床的原始表面特征图像后传输到异物视觉处理系统；异物视觉处理系统通过相机标定模块对模板图像进行标点提取匹配得到标定参数；将标定参数导入图像处理模块进行图像预处理，通过标定参数矩阵对预处理图像进行坐标变换还原；异物识别定位模块通过模板匹配和遗传算法对钢轨异物进行检测，并获得钢轨异物检测数据；数据处理模块对钢轨异物检测数据进行存储查找分析并生成吹吸污方案；根据视觉检测算法识别定位每个区域的异物附着信息，并智能控制各个分区的吹吸污强度，进而实现对整个钢轨打磨碎屑及污物的自适应清理。

Description

基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污方法及系统
技术领域
本发明属于水射流打磨设备技术领域，更具体地，涉及一种基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污方法及系统。
背景技术
钢轨是钢轨系统中最主要的部件，引导列车沿着钢轨向前运动，依靠钢轨系统结构的刚度把车轮施加的载荷分布开来并向钢轨下结构传递。钢轨的主要作用是和列车车轮构成轮轨摩擦副，为列车提供尽可能连续的、平顺的承载面，引导车轮沿着钢轨滚动运行。地铁车辆运行过程中的钢轨表面的磨耗不可避免，又由于其他各种复杂因素尤其是轮轨接触界面不平顺的影响，轮轨间复杂的动态相互作用会引发轮轨接触问题，使得钢轨磨耗的过程中又经常伴有各种疲劳损伤。
为保障列车行车安全并延长钢轨使用寿命，需对钢轨进行打磨修复，使钢轨恢复最佳轮廓形状，改善轮轨关系，但存在以下问题：第一，钢轨上的障碍和污垢会影响基于视觉的钢轨表面和廓形检测效果，对钢轨打磨方案和最终打磨效果造成影响。第二，使用水射流打磨钢轨，打磨水、磨料、钢轨废屑附着在钢轨和道床板表面，若不及时清理，高速列车通过时，经车轮碾压后可能对钢轨造成二次伤损，且高速列车产生气流会将道床板表面的污物卷起，附着在列车底部精密仪器上，影响行程安全。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污方法及系统，通过在打磨车的底部设视觉检测系统对钢轨、轨枕及道床上打磨废屑及异物进行检测；通过设计车载式清扫吸污系统，在车体前端设钢轨顶面清扫单元和钢轨侧面清扫单元完成对钢轨表面的障碍及表明清洁，在打磨车的尾端设钢轨吹吸污单元保证钢轨表面和廓形检测效果；在打磨车的处理器内设异物视觉处理系统，异物视觉处理系统通过查找、分析，并生成吹吸污方案；通过所述异物视觉处理系统对钢轨、轨枕及道床表面进行异物检测后通过查找、分析异物检测结果生成吹吸污方案，并对整个钢轨进行区域划分；根据视觉检测算法识别定位每个区域的废水废料及异物附着信息，并智能控制钢轨各个分区的吹吸污强度和钢轨清扫吸污系统作业，进而实现整个钢轨打磨碎屑及污物的智能化自适应清理；能够解决钢轨上障碍和污垢影响基于视觉的钢轨表面和廓形检测效果，对钢轨打磨方案和最终打磨效果造成影响的问题和障碍物经车轮碾压后对钢轨造成二次伤损，且高速列车产生气流会将道床板表面的污物卷起，附着在列车底部精密仪器上，影响行程安全的问题；另外，通过设计车载式智能磨料水射流打磨系统，将多个水刀切割刀头沿钢轨纵向（行进方向）排列，并以不同的角度沿钢轨横向分布，打磨刀头打磨角度、水射流打磨压力精确可控，实现对钢轨的多角度、高精度打磨。
为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污方法，包括如下步骤：
S1：通过异物检测相机采集钢轨和道床的原始表面特征图像后通过视觉采集通信装置传输到打磨车处理器的异物视觉处理系统；
S2：打磨车处理器的异物视觉处理系统通过相机标定模块对预先存储的模板图像进行标点提取匹配，得到标定参数；
S3：将所述标定参数导入异物视觉处理系统的图像处理模块，图像处理模块对钢轨和道床的原始表面特征图像进行图像预处理得到预处理图像，通过所述标定参数的矩阵对所述预处理图像进行坐标变换还原，得到真实世界坐标系下的钢轨、轨枕位置数据；
S4：异物视觉处理系统的异物识别定位模块对所述真实世界坐标系下的钢轨、轨枕位置数据通过模板匹配和遗传算法对钢轨异物进行检测，并获得钢轨异物检测数据；
S5：异物视觉处理系统的数据处理模块对所述钢轨异物检测数据进行存储查找分析并生成吹吸污方案并根据所述吹吸污方案对整个钢轨进行区域划分；
S6：根据步骤S1～S5的视觉检测算法识别定位每个区域的废水废料及异物附着信息，并智能控制各个分区的吹吸污强度和钢轨清扫吸污系统的钢轨清扫单元和钢轨吹吸污单元作业，进而实现整个钢轨打磨碎屑及污物的智能化和自适应清理。
本发明的另一个方面提供一种基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统，包括安装于打磨车上的视觉检测系统、设于打磨车处理器内的异物视觉处理系统以及设于打磨车底部前端和尾端的钢轨清扫吸污系统；其中，
所述钢轨清扫吸污系统包括设于所述打磨车前端底部的钢轨顶面清扫单元、钢轨侧面清扫单元以及设于所述打磨车后端底部的钢轨吹吸污单元；通过设计车载式清扫吸污系统，在车体前端设钢轨顶面清扫单元和钢轨侧面清扫单元完成对钢轨表面的障碍及表面清洁，在打磨车的尾端设钢轨吹吸污单元保证钢轨表面和廓形检测效果；
所述视觉检测系统用于对钢轨、轨枕及道床上打磨废屑及异物进行检测，其包括设于打磨车底部的视觉检测装置升降机构、设于所述视觉检测装置升降机构上的视觉采集通信装置、分别设于两条打磨钢轨和中间道床上方的异物检测相机；所述异物检测相机采集到钢轨及道床图像后通过所述视觉采集通信装置传输到打磨车处理器的异物视觉处理系统，所述异物视觉处理系统对钢轨、轨枕及道床表面进行异物检测后通过查找、分析异物检测结果生成吹吸污方案，并对整个钢轨进行区域划分；根据视觉检测算法识别定位每个区域的废水废料及异物附着信息，并智能控制钢轨各个分区的吹吸污强度和钢轨清扫吸污系统作业，进而实现整个钢轨打磨碎屑及污物的智能化自适应清理。
进一步地，所述异物视觉处理系统包括相机标定模块、图像处理模块、异物识别定位模块以及数据处理模块；
所述相机标定模块用于提取所述异物检测相机采集到的二维标定模板图像中的标点并进行匹配，完成异物检测相机成像的标定还原；
所述图像处理模块用于对异物检测相机采集图像进行图像预处理及轮廓细化还原；
图像处理模块在获取的原始钢轨及道床图像基础上，通过灰度化、滤波去噪、阈值分割、形态学运算图像处理算法进行图像预处理，滤除噪声，得到预处理图像后，通过相机标定模块获取的相机内外参数矩阵，对其进行坐标变换还原，得到真实世界坐标系下的钢轨、轨枕位置数据；
所述异物识别定位模块通过模板匹配和遗传算法对打磨废水、废料和异物进行分类识别、标记定位及大小判断，并给出异物位置及大小信息；
所述数据处理模块对所述异物位置及大小信息检测数据进行存储、查找、分析，并生成吹吸污方案。
进一步地，所述钢轨顶面清扫单元包括与所述打磨车底部固定连接的支座、安装于所述支座上的转轴、间隔安装于所述转轴上的盘刷角度调节杆和盘刷高度调节单元以及安装于所述盘刷角度调节杆和盘刷高度调节单元远离所述转轴一端的盘刷；
所述盘刷上设有盘刷固定单元和液压马达；
所述盘刷固定单元和所述盘刷角度调节杆和盘刷高度调节单元之间分别设有固定铰链。
进一步地，所述盘刷高度调节单元包括安装于所述转轴上的固定杆、设于固定杆上的球铰安装座、安装于所述球铰安装座上的液压调节油缸以及设于所述液压调节油缸远离所述球铰安装座一端的压力弹簧调节阀；
所述压力弹簧调节阀固定于所述打磨车的底部；打磨过程中，通过启动所述液压调节油缸使其伸缩，来调节盘刷与钢轨表面接触进而调节盘刷在钢轨表面的清扫高度；通过调节盘刷角度调节杆调节油缸伸缩，来调节盘刷在钢轨表面的清扫角度；通过盘刷上部所述液压马达控制所述盘刷的旋转速度实现对钢轨表面的高效清扫。
进一步地，所述钢轨侧面清扫单元设于所述打磨车的底部，位于所述车体前端钢轨轨头清扫结构的后方，与所述车体前端钢轨轨头清扫结构同时作业，在两条钢轨分别设置；
所述钢轨侧面清扫单元包括沿钢轨纵向轴线方向对称设置于钢轨两侧能够对钢轨内侧面清扫的第一侧面清扫机构和能够对钢轨外侧面清扫的第二侧面清扫机构；通过所述第一侧面清扫机构和所述第二侧面清扫机构的共同作业，完成对同一条钢轨两侧的往复清扫。
进一步地，所述第一侧面清扫机构和所述第二侧面清扫机构结构相同，均包括与所述打磨车的底部连接的固定支架、设于所述固定支架上的旋转动力滚轮、设于所述旋转动力滚轮上的偏转齿轮机构、与所述偏转齿轮机构啮合连接的导向直线齿轮以及设于所述导向直线齿轮上的侧向刷；
所述旋转动力滚轮上设有表面走形槽；
所述偏转齿轮机构的一端设于所述表面走形槽内，能够沿所述表面走形槽滑动；
所述偏转齿轮机构的另一端为扇形板状结构，所述扇形板状结构的扇形边缘均匀设有多个齿状结构；
多个所述齿状结构能够与所述导向直线齿轮相啮合。
进一步地，所述固定支架包括平行间隔设置的两个侧板、平行间隔且垂直设于两个侧板之间的导向直线齿轮杆、偏转齿轮机构固定板以及旋转动力滚轮固定杆；
所述导向直线齿轮和所述侧向刷在所述导向直线齿轮杆上上下相背设置；
所述扇形板状结构与所述偏转齿轮机构固定板通过销轴固定；通过所述旋转动力滚轮旋转带动表面走形槽随之旋转，通过表面走形槽带动偏转齿轮机构沿销轴往复运动，进而使所述导向直线齿轮进行水平往复运动，最终带动所述侧向刷对钢轨侧面进行往复清扫。
进一步地，所述钢轨吹吸污单元设于打磨车的后车体尾端，用于对打磨废水、废料和钢轨碎屑进行全面清洁，其包括分别设于两条钢轨正上方的钢轨吸风装置、分别设于两条钢轨外侧远离道床的一侧上方的钢轨侧向吹风装置、分别设于两条钢轨内测靠近道床的一侧上方的钢轨与道床吹风装置以及设于道床正上方的道床吸风装置；
所述钢轨与道床吹风装置能够分别对钢轨内侧和部分道床同时吹风，另一部分道床由另一条钢轨内侧上方的钢轨与道床吹风装置吹风；
所述钢轨吸风装置、所述钢轨侧向吹风装置、所述钢轨与道床吹风装置以及所述道床吸风装置的顶部分别设有与所述打磨车底部相连的固连升降机构；通过吹吸结合对钢轨及道床表面实现全面清洁。
进一步地，所述打磨车上还安装有整车控制系统、打磨驱动系统、水射流打磨系统、超高压水处理系统、打磨压力流量控制系统以及废水回收分离系统；
所述打磨驱动系统包括设于所述打磨车上的转向架组件、蓄能器、空压机以及空气压缩机；
所述水射流打磨系统包括打磨升降机构、设于所述打磨升降机构上的打磨执行机构以及与所述打磨执行机构相连的磨料供应机构；
所述打磨执行机构包括多组打磨水射流水刀，用以完成钢轨的多角度精确打磨；所述磨料供应机构包括设于所述空压机上的粗磨料罐、细磨料罐以及与打磨执行机构连接的打磨传输通道；所述超高压水处理系统包括设于所述打磨车上的水箱和液压增压器；所述打磨压力流量控制系统用于对每个通道水射流的压力和流量进行精确控制，以提高打磨精度；所述废水回收分离系统用于回收打磨废水和磨料，并将水与磨料分离，实现水循环利用。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明的基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污方法及系统，通过在打磨车的底部设视觉检测系统对钢轨、轨枕及道床上打磨废屑及异物进行检测；通过设计车载式清扫吸污系统，在车体前端设钢轨顶面清扫单元和钢轨侧面清扫单元完成对钢轨表面的障碍及表明清洁，在打磨车的尾端设钢轨吹吸污单元保证钢轨表面和廓形检测效果；在打磨车的处理器内设异物视觉处理系统，异物视觉处理系统通过查找、分析，并生成吹吸污方案，并对整个钢轨进行区域划分；根据视觉检测算法识别定位每个区域的废水废料及异物附着信息，并智能控制钢轨各个分区的吹吸污强度和钢轨清扫吸污系统作业，进而实现整个钢轨打磨碎屑及污物的智能化自适应清理；能够解决钢轨上障碍和污垢影响基于视觉的钢轨表面和廓形检测效果，对钢轨打磨方案和最终打磨效果造成影响的问题和障碍物经车轮碾压后对钢轨造成二次伤损，且高速列车产生气流会将道床板表面的污物卷起，附着在列车底部精密仪器上，影响行程安全的问题；另外，通过设计车载式智能磨料水射流打磨系统，将多个水刀切割刀头沿钢轨纵向（行进方向）排列，并以不同的角度沿钢轨横向分布，打磨刀头打磨角度、水射流打磨压力精确可控，实现对钢轨的多角度、高精度打磨。
附图说明
图1为本发明实施例基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统的打磨车的整体结构示意图；
图2为本发明实施例基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统的钢轨顶面清扫单元的结构示意图；
图3为本发明实施例基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统的钢轨侧面清扫单元的结构示意图；
图4为本发明实施例基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统的钢轨吹吸污单元的结构示意图；
图5为本发明实施例基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统的视觉检测系统结构示意图；
图6为本发明实施例基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统的异物视觉处理系统及其视觉检测算法的逻辑结构示意图；
图7为本发明实施例基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污方法的流程示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-打磨车、11-操作台、12-司机座椅、13-司机门、14-登车梯、2-打磨驱动系统、21-转向架组件、22-蓄能器、23-空压机、24-空气压缩机、25-风机、3-水射流打磨系统、31-磨料供应机构、32-磨料传输通道、331-粗磨料罐、332-细磨料罐、4-超高压水处理系统、41-水箱、42-液压增压器、5-打磨压力流量控制系统、6-视觉检测系统、61-视觉检测装置升降机构、62-视觉采集通信装置、63-异物检测相机、7-钢轨清扫吸污系统、71-钢轨顶面清扫单元、711-支座、712-转轴、713-盘刷角度调节杆、714-盘刷高度调节单元、7141-固定杆、7142-球铰安装座、7143-液压调节油缸、7144-压力弹簧调节阀、715-盘刷、716-盘刷固定单元、717-液压马达、718-固定铰链、72-钢轨侧面清扫单元、721-固定支架、722-旋转动力滚轮、7221-表面走形槽、723-偏转齿轮机构、724-导向直线齿轮、725-侧向刷、726-侧板、727-导向直线齿轮杆、728-偏转齿轮机构固定板、729-旋转动力滚轮固定杆、73-钢轨吹吸污单元、731-钢轨吸风装置、732-钢轨侧向吹风装置、733-钢轨与道床吹风装置、734-道床吸风装置、735-固连升降机构、74-第一侧面清扫机构、75-第二侧面清扫机构、8-废水回收分离系统、9-钢轨、91-道床。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，当元件被称为“固定于”、“设置于”或“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上；术语“安装”、“相连”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”......仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”......的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1-图7所示，本发明的一个方面提供一种基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统，包括安装于打磨车1上的视觉检测系统6、异物视觉处理系统、钢轨清扫吸污系统7；所述视觉检测系统6设于打磨车的底部，用于对钢轨、轨枕及道床上打磨废屑及异物进行检测，其包括设于打磨车1底部的视觉检测装置升降机构61、设于所述视觉检测装置升降机构61上的视觉采集通信装置62、分别设于两条打磨钢轨和中间道床上方的异物检测相机63；所述异物检测相机63采集到钢轨及道床图像后通过所述视觉采集通信装置62传输到打磨车处理器的异物视觉处理系统，对钢轨、轨枕及道床表面进行异物检测；所述异物视觉处理系统通过查找、分析，并生成吹吸污方案；所述钢轨清扫吸污系统7包括设于所述打磨车1前端底部的钢轨顶面清扫单元71、钢轨侧面清扫单元72以及设于所述打磨车1后端底部的钢轨吹吸污单元73；通过设计车载式清扫吸污系统，在车体前端设钢轨顶面清扫单元71和钢轨侧面清扫单元72完成对钢轨表面的障碍及表面清洁，在打磨车的尾端设钢轨吹吸污单元73保证钢轨表面和廓形检测效果；本发明通过所述异物视觉处理系统对钢轨、轨枕及道床表面进行异物检测后通过查找、分析异物检测结果生成吹吸污方案，并对整个钢轨进行区域划分；根据视觉检测算法识别定位每个区域的废水废料及异物附着信息，并智能控制钢轨各个分区的吹吸污强度和钢轨清扫吸污系统作业，进而实现整个钢轨打磨碎屑及污物的智能化自适应清理。
进一步地，如图1-图7所示，所述异物视觉处理系统包括相机标定模块、图像处理模块、异物识别定位模块以及数据处理模块；所述相机标定模块用于提取所述异物检测相机63采集到的二维标定模板图像中的标点并进行匹配，完成异物检测相机成像的标定还原；主要确定实物的三维物方坐标和在CCD 测量平面上二维图像坐标之间的对应关系，获取具体的标定参数，为后面钢轨表面异物分区定位做准备；所述图像处理模块用于对异物检测相机采集图像进行图像预处理及轮廓细化还原等工作；现场检测情况下异物检测相机采集到的原始钢轨及道床图像会受到环境及噪声的干扰，发生信息失真；图像处理模块在获取的原始钢轨及道床图像基础上，通过灰度化、滤波去噪、阈值分割、形态学运算图像处理算法进行图像预处理，滤除噪声，得到预处理图像后，通过相机标定模块获取的相机内外参数矩阵，对其进行坐标变换还原，得到真实世界坐标系下的钢轨、轨枕位置数据；所述异物识别定位模块通过模板匹配和遗传算法对打磨废水、废料和异物进行分类识别、标记定位及大小判断，并给出异物位置及大小信息；所述数据处理模块对所述异物位置及大小信息检测数据进行存储、查找、分析，并生成吹吸污方案。本发明将整个钢轨从左向右依次分设6个吹吸污区域；根据视觉检测算法识别定位每个区域的废水废料及异物附着信息，智能控制分区的吹吸污强度，对整个钢轨进行智能打磨碎屑及污物清理。
进一步地，如图1-图7所示，所述钢轨顶面清扫单元71包括与所述打磨车1底部固定连接的支座711、安装于所述支座711上的转轴712、间隔安装于所述转轴712上的盘刷角度调节杆713和盘刷高度调节单元714以及安装于所述盘刷角度调节杆713和盘刷高度调节单元714远离所述转轴712一端的盘刷715，所述盘刷715上设有盘刷固定单元716和液压马达717，所述盘刷固定单元716和所述盘刷角度调节杆713和盘刷高度调节单元714之间分别设有固定铰链718；所述盘刷高度调节单元714包括安装于所述转轴712上的固定杆7141、设于固定杆7141上的球铰安装座7142、安装于所述球铰安装座7142上的液压调节油缸7143以及设于所述液压调节油缸7143远离所述球铰安装座7142一端的压力弹簧调节阀7144；所述压力弹簧调节阀7144固定于所述打磨车1的底部；打磨过程中，通过启动所述液压调节油缸7143使其伸缩，来调节盘刷715与钢轨表面接触进而调节盘刷在钢轨表面的清扫高度；通过调节盘刷角度调节杆713调节油缸伸缩，来调节盘刷715在钢轨表面的清扫角度；通过盘刷上部所述液压马达717控制所述盘刷715的旋转速度实现对钢轨表面的高效清扫，在清扫作业完成后，启动所述液压调节油缸7143使其收缩，并将盘刷收回。
进一步地，如图1-图7所示，所述钢轨侧面清扫单元72设于所述打磨车1的底部，位于所述车体前端钢轨轨头清扫结构的后方，与所述车体前端钢轨轨头清扫结构同时作业，在两条钢轨分别设置；其包括沿钢轨纵向轴线方向对称设置于钢轨两侧的，能够对钢轨内侧面清扫的第一侧面清扫机构74和能够对钢轨外侧面清扫的第二侧面清扫机构75；所述第一侧面清扫机构74和所述第二侧面清扫机构75结构相同，均包括与所述打磨车1的底部连接的固定支架721、设于所述固定支架721上的旋转动力滚轮722、设于所述旋转动力滚轮722上的偏转齿轮机构723、与所述偏转齿轮机构723啮合连接的导向直线齿轮724以及设于所述导向直线齿轮724上的侧向刷725；所述固定支架721包括平行间隔设置的两个侧板726、平行间隔且垂直设于两个侧板726之间的导向直线齿轮杆727、偏转齿轮机构固定板728以及旋转动力滚轮固定杆729；所述导向直线齿轮724和所述侧向刷725在所述导向直线齿轮杆727上上下相背设置；所述旋转动力滚轮722上设有表面走形槽7221，所述偏转齿轮机构723的一端设于所述表面走形槽7221内，能够沿所述表面走形槽7221滑动，所述偏转齿轮机构723的另一端为扇形板状结构，所述扇形板状结构的扇形边缘均匀设有多个齿状结构，多个齿状结构能够与所述导向直线齿轮724相啮合；所述扇形板状结构与所述偏转齿轮机构固定板728通过销轴固定；清扫过程中，通过所述旋转动力滚轮722旋转带动表面走形槽7221随之旋转，通过表面走形槽7221带动偏转齿轮机构723沿销轴往复运动，进而使所述导向直线齿轮724进行水平往复运动，最终带动所述侧向刷725对钢轨侧面进行往复清扫；通过所述第一侧面清扫机构74和所述第二侧面清扫机构75的共同作业，完成对同一条钢轨两侧的往复清扫。
进一步地，如图1-图7所示，所述钢轨吹吸污单元73设于打磨车的后车体尾端，用于对打磨废水、废料和钢轨碎屑进行全面清洁，其包括分别设于两条钢轨正上方的钢轨吸风装置731、分别设于两条钢轨外侧（远离道床的一侧）上方的钢轨侧向吹风装置732、分别设于两条钢轨内测（靠近道床的一侧）上方的钢轨与道床吹风装置733以及设于道床91正上方的道床吸风装置734；所述钢轨与道床吹风装置733能够分别对钢轨内侧和部分道床同时吹风，另一部分道床由另一条钢轨内侧上方的钢轨与道床吹风装置733吹风；所述钢轨吸风装置731、所述钢轨侧向吹风装置732、所述钢轨与道床吹风装置733以及所述道床吸风装置734的顶部分别设有与所述打磨车1底部相连的固连升降机构735；本发明针对于钢轨表面清洁，设计扁形喷嘴和较宽吸嘴结构，在钢轨上方设计吸风机构，通过吹吸结合，吹风作用到钢轨表面，在有效作用区将污物卷起吸走；通过在车体尾端设置三段联排车载式吹吸污装置对钢轨及道床表面实现全面清洁。
进一步地，如图1-图7所示，所述打磨车1上还安装有整车控制系统、打磨驱动系统2、水射流打磨系统3、超高压水处理系统4、打磨压力流量控制系统5、以及废水回收分离系统8；所述打磨驱动系统2包括设于所述打磨车1上的转向架组件21、蓄能器22、空压机23、空气压缩机24以及风机25；所述转向架组件21包括沿钢轨9的纵向轴线间隔布置的第一转向架和第二转向架，所述第一转向架和第二转向架均为两轴动力转向架；所述蓄能器22作为水射流系统的辅助动力源，保持系统压力，作应急动力源，液压增压器吸收冲击压力和液压泵的脉动；所述空压机23用于为打磨车1的空气制动提供动力，同时为水射流打磨车提供磨料传输的动力；所述空气压缩机24用于为打磨车的打磨作业提供气源动力；所述水射流打磨系统3包括打磨升降机构、设于所述打磨升降机构上的打磨执行机构以及与所述打磨执行机构相连的磨料供应机构31；所述打磨升降机构安装在车厢内部，所述打磨执行机构可通过打磨升降机构提升至打磨车厢内；所述打磨执行机构包括多组打磨水射流水刀，用以完成钢轨的多角度精确打磨；所述磨料供应机构31包括设于所述空压机23上的粗磨料罐331、细磨料罐332以及与打磨执行机构连接的打磨传输通道32，所述粗磨料罐331储存较大磨料，用于实现对钢轨的粗打磨；所述细磨料罐332储存较小磨料，用于实现对钢轨的细打磨；所述超高压水处理系统4包括设于所述打磨车1上的水箱41和液压增压器42；所述水箱41用于存储水源；所述液压增压器42用于为水箱内的水增压，经增压泵后水压最高可到达420Mpa以上，用于水射流打磨；打磨压力流量控制系统5对每个通道水射流的压力和流量进行精确控制，以提高打磨精度；所述废水回收分离系统8用于回收打磨废水和磨料，并将水与磨料分离，实现水循环利用。
进一步地，如图1所示，所述打磨车1上还安装有操作台11、司机座椅12、司机门13以及登车梯14；操作台11设于前司机室前部，其中观察位设有风表、车辆参数显示屏、指示灯等；操作位设有司机控制器、照明灯相关开关、空气管路相关开关、其它电控元件开关，通过这些元件实时检测和控制整车运行状态；司机座椅12位于前司机室，分为观察位、操作位2处座椅；司机门13位于前司机室，司机及相关工作人员上下打磨车的通道；登车梯14用于司机及相关工作人员上下打磨车。
如图1-图7所示，本发明的另一个方面提供基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污方法，包括如下步骤：
S1：打磨车启动开始打磨作业后，通过异物检测相机采集钢轨和道床的原始表面特征图像后通过视觉采集通信装置传输到打磨车处理器的异物视觉处理系统；所述异物视觉处理系统包括相机标定模块、图像处理模块、异物识别定位模块以及数据处理模块；
S2：打磨车处理器的异物视觉处理系统通过相机标定模块对预先存储的模板图像进行标点提取匹配，得到标定参数；具体地，所述相机标定模块用于提取所述异物检测相机63采集到的二维标定模板图像中的标点并进行匹配，完成异物检测相机成像的标定还原；主要确定实物的三维物方坐标和在CCD 测量平面上二维图像坐标之间的对应关系，获取具体的标定参数，为后面钢轨表面异物分区定位做准备；
S3：将所述标定参数导入异物视觉处理系统的图像处理模块，图像处理模块对钢轨和道床的原始表面特征图像进行图像预处理得到预处理图像，通过所述标定参数的矩阵对所述预处理图像进行坐标变换还原，得到真实世界坐标系下的钢轨、轨枕位置数据；具体地，所述图像处理模块用于对异物检测相机采集图像进行图像预处理及轮廓细化还原等工作；现场检测情况下异物检测相机采集到的原始钢轨及道床图像会受到环境及噪声的干扰，发生信息失真；图像处理模块在获取的原始钢轨及道床图像基础上，通过灰度化、滤波去噪、阈值分割、形态学运算等图像处理算法进行图像预处理，滤除噪声，得到预处理图像后，通过相机标定模块获取的相机内外参数矩阵，对其进行坐标变换还原，得到真实世界坐标系下的钢轨、轨枕位置数据；
S4：异物视觉处理系统的异物识别定位模块对所述真实世界坐标系下的钢轨、轨枕位置数据通过模板匹配和遗传算法对钢轨异物进行检测，并获得钢轨异物检测数据；其中对钢轨异物进行检测包括对钢轨异物进行分类识别、标记定位及大小判断，钢轨异物检测数据包括钢轨异物位置及大小信息；
S5：异物视觉处理系统的数据处理模块对所述钢轨异物检测数据进行存储查找分析并生成吹吸污方案并根据所述吹吸污方案对整个钢轨进行区域划分；优选的，将整个钢轨从横向划分为A、B、C、D、E、F6个吹吸污区域；
S6：根据步骤S1～S5的视觉检测算法识别定位每个区域的废水废料及异物附着信息，并智能控制各个分区的吹吸污强度和钢轨清扫吸污系统的钢轨清扫单元和钢轨吹吸污单元作业，进而实现整个钢轨打磨碎屑及污物的智能化和自适应清理。
本发明提供的一种基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统的工作原理：通过在打磨车的底部设视觉检测系统对钢轨、轨枕及道床上打磨废屑及异物进行检测；通过设计车载式清扫吸污系统，在车体前端设钢轨顶面清扫单元和钢轨侧面清扫单元完成对钢轨表面的障碍及表明清洁，在打磨车的尾端设钢轨吹吸污单元保证钢轨表面和廓形检测效果；在打磨车的处理器内设异物视觉处理系统，异物视觉处理系统通过查找、分析，并生成吹吸污方案；通过所述异物视觉处理系统对钢轨、轨枕及道床表面进行异物检测后通过查找、分析异物检测结果生成吹吸污方案，并对整个钢轨进行区域划分；根据视觉检测算法识别定位每个区域的废水废料及异物附着信息，并智能控制钢轨各个分区的吹吸污强度和钢轨清扫吸污系统作业，进而实现整个钢轨打磨碎屑及污物的智能化自适应清理；能够解决钢轨上障碍和污垢影响基于视觉的钢轨表面和廓形检测效果，对钢轨打磨方案和最终打磨效果造成影响的问题和障碍物经车轮碾压后对钢轨造成二次伤损，且高速列车产生气流会将道床板表面的污物卷起，附着在列车底部精密仪器上，影响行程安全的问题；另外，通过设计车载式智能磨料水射流打磨系统，将多个水刀切割刀头沿钢轨纵向（行进方向）排列，并以不同的角度沿钢轨横向分布，打磨刀头打磨角度、水射流打磨压力精确可控，实现对钢轨的多角度、高精度打磨。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：通过异物检测相机采集钢轨和道床的原始表面特征图像后通过视觉采集通信装置传输到打磨车处理器的异物视觉处理系统；
S2：打磨车处理器的异物视觉处理系统通过相机标定模块对预先存储的模板图像进行标点提取匹配，得到标定参数；
S3：将所述标定参数导入异物视觉处理系统的图像处理模块，图像处理模块对钢轨和道床的原始表面特征图像进行图像预处理得到预处理图像，通过所述标定参数的矩阵对所述预处理图像进行坐标变换还原，得到真实世界坐标系下的钢轨、轨枕位置数据；
S4：异物视觉处理系统的异物识别定位模块对所述真实世界坐标系下的钢轨、轨枕位置数据通过模板匹配和遗传算法对钢轨异物进行检测，并获得钢轨异物检测数据；
S5：异物视觉处理系统的数据处理模块对所述钢轨异物检测数据进行存储查找分析并生成吹吸污方案并根据所述吹吸污方案对整个钢轨进行区域划分；
S6：根据步骤S1～S5的视觉检测算法识别定位每个区域的废水废料及异物附着信息，并智能控制各个分区的吹吸污强度和钢轨清扫吸污系统的钢轨清扫单元和钢轨吹吸污单元作业，进而实现整个钢轨打磨碎屑及污物的智能化和自适应清理。
2.基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统，其特征在于：用于实现如权利要求1所述的一种基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污方法，包括安装于打磨车（1）上的视觉检测系统（6）、设于打磨车处理器内的异物视觉处理系统以及设于打磨车（1）底部前端和尾端的钢轨清扫吸污系统（7）；其中，
所述钢轨清扫吸污系统（7）包括设于所述打磨车（1）前端底部的钢轨顶面清扫单元（71）、钢轨侧面清扫单元（72）以及设于所述打磨车（1）后端底部的钢轨吹吸污单元（73）；通过设计车载式清扫吸污系统，在车体前端设钢轨顶面清扫单元（71）和钢轨侧面清扫单元（72）完成对钢轨表面的障碍及表面清洁，在打磨车的尾端设钢轨吹吸污单元（73）保证钢轨表面和廓形检测效果；
所述视觉检测系统（6）用于对钢轨、轨枕及道床上打磨废屑及异物进行检测，其包括设于打磨车（1）底部的视觉检测装置升降机构（61）、设于所述视觉检测装置升降机构（61）上的视觉采集通信装置（62）、分别设于两条打磨钢轨和中间道床上方的异物检测相机（63）；所述异物检测相机（63）采集到钢轨及道床图像后通过所述视觉采集通信装置（62）传输到打磨车处理器的异物视觉处理系统，所述异物视觉处理系统对钢轨、轨枕及道床表面进行异物检测后通过查找、分析异物检测结果生成吹吸污方案，并对整个钢轨进行区域划分；根据视觉检测算法识别定位每个区域的废水废料及异物附着信息，并智能控制钢轨各个分区的吹吸污强度和钢轨清扫吸污系统作业，进而实现整个钢轨打磨碎屑及污物的智能化自适应清理。
3.根据权利要求2所述的基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统，其特征在于：所述异物视觉处理系统包括相机标定模块、图像处理模块、异物识别定位模块以及数据处理模块；
所述相机标定模块用于提取所述异物检测相机（63）采集到的二维标定模板图像中的标点并进行匹配，完成异物检测相机成像的标定还原；
所述图像处理模块用于对异物检测相机采集图像进行图像预处理及轮廓细化还原；
图像处理模块在获取的原始钢轨及道床图像基础上，通过灰度化、滤波去噪、阈值分割、形态学运算图像处理算法进行图像预处理，滤除噪声，得到预处理图像后，通过相机标定模块获取的相机内外参数矩阵，对其进行坐标变换还原，得到真实世界坐标系下的钢轨、轨枕位置数据；
所述异物识别定位模块通过模板匹配和遗传算法对打磨废水、废料和异物进行分类识别、标记定位及大小判断，并给出异物位置及大小信息；
所述数据处理模块对所述异物位置及大小信息检测数据进行存储、查找、分析，并生成吹吸污方案。
4.根据权利要求3所述的基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统，其特征在于：所述钢轨顶面清扫单元（71）包括与所述打磨车（1）底部固定连接的支座（711）、安装于所述支座（711）上的转轴（712）、间隔安装于所述转轴（712）上的盘刷角度调节杆（713）和盘刷高度调节单元（714）以及安装于所述盘刷角度调节杆（713）和盘刷高度调节单元（714）远离所述转轴（712）一端的盘刷（715）；
所述盘刷（715）上设有盘刷固定单元（716）和液压马达（717）；
所述盘刷固定单元（716）和所述盘刷角度调节杆（713）和盘刷高度调节单元（714）之间分别设有固定铰链（718）。
5.根据权利要求4所述的基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统，其特征在于：所述盘刷高度调节单元（714）包括安装于所述转轴（712）上的固定杆（7141）、设于固定杆（7141）上的球铰安装座（7142）、安装于所述球铰安装座（7142）上的液压调节油缸（7143）以及设于所述液压调节油缸（7143）远离所述球铰安装座（7142）一端的压力弹簧调节阀（7144）；
所述压力弹簧调节阀（7144）固定于所述打磨车（1）的底部；打磨过程中，通过启动所述液压调节油缸（7143）使其伸缩，来调节盘刷（715）与钢轨表面接触进而调节盘刷在钢轨表面的清扫高度；通过调节盘刷角度调节杆（713）调节油缸伸缩，来调节盘刷（715）在钢轨表面的清扫角度；通过盘刷上部所述液压马达（717）控制所述盘刷（715）的旋转速度实现对钢轨表面的高效清扫。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统，其特征在于：所述钢轨侧面清扫单元（72）设于所述打磨车（1）的底部，位于所述车体前端钢轨轨头清扫结构的后方，与所述车体前端钢轨轨头清扫结构同时作业，在两条钢轨分别设置；
所述钢轨侧面清扫单元（72）包括沿钢轨纵向轴线方向对称设置于钢轨两侧能够对钢轨内侧面清扫的第一侧面清扫机构（74）和能够对钢轨外侧面清扫的第二侧面清扫机构（75）；通过所述第一侧面清扫机构（74）和所述第二侧面清扫机构（75）的共同作业，完成对同一条钢轨两侧的往复清扫。
7.根据权利要求6所述的基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统，其特征在于：所述第一侧面清扫机构（74）和所述第二侧面清扫机构（75）结构相同，均包括与所述打磨车（1）的底部连接的固定支架（721）、设于所述固定支架（721）上的旋转动力滚轮（722）、设于所述旋转动力滚轮（722）上的偏转齿轮机构（723）、与所述偏转齿轮机构（723）啮合连接的导向直线齿轮（724）以及设于所述导向直线齿轮（724）上的侧向刷（725）；
所述旋转动力滚轮（722）上设有表面走形槽（7221）；
所述偏转齿轮机构（723）的一端设于所述表面走形槽（7221）内，能够沿所述表面走形槽（7221）滑动；
所述偏转齿轮机构（723）的另一端为扇形板状结构，所述扇形板状结构的扇形边缘均匀设有多个齿状结构；
多个所述齿状结构能够与所述导向直线齿轮（724）相啮合。
8.根据权利要求7所述的基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统，其特征在于：所述固定支架（721）包括平行间隔设置的两个侧板（726）、平行间隔且垂直设于两个侧板（726）之间的导向直线齿轮杆（727）、偏转齿轮机构固定板（728）以及旋转动力滚轮固定杆（729）；
所述导向直线齿轮（724）和所述侧向刷（725）在所述导向直线齿轮杆（727）上上下相背设置；
所述扇形板状结构与所述偏转齿轮机构固定板（728）通过销轴固定；通过所述旋转动力滚轮（722）旋转带动表面走形槽（7221）随之旋转，通过表面走形槽（7221）带动偏转齿轮机构（723）沿销轴往复运动，进而使所述导向直线齿轮（724）进行水平往复运动，最终带动所述侧向刷（725）对钢轨侧面进行往复清扫。
9.根据权利要求2-5中任一项、7或8所述的基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统，其特征在于：所述钢轨吹吸污单元（73）设于打磨车的后车体尾端，用于对打磨废水、废料和钢轨碎屑进行全面清洁，其包括分别设于两条钢轨正上方的钢轨吸风装置（731）、分别设于两条钢轨外侧上方的钢轨侧向吹风装置（732）、分别设于两条钢轨内侧上方的钢轨与道床吹风装置（733）以及设于道床（91）正上方的道床吸风装置（734）；
所述钢轨与道床吹风装置（733）能够分别对钢轨内侧和部分道床同时吹风，另一部分道床由另一条钢轨内侧上方的钢轨与道床吹风装置（733）吹风；
所述钢轨吸风装置（731）、所述钢轨侧向吹风装置（732）、所述钢轨与道床吹风装置（733）以及所述道床吸风装置（734）的顶部分别设有与所述打磨车（1）底部相连的固连升降机构（735）；通过吹吸结合对钢轨及道床表面实现全面清洁。
10.根据权利要求2-5中任一项、7或8所述的基于图像处理的水射流钢轨打磨车吹吸污系统，其特征在于：所述打磨车（1）上还安装有整车控制系统、打磨驱动系统（2）、水射流打磨系统（3）、超高压水处理系统（4）、打磨压力流量控制系统（5）以及废水回收分离系统（8）；
所述打磨驱动系统（2）包括设于所述打磨车（1）上的转向架组件（21）、蓄能器（22）、空压机（23）以及空气压缩机（24）；
所述水射流打磨系统（3）包括打磨升降机构、设于所述打磨升降机构上的打磨执行机构以及与所述打磨执行机构相连的磨料供应机构（31）；
所述打磨执行机构包括多组打磨水射流水刀，用以完成钢轨的多角度精确打磨；所述磨料供应机构（31）包括设于所述空压机（23）上的粗磨料罐（331）、细磨料罐（332）以及与打磨执行机构连接的打磨传输通道（32）；所述超高压水处理系统（4）包括设于所述打磨车（1）上的水箱（41）和液压增压器（42）；所述打磨压力流量控制系统（5）用于对每个通道水射流的压力和流量进行精确控制，以提高打磨精度；所述废水回收分离系统（8）用于回收打磨废水和磨料，并将水与磨料分离，实现水循环利用。
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