CN114739297A - 一种基于激光扫描的离线轨道参数计算方法 - Google Patents

一种基于激光扫描的离线轨道参数计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于激光扫描的离线轨道参数计算方法，包括如下步骤：测量标准轨道的接触轨和钢轨，建立与标准轨道对应的参数模型，所述参数模型通过标准轨道的点云数据拟合获得，所述参数模型的模型参数包括接触轨标准参考线、钢轨标准参考线、接触轨相对厚度标准值、钢轨轨顶相对厚度标准值、接触轨标准水平距离、接触轨标准水平高度；从激光扫描得到的光条图像中获取被测轨道对应的点云数据，将采集到的被测轨道的点云数据拟合后与标准轨道对应的参数模型进行对比，得到轨道参数。采用非接触式测量手段，将所测量轨道外形与标准轨道对比，最终确定计算参数标准的选取以及模型的建立，实现了钢轨、接触轨参数计算。

Description

一种基于激光扫描的离线轨道参数计算方法
技术领域
本发明属于轨道参数检测领域，具体涉及一种基于激光扫描的离线轨道参数计算方法。
背景技术
铁路轨道的几何尺寸偏差，直接影响列车行驶的平稳性、舒适性和安全性，甚至会威胁乘客的生命财产安全。而且随着列车速度越来越快，对轨道平稳性的要求越来越高，对轨道几何状态评价的准确度也越来越高。
现有轨道几何参数测量方法大多独立进行，走行轨与接触轨分别进行，不能从总体上对轨道几何状态进行评价。而且现有走行轨的状态测量都是采用接触式手段，机械积累误差较大，严重影响轨道几何状态的评价结果。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种基于激光扫描的离线轨道参数计算方法。
为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
一种基于激光扫描的离线轨道参数计算方法，包括如下步骤：测量标准轨道的接触轨和钢轨，建立与标准轨道对应的参数模型，所述参数模型通过标准轨道的点云数据拟合获得，所述参数模型的模型参数包括接触轨标准参考线、钢轨标准参考线、接触轨相对厚度标准值、钢轨轨顶相对厚度标准值、接触轨标准水平距离、接触轨标准水平高度；从激光扫描得到的光条图像中获取被测轨道对应的点云数据，将采集到的被测轨道的点云数据拟合后与标准轨道对应的参数模型进行对比，得到轨道参数，轨道参数具体包括：接触轨磨耗、钢轨磨耗、接触轨接头间隙、接触轨水平距离、接触轨垂直高度、钢轨轨距。
根据本申请实施例提供的技术方案，对需要测量多种的标准轨道，建立多个对应不同标准轨道的参数模型；存储需要检测轨道的整条线路的参数模型；检测开始前，人工输入检测的起始位置点，获取实际测量的轨道对应位置的标准轨道的参数模型。
根据本申请实施例提供的技术方案，建立所述接触轨参考线包括如下步骤：在标准接触轨的光条图像中，按照激光出射方向寻找光条点起始点，单向遍历出圆弧剩余点；框选标准接触轨的光条图像，得到一条斜线段；将所述圆弧图像坐标点转换为圆弧点云，并拟合圆弧圆心；拟合斜线段并结合圆弧圆心确定接触轨轨面参考矢量和接触轨侧向参考矢量，穿过圆弧圆心做平行于接触轨轨面的接触轨标准水平参考线和垂直于接触轨轨面的接触轨标准垂直参考线。
根据本申请实施例提供的技术方案，，建立所述钢轨参考线包括如下步骤：框选标准钢轨侧向点，拟合得到侧向参考矢量和轨面参考矢量；在标准钢轨光条图像中，计算左走行轨像素坐标大于钢轨头部内侧端部起始点位置开始n个点云的中点，右走行轨像素坐标u小于钢轨头部内侧端部起始点位置开始n个点云的中点，记为中心点；由侧向参考矢量和中心点，确定搜索参考线；在标准钢轨光条图像中，左走行轨由左往右遍历，右走行轨从右往左遍历，依次计算寻找到搜索参考线距离小于钢轨基准点距离阈值的第一个点，作为基准点；利用侧向参考矢量和基准点确定钢轨标准垂直参考线；利用轨面参考矢量和基准点确定钢轨标准水平参考线。
根据本申请实施例提供的技术方案，计算接触轨磨耗包括如下步骤：从被测接触轨光条图像中选取接触轨磨耗光条起始点至终止点的点，将这些点的图像坐标转换为点云，并命名为接触轨磨耗点云；求取接触轨磨耗点云与接触轨标准水平参考线的距离；将计算的距离排序，由大至小选择m个距离值求平均，得到接触轨相对厚度；接触轨相对厚度标准值减去接触轨相对厚度，得到的差值即为接触轨磨耗。
根据本申请实施例提供的技术方案，计算钢轨磨耗包括如下步骤：
(1)计算钢轨水平磨耗，从被测钢轨光条图像中选取钢轨水平磨耗起始点至终止点的钢轨水平磨耗点，将钢轨水平磨耗点图像坐标转换为钢轨水平磨耗点云；求取钢轨水平磨耗点云与钢轨垂直参考线的距离；将计算的距离排序，由大至小选择m个距离值求平均，得到钢轨水平磨耗；
(2)计算钢轨垂直磨耗，从钢轨光条图像中选取钢轨垂直磨耗起始点至终止点的钢轨垂直磨耗点，将钢轨垂直磨耗点图像坐标转换为钢轨垂直磨耗点云；求取钢轨垂直磨耗点云与钢轨水平参考线的距离；将计算的距离排序，由大至小选择m个距离值求平均，得到钢轨轨顶相对厚度；计算钢轨轨顶相对厚度标准值与钢轨轨顶相对厚度的差值，得到钢轨垂直磨耗；(3)计算钢轨总磨耗，钢轨总磨耗＝1/2钢轨水平磨耗+钢轨垂直磨耗。
根据本申请实施例提供的技术方案，计算所述接触轨膨胀接头间隙包括如下步骤：在建立接触轨标准参考线中，拟合圆心失败，认定出现膨胀接头；对后续图像中再次出现的圆弧，从接触轨磨耗光条起始点至终止点之间选择两端各l个点，拟合直线；将接触轨磨耗光条起始点至终止点之间的点与该直线比较，得到间隙部分的直线长度；用该直线与已知膨胀接头间隙夹角正弦函数相除得到间隙距离。
根据本申请实施例提供的技术方案，计算接触轨水平距离、接触轨垂直高度、钢轨轨距前需要先确定接触轨竖直错动量、钢轨竖直错动量、接触轨水平错动量、走行轨水平错动量；然后，将接触轨竖直错动量和邻近的走行轨竖直错动量叠加得到接触轨水平距离；将接触轨水平错动量和邻近的走行轨水平错动量叠加得到接触轨垂直高度；将两走行轨各自竖直错动量叠加得到钢轨轨距。
本发明具有如下有益效果：
本申请采用非接触式测量手段，避免了车体振动扭曲造成的光条位置偏移、基准位置很难统一的问题，通过数据积累建立标准轨道外形尺寸模型，将所测量轨道外形与标准轨道对比，最终确定计算参数标准的选取以及模型的建立，实现了钢轨、接触轨参数计算；非接触测量手段，也实现了对复杂环境下轨道几何参数准确计算，适用范围更广，测量精度更高。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本申请所述的接触轨和钢轨参考线位置结构示意图；
图2为接触轨相机视场示意图；
图3为钢轨相机视场示意图。
图4为本申请所述的钢轨磨耗示意图；
图5为本申请所述的接触轨光条图像框选示意图。
附图标记说明：
1、接触轨；11、接触轨标准水平参考线；12、接触轨垂直标准参考线；
2、钢轨；21、钢轨标准水平参考线；22、钢轨垂直标准参考线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种基于激光扫描的离线轨道参数计算方法，包括如下步骤：测量标准轨道的接触轨1和钢轨2，建立与标准轨道对应的参数模型，所述参数模型通过标准轨道的点云数据拟合获得，所述参数模型的模型参数包括接触轨标准参考线、钢轨标准参考线、接触轨相对厚度标准值、钢轨轨顶相对厚度标准值、接触轨标准水平距离、接触轨标准水平高度；从激光扫描得到的光条图像中获取被测轨道对应的点云数据，将采集到的被测轨道的点云数据拟合后与标准轨道对应的参数模型进行对比，得到轨道参数，轨道参数具体包括：接触轨磨耗、钢轨磨耗、接触轨接头间隙、接触轨水平距离、接触轨垂直高度、钢轨轨距。
具体地，请参考图1所示，钢轨2分为左走行轨和右走行轨。所述接触轨参考线包括接触轨水平参考线11和接触轨垂直参考线12。钢轨参考线包括钢轨水平参考线21和钢轨垂直参考线22。通过测量标准接触轨，获得接触轨相对厚度标准值。通过测量标准钢轨，获得钢轨轨顶相对厚度标准值。接触轨标准水平距离为接触轨和相邻钢轨的标准垂直参考线的距离。接触轨标准垂直高度为接触轨标准水平参考线与相邻钢轨标准水平参考线的距离加上接触轨相对厚度标准值和钢轨轨顶相对厚度标准值。
进一步的，对需要测量多种的标准轨道，建立多个对应不同标准轨道的参数模型；存储需要检测轨道的整条线路的参数模型；检测开始前，人工输入检测的起始位置点，获取实际测量的轨道对应位置的标准轨道的参数模型。
具体地，测量多种标准轨道，建立了多个参数模型，获得了测量被测轨道需要的参考线，系统存储整条线路标准的轨道检测的参考线。在每次上线检测时，人工输入本次检测的起始位置点，系统能够自动获取实时测量过程中对应位置的标准轨道检测参考线。
进一步的，建立所述接触轨参考线包括如下步骤：在标准接触轨的光条图像中，按照激光出射方向寻找光条点起始点，单向遍历出圆弧剩余点；框选标准接触轨的光条图像，得到一条斜线段；将所述圆弧图像坐标点转换为圆弧点云，并拟合圆弧圆心；拟合斜线段并结合圆弧圆心确定接触轨轨面参考矢量和接触轨侧向参考矢量，穿过圆弧圆心做平行于接触轨轨面的接触轨标准水平参考线和垂直于接触轨轨面的接触轨标准垂直参考线。
具体地，如图2所述，接触轨的轮廓为圆弧形。遍历圆弧剩余点后，即得到了接触轨的图像。其中，圆弧剩余点的个数是人工设定的。如图4所示，框选标准接触轨的光条图像，得到反映部分接触轨图像的斜线段，也就确定该该圆弧线段对应的图像点，将这些图像坐标点转换为点云，拟合圆弧圆心，确定了接触轨水平矢量和接触轨垂直矢量，即可得到穿过圆弧圆心的接触轨标准水平参考线和接触轨标准垂直参考线。
进一步的，建立所述钢轨参考线包括如下步骤：框选标准钢轨侧向点，拟合得到侧向参考矢量和轨面参考矢量；在标准钢轨光条图像中，计算左走行轨像素坐标大于钢轨头部内侧端部起始点位置开始n 个点云的中点，右走行轨像素坐标u小于钢轨头部内侧端部起始点位置开始n个点云的中点，记为中心点；由侧向参考矢量和中心点，确定搜索参考线；在标准钢轨光条图像中，左走行轨由左往右遍历，右走行轨从右往左遍历，依次计算寻找到搜索参考线距离小于钢轨基准点距离阈值的第一个点，作为基准点；利用侧向参考矢量和基准点确定钢轨标准垂直参考线；利用轨面参考矢量和基准点确定钢轨标准水平参考线。
请具体参考图3所示。框选钢轨侧向点，拟合得到侧向参考矢量，和轨面参考矢量。在建立标准参考线的过程中，框选标准钢轨侧向点即可；在测量被测钢轨过程中，如图4所示，框选的是钢轨磨耗起始点至终止点，进而确定磨耗点的范围。寻找中心点和搜索参考线，再依次计算寻找到搜索参考线距离小于钢轨基准点距离阈值的第一个点，作为基准点，这一过程是为了找到磨耗点的值，取最小值才是真正的磨耗基准值。n的具体数值人工设定。侧向参考矢量和轨面参考矢量代入矢量方程，即可得到钢轨标准垂直参考线和钢轨标准水平参考线。
进一步的，计算接触轨磨耗包括如下步骤：从被测接触轨光条图像中选取接触轨磨耗光条起始点至终止点的点，将这些点的图像坐标转换为点云，并命名为接触轨磨耗点云；求取接触轨磨耗点云与接触轨标准水平参考线的距离；将计算的距离排序，由大至小选择m个距离值求平均，得到接触轨相对厚度；接触轨相对厚度标准值减去接触轨相对厚度，得到的差值即为接触轨磨耗。
其中，m的数值人工设定。具体地，将被测接触轨的外形与标准接触的外形对比，实现接触轨的磨耗计算，测量准确的更高；采用非接触测量手段，避免了车体震动扭曲造成的光条位置偏移、基准位置很难统一的问题，降低了测量误差。
进一步的，计算钢轨磨耗包括如下步骤：1计算钢轨水平磨耗，从被测钢轨光条图像中选取钢轨水平磨耗起始点至终止点的钢轨水平磨耗点，将钢轨水平磨耗点图像坐标转换为钢轨水平磨耗点云；求取钢轨水平磨耗点云与钢轨垂直参考线的距离；将计算的距离排序，由大至小选择m个距离值求平均，得到钢轨水平磨耗；2计算钢轨垂直磨耗，从钢轨光条图像中选取钢轨垂直磨耗起始点至终止点的钢轨垂直磨耗点，将钢轨垂直磨耗点图像坐标转换为钢轨垂直磨耗点云；求取钢轨垂直磨耗点云与钢轨水平参考线的距离；将计算的距离排序，由大至小选择m个距离值求平均，得到钢轨轨顶相对厚度；计算钢轨轨顶相对厚度标准值与钢轨轨顶相对厚度的差值，得到钢轨垂直磨耗； 3计算钢轨总磨耗，钢轨总磨耗＝1/2钢轨水平磨耗+钢轨垂直磨耗。
其中，m的数值人工设定。具体地，将被测钢轨的外形与标准接触的外形对比，实现钢轨的磨耗计算，测量准确的更高；采用非接触测量手段，避免了车体震动扭曲造成的光条位置偏移、基准位置很难统一的问题，降低了测量误差。
进一步的，计算所述接触轨膨胀接头间隙包括如下步骤：在建立接触轨标准参考线中，拟合圆心失败，认定出现膨胀接头；对后续图像中再次出现的圆弧，从接触轨磨耗光条起始点至终止点之间选择两端各l个点，拟合直线；将接触轨磨耗光条起始点至终止点之间的点与该直线比较，得到间隙部分的直线长度；用该直线与已知膨胀接头间隙夹角正弦函数相除得到间隙距离。
具体地，采用非接触测量的手段，将被测接触轨的外形与标准接触的外形对比，实现接触轨膨胀接头间隙的计算，测量准确的更高。
进一步的，计算接触轨水平距离、接触轨垂直高度、钢轨轨距前需要先确定接触轨竖直错动量、钢轨竖直错动量、接触轨水平错动量、走行轨水平错动量；然后，将接触轨竖直错动量和邻近的走行轨竖直错动量叠加得到接触轨水平距离；将接触轨水平错动量和邻近的走行轨水平错动量叠加得到接触轨垂直高度；将两走行轨各自竖直错动量叠加得到钢轨轨距。
具体地，接触轨竖直错动量为被测接触轨基准圆心和接触轨侧向参考矢量有正负的距离值；走行轨竖直错动量为钢轨垂直磨耗起始点至终止点中间的钢轨段点云到钢轨侧向参考矢量有正负的距离值的平均值；接触轨水平错动量为接触轨基准圆心和接触轨轨面参考矢量的有正负的距离值；走行轨水平错动量为钢轨水平磨耗起始点至终止点中间的钢轨段点云到钢轨轨面参考矢量有正负的距离值的平均值。
得到了接触轨竖直错动量、钢轨竖直错动量、接触轨水平错动量、走行轨水平错动量，即可计算得到接触轨水平距离、接触轨垂直高度、钢轨轨距。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于) 具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种基于激光扫描的离线轨道参数计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
测量标准轨道的接触轨(1)和钢轨(2)，建立与标准轨道对应的参数模型，所述参数模型通过标准轨道的点云数据拟合获得，所述参数模型的模型参数包括接触轨标准参考线、钢轨标准参考线、接触轨相对厚度标准值、钢轨轨顶相对厚度标准值、接触轨标准水平距离、接触轨标准水平高度；
从激光扫描得到的光条图像中获取被测轨道对应的点云数据，将采集到的被测轨道的点云数据拟合后与标准轨道对应的参数模型进行对比，得到轨道参数，轨道参数具体包括：接触轨磨耗、钢轨磨耗、接触轨接头间隙、接触轨水平距离、接触轨垂直高度、钢轨轨距。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描的离线轨道参数计算方法，其特征在于，
对需要测量多种的标准轨道，建立多个对应不同标准轨道的参数模型；
存储需要检测轨道的整条线路的参数模型；
检测开始前，人工输入检测的起始位置点，获取实际测量的轨道对应位置的标准轨道的参数模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描的离线轨道参数计算方法，其特征在于，建立所述接触轨参考线包括如下步骤：
在标准接触轨的光条图像中，按照激光出射方向寻找光条点起始点，单向遍历出圆弧剩余点；
框选标准接触轨的光条图像，得到一条斜线段；
将所述圆弧图像坐标点转换为圆弧点云，并拟合圆弧圆心；
拟合斜线段并结合圆弧圆心确定接触轨轨面参考矢量和接触轨侧向参考矢量，穿过圆弧圆心做平行于接触轨轨面的接触轨标准水平参考线和垂直于接触轨轨面的接触轨标准垂直参考线。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描的离线轨道参数计算方法，其特征在于，建立所述钢轨参考线包括如下步骤：
框选标准钢轨侧向点，拟合得到侧向参考矢量和轨面参考矢量；
在标准钢轨光条图像中，计算左走行轨像素坐标大于钢轨头部内侧端部起始点位置开始n个点云的中点，右走行轨像素坐标u小于钢轨头部内侧端部起始点位置开始n个点云的中点，记为中心点；
由侧向参考矢量和中心点，确定搜索参考线；
在标准钢轨光条图像中，左走行轨由左往右遍历，右走行轨从右往左遍历，依次计算寻找到搜索参考线距离小于钢轨基准点距离阈值的第一个点，作为基准点；
利用侧向参考矢量和基准点确定钢轨标准垂直参考线；
利用轨面参考矢量和基准点确定钢轨标准水平参考线。
5.根据权利要求3所述的一种基于激光扫描的离线轨道参数计算方法，其特征在于，计算接触轨磨耗包括如下步骤：
从被测接触轨光条图像中选取接触轨磨耗光条起始点至终止点的点，将这些点的图像坐标转换为点云，并命名为接触轨磨耗点云；
求取接触轨磨耗点云与接触轨标准水平参考线的距离；
将计算的距离排序，由大至小选择m个距离值求平均，得到接触轨相对厚度；
接触轨相对厚度标准值减去接触轨相对厚度，得到的差值即为接触轨磨耗。
6.根据权利要4所述的一种基于激光扫描的离线轨道参数计算方法，其特征在于，计算钢轨磨耗包括如下步骤：
(1)计算钢轨水平磨耗
从被测钢轨光条图像中选取钢轨水平磨耗起始点至终止点的钢轨水平磨耗点，将钢轨水平磨耗点图像坐标转换为钢轨水平磨耗点云；
求取钢轨水平磨耗点云与钢轨垂直参考线的距离；
将计算的距离排序，由大至小选择m个距离值求平均，得到钢轨水平磨耗；
(2)计算钢轨垂直磨耗
从钢轨光条图像中选取钢轨垂直磨耗起始点至终止点的钢轨垂直磨耗点，将钢轨垂直磨耗点图像坐标转换为钢轨垂直磨耗点云；
求取钢轨垂直磨耗点云与钢轨水平参考线的距离；
将计算的距离排序，由大至小选择m个距离值求平均，得到钢轨轨顶相对厚度；
计算钢轨轨顶相对厚度标准值与钢轨轨顶相对厚度的差值，得到钢轨垂直磨耗；
(3)计算钢轨总磨耗
钢轨总磨耗＝1/2钢轨水平磨耗+钢轨垂直磨耗。
7.根据权利要3所述的一种基于激光扫描的离线轨道参数计算方法，其特征在于，计算所述接触轨膨胀接头间隙包括如下步骤：
在建立接触轨标准参考线中，拟合圆心失败，认定出现膨胀接头；
对后续图像中再次出现的圆弧，从接触轨磨耗光条起始点至终止点之间选择两端各l个点，拟合直线；
将接触轨磨耗光条起始点至终止点之间的点与该直线比较，得到间隙部分的直线长度；
用该直线与已知膨胀接头间隙夹角正弦函数相除得到间隙距离。
8.根据权利要3或4所述的一种基于激光扫描的离线轨道参数计算方法，其特征在于，计算接触轨水平距离、接触轨垂直高度、钢轨轨距前需要先确定接触轨竖直错动量、钢轨竖直错动量、接触轨水平错动量、走行轨水平错动量；然后，
将接触轨竖直错动量和邻近的走行轨竖直错动量叠加得到接触轨水平距离；
将接触轨水平错动量和邻近的走行轨水平错动量叠加得到接触轨垂直高度；
将两走行轨各自竖直错动量叠加得到钢轨轨距。
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