CN115748335A - 基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法及系统，方法包括启动打磨车，通过工业摄像头采集钢轨表面图像，通过信号发射装置将钢轨表面图像发送至打磨车控制中心；通过工业摄像头采集钢轨表面图像，通过信号发射装置将钢轨表面图像发送至打磨车控制中心；打磨车控制中心根据钢轨病害特征数据信号标记钢轨病害所在位置，同时识别打磨车行驶参数和打磨定位参数；打磨车控制中心根据打磨车行驶参数和打磨定位参数控制水射流打磨装置的每一排水刀在到达所述病害所在位置后自动启闭连续可调喷嘴依次完成病害所在位置的全部打磨修复任务，实现钢轨病害的针对性修复打磨，避免重复打磨和过度打磨。

Description

基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法及系统

技术领域

本发明属于水射流打磨技术领域，更具体地，涉及基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法及系统。

背景技术

铁路是我国国民经济的大命脉，是重大的民生工程。《中长期铁路网规划(2016-2025)》指出：预计到2025年铁路网规模将达到17.5万公里左右，而钢轨作为轨道交通的重要承载部件之一，在服役过程中由于来自车轮周期性载荷作用，难免产生波磨、剥层、鱼鳞纹等病害特征。如果不能够及时对钢轨进行打磨修复，将导致打磨车运行时的巨大噪声和振动，降低打磨车运行的安全性和舒适性。如果直接钢轨出现伤损直接进行更换，对人力与物力都是不小的考验。因此，从经济性与安全性的角度看，必须对钢轨进行打磨。

高压水射流技术具备能量损失小、作业过程不产生火花、无污染、对切割对象适应性强等优点，特别适合对钢轨进行精密性修复工作，并且水流可以带走打磨钢轨产生的热量，避免钢板表面产生热形变，具有极好的打磨效果。然而目前钢轨水射流打磨过程中，并不能实现对打磨位置的准确定位，通常情况下都是根据所需的钢轨轮廓形状从初始段打磨至终止段。然而实际过程中钢轨的病害特征并不是连续的，上述打磨方式会造成水射流对无损伤部位也进行打磨，存在过度打磨和浪费资源的现象；另外，钢轨修复车在行驶和工作过程中，不同钢轨的损伤程度和表面情况有所差异，钢轨上各部件的清洁位置和面积要求也各不相同，而现有的水刀喷嘴孔径无法调整，无法实现喷嘴流通面积的连续可调，无法精确控制钢轨损伤打磨的位置和面积，适配性低。

因此，急需一种能够精确定位钢轨病害所在位置，能够避免水刀重复打磨、过度打磨，同时能够通过调整不同的喷嘴孔径，精确控制打磨位置和面积的钢轨水射流打磨系统。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法及系统，本发明通过在打磨车前端底部安装智能定位模块和在驾驶室内安装打磨车控制中心来快速定位钢轨伤损位置；每当智能定位模块和打磨车控制中心监测到前方钢轨出现病害特征时，打磨车控制中心对病害特征进行标记并根据智能定位模块安装的位置参数与水射流打磨模块水刀的排列位置以及打磨车的行驶速度规划出各排水刀连续可调喷嘴启闭时间，从而完成每个水刀的打磨任务，实现对钢轨打磨的精确控制；本发明能够实现对打磨位置的准确定位，避免水刀重复打磨、过度打磨，同时能够通过调整不同的喷嘴孔径，精确控制打磨位置和面积。

为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法，包括如下步骤：

S1:启动打磨车，通过工业摄像头采集钢轨表面图像，通过信号发射装置将钢轨表面图像发送至打磨车控制中心；

S2:打磨车控制中心通过图像处理算法对所接收的所述钢轨表面图像进行病害特征识别获得钢轨病害特征数据信号；

S3:打磨车控制中心根据钢轨病害特征数据信号标记钢轨病害所在位置和确定钢轨损伤情况，同时识别打磨车行驶参数和打磨定位参数；

S4:打磨车控制中心根据钢轨病害所在位置、打磨车行驶参数以及打磨定位参数控制水射流打磨装置的每一排水刀在到达所述病害所在位置后连续可调喷嘴的自动启闭，同时，在连续可调喷嘴工作时，打磨车控制中心根据钢轨损伤情况控制连续可调喷嘴上的场生成器生成连续可调的固化磁场，进而改变连续可调喷嘴的孔径和形态，以适应与钢轨损伤相适配的工作模式，进而，实现所述病害所在位置钢轨损伤的全部针对性打磨修复任务。

进一步地，所述连续可调喷嘴包括喷嘴主体、场生成器和磁流体；所述喷嘴主体具有进水段和出水段；进水段与出水段之间形成有水流通道，出水段上设有磁流体腔，磁流体腔可发生形变；

所述场生成器设于所述喷嘴主体的出水段，场生成器包括电磁线圈，电磁线圈可根据内部流经的电流密度生成连续可调的磁场，通过所述场生成器能够生成连续可调的磁场；

所述磁流体设于所述喷嘴主体的磁流体腔内，所述磁流体的硬度可随所述场生成器生成磁场的磁场强度变化可发生变化，从而改变所述磁流体腔的截面面积；通过改变场生成器生成连续可调的磁场，以改变磁流体的硬度，进而在出水段形成高硬度磁流体以阻隔高压水流的通过，进而实现所述连续可调喷嘴的出水段口径连续可调，进而实现喷嘴口径连续可调。

进一步地，步骤S2中的所述图像处理算法包括“灰度处理-降噪处理-自适应阈值变化-形态学操作”或通过YOLO目标检测算法。

进一步地，步骤S3中的所述打磨车行驶参数包括打磨车行驶的速度；

所述打磨定位参数包括工业摄像头距离最前方水射流打磨装置的第一排水刀中心位置的距离和水射流打磨装置的相邻两排水刀间隔距离。

进一步地，步骤S4中所述病害所在位置的全部打磨修复任务的完成还包括如下步骤：

S41:打磨车控制中心根据打磨车行驶速度和工业摄像头距离最前方水射流打磨装置的第一排水刀中心位置的距离计算水射流打磨装置的第一排水刀到达病害所在位置需要的时间，并控制第一排水刀在到达所述病害所在位置后自动启闭连续可调喷嘴完成打磨任务；

S42:打磨车控制中心根据打磨车行驶速度和相邻两排水刀间隔距离计算第一排水刀打磨任务完成后第二排水刀到达病害需要的时间，并控制第二排水刀在到达所述病害所在位置后自动启闭连续可调喷嘴完成打磨任务；

S43:依此类推，打磨车控制中心的打磨控制模块依次计算后续各排水刀到达病害需要的时间，并控制后续各排水刀在到达所述病害所在位置后自动启闭连续可调喷嘴完成打磨任务，直至完成所述病害所在位置的全部打磨修复任务。

本发明的另一个方面提供一种基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨系统，包括设于水射流打磨车上的打磨车行驶导向模块、打磨车动力模块、水射流打磨模块以及智能定位模块；其中，

所述打磨车行驶导向模块包括设于水射流打磨车的驾驶室内的打磨车控制中心、驾驶员座椅以及驾驶室电控柜；

所述打磨车控制中心包括信号接收模块、图像处理算法模块、钢轨病害标记模块、参数设定及识别模块以及打磨控制模块；

所述信号接收模块用于接收所述智能定位模块采集并发送的钢轨表面图像数据；

所述图像处理算法模块用于对所述信号接收模块接收的钢轨表面图像数据进行病害特征识别并获得钢轨病害特征数据信号；

所述钢轨病害标记模块用于标记钢轨病害所在位置；

所述参数设定及识别模块用于设定和识别打磨车行驶参数、打磨定位参数；

所述打磨控制模块用于控制所述水射流打磨模块执行打磨任务，包括控制打磨水刀的自动启闭和控制连续可调喷嘴进行不同口径调整；

所述智能定位模块设于所述水射流打磨模块的前端，并彼此间留有间距，用于提前采集钢轨表面图像，并将钢轨表面图像传递给所述打磨车控制中心；所述打磨车控制中心根据所述智能定位模块安装的位置参数、水射流打磨模块水刀的排列位置以及打磨车的行驶速度规划出所述水射流打磨模块上各排水刀连续可调喷嘴启闭时间，从而完成每个水刀的打磨任务，实现对钢轨打磨的精确控制。

进一步地，所述智能定位模块包括设于车架前端底部的工业摄像头和与所述工业摄像头相连的信号发射装置；

所述工业摄像头用于采集钢轨表面图像；

所述信号发射装置与所述信号接收模块通信连接，用于向所述打磨车控制中心发送所述工业摄像头采集的钢轨表面图像数据。

进一步地，所述打磨车行驶参数包括打磨车行驶的速度；

所述打磨定位参数包括工业摄像头距离最前方水射流打磨装置的第一排水刀中心位置的距离和水射流打磨装置的相邻两排水刀间隔距离。

进一步地，所述水射流打磨装置包括并排设置的多排水刀；每一排水刀的切割角度各不相同，分别用于打磨钢轨的不同位置；通过多排水刀的依次打磨共同完成钢轨的全方位修复；

进一步地，所述水射流打磨装置的每个水刀上均配置有连续可调喷嘴；所述连续可调喷嘴包括喷嘴主体、场生成器和磁流体；所述喷嘴主体具有进水段和出水段；进水段与出水段之间形成有水流通道，出水段上设有磁流体腔，磁流体腔可发生形变；

所述场生成器设于所述喷嘴主体的出水段，场生成器包括电磁线圈，电磁线圈可根据内部流经的电流密度生成连续可调的磁场，通过所述场生成器能够生成连续可调的磁场；

所述磁流体设于所述喷嘴主体的磁流体腔内，所述磁流体的硬度可随所述场生成器生成磁场的磁场强度变化可发生变化，从而改变所述磁流体腔的截面面积；通过改变场生成器生成连续可调的磁场，以改变磁流体的硬度，进而在出水段形成高硬度磁流体以阻隔高压水流的通过，进而实现所述连续可调喷嘴的出水段口径连续可调，进而实现喷嘴口径连续可调。

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：

(1)本发明的基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法及系统，通过在打磨车前端底部安装智能定位模块和在驾驶室内安装打磨车控制中心，打磨车控制中心包括与信号接收模块、图像处理算法模块、钢轨病害标记模块、参数设定及识别模块以及打磨控制模块；信号接收模块用于接收所述智能定位模块采集并发送的钢轨表面图像数据；图像处理算法模块用于对信号接收模块接收的钢轨表面图像数据进行病害特征识别并获得钢轨病害特征数据信号；钢轨病害标记模块用于标记钢轨病害所在位置；参数设定及识别模块用于设定和识别打磨车行驶参数、打磨定位参数；打磨控制模块用于控制水射流打磨模块执行打磨任务；智能定位模块包括设于车架前端底部的工业摄像头和与工业摄像头相连的信号发射装置；信号发射装置与信号接收模块通信连接，用于向打磨车控制中心发送所述工业摄像头采集的钢轨表面图像数据；通过智能定位模块和打磨车控制中心快速定位钢轨伤损位置；每当智能定位模块和打磨车控制中心监测到前方钢轨出现病害特征时，打磨车控制中心对病害特征进行标记并根据智能定位模块安装的位置参数与水射流打磨模块水刀的排列位置以及打磨车的行驶速度规划出各排水刀连续可调喷嘴启闭时间，从而完成每个水刀的打磨任务，实现对钢轨打磨的精确控制，避免水刀重复打磨、过度打磨，节约了资源；同时能够通过调整不同的喷嘴孔径，精确控制打磨位置和面积。

(2)本发明的基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法及系统，采用连续可调喷嘴，通过改变场生成器生成连续可调的磁场，以改变磁流体的硬度，进而在出水段形成高硬度磁流体以阻隔高压水流的通过，进而实现高压水射流钢轨打磨的连续可调喷嘴的出水段口径连续可调，实现喷嘴口径连续可调，能够精确控制钢轨损伤打磨的位置和面积，适配性高。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例一种基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨系统的连续可调喷嘴的装配结构示意图；

图3为本发明实施例一种基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨系统的连续可调喷嘴的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例一种基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法的流程示意图。

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-水射流打磨车、11-转向架、12-车架、13-车身、2-打磨车行驶导向模块、21-打磨车控制中心、22-驾驶员座椅、23-驾驶室电控柜、3-打磨车动力模块、31-柴油机、32-发电机组、33-变速箱、34-冷却单元、35-动力系统控制柜、36-蓄电池、37-柴油箱、4-水射流打磨模块、41-空气压缩机、42-过滤器、43-磨料罐、44-真空泵、45-增压泵、46-水箱、47-水射流打磨装置、470-连续可调喷嘴、4701-磁流体进出口、4702-磁流体通道、4703-磨料入口、47031-磨料入口密封圈、4704-过滤网、471-喷嘴主体、4711-进水段、4712-出水段、4714-磁流体腔、4721-电磁线圈、4722-线圈接头、5-智能定位模块、6-钢轨。

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。

如图1所示，本发明的一个方面提供一种基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨系统，包括设于水射流打磨车1上的打磨车行驶导向模块2、打磨车动力模块3、水射流打磨模块4以及智能定位模块5；所述打磨车行驶导向模块2包括打磨车控制中心21、驾驶员座椅22以及驾驶室电控柜23；所述打磨车控制中心21包括与信号接收模块、图像处理算法模块、钢轨病害标记模块、参数设定及识别模块以及打磨控制模块；所述信号接收模块用于接收所述智能定位模块5采集并发送的钢轨表面图像数据；所述图像处理算法模块用于对所述信号接收模块接收的钢轨表面图像数据进行病害特征识别并获得钢轨病害特征数据信号；所述钢轨病害标记模块用于标记钢轨病害所在位置；所述参数设定及识别模块用于设定和识别打磨车行驶参数、打磨定位参数；所述打磨控制模块用于控制所述水射流打磨模块4执行打磨任务，包括控制打磨水刀的自动启闭和控制连续可调喷嘴进行不同口径调整；所述打磨车行驶参数包括打磨车行驶的速度；所述打磨定位参数包括工业摄像头距离最前方水射流打磨装置的第一排水刀中心位置的距离和水射流打磨装置的相邻两排水刀间隔距离；所述智能定位模块5设于所述水射流打磨模块4的前端，并彼此间留有间距；所述智能定位模块5用于提前采集钢轨表面图像，并将钢轨表面图像传递给所述打磨车控制中心21；所述打磨车控制中心21根据所述智能定位模块5安装的位置参数、水射流打磨模块水刀的排列位置以及打磨车的行驶速度控制所述水射流打磨模块4上各排水刀连续可调喷嘴启闭时间和连续可调喷嘴进行不同口径调整，从而完成每个水刀的打磨任务，实现对钢轨打磨的精确控制。

进一步地，如图1所示，所述水射流打磨车1包括行走于待打磨钢轨上的转向架11、设于所述转向架11上的车架12以及设于所述车架12上的车身13；所述车身13包括由前向后依次布置的驾驶室、第一机器间以及第二机器间；所述驾驶室电控柜23用于控制打磨车电源；所述打磨车控制中心21、所述驾驶员座椅22以及所述驾驶室电控柜23均设于所述驾驶室内。

进一步地，如图1所示，所述打磨车动力模块3包括柴油机31、发电机组32、变速箱33、冷却单元34、动力系统控制柜35、蓄电池36、柴油箱37；所述柴油机31用于为打磨车前进提供动力；所述发电机组32用于为打磨车提供持续电力；所述变速箱33用于为发电机组32提供不同的动力输出；所述冷却单元34用于防止动力系统过热；所述动力系统控制柜35用于对动力系统进行控制；所述蓄电池36用以储存电量；所述柴油箱37用以储存燃料；所述柴油机31、所述发电机组32、所述变速箱33、所述冷却单元34、所述动力系统控制柜35均设于所述第一机器间内；所述蓄电池36、柴油箱37设于所述车架12上。

进一步地，如图1所示，所述水射流打磨模块4包括空气压缩机41、过滤器42、磨料罐43、真空泵44、增压泵45、水箱46以及水射流打磨装置47；所述磨料罐43用于存储水射流打磨需要的磨料；所述过滤器42与所述磨料罐43相连，用于过滤掉不符合要求的磨料；所述空气压缩机41和所述磨料灌43之间、所述磨料灌43和所述水射流打磨装置47之间均设有磨料管路；所述空气压缩机41用于提供磨料管路的高压空气，为打磨车的空气制动提供动力，为水射流打磨装置47提供磨料传输的动力；所述水箱46用于存储水源；所述水箱46、所述增压泵45、所述所述水射流打磨装置47之间依次连通设有水管路64；所述真空泵44与所述增压泵45相连，所述增压泵45与所述水箱46相连，所述水箱46与所述水射流打磨装置47相连，通过所述真空泵44提供水管路内真空度，通过所述增压泵45为所述水箱46内的水增压，经增压泵后水压最高可到达420Mpa以上并与所述磨料灌43输出的磨料混合后对钢轨进行打磨；所述空气压缩机41、所述过滤器42、所述磨料罐43、所述真空泵44、所述增压泵45、所述水箱46均设于所述第二机器间内。

进一步地，如图1-图3所示，所述水射流打磨装置47包括并排设置的多排水刀；每一排水刀的切割角度各不相同，分别用于打磨钢轨的不同位置；通过多排水刀的依次打磨共同完成钢轨的全方位修复；所述水射流打磨装置47的每个水刀上均配置有连续可调喷嘴470；所述连续可调喷嘴包括喷嘴主体471、场生成器和磁流体；所述喷嘴主体471具有进水段4711和出水段4712，进水段用于高压水流的流入，出水段用于高压水流的流出，进水段与出水段之间形成有水流通道，出水段上设有磁流体腔4714，磁流体腔4714可发生形变；所述场生成器设于所述喷嘴主体的出水段，场生成器包括电磁线圈4721，电磁线圈4721可根据内部流经的电流密度生成连续可调的磁场，通过所述场生成器能够生成连续可调的磁场；所述磁流体设于所述喷嘴主体的磁流体腔4714内，所述磁流体的硬度可随所述场生成器生成磁场的磁场强度变化可发生变化，从而改变所述磁流体腔的截面面积；所述磁流体为固体磁性颗粒；通过改变场生成器生成连续可调的磁场，以改变磁流体的硬度，进而在出水段形成高硬度磁流体以阻隔高压水流的通过，进而实现高压水射流钢轨打磨的连续可调喷嘴的出水段口径连续可调，实现喷嘴口径连续可调。

进一步地，如图1-图3所示，磁流体的硬化能力与场生成器生成磁场的磁感应强度正相关，磁流体硬化能力与磁场感应强度的函数为η＝k(μ-1)H²，其中η为磁流体磁粘度，所述磁粘度越大，则硬度越大，k为比例系数，μ为磁流体的相对磁导率，H为磁场强度。通过上述函数可知，本发明的高压水射流钢轨打磨的连续可调喷嘴470通过提高磁场的磁感应强度，以提高磁流体的硬化程度，进而达到在出水段形成阻隔。

进一步地，如图1-图3所示，该电磁线圈4721设有多根，多根电磁线圈4721设于出水段4712，每根电磁线圈4721的线圈内可流经不同大小的电流，以在出水段形成连续不同硬度的磁流体；本发明的高压水射流钢轨打磨的连续可调喷嘴，控制多根电磁线圈内流经不同大小的电流，以激发不同磁感应强度的的磁场，并在每根电磁线圈的附近形成不同硬化程度的磁流体，以实现高压水射流钢轨打磨的连续可调喷嘴不同喷嘴类型的变化，以提高高压水射流钢轨打磨的连续可调喷嘴的实用性，能够根据不同的应用环境，实现不同喷嘴类型的切换，满足不同的使用需求，丰富用户的选择。

进一步地，如图1-图3所示，喷嘴上设有磁流体进出口4701和磁流体通道4702，该磁流体进出口4701设于喷嘴主体471的外周，该磁流体进出口4701通过磁流体通道4702与磁流体腔4714连通，该磁流体可通过磁流体进出口4701进入或者离开磁流体腔4714；电磁线圈4721具有线圈接头4722，该电磁线圈4721接头可通过磁流体进出口4701伸出。可以理解，该电磁线圈4721通过线圈接头4722能够与外部电源连接，以实现电磁线圈4721内电流的可调，而将线圈接头4722从磁流体进出口4701伸出，如此则无需外设隔外的电磁线圈出口。

进一步地，如图1-图3所示，470还设有磨料入口4703，该磨料入口4703设于喷嘴主体111的外周，该磨料入口4703远离磁流体进出口4701设置，该磨料入口4703还与水流通道连通。可以理解，磨料入口4703的作用是在该高压水射流钢轨打磨的470注入磨料，由于磨料的加入，使得高压水流动能增大，相应的切割能力也会得到提高，同时由于虹吸效应，磨料得以自动填入水流通道，而将磨料入口4703远离磁流体进出口4701设置，则可避免在加磨料过程与填充磁流体，拿出磁流体过程干涉，本发明的高压水射流钢轨打磨的470装置10还设有磨料入口密封圈47031，通过该磨料入口4703密封圈可避免高压水流从磨料入口4703处喷出。

进一步地，如图1-图3所示，进水段4711横截面大于出水段4712横截面，喷嘴内设有台阶结构，本发明的高压水射流钢轨打磨的470还包括过滤网4704，该过滤网4704的横截面大于台阶结构的横截面，该过滤网4704可在水压作用下固定于台阶结构上。可以理解，由于进水段4711横截面大于出水段4712横截面，使得出水段4712的流速加快，进一步提到高压水流的动能，以提高切割能力，而通过过滤网4704能够避免水流中外部杂质影响高压水射流钢轨打磨的470的使用，高压水射流钢轨打磨的470，通过该磨料入口4703密封圈可避免高压水流从该过滤网4704处喷出；

进一步地，如图1-图3所示，所述磨料罐43通过外接电路与连续可调喷嘴的磨料入口4703连接，喷嘴主体471的上表面通过管路与高压水箱46进行连接，从而提供高压源，磁流体进出口4701与磁流体罐依次相连，线圈接头4722与电源依次相连。

进一步地，如图1所示，所述智能定位模块5包括设于车架前端底部的工业摄像头51和与所述工业摄像头51相连的信号发射装置；所述工业摄像头51用于采集钢轨表面图像；所述信号发射装置与所述信号接收模块通信连接，用于向所述打磨车控制中心21发送所述工业摄像头51采集的钢轨表面图像数据；所述工业摄像头51距离水射流打磨模块中水射流打磨装置47的第一排水刀打磨中心距离为S，所述水射流打磨装置47的相邻两排水刀互相之间的间隔为L；本发明通过在打磨车前端底部安装智能定位模块和在驾驶室内安装打磨车控制中心来快速定位钢轨伤损位置；每当智能定位模块和打磨车控制中心监测到前方钢轨出现病害特征时，打磨车控制中心对病害特征进行标记并根据智能定位模块安装的位置参数与水射流打磨模块水刀的排列位置以及打磨车的行驶速度规划出各排水刀连续可调喷嘴启闭时间，从而完成每个水刀的打磨任务，实现对钢轨打磨的精确控制，避免水刀重复打磨、过度打磨，同时节约了资源。

如图4所示，本发明的另一个方面提供一种基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法，具体包括如下步骤

S1:启动打磨车，通过智能定位模块的工业摄像头采集钢轨表面图像，通过智能定位模块的信号发射装置将钢轨表面图像发送至打磨车控制中心；具体地，通过打磨车行驶导向模块2控制打磨车前进的方向，通过打磨车动力模块3提供打磨车前进的动力使打磨车向前行驶；通过打磨车前端底部的智能定位模块5的工业摄像头51采集钢轨表面图像；

S2:打磨车控制中心通过图像处理算法对所接收的所述钢轨表面图像进行病害特征识别获得钢轨病害特征数据信号；具体地，打磨车控制中心的信号接收模块通过图像处理算法对所接收的所述钢轨表面图像进行病害特征识别获得钢轨病害特征数据信号；其中，图像处理算法包括通过“灰度处理-降噪处理-自适应阈值变化-形态学操作”或通过YOLO目标检测算法来实现钢轨表面缺陷的识别；当采用YOLO算法识别钢轨表面病害时，需要提前对YOLO算法进行训练，通过大量钢轨表面病害特征的图片对YOLO算法进行训练以增加算法识别病害特征的准确度，进而保证在作业过程中智能定位模块5能够通过其搭载的工业摄像头准确识当前位置下钢轨的病害特征，并将打磨信息传递至位于其后方的水射流打磨装置47，进而为钢轨病害打磨修复作足准备；

S3:打磨车控制中心根据钢轨病害特征数据信号标记钢轨病害所在位置和确定钢轨损伤情况，同时识别打磨车行驶参数和打磨定位参数；具体地，通过打磨车控制中心的钢轨病害标记模块根据钢轨病害特征数据信号标记钢轨病害所在位置，通过打磨车控制中心的参数设定及识别模块识别打磨车行驶参数和打磨定位参数；打磨车行驶参数包括打磨车行驶的速度；打磨定位参数包括工业摄像头距离水射流打磨装置的第一排水刀中心位置的距离和水射流打磨装置的相邻两排水刀间隔距离；如打磨车行驶速度v(m/s)，工业摄像头距离最前方水射流打磨装置47的第一排水刀中心位置为S(m)，以及水射流打磨装置47的相邻两排水刀间隔距离L(m)；

S4:打磨车控制中心根据钢轨病害所在位置、打磨车行驶参数以及打磨定位参数控制水射流打磨装置的每一排水刀在到达所述病害所在位置后水刀连续可调喷嘴的自动启闭，同时，在连续可调喷嘴工作时，打磨车控制中心根据钢轨损伤情况控制连续可调喷嘴上的场生成器生成连续可调的固化磁场，进而改变连续可调喷嘴的孔径和形态，以适应与钢轨损伤相适配的工作模式，进而，实现所述病害所在位置钢轨损伤的全部针对性打磨修复任务；具体包括如下步骤：

S41:打磨车控制中心的打磨控制模块根据打磨车行驶速度和工业摄像头距离最前方水射流打磨装置的第一排水刀中心位置的距离计算水射流打磨装置的第一排水刀到达病害所在位置需要的时间，并控制第一排水刀在到达所述病害所在位置后自动启闭连续可调喷嘴完成打磨任务；具体地，水射流打磨装置47的第一排水刀到达病害所在位置需要的时间t1,t1＝S/v，单位为秒(s)；即需要经历S/v(s)后，水射流打磨装置47的第一排水刀会行驶到病害所在位置；当水射流打磨装置47的第一排水刀到达病害所在位置时，打磨车控制中心自动控制第一排水刀喷嘴打开对病害所在位置钢轨进行打磨，第一排水刀离开病害所在位置时自动关闭水刀喷嘴，完成第一排水刀在病害所在位置的打磨修复任务；

S42:打磨车控制中心的打磨控制模块根据打磨车行驶速度和相邻两排水刀间隔距离计算第一排水刀打磨任务完成后第二排水刀到达病害需要的时间，并控制第二排水刀在到达所述病害所在位置后自动启闭连续可调喷嘴完成打磨任务；具体地，水射流打磨装置47的第一排水刀行驶到病害所在位置后，第二排水刀到达病害需要的时间t2,t2＝L/v,单位为秒(s)；即水射流打磨装置47的第一排水刀执行完打磨任务后需要经历L/v(s)后，水射流打磨装置47的第二排水刀会行驶到病害所在位置；当水射流打磨装置47的第二排水刀到达病害所在位置时，打磨车控制中心自动控制第二排水刀喷嘴打开对病害所在位置钢轨进行打磨，第二排水刀离开病害所在位置时自动关闭水刀喷嘴，完成第二排水刀在病害所在位置的打磨修复任务；

S43:依此类推，打磨车控制中心的打磨控制模块依次计算后续各排水刀到达病害需要的时间，并控制后续各排水刀在到达所述病害所在位置后自动启闭连续可调喷嘴完成打磨任务，直至完成所述病害所在位置的全部打磨修复任务，避免重复打磨和过度打磨。

本发明提出的基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法及系统的工作原理，当打磨车控制中心根据智能定位模块在钢轨某一位置采集的钢轨表面图像识别到钢轨病害时，通过钢轨病害标记模块标记钢轨病害所在位置，通过参数设定及识别模块记录此时打磨车行驶速度v(m/s)，工业摄像头距离最前方水刀中心位置为S(m)，相邻两排水刀间隔L(m)，那么需要经历S/v(s)后，第一排水刀会行驶到打磨位置，当第一排水刀到达打磨位置时，打磨车控制中心自动控制喷嘴打开进行打磨，完成第一排水刀的打磨任务；当第一排水刀打磨后，经历L/v(s)后，第二排水刀行驶至打磨位置，打磨车控制中心自动控制打开第二排水刀喷嘴进行打磨，完成第二排水刀的打磨任务，以此类推，直至完成当前位置的所有打磨任务；本发明通过在打磨车前端底部安装智能定位模块和在驾驶室内安装打磨车控制中心来快速定位钢轨伤损位置；每当智能定位模块和打磨车控制中心监测到前方钢轨出现病害特征时，打磨车控制中心对病害特征进行标记并根据智能定位模块安装的位置参数与水射流打磨模块水刀的排列位置以及打磨车的行驶速度规划出各排水刀连续可调喷嘴启闭时间，从而完成每个水刀的打磨任务，实现对钢轨打磨的精确控制，避免水刀重复打磨、过度打磨，节约了资源；同时能够通过调整不同的喷嘴孔径，精确控制打磨位置和面积。

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)

1.一种基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:启动打磨车，通过工业摄像头采集钢轨表面图像，通过信号发射装置将钢轨表面图像发送至打磨车控制中心；

S2:打磨车控制中心通过图像处理算法对所接收的所述钢轨表面图像进行病害特征识别获得钢轨病害特征数据信号；

S3:打磨车控制中心根据钢轨病害特征数据信号标记钢轨病害所在位置和确定钢轨损伤情况，同时识别打磨车行驶参数和打磨定位参数；

S4:打磨车控制中心根据钢轨病害所在位置、打磨车行驶参数以及打磨定位参数控制水射流打磨装置的每一排水刀在到达所述病害所在位置后连续可调喷嘴的自动启闭，同时，在连续可调喷嘴工作时，打磨车控制中心根据钢轨损伤情况控制连续可调喷嘴上的场生成器生成连续可调的固化磁场，进而改变连续可调喷嘴的孔径和形态，以适应与钢轨损伤相适配的工作模式，进而，实现所述病害所在位置钢轨损伤的全部针对性打磨修复任务。

2.根据权利要求1所述的基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法，其特征在于，所述连续可调喷嘴包括喷嘴主体、场生成器和磁流体；所述喷嘴主体具有进水段和出水段；进水段与出水段之间形成有水流通道，出水段上设有磁流体腔，磁流体腔可发生形变；

所述场生成器设于所述喷嘴主体的出水段，场生成器包括电磁线圈，电磁线圈可根据内部流经的电流密度生成连续可调的磁场，通过所述场生成器能够生成连续可调的磁场；

所述磁流体设于所述喷嘴主体的磁流体腔内，所述磁流体的硬度可随所述场生成器生成磁场的磁场强度变化可发生变化，从而改变所述磁流体腔的截面面积；通过改变场生成器生成连续可调的磁场，以改变磁流体的硬度，进而在出水段形成高硬度磁流体以阻隔高压水流的通过，进而实现所述连续可调喷嘴的出水段口径连续可调，进而实现喷嘴口径连续可调。

3.根据权利要求2所述的基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法，其特征在于，步骤S2中的所述图像处理算法包括“灰度处理-降噪处理-自适应阈值变化-形态学操作”或通过YOLO目标检测算法。

4.根据权利要求3所述的基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法，其特征在于，步骤S3中的所述打磨车行驶参数包括打磨车行驶的速度；

所述打磨定位参数包括工业摄像头距离最前方水射流打磨装置的第一排水刀中心位置的距离和水射流打磨装置的相邻两排水刀间隔距离。

5.根据权利要求4所述的基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法，其特征在于，步骤S4中所述病害所在位置的全部打磨修复任务的完成还包括如下步骤：

S41:打磨车控制中心根据打磨车行驶速度和工业摄像头距离最前方水射流打磨装置的第一排水刀中心位置的距离计算水射流打磨装置的第一排水刀到达病害所在位置需要的时间，并控制第一排水刀在到达所述病害所在位置后自动启闭连续可调喷嘴完成打磨任务；

S42:打磨车控制中心根据打磨车行驶速度和相邻两排水刀间隔距离计算第一排水刀打磨任务完成后第二排水刀到达病害需要的时间，并控制第二排水刀在到达所述病害所在位置后自动启闭连续可调喷嘴完成打磨任务；

S43:依此类推，打磨车控制中心的打磨控制模块依次计算后续各排水刀到达病害需要的时间，并控制后续各排水刀在到达所述病害所在位置后自动启闭连续可调喷嘴完成打磨任务，直至完成所述病害所在位置的全部打磨修复任务。

6.一种基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨系统，用于实现如权利要求1-5中任一项所述的基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨方法，其特征在于，包括设于水射流打磨车(1)上的打磨车行驶导向模块(2)、打磨车动力模块(3)、水射流打磨模块(4)以及智能定位模块(5)；其中，

所述打磨车行驶导向模块(2)包括设于水射流打磨车(1)的驾驶室内的打磨车控制中心(21)、驾驶员座椅(22)以及驾驶室电控柜(23)；

所述打磨车控制中心(21)包括信号接收模块、图像处理算法模块、钢轨病害标记模块、参数设定及识别模块以及打磨控制模块；

所述信号接收模块用于接收所述智能定位模块(5)采集并发送的钢轨表面图像数据；

所述图像处理算法模块用于对所述信号接收模块接收的钢轨表面图像数据进行病害特征识别并获得钢轨病害特征数据信号；

所述钢轨病害标记模块用于标记钢轨病害所在位置；

所述参数设定及识别模块用于设定和识别打磨车行驶参数、打磨定位参数；

所述打磨控制模块用于控制所述水射流打磨模块(4)执行打磨任务，包括控制打磨水刀的自动启闭和控制连续可调喷嘴进行不同口径调整；

所述智能定位模块(5)设于所述水射流打磨模块(4)的前端，并彼此间留有间距，用于提前采集钢轨表面图像，并将钢轨表面图像传递给所述打磨车控制中心(21)；所述打磨车控制中心(21)根据所述智能定位模块(5)安装的位置参数、水射流打磨模块水刀的排列位置以及打磨车的行驶速度规划出所述水射流打磨模块(4)上各排水刀连续可调喷嘴启闭时间，从而完成每个水刀的打磨任务，实现对钢轨打磨的精确控制。

7.根据权利要求6所述的基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨系统，其特征在于：所述智能定位模块(5)包括设于车架前端底部的工业摄像头(51)和与所述工业摄像头(51)相连的信号发射装置；

所述工业摄像头(51)用于采集钢轨表面图像；

所述信号发射装置与所述信号接收模块通信连接，用于向所述打磨车控制中心(21)发送所述工业摄像头(51)采集的钢轨表面图像数据。

8.根据权利要求7所述的基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨系统，其特征在于，所述打磨车行驶参数包括打磨车行驶的速度；

所述打磨定位参数包括工业摄像头距离最前方水射流打磨装置的第一排水刀中心位置的距离和水射流打磨装置的相邻两排水刀间隔距离。

9.根据权利要求8所述的基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨系统，其特征在于：所述水射流打磨装置(47)包括并排设置的多排水刀；每一排水刀的切割角度各不相同，分别用于打磨钢轨的不同位置；通过多排水刀的依次打磨共同完成钢轨的全方位修复。

10.根据权利要求9所述的基于视觉定位的钢轨水射流连续可调打磨系统，其特征在于：所述水射流打磨装置(47)的每个水刀上均配置有连续可调喷嘴；所述连续可调喷嘴包括喷嘴主体、场生成器和磁流体；所述喷嘴主体具有进水段和出水段；进水段与出水段之间形成有水流通道，出水段上设有磁流体腔，磁流体腔可发生形变；

所述场生成器设于所述喷嘴主体的出水段，场生成器包括电磁线圈，电磁线圈可根据内部流经的电流密度生成连续可调的磁场，通过所述场生成器能够生成连续可调的磁场；

所述磁流体设于所述喷嘴主体的磁流体腔内，所述磁流体的硬度可随所述场生成器生成磁场的磁场强度变化可发生变化，从而改变所述磁流体腔的截面面积；通过改变场生成器生成连续可调的磁场，以改变磁流体的硬度，进而在出水段形成高硬度磁流体以阻隔高压水流的通过，进而实现所述连续可调喷嘴的出水段口径连续可调，进而实现喷嘴口径连续可调。

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