基于多线结构光视觉信息融合的钢轨磨耗高精度动态检测方法研究

The on-line detection of rail surface quality is an important means of improving the efficiency of railway maintenance, and nondestructive testing technology based the fusion of machine vision and information processing is the main application mode now. In view of the low dynamic measurement accuracy of rail wear caused by limited profile information when using single line structured-light pattern, the project intends to construct the multi-line structured-light vision platform, and solve the three major technical problems that restrict the high-accuracy dynamic measurement from the perspective of multi-profile information fusion: ①The extraction of laser stripe center and global calibration of visual system in the high-precision reconstruction of 3D rail profile; ②The recognition of useful profile and rectification of distorted profile in the complex field environment; ③The radial angle intersection points positioning of section profile and mosaic of segmented longitudinal corrugation in the integrative synchronous measurement of rail wear. The theories and methods acquired from the project can effectively improve the performance of track quality testing equipment, and have important scientific research values and social and economic significances.

钢轨表面质量在线检测是提高铁路线路维护效率的重要手段，而基于机器视觉与信息处理相融合的无损检测技术是目前主要的应用方式。本项目针对单线结构光模式轮廓信息量少引起的钢轨磨耗动态检测精度偏低问题，拟通过搭建多线结构光视觉测量平台，从多线轮廓信息融合的角度，着力解决制约钢轨磨耗高精度动态检测的三大技术难题：①高精度钢轨三维廓形重建中的光条中心线提取与视觉系统全局标定；②复杂现场环境下的有效轮廓识别与失真轮廓校正；③钢轨磨耗一体化同步测量中的断面径向角交点定位与分段纵向波磨拼接。项目所取得的理论成果与研究方法可有效提高轨道质量检测设备的性能，具有重要的科学研究价值和社会经济意义。

钢轨磨耗是影响行车安全和舒适性的主要因素。目前，基于单线结构光的视觉模式是实现钢轨磨耗动态检测的主要方式，但其存在精度偏低、稳定差的问题。基于此，项目组开展了基于多线结构光的钢轨磨耗动态检测方法研究，取得的主要成果如下：. （1）深入开展了钢轨光条中心线提取算法研究，提出了基于变宽高斯模板的钢轨光条中心线提取算法。该算法可有效抑制非廓形纹理，同时聚集断离光条，进而实现对复杂环境下，不同宽度廓形光条中心线的精确提取。. （2）系统研究了多线结构光标定算法，提出了基于钢轨自身几何特征约束的多线结构光全局自标定算法。所提算法仅需借助钢轨本身的几何特征就可取得和传统模板标定法相同的效果，具备更优的灵活性和普适性。. （3）重点分析了测量轮廓和标准轮廓误匹配导致磨耗计算错误问题，提出了基于粗匹配的有效廓形快速识别算法。所提算法通过轮廓粗配准和相似性度量来实现有效廓形快速识别，在直轨区、轨道接头区和道岔区采集的轮廓上均取得了良好的识别效果。. （4）针对钢轨磨耗动态检测过程中，廓形畸变失真问题开展了深入研究，分别提出了基于局部仿射不变特征描述和匹配的廓形失真校正算法。所提算法从仿射畸变参数求解的角度出发，实现对畸变廓形的校正，取得了良好的校正效果和较高的校正效率。. （5）全面分析了线结构光视觉技术在钢轨磨耗检测中面临的断面径向磨耗测点和纵向波磨测点定位问题，提出了基于变号法则的钢轨断面径向磨耗测点定位算法和基于多点轨距位移的钢轨纵向波磨测点定位算法。两种定位算法可有效解决原始廓形数据点分布和数量不一致的问题，进而保证钢轨横纵磨耗一体化测量的实现。. （6）深入开展了钢轨波磨拼接算法研究，提出了基于相似性度量和遗传算法相结合的钢轨波磨拼接方法。所提方法可有效解决车体振动导致拼接产生误差的问题，最终实现对相邻分段波磨曲线的精确拼接。