基于線結(jié)構(gòu)光傳感器的軌道板幾何形貌檢測方法

祝 祥，邵雙運(yùn)，宋志軍

(北京交通大學(xué) 理學(xué)院 光電檢測所，北京 100044)

1 引 言

1.1 軌道板檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的高鐵時(shí)速已經(jīng)突破300 km，高速行駛對(duì)軌道安全性提出了更高的要求。我國高鐵與其他大多數(shù)國家一樣，采用板式無砟軌道(CRTS型軌道板)鋪設(shè)，并經(jīng)歷了CRTS I、CRTS ll、CRTS lll 三個(gè)發(fā)展階段[1-3]。2009年開通的成都至都江堰客運(yùn)路線，率先應(yīng)用了板式無砟軌道成套技術(shù)，這是 CRTS lll型軌道板實(shí)際應(yīng)用的第一次嘗試。隨后CRTS lll型軌道板被廣泛應(yīng)用于湖北，沈陽等地的客運(yùn)鐵路[4-6]。CRTS lll型板式無砟軌道由底板，承軌面，檔肩等幾部分組成。

與CRTS I型軌道板模板相比，CRTS lll型軌道板模板精度要求和加工難度更高[7-8]，具體表現(xiàn)為：由于CRTS lll軌道板模底板模具上開有16個(gè)澆筑孔，導(dǎo)致底板整體易發(fā)生變形；承軌臺(tái)部分的幾何形狀多樣、對(duì)幾何參數(shù)的精度要求比較高，鑄造件表面平整度和坡度控制要求更高。軌道板的幾何尺寸精度對(duì)于保證高速鐵路的安全平穩(wěn)運(yùn)行起著重要作用，因此軌道板幾個(gè)關(guān)鍵幾何參數(shù)的測量具有重要的意義。

1.2 軌道板檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)軌道板檢測技術(shù)起步較晚，初期多借鑒學(xué)習(xí)發(fā)達(dá)國家的檢測技術(shù)，后來隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，逐漸發(fā)展出了比較規(guī)范的檢測技術(shù)。國內(nèi)現(xiàn)有的軌道板檢測方法主要有3種：游標(biāo)卡尺法、全站儀法和激光三維成像法[9-10]。

游標(biāo)卡尺法是最早應(yīng)用于鐵路現(xiàn)場的測量方法，一般由鐵路工人使用游標(biāo)卡尺直接對(duì)軌道板測量。利用游標(biāo)卡尺和配套的工具，基本可以滿足預(yù)埋套管、扣件間距等檢測項(xiàng)目的測量需求。但對(duì)于軌道板整體的大范圍幾何尺寸，則需要使用鋼尺進(jìn)行測量，承軌面坡度需要使用坡度尺進(jìn)行測量。游標(biāo)卡尺法的缺點(diǎn)是需要耗費(fèi)大量人力，并且屬于接觸式測量，在測量過程中存在安全隱患。

全站儀法檢測屬于單光點(diǎn)測量，是成都普羅米新科公司的專利技術(shù)“軌道板檢測標(biāo)架及其檢測方法”[11]。其利用安裝在軌道板承軌臺(tái)上測量標(biāo)架對(duì)軌道板進(jìn)行定位，再將專用測量棱鏡準(zhǔn)確架設(shè)于測量標(biāo)架上，結(jié)合全站儀的測角距參數(shù)具有較高精度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道板各幾何參數(shù)的測量；中鐵12局集團(tuán)有限公司提出了專利技術(shù)“一種用于CRTSⅡ型軌道板制板的檢測方法”[12]。利用托盤模具精調(diào)工裝，將平臺(tái)式軌道板檢測工裝放在軌道板每個(gè)承軌臺(tái)的擋肩面與承軌臺(tái)臺(tái)面上，結(jié)合精密角凹形球棱鏡，通過無線控制全站儀雙面觀測每個(gè)承軌臺(tái)特征點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，完成檢測。和傳統(tǒng)測量方法類似，現(xiàn)有的全站儀法需要的輔助工具過多，檢測流程復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，難以普及；并且檢驗(yàn)速度慢，平均每塊軌道板的檢測時(shí)間超過50 min。在實(shí)際生產(chǎn)中，工廠的軌道板日產(chǎn)量約為100塊，全站儀法不能完全滿足實(shí)時(shí)測量要求，對(duì)于工廠來說，生產(chǎn)效率會(huì)受到影響[13]。

激光三維成像法主要利用激光三角位移原理進(jìn)行測量。中國鐵道科學(xué)研究院于2016年提出一種基于三維成像的軌道板快速測量方法[14]，將三維數(shù)據(jù)和二維圖像相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)軌道板的快速檢測。該方法測量速度快，檢測結(jié)構(gòu)比較簡單，但在實(shí)際應(yīng)用中，待測軌道板吊裝時(shí)無法保證軌道板的基準(zhǔn)邊和基準(zhǔn)面與機(jī)械掃描裝置完全平行，對(duì)測量精度會(huì)產(chǎn)生較大影響。

1.3 本文的研究內(nèi)容

綜上所述，我國目前現(xiàn)有的軌道板檢測方法都存在一定的固有缺陷，無法滿足軌道板生產(chǎn)需求，影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，也為高鐵運(yùn)行帶來安全隱患。因此急需一種檢測時(shí)間短，檢測精度高，檢測設(shè)備簡單的軌道板測量方法。本文提出一種基于線結(jié)構(gòu)光傳感器的快速測量方法，利用單一輪廓即可獲得軌道板的關(guān)鍵幾何參數(shù)。搭建了完整的測量裝置，完成了軌道板三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集。受傳感器位姿，噪聲等影響，原始的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與待測物真實(shí)三維形貌存在偏差[15-16]，針對(duì)這一問題，本文提出一種基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的位姿校正方法，利用軌道板中特殊位置點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行位置和姿態(tài)的校正；根據(jù)特征參數(shù)定義，利用圖像處理的相關(guān)算法對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行位姿校正，最終基于單條激光輪廓獲得軌道板關(guān)鍵幾何參數(shù)。

2 基于線結(jié)構(gòu)光傳感器的軌道板測量

2.1 線結(jié)構(gòu)光測量方法

線結(jié)構(gòu)光測量方法是一種主動(dòng)式光學(xué)測量技術(shù)，由結(jié)構(gòu)光投射器向被測物體表面投射光條，并由CCD從另一個(gè)角度獲取光條的變形圖像，依據(jù)光條的變形情況，可以獲得待測物體表面的高度信息 。

圖1 三角法測量光路圖 Fig.1 Optical path schematic of triangulation measurement

圖1是線結(jié)構(gòu)光三角法光路圖，光源Q投射激光在待測物體表面H，OH為待測物體的高度信息，可以映射到像元表面距離MN，N點(diǎn)相對(duì)于中心像素M點(diǎn)的偏移量δ=MN。設(shè)相機(jī)的焦距為f，通過幾何關(guān)系可得被測物表面高度信息OH與偏移量δ的關(guān)系如公式(1)所示:

(1)

在實(shí)際測量中，待測物體表面某一點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息(Xw,Yw,Zw)，對(duì)應(yīng)到相機(jī)成像平面上的某一像點(diǎn)(u,v)，設(shè)μ為兩坐標(biāo)系的映射關(guān)系，則它們之間的關(guān)系可用公式(2)表示為：

(Xw,Yw,Zw)=μ(u,v) .

(2)

得到它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系之后，就可以恢復(fù)待測物體表面的高度信息，完成三維重構(gòu)。

2.2 三維測量系統(tǒng)

本文所采用的測量裝置如圖2所示，包括線結(jié)構(gòu)光傳感器；編碼器；電控位移平臺(tái)；固定支架4個(gè)部分。激光器將線結(jié)構(gòu)光投射到軌道板表面，與軌道板表面相切形成一條光刀，光刀會(huì)依據(jù)軌道板表面的形狀產(chǎn)生變形，最后由相機(jī)采集變形的光條信息。

圖2 測量裝置圖 Fig.2 Setup of measuring device

測量裝置搭建完成之后，依照?qǐng)D3所示流程掃描軌道板，獲取三維數(shù)據(jù)。

圖3 測量過程流程圖 Fig.3 Flow chart of measurement process

首先建立測量系統(tǒng)的世界坐標(biāo)系。通過相機(jī)與激光平面之間相對(duì)位置的標(biāo)定，確定坐標(biāo)系的Xs-Zs軸，即激光平面為Xs-Zs平面。將傳感器固定于電控位移平臺(tái)上，電控位移平臺(tái)沿Ys軸移動(dòng)，與Xs-Zs平面垂直。電控位移平臺(tái)的轉(zhuǎn)軸與增量式編碼器相連，步進(jìn)電機(jī)每移動(dòng)0.05 mm，編碼器將會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)至傳感器進(jìn)行采樣，傳感器在Ys軸上兩條輪廓之間的采樣間隔為0.05 mm，同時(shí)通過串口通信，可以得到軌道板在電控位移平臺(tái)移動(dòng)方向Ys軸上的位置信息。至此，就獲得了軌道板表面控位全部的XsYsZs三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將編碼器的脈沖信號(hào)和提取的光刀高度信息同步傳入采集系統(tǒng)中，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集過程。

測量時(shí)，選擇軌道板的一側(cè)作為采集起始位置，并在采集軟件中設(shè)置采樣間隔，考慮到軌道板的實(shí)際尺寸，每次的掃描長度設(shè)置為350 mm，采集完成后，軟件自動(dòng)生成三維坐標(biāo)信息及灰度信息并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，生成csv格式文件，如圖4所示，測量完成。

圖4 灰度信息和三維點(diǎn)云信息 Fig.4 Grayscale information and three dimensional point cloud information

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的位姿校正

3.1 位姿誤差的產(chǎn)生原因

如果在測量時(shí)，軌道板的位置和姿態(tài)比較理想，即軌道板底面與Xs-Zs平面垂直，與Xs-Ys平面平行，且傳感器移動(dòng)方向與承軌臺(tái)長邊垂直，可以基于單條激光輪廓提取軌道板參數(shù)。這種情況下處理的三維數(shù)據(jù)量小，算法簡單，處理速度快。但該方法對(duì)于測量裝置的位姿誤差十分敏感。如圖5所示，在實(shí)際測量過程中，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的產(chǎn)生依賴于傳感器和掃描裝置構(gòu)建的測量系統(tǒng)坐標(biāo)系XsYsZs，而需要測量的軌道板幾何參數(shù)是基于待測軌道板自身的世界坐標(biāo)系XwYwZw定義的，在放置待測軌道板的過程中，無法保證兩個(gè)坐標(biāo)系完全重合，因此最終得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)存在位姿誤差。

圖5 測量系統(tǒng)坐標(biāo)系 Fig.5 Coordinate systems in measurement system

在實(shí)際的測量應(yīng)用中，通過將傳感器固定在步進(jìn)電機(jī)上完成對(duì)軌道板的掃描。然而在掃描過程中，傳感器的掃描方向Xs可能與軌道板徑向Xw存在夾角如圖6，導(dǎo)致在XsOsYs平面內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)產(chǎn)生位姿偏移，無法直接用單條激光輪廓計(jì)算軌道板幾何參數(shù)。

圖6 掃描方向與軌道板中軸線存在夾角 Fig.6 Angle between the central axis of track plate and scanning direction

在放置軌道板的過程中，有可能因固定裝置角度等問題導(dǎo)致軌道板不能水平放置，有一端會(huì)翹起，此時(shí)采集到的三維數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生變形，傳感器的坐標(biāo)系XsYsZs與軌道板的世界坐標(biāo)系XwYwZw存在偏差，會(huì)對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生影響。該位姿偏差可分解為3個(gè)坐標(biāo)軸方向的夾角，兩個(gè)坐標(biāo)系X軸之間的夾角為θ1，Y軸之間夾角為θ2，Z軸之間夾角為θ3，如圖7所示。

圖7 兩個(gè)坐標(biāo)系之間存在偏差 Fig.7 Coordinate deviations between two coordinate systems

3.2 位姿校正方法

Δq={[(p+2p8+p7)·(p1+2p2+p3)]2+[(p3+2p6+p9)·(p1+2p4+p7)]2}1/2,

(3)

圖8 位姿校正流程圖 Fig.8 Flow chart of position and attitude correction

從圖9(b)中可以看出，因?yàn)槭艿皆肼暤挠绊?，輪廓邊緣像素表現(xiàn)為離散、斷裂的邊緣特征。為了得到完整邊緣線的直線方程，需要對(duì)該圖像做霍夫變換。如圖10所示，首先將邊緣線段在笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系下，在笛卡爾坐標(biāo)系下具有相同斜率和截距的直線上的點(diǎn)在極坐標(biāo)系下具有相同的極坐標(biāo)。因此同屬于一條邊緣直線的不連續(xù)邊緣輪廓在極坐標(biāo)系中會(huì)交于同一點(diǎn)。運(yùn)用兩個(gè)坐標(biāo)空間之間的變換將在一個(gè)空間中具有相同形狀的曲線或直線映射到另一個(gè)坐標(biāo)空間的一個(gè)點(diǎn)上形成峰值，從而把檢測直線的問題轉(zhuǎn)化為統(tǒng)計(jì)峰值問題。

圖9 (a)軌道板灰度矩陣圖像;(b)邊緣提取效果 Fig.9 (a)Grayscale matrix image of track plate; (b)extracted effect of edge

圖10 霍夫變換中的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換 Fig.10 Coordinate transformation in Hough transform

在霍夫變換識(shí)別出一組候選峰值后，通過設(shè)置最短線段長度和目標(biāo)角度區(qū)間，篩選出軌道板灰度圖像中承軌面和底面之間的邊緣線，得到直線方程y=kx+b，檢測效果如圖11所示。

圖11 霍夫變換檢測到的邊緣輪廓線 Fig.11 Edge contour detected by Hough transform

然后根據(jù)軌道板的幾何形狀特征進(jìn)行區(qū)域分割，找到軌道板底板部分，使用最小二乘法對(duì)底板部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平面擬合，設(shè)空間的平面方程為：

z=Ax+By+C,

(4)

式中，A、B、C為所要求取的擬合平面參數(shù)，待擬合點(diǎn)云數(shù)據(jù)為(xi，yi，zi)，i=1，2，…，n，應(yīng)使

(5)

最小，可得線性方程組

(6)

解上述線性方程組可得擬合平面方程參數(shù)A、B、C。擬合效果如圖12所示。

通過霍夫變換找到的邊緣直線方程和平面擬合得到的底面平面方程可以求解得到圖7中θ1、θ2和θ3的值。則軌道板點(diǎn)云數(shù)據(jù)在這兩個(gè)坐標(biāo)

圖12 平面擬合效果圖 Fig.12 Effect diagram of fitting plane

系中的描述關(guān)系可用公式(7)表示為：

(7)

圖13為位姿校正效果圖。如圖13所示，經(jīng)過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換之后，三維測量過程中產(chǎn)生的位姿誤差已被基本校正。

圖13 位姿校正效果圖 Fig.13 Position and attitude correction effect

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

中國鐵路總公司在《中國鐵路總公司高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無砟軌道先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板暫行技術(shù)條件》中給出了“軌道板外形尺寸偏差及檢測要求”，具體規(guī)定如表1所示。

表1 軌道板外形尺寸偏差及檢測要求Tab.1 Dimension deviation and test requirements of track plate

利用本文提出的測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)軌道板生產(chǎn)廠家制作的CRTS Ⅲ型軌道板標(biāo)準(zhǔn)模具進(jìn)行了測量。該軌道板幾何尺寸經(jīng)廠家檢測，滿足質(zhì)量要求，可作為標(biāo)準(zhǔn)參照物。采用線結(jié)構(gòu)光傳感器對(duì)軌道板掃描后，得到如圖4所示的點(diǎn)云信息。在此數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上利用軌道板的幾何參數(shù)定義，分別計(jì)算承軌面坡度，鉗口夾角，鉗口高度，小鉗口距離等4項(xiàng)關(guān)鍵幾何參數(shù)。首先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)處理，找到承軌面部分，鉗口內(nèi)側(cè)面部分和底面部分，用最小二乘法對(duì)這三部分分別進(jìn)行平面擬合，得到3個(gè)平面方程，再根據(jù)兩平面夾角公式即可計(jì)算出承軌面坡度。

在鉗口兩肩部分區(qū)域分別進(jìn)行極值搜索，為避免偶然性，選取Z值最大的10個(gè)點(diǎn)取平均值，即可得到兩側(cè)的鉗口高度。

根據(jù)軌道板的生產(chǎn)要求,小鉗口距離定義為:軌道板承軌面平面垂直向上28 mm高度處,兩個(gè)鉗口內(nèi)側(cè)面之間的距離即為小鉗口距離?；诖硕x，將前面擬合得到的承軌面平面沿其法向方向向上平移28 mm，分別與兩側(cè)的鉗口內(nèi)側(cè)面交于兩點(diǎn)，兩點(diǎn)間的距離即為小鉗口距離，如圖14所示。經(jīng)過三維位姿校正之后的三維數(shù)據(jù)，可以利用單個(gè)輪廓直接求解各項(xiàng)幾何參數(shù)，大大提升了計(jì)算速度和準(zhǔn)確性。

圖14 軌道板輪廓圖 Fig.14 Contour map of track plate

為驗(yàn)證傳感器的檢測效果，本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)軌道板模具進(jìn)行了多次測量，得到軌道板的幾項(xiàng)關(guān)鍵幾何參數(shù)如表2所示。

表2 測量結(jié)果Tab.2 Measurement results

由表1和表2可知，在對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行位姿校正后，各項(xiàng)幾何參數(shù)的測量精度均有較大提升，各項(xiàng)檢測指標(biāo)均符合技術(shù)要求。

5 結(jié) 論

本文提出了一種新的軌道板檢測方法，其利用線結(jié)構(gòu)光傳感器快速，準(zhǔn)確，非接觸對(duì)軌道板進(jìn)行三維測量和位姿校正。測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，測量速度快，承軌面坡度測量精度可達(dá)0.002°，鉗口高度和鉗口距離測量精度可達(dá)0.20 mm，滿足《中國鐵路總公司高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無砟軌道先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板暫行技術(shù)條件》的檢測要求。