一种基于图像处理的钢轨廓形检测装置及方法与流程

本发明涉及铁道钢轨检测
技术领域：
，具体涉及一种基于图像处理的钢轨廓形参数测量装置及方法。
背景技术：
：随着列车运行速度和密度的不断提升，对列车运行的平稳性、舒适性、安全性要求的不断提高，对钢轨的焊接技术中存在的影响因素也提出来更高要求。无缝焊接技术已成为主流，在焊接作业中，钢轨断面廓形的几何尺寸是影响钢轨的平直度的重要因素。焊轨厂在进行钢轨焊接作业中，若焊接处两端面的尺寸不一致将导致钢轨品质的下降，增加打磨工作量，且影响行车安全。当前的钢轨廓形参数测量方法存在钢轨廓形的匹配精度不高，影响了测量精度，本发明在进行标定的过程中进行了多次特征点的运算，并提取相对精度较高的特征点，并采用线性度高的矩形标准块，提高了标定的准确性和精度。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是：鉴于以上所述，提供一种基于图像处理的钢轨廓形检测装置及方法，以提高图像拼合的精度，从而提高钢轨廓形尺寸的检测精度。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：本发明提供的基于图像处理的钢轨廓形检测装置，其特征是包括四个传感器、传感器支架、底座、轨道输送辊和钢轨，其中：四个传感器为激光轮廓传感器，它们分别安装在传感器支架的四个内角处，并且各传感器坐标系的Z轴均相交于传感器支架的中心，传感器支架固定在该检测装置的底座上，同时底座上固定有轨道输送辊，用来支撑和输送钢轨。所述的四个传感器，均采用相同型号的线性激光测距传感器。本发明提供的基于图像处理的钢轨廓形检测方法，具体是：利用非接触激光成像原理，采用四个三维激光轮廓传感器采集钢轨断面轮廓数据，通过对各个传感器采集到的图像数据进行坐标变换、旋转、平移，进行图形拼合，获取钢轨断面轮廓，将计算得出的断面轮廓几何尺寸与铁标进行比较判断。上述方法中，在采用该数据进行钢轨廓形参数的测量前，先用矩形块作为钢轨断面轮廓检测的标准块进行数据标定，计算旋转角度R1、R2、R3、R4和平移量S1、S2、S3、S4，以后的每次测量就无需再进行标定，只需将钢轨放置在测量工位上，直接采用标定参数：旋转角度和平移量获得完整的钢轨断面轮廓，以提高钢轨廓形检测效率。上述方法中，可以采用线性度较好的长方体标准块对其进行标定，具体是：将四个传感器对称安装在与中轴线均呈45°位置，长方体标准块中心高度与四个传感器对称安装形成的正方形的中心位置高度保持一致，然后将四个传感器采集到的图像进行坐标旋转变换处理，统一到同一个世界坐标系中，以其中一个图像作为基准，找出四个图像中的特征点，根据特征点将其余三个图像向基准平移，进行图形拼合，获取标准块断面轮廓，得到标定数据：旋转角度和平移量。上述方法中，在进行数据标定过程中，可以包括以下步骤：(1)采用给定尺寸的标准块放在检测工位上，开启激光传感器；(2)将四个激光传感器输出的数据坐标系进行旋转变换，将其统一到同一个世界坐标系中，获得标定参数1，其为旋转角R1、R2、R3、R4；(3)将旋转后的数据根据标准块的尺寸进行坐标平移，获得标定参数2，其为数据平移量S1、S2、S3、S4。上述方法中，所述的旋转变换处理包括以下步骤方法：步骤1，标记采集数据的起始点，根据标准块的尺寸判断标准块的顶边、底边和侧边；步骤2，将获得的顶边或底边进行线性拟合：四个激光传感器中，第一传感器和第三传感器的底边进行线性拟合，第二传感器和第四传感器的顶边进行线性拟合，由于四个传感器的X轴方向精度为0.15mm，所取顶边或底边的数据距边的端点至少5mm，以取距端点和拐点各舍掉50个点后的系列数据作拟合直线；步骤3：得到四条拟合直线的斜率分别为K1、K2、K3、K4，继而得到拟合直线的倾斜角度θ＝tan-1K，倾斜角度分别记为：θ1，θ2，θ3，θ4；根据每幅图像的底边或顶边与侧边的相对位置，旋转角度分别为R1＝180°-θ1，R2＝180°-θ2，R3＝-θ3，R4＝-θ4，将旋转角度分别代入坐标旋转公式：|x′i＝xoffset+xi×cosR-yi×sinRy′i＝yoffset+xi×sinR+yi×cosR式中：R为旋转角度，xoffset为X方向的平移量，yoffset为Y方向的平移量，(xi，yi)为传感器采集到的原始数据点坐标，(x′i，y′i)为坐标(xi，yi)以旋转角R旋转，以及以向量(xoffset，yoffset)平移后的点坐标，在计算数据平移量之前，式中(xoffset，yoffset)＝(0,0)；步骤4：得到每组数据旋转后的图像，并将旋转后的数据统一到同一世界坐标系中。上述方法中，可以根据旋转后的图像将四个坐标系进行平移处理，具体是将一个传感器的图像保持不变，将其余三个传感器旋转后的图像向第一传感器的图像进行平移，获得拼接后的标准块断面轮廓图,从而获得标定参数2，即数据平移量S1、S2、S3、S4；所述平移处理包括以下步骤：步骤1：将第二传感器的拐点平移到与第一传感器的拐点的X坐标重合，Z坐标在第一传感器的拐点的Z坐标向上长度为标准块宽的距离的点重合，以该平移量平移第二传感器的图像数据；将第三传感器的拐点平移到与第一传感器的拐点的Z坐标重合，X坐标在第一传感器的拐点的X坐标向右长度为标准块长的距离的点重合，以该平移量平移第三传感器的图像数据；将第四传感器的拐点平移到与第一传感器的拐点的X坐标向右长度为标准块长的距离，第一传感器的拐点的Z坐标向上长度为标准块宽的距离的点重合，以该平移量平移第四传感器的图像数据；步骤2：用上述标定过程中线性拟合的方法求各传感器采集到的侧边的拟合直线，分别计算每个传感器采集到的原始数据的顶边或底边的拟合直线与侧边的拟合直线的交点，并将该点以及对应的旋转角代入坐标旋转公式，获得旋转后的拐点Zmax1，Zmax2，Zmax3，Zmax4；步骤3：将每个传感器采集到的原始数据进行多次采集，采集N次，取出N组数据的经过步骤2所得的拐点Zmax1，Zmax2，Zmax3，Zmax4，分别求其平均值，得到Avgmax1，Avgmax2，Avgmax3，Avgmax4；步骤4：第一传感器的旋转后数据的平移量为S1＝0，第二传感器的旋转后数据的平移量为S2＝Avgmax2(x,z)-Avgmax1(x,z+b)，第三传感器的旋转后数据的平移量为S3＝Avgmax3(x,z)-Avgmax1(x+a,z)，第四传感器的旋转后数据的平移量为S4＝Avgmax4(x,z)-Avgmax1(x+a,z+b)。本发明提供的上述的方法，通过此钢轨断面轮廓测量其廓形尺寸中的应用，所述廓形尺寸包括轨高、轨头宽、轨腰厚、轨底边缘厚度、轨底宽、断面不对称度。本方法应用时，是根据国标TB/T3276-2011、TB/T2344-2012廓形尺寸规定计算原理，将拼合完成后的钢轨断面轮廓去除重复获取数据的区域，用三次样条曲线分段拟合廓形数据，在样条曲线上计算廓形尺寸，所得结果重复性较好，测量精度与重复精度均高于±0.03。本发明与现有技术相比有以下的主要的优点：1.采用制造精度可控，制作简单的线性度好的矩形标准块作为标定块进行标定，简化标定过程，便于实现自动测量；2.采用高精度传感器(线性激光测距传感器)和线性拟合的方法获取旋转角及平移量，提高了测量的准确性；3.无需进行多次坐标系转换，只采用三次样条拟合获取的钢轨廓形数据，检测钢轨的廓形尺寸，减小了累积误差，提高了测量精度；4.采用线性度较好的标准块进行标定，能够自动补偿安装和制造误差。附图说明图1是本发明基于图像处理的钢轨廓形检测装置的结构示意图。图2为本发明基于图像处理的钢轨廓形检测方法的标准块标定前示意图。图3为本发明基于图像处理的钢轨廓形检测方法的标准块标定后的数据旋转后的效果图。图4为本发明基于图像处理的钢轨廓形检测方法的标准块拼接后的标准块的标定结果图。图5为本发明基于图像处理的钢轨廓形检测方法的钢轨断面廓形实测结果图。图中：1.第一传感器，2.第二传感器，3.第三传感器，4.第四传感器，5.传感器支架，6.底座，7.轨道输送辊，8.钢轨。具体实施方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。本发明提供基于图像处理的钢轨廓形检测检测装置及方法，利用图1所示的装置实现，该装置利用激光传感器的三角测距原理采集轮廓数据，经过标定后获得钢轨8断面轮廓尺寸数据，采用该数据进行钢轨廓形参数的测量。该装置包括四个传感器、传感器支架5、底座6、轨道输送辊7和钢轨8，其中：四个传感器为激光轮廓传感器，分别是第一传感器1、第二传感器2、第三传感器3、第四传感器4，均采用相同型号的线性激光测距传感器(如Gocator2350传感器)，它们分别安装在传感器支架5的四个内角处，并且各传感器坐标系的Z轴均相交于传感器支架的中心，传感器支架固定在该检测装置的底座6上，同时底座上固定有轨道输送辊7，用来支撑和输送钢轨8。所述四个激光轮廓传感器，其采集到的断面轮廓数据点分别在各自的传感器坐标系中，因此使用该装置进行钢轨廓形检测前必须进行数据标定，使得该装置能够输出完整的钢轨廓形。本发明在进行钢轨廓形检测前必须进行数据标定过程中，包括以下步骤：1.采用给定尺寸的标准块放在检测工位上，开启激光传感器；2.将四个激光传感器输出的数据坐标系进行旋转变换，将其统一到同一个世界坐标系中，获得标定参数1，其为旋转角R1、R2、R3、R4；3.将旋转后的数据根据标准块的尺寸进行坐标平移，获得标定参数2，其为数据偏移量S1、S2、S3、S4。本发明提供的基于图像处理的钢轨廓形检测方法，先用标准块进行标定，计算旋转角度R1、R2、R3、R4和平移量S1、S2、S3、S4，以后的每次测量就无需再进行标定，提高了检测效率。钢轨截面是由直线和圆弧构成，作旋转变换时对于某些传感器无法采集到直线部分，增加了计算量，并且将标准钢轨作为标准块对其精度要求较高，成本增加，因此本发明采用矩形块作为标定块，其线性度好，在标定过程中便于计算。在标定过程中，如图2、图3所示，先将四个传感器的数据坐标系进行旋转变换处理，然后统一到同一个世界坐标系中进行标定。所述旋转变换处理包括以下步骤方法：步骤1：标记采集数据的起始点，根据标准块的尺寸判断标准块的顶边、底边和侧边；步骤2：将获得的顶边或底边进行线性拟合：可知传感器1和传感器3的底边进行线性拟合，传感器2和传感器4的顶边进行线性拟合，由于该传感器的X轴方向精度为0.15mm，所取顶边或底边的数据距边的端点至少5mm，该发明实例取距端点和拐点各舍掉50个点后的系列数据作拟合直线；步骤3：得到四条拟合直线的斜率分别为K1、K2、K3、K4，继而得到拟合直线的倾斜角度θ＝tan-1K，倾斜角度分别记为：θ1，θ2，θ3，θ4；根据每幅图像的底边或顶边与侧边的相对位置，旋转角度分别为R1＝180°-θ1，R2＝180°-θ2，R3＝-θ3，R4＝-θ4，将旋转角度分别代入坐标旋转公式：|x′i＝xoffset+xi×cosR-yi×sinRy′i＝yoffset+xi×sinR+yi×cosR式中：R为旋转角度，xoffset为X方向的平移量，yoffset为Y方向的平移量，(xi，yi)为传感器采集到的原始数据点坐标，(x′i，y′i)为坐标(xi，yi)以旋转角R旋转，以及以向量(xoffset，yoffset)平移后的点坐标。步骤4：得到每组数据旋转后的图像，并将旋转后的数据统一到同一世界坐标系中。所述的标定过程是根据所采集的图像将四个坐标系进行平移，具体做法是将传感器1的图像保持不变，将其余三个传感器旋转后的图像向传感器1的图像进行平移，其拼接后的示意图如图4所示。设标准块的长为a,宽为b,该平移处理包括以下步骤方法：步骤1：分析图3可知，可将传感器2的拐点平移到与传感器1的拐点的X坐标重合，Z坐标在传感器1的拐点的Z坐标向上长度为标准块宽的距离的点重合，以该平移量平移传感器2的图像数据；将传感器3的拐点平移到与传感器1的拐点的Z坐标重合，X坐标在传感器1的拐点的X坐标向右长度为标准块长的距离的点重合，以该平移量平移传感器3的图像数据；将传感器4的拐点平移到与传感器1的拐点的X坐标向右长度为标准块长的距离，传感器1的拐点的Z坐标向上长度为标准块宽的距离的点重合，以该平移量平移传感器4的图像数据；步骤2：用上述标定过程中线性拟合的方法求各传感器采集到的侧边的拟合直线，分别计算每个传感器采集到的原始数据的顶边或底边的拟合直线与侧边的拟合直线的交点，并将该点以及对应的旋转角代入坐标旋转公式，获得旋转后的拐点Zmax1，Zmax2，Zmax3，Zmax4；步骤3：将每个传感器采集到的原始数据进行多次采集，采集N次，取出N组数据的经过步骤2所得的拐点Zmax1，Zmax2，Zmax3，Zmax4，分别求其平均值，得到Avgmax1，Avgmax2，Avgmax3，Avgmax4；步骤4：传感器1的旋转后数据的平移量为:S1＝0；传感器2的旋转后数据的平移量为：S2＝Avgmax2(x,z)-Avgmax1(x,z+b)；传感器3的旋转后数据的平移量为：S3＝Avgmax3(x,z)-Avgmax1(x+a,z)，传感器4的旋转后数据的平移量为:S4＝Avgmax4(x,z)-Avgmax1(x+a,z+b)；所述的标定过程，采用截面参数长为a＝159.12mm,宽为b＝157.80mm，尺寸公差为±0.02mm的标准块，经过旋转和平移变换后，经多次变换取平均值，所得结果如表1所示：传感器在传感器支架上的理论安装夹角为45°，从表1可知，旋转角度与X轴的夹角并不完全为45°，这是因为存在制造安装误差，系统标定过程中可以实现对制造和装配误差的自动补偿。如图5所示，为钢轨断面廓形示意图，将待检测钢轨放在传感器可测区域内，使用标定的旋转角和平移量对采集到的钢轨廓形数据根据表1中的标定参数进行旋转和平移变换得到钢轨断面完整轮廓。通过此钢轨断面轮廓测量其廓形尺寸，包括：轨高、轨头宽、轨腰厚、轨底边缘厚度、轨底宽、断面不对称度，根据TB/T3276-2011、TB/T2344-2012廓形尺寸计算原理，将拼合完成后的钢轨断面轮廓去除重复获取数据的区域，用三次样条曲线分段拟合廓形数据，在样条曲线上计算廓形尺寸，所得结果如表2所示。由表2可知，该基于图像处理的钢轨廓形检测方法的重复性较好，测量精度与重复精度均高于±0.03。表1标定结果数据表旋转角(°)X轴偏移量(mm)Z轴偏移量(mm)传感器1135.059600传感器244.41731.2087-141.7731传感器3-135.0056150.97005.5178传感器4-45.2616154.1022-141.3155表2钢轨廓形尺寸测量结果(单位：mm)当前第1页1 2 3