钢轨轮廓的损耗检测方法、装置和系统与流程

1.本发明涉及损耗测试技术领域，尤其是涉及一种钢轨轮廓的损耗检测方法、装置和系统。


背景技术：

2.钢轨是铁路轨道的主要组成部件。它的功用在于引导机车车辆的车轮前进，承受车轮的巨大压力，并传递到轨枕上。钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面。在电气化铁道或自动闭塞区段，钢轨还可兼做轨道电路之用。
3.随着我国铁路、地铁等轨道交通技术高速的发展、机车车辆轴重的增加、车速的提高，对铁路线路的质量提出了更高要求，钢轨表面病害的整治已迫在眉睫。铁路和地铁等常用的钢轨，它的使用寿命受控于滚动接触产生的疲劳裂纹和磨耗。疲劳裂纹影响钢轨探伤、轮轨运行状态、增加维护成本、缩短钢轨使用寿命，甚至引起断轨；磨耗，特别是曲线上股侧磨导致钢轨过早下道。为延缓钢轨滚动接触疲劳伤损和磨耗的发展、延长钢轨使用寿命，必须采用现代化的钢轨养修技术来实现。而要达到理想的养修效果，首先要对钢轨进行检测，只有在了解了钢轨当前的损耗的情况下，才能根据不同情况进行准确有效的养修。


技术实现要素：

4.基于此，本发明的目的在于提供一种钢轨轮廓的损耗检测方法、装置和系统，以精确检测钢轨轮廓的损耗。
5.第一方面，本发明提供一种钢轨轮廓的损耗检测方法，应用于载体平台，该方法包括：发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光，并采集回返数据；对回返数据进行拼接以及振动补偿修正，得到钢轨的实际轮廓；通过迭代最近点技术将实际轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果；根据匹配结果，确定钢轨轮廓的损耗值。
6.在可选的实施方式中，载体平台设置有激光传感器；发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光，并采集回返数据的步骤，包括：根据预设的第一时间间隔或者预设的第一空间间隔，激光传感器发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光；根据预设的第二时间间隔或者预设的第二空间间隔，激光传感器采集回返数据；其中，回返数据包括：回返激光数据、回返激光数据所对应的当前的时间数据、位置数据、载体平台的姿态数据、载体平台的速度数据、载体平台在目标时间内行驶的距离数据，姿态数据包括横滚角、偏航角和俯仰角；将回返数据保存至预设的同步数据库。
7.在可选的实施方式中，对回返数据进行拼接以及振动补偿修正，得到钢轨的实际轮廓的步骤，包括：将回返激光数据转换为回返激光点云；根据预设的标定角度，对多个回返激光点云进行角度修正；对角度修正后的回返激光点云进行物理拼接，得到第一完整钢轨点云；对第一完整钢轨点云进行滤波修正，得到第二完整钢轨点云；对第二完整钢轨点云进行振动补偿修正，得到钢轨的实际轮廓。
8.在可选的实施方式中，对第二完整钢轨点云进行振动补偿修正，得到钢轨的实际
轮廓的步骤，包括：对第二完整钢轨点云进行载体坐标系转换，得到第三完整钢轨点云；根据同步数据库中的横滚角、偏航角和俯仰角对第三完整钢轨点云进行振动补偿修正，得到钢轨的实际轮廓。
9.在可选的实施方式中，通过下式计算根据横滚角、偏航角和俯仰角对第三完整钢轨点云进行振动补偿修正：其中，xs、ys为实际轮廓的点坐标，xm、ym为激光传感器装置在第三完整钢轨点云的点坐标；θr为横滚角、θh为偏航角、θ
p
为俯仰角。
10.在可选的实施方式中，通过迭代最近点技术将实际轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果的步骤，包括：根据实际轮廓确定源点云；根据预先获取的标准轮廓确定目标点云；基于源点云和目标点云确定对应点对；基于对应点对构造旋转矩阵和平移矩阵；基于旋转矩阵和平移矩阵，将源点云变换至目标点云的坐标系下；根据目标点云与变换后的源点云确定误差函数；判断误差函数是否满足预设的函数条件，若误差函数满足预设的函数条件，则生成钢轨的最终轮廓；将最终轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果。
11.在可选的实施方式中，基于源点云和目标点云确定对应点对的步骤，包括：选择符合预设的曲率规则的源点云作为第一源点云，或者，选择稳定度符合预设的稳定度规则的源点云作为第一源点云；基于第一源点云与目标点云确定对应点对。
12.在可选的实施方式中，根据匹配结果，确定钢轨轮廓的损耗值的步骤，包括：根据匹配结果，对比预先设定的目标位置的最终轮廓的实际坐标与标准轮廓的标准坐标之间的差值，得到钢轨轮廓的损耗值，其中，损耗值至少包括以下之一：侧面损耗值、垂直损耗值以及总损耗值。
13.第二方面，本发明提供一种钢轨轮廓的损耗检测装置，上述损耗检测装置包括：结构性激光处理模块，用于发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光，并采集回返数据；振动补偿修正模块，用于对回返数据进行拼接以及振动补偿修正，得到实际轮廓；迭代模块，用于通过迭代最近点技术将实际轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果；损耗计算模块，用于根据匹配结果，得到钢轨轮廓的损耗值。
14.第三方面，本发明提供一种钢轨轮廓的损耗检测系统，上述损耗检测系统用于执行前述实施方式的损耗检测方法；损耗检测系统包括载体平台、服务器、激光传感器、交互装置、光电编码装置、定位装置、姿态采集装置、时钟装置、同步装置和存储装置；服务器、激光传感器、交互装置、光电编码装置、定位装置、姿态采集装置、时钟装置、同步装置和存储装置均设置于载体平台上；交互装置，用于接收指令；同步装置，用于根据指令，控制激光传感器、光电编码装置、定位装置、姿态采集装置和时钟装置同步工作；激光传感器，用于发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光，并采集回返数据；光电编码装置，用于采集载体平台的速度数据和载体平台在目标时间内行驶的距离数据；定位装置，用于采集载体平台的位置
数据；姿态采集装置，用于采集载体平台的姿态数据；时钟装置，用于采集时间数据；同步装置，还用于将回返数据、速度数据、距离数据、位置数据、姿态数据和时间数据存储至同步数据库；存储装置，用于存储同步数据库；服务器，用于对回返数据进行拼接以及振动补偿修正，得到实际轮廓，通过迭代最近点技术将实际轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果；根据匹配结果，得到钢轨轮廓的损耗值。
15.本发明的有益效果如下：
16.本发明提供了一种钢轨轮廓的损耗检测方法、装置和系统，应用于载体平台，该方法包括：发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光，并采集回返数据；对回返数据进行拼接以及振动补偿修正，得到钢轨的实际轮廓；通过迭代最近点技术将实际轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果；根据匹配结果，确定钢轨轮廓的损耗值。本发明通过发射对称性的结构激光、对回返激光进行振动补偿修正以及通过迭代最近点技术匹配轮廓这三种技术方案，更加精确地计算得到了钢轨轮廓的损耗值。
17.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。
18.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例提供的一种钢轨轮廓的损耗检测方法流程图；
21.图2为本发明实施例提供的第二种钢轨轮廓的损耗检测方法流程图；
22.图3为本发明实施例提供的碎片化点云示意图；
23.图4为本发明实施例提供的角度修正后的回返激光点云示意图；
24.图5为本发明实施例提供的全断面钢轨廓形示意图；
25.图6为本发明实施例提供的匹配结果示意图；
26.图7为本发明实施例提供的信号—数据—信息的传译过程示意图；
27.图8为本发明实施例提供的一种钢轨轮廓的损耗检测装置示意图；
28.图9为本发明实施例提供的一种钢轨轮廓的损耗检测系统示意图；
29.图10为本发明实施例提供的系统实物示意图。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护
的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.钢轨廓形(或轮廓)磨耗动态测量作为轨道检测关键技术，在轨道检测中占有重要地位。检测结果可直接用于轨道几何参数计算，同时为钢轨表面掉块检测和钢轨光带异常研究提供基础数据。目前廓形磨耗动态检测技术主要分为接触式检测和非接触式检测两种。
33.接触式测量也称为静态测量。接触式测量又可以分为两类：(1)采用机械设备接触式测量，一般通过卡尺手工测量，这种测量设备是用来测量钢轨水平磨耗和垂直磨耗的专用测量工具。它是以钢轨的外面非磨耗边的轨鄂为基准点，分别用游标尺测量出两个磨耗点磨耗值。根据轨型的不同分别有不同的对应型号的测量器。(2)机械和电子、可编程技术等结合开发的电子检测设备。检测时，接触式检测探头扫描轨外形来获得钢轨外形曲线，通过与标准钢轨外形比较得到磨耗值(即损耗值)。
34.非接触式测量指的是在不接触被测物体表面的情况，一般安装在轨道检测车上的线结构激光器对钢轨状态进行检测。线结构光主要原理是三角测量法，激光器会向目标对象发出一束激光，由于目标对象外表面粗糙且不平整，因此产生漫反射的现象；然后通过成像系统在另外一个角度对目标物体的外表面反射回来的部分激光器发出的光束进行汇集，光斑之后会在相机上生成与之对应的像；当目标物体外表面跟着激光轴线发生位置上的改变的时候，其反射角同样也会产生相应的改变，那么光斑在线阵上的所呈现相对应的像也就会跟着产生对应的位置改变，那么所呈现像的位置和激光轴线所在的位置是具有互相的对应关系的；最终根据对应的深度坐标就可以根据位置关系进行计算得出最终将钢轨轮廓，再把提取之后的轮廓与标准钢轨轮廓进行匹配，得到磨耗值。
35.接触式测量方法的局限性是：该方法利用机械设备测量的方法完全依靠人工，该方法工作量大、工作效率低且工作时存在一定的安全隐患，长期使用会造成工具的磨损，而降低测量设备的性能。而利用电子设备接触式测量方法也需要人工参与，同样存在工作量大、环境恶劣等问题。
36.非接触式测量法的局限性是：该方法在实际检测中会受到环境光、漫反射、钢轨上油污残留物的影响，同时钢轨本身的粗糙程度及其测量装置本身的误差例如相机镜头光学畸变误差、设备振动导致的激光器位移误差等均可能对最终的钢轨廓形造成影响，这也使钢轨轮廓的提取变得复杂起来。
37.基于此，本发明提出一种钢轨轮廓的损耗检测方法、装置和系统，该技术是对非接触式测量法的改进，是一种不受照明条件影响、检测项目全备、动态、连续、高效、精确的钢轨廓形磨耗检测方法。该技术属于仪器科学与技术的领域，涉及到一种基于多传感器集成技术与激光测距技术的钢轨廓形磨耗动态检测方法及装置，可以广泛应用在轨道交通钢轨轨面的日常巡检、钢轨打磨等场景中。
38.实施例一
39.本实施例提供了一种钢轨轮廓的损耗检测方法，应用于载体平台。
40.具体地，上述载体平台可以是可沿着钢轨移动的推车，该推车上搭载有多个发射结构性激光的装置，即激光传感器，且这些传感器是相对于钢轨的两侧轨道对称的；人工推
行该推车在钢轨上移动，就可以根据采集的回返激光自动计算钢轨轮廓的损耗。
41.如图1所示，该方法包括：
42.步骤s102，发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光，并采集回返数据。
43.具体地，发射激光和采集回返数据都是激光传感器执行的。上述回返数据时，会根据用户的指令，每隔一段时间或者每隔一段距离就会发射激光或者采集回返激光。一般来说，在本方案中，推车每移动6mm(该距离可以人工设置)，就可以采集一次回返数据，但是，如果是人工采集，则采集间隔做不到这么精确，而且也浪费人力、物力。
44.具体地，上述回返数据不仅包括回返激光数据，还包括采集回返激光数据时对应的时间、位置、速度、姿态角等信息，将周期性采集的这些所有信息进行空间和时间的匹配，然后打包组合作为回返数据，然后存储至数据库中，以供后续调用。
45.步骤s104，对回返数据进行拼接以及振动补偿修正，得到钢轨的实际轮廓。
46.具体地，回返数据是每个时刻(即一瞬间)、多个钢轨位置所对应的数据，是碎片化的，所以需对其进行拼接，拼接成一种初步完整的轮廓。
47.具体地，回返数据是由激光传感器直接采集的，但后续的计算都是基于载体平台进行的计算，所以，还要对上述初步完整的轮廓进行坐标系的转换，即从激光传感器坐标系转换到载体平台坐标系。
48.具体地，载体平台是一种推车，该推车沿着钢轨移动，钢轨不够平滑，或者人工操作会有误差，因此必然会振动或者抖动，所以，需要根据姿态采集装置采集的姿态角信息来对轮廓进行抖动修正，得到钢轨的实际轮廓。
49.步骤s106，通过迭代最近点技术将实际轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果。
50.具体地，迭代最近点技术是根据实际轮廓所对应的点云和标准轮廓所对应的点云，进行矩阵构造、坐标系转化、建立误差函数等操作，从而得到更加精确的轮廓，也称为最终轮廓。再将最终轮廓与标准轮廓的边缘信息进行对应，得到匹配结果。在此，标准轮廓指的是铁路部发布的标准文件中的轮廓数据。
51.步骤s108，根据匹配结果，确定钢轨轮廓的损耗值。
52.具体地，上述匹配结果可以以图片的形式展示，服务器再利用边缘计算软件，就可以自动计算出匹配结果中的最终轮廓与标准轮廓的差异，即得到钢轨轮廓的损耗值。
53.本发明提供了一种钢轨轮廓的损耗检测方法，应用于载体平台，该方法包括：发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光，并采集回返数据；对回返数据进行拼接以及振动补偿修正，得到钢轨的实际轮廓；通过迭代最近点技术将实际轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果；根据匹配结果，确定钢轨轮廓的损耗值。本发明通过周期性发射及采集对称性的结构激光、对回返激光进行振动补偿修正以及通过迭代最近点技术匹配轮廓这三种技术方案，更加精确地计算得到了钢轨轮廓的损耗值。
54.实施例二
55.第二方面，本实施例提供第二种钢轨轮廓的损耗检测方法，如图2所示，该方法包括：
56.步骤s202，根据预设的第一时间间隔或者预设的第一空间间隔，激光传感器发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光；根据预设的第二时间间隔或者预设的第二空间间隔，
激光传感器采集回返数据。
57.在具体实施时，载体平台设置有激光传感器；回返数据包括：回返激光数据、回返激光数据所对应的当前的时间数据、位置数据、载体平台的姿态数据、载体平台的速度数据、载体平台在目标时间内行驶的距离数据，姿态数据包括横滚角、偏航角和俯仰角。
58.具体地，除了回返激光数据是基于激光传感器为基准采集的，上述其他数据都是基于载体平台(即推车)为基准进行采集的。
59.具体地，上述激光传感器相当于同时具有2个功能，既能够发射激光，又能够采集回返数据。上述激光传感器又称为线结构光轮廓扫描仪，或者2d激光扫描仪。
60.具体地，上述的钢轨轮廓的损耗检测方法是应用于钢轨轮廓的损耗检测系统的，该损耗检测系统设置在载体平台上，也就是推车上，或者也可以理解为，损耗检测系统包括载体平台。损耗检测系统包括载体平台(即推车)、服务器、激光传感器、交互装置、光电编码装置(又称为光电编码器)、定位装置、姿态采集装置、时钟装置、同步装置和存储装置。
61.具体地，上述步骤s202的执行过程是：
62.1)交互装置接收用户发送的指令，具体地，指令可以是：每隔1秒(即第一时间间隔)或者推车每移动6mm(即第一空间间隔)，就发射一次激光；或者，比如每隔1秒(即第二时间间隔)或者推车每移动6mm(即第二空间间隔)，就采集一次回返数据。
63.2)同步装置接收到上述指令后，则立即接收光电编码装置所采集的推车的速度数据和在目标时间内推车行驶的距离数据；接收定位装置采集的推车的位置数据；接收时钟装置中的时间数据。
64.具体地，上述速度数据是可以是以脉冲数据的形式体现的。
65.3)同步装置根据用户的指令以及在2)中采集的数据，使激光传感器按照用户的需求发射激光，并按照用户的需求采集返回数据。即同步装置能够同步触发上述装置同时工作，以保证收集的回返数据的一致性。
66.具体地，激光传感器一般设置为4个，两两相对于两侧钢轨对称地设置在推车上，所以，这样得到的回返数据是不完整的，一个激光传感器只能采集钢轨的某一侧钢轨的数据。
67.步骤s204，将回返数据保存至预设的同步数据库。
68.具体地，同步装置会将回返数据中的多个回返激光数据匹配上各自对应的时间信息和空间信息，打包存储至同步数据库。
69.步骤s206，将回返激光数据转换为回返激光点云。
70.具体地，此步骤为一种数据形式转换的步骤，即是将激光数据转换为可视的碎片化点云，碎片化点云如图3所示，图3中横坐标为x，纵坐标为y。
71.步骤s208，根据预设的标定角度，对多个回返激光点云进行角度修正。
72.具体地，交互装置能够接收到用户预设的标定角度。服务器根据标定角度，将回返激光点云进行角度修正，角度修正后的回返激光点云如图4所示。
73.步骤s210，对角度修正后的回返激光点云进行物理拼接，得到第一完整钢轨点云。
74.具体地，角度修正后的数据还是碎片化的，所以需要拼接成完整钢轨点云，即第一完整钢轨点云。
75.步骤s212，对第一完整钢轨点云进行滤波修正，得到第二完整钢轨点云。
76.具体地，选择合适的范围的直通滤波，过滤除钢轨之外的离群点，得到钢轨范围内的点云，如图5所示，图5也称为全断面钢轨廓形，即第二完整钢轨点云。
77.步骤s214，对所述第二完整钢轨点云进行载体坐标系转换，得到第三完整钢轨点云。
78.具体地，回返数据是激光传感器采集的，但后续的计算都是以载体平台为原点(或者说基准)进行计算的，所以需要进行一个坐标系转换的步骤。
79.转换公式如下：
[0080][0081]
其中，x0、y0为激光传感器原始测量得到的点的坐标(即第二完整钢轨点云的坐标)，θ0为激光传感器安装竖直偏角度，d
x
、dy分别为激光传感器和载体平台在x和y方向的平移距离(或者说偏差距离)，xm、ym为激光传感器在载体坐标系下的点坐标(即第三完整钢轨点云的坐标)。
[0082]
步骤s216，根据同步数据库中的横滚角、偏航角和所述俯仰角对第三完整钢轨点云进行所述振动补偿修正，得到钢轨的实际轮廓。
[0083]
具体地，一般来说，车体在钢轨上运动是一种蛇形运动，会造成线激光传感器扫描角度不固定。另外，车体在运动时会因为某些外界因素造成车体抖动。所以要实现钢轨轮廓高精度动态测量，必须进行车辆运动补偿。本方案通过安装在轨道车上的惯性传感器(即姿态采集装置)实时采集车体(即载体平台)的翻滚角、航向角和俯仰角三轴的姿态数据和加速度数据，对系统姿态进行误差改正。这一技术又称为利用惯导对系统姿态进行误差改正技术。
[0084]
具体地，翻滚角、航向角和俯仰角称为姿态数据，是由姿态采集装置实时采集的并与其他数据打包存入同步数据库，然后服务器可以从同步数据库中查询得到。
[0085]
在具体实施时，通过下式计算根据横滚角、偏航角和俯仰角对第三完整钢轨点云进行振动补偿修正：
[0086][0087]
对(2)进行数学化简后，得到：
[0088][0089]
其中，xs、ys为实际轮廓的点坐标，也就是振动补偿修正后的点的坐标，xm、ym为激光传感器装置在第三完整钢轨点云的点坐标；θr为载体平台的横滚角、θh为载体平台的偏航角、θ
p
为载体平台的俯仰角。
[0090]
在具体实施时，步骤s214-步骤s216称为对第二完整钢轨点云进行振动补偿修正，得到钢轨的实际轮廓的步骤。
[0091]
步骤s218，通过迭代最近点技术将所述实际轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果。
[0092]
具体地，钢轨轮廓断面的点云精度取决于单侧左右两个激光器的点云配准精度，因此本实施例设计一种基于钢轨曲线法向量改进的迭代最近点算法，以将传感器采集到的数据与铁路部的标准数据更好地匹配。该迭代过程是由服务器进行计算的。
[0093]
步骤s218的具体步骤如下：
[0094]
1)根据实际轮廓确定源点云。
[0095]
具体地，由于本方案是由4个对称的激光传感器采集的回返数据，并根据四种回返数据还原的钢轨的实际轮廓，所以，本方案通过对左右两个激光器回返数据进行配准可以快速还原钢轨真实的廓形，即本方案是一种三维立体的采集方法。即本方案的实际轮廓更加准确，自然源点云也更加准确。
[0096]
2)根据预先获取的标准轮廓确定目标点云。
[0097]
3)基于源点云和目标点云确定对应点对。
[0098]
4)基于对应点对构造旋转矩阵和平移矩阵。
[0099]
5)基于旋转矩阵和平移矩阵，将源点云变换至目标点云的坐标系下。
[0100]
6)根据目标点云与变换后的源点云确定误差函数；
[0101]
7)判断误差函数是否满足预设的函数条件。
[0102]
8)若误差函数满足预设的函数条件，则生成钢轨的最终轮廓；
[0103]
具体地，若误差函数不满足预设的函数条件，则继续执行迭代计算。预设的函数条件是用户通过交互装置预先设置好的，可以通过交互装置任意改变。
[0104]
9)将最终轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果。
[0105]
优选地，选择符合预设的曲率规则的源点云作为第一源点云，或者，选择稳定度符合预设的稳定度规则的源点云作为第一源点云；基于第一源点云与目标点云确定对应点对。
[0106]
具体地，预设的曲率规则和预设的稳定度规则都是交互装置接收到的用户的指令中包含的信息。预设的曲率规则和预设的稳定度规则都可以随时根据用户需求改变。
[0107]
具体地，迭代最近点算法采用最小二乘估计计算变换矩阵，原理简单且具有较好的精度，但是由于采用了迭代计算，导致算法计算速度较慢，而且迭代最近点算法容易陷入局部最优解。本实施例对线结构单帧二维点云提出一种根据法向量夹角变化，提取出特征度较大的轨腰点作为关键点(即第一源点云)，通过计算关键点的曲率查找初始匹配点对，来提高迭代最近点算法的效率。
[0108]
具体地，通过阈值分割将钢轨点云分割为轨头点云和轨腰轨底点云(即稳定度符合预设的稳定度规则的源点云)，将轨腰轨底点云作为起始点集p匹配设计钢轨的标准点集q，在第k此迭代中，据法向量夹角变化提取出变化较大的点作为关键点，通过计算关键点的曲率查从q中找到一个对应起始点集p中目标点集t的点集s。计算t(目标，标准的)到s(输入的实际的点)的变换矩阵(即旋转矩阵和平移矩阵的统称)，并更新点集直到两个点集之间的平均距离小于设定的阈值l，记录此时的旋转平移矩阵。根据计算得到平移矩阵和旋转矩阵，对轨头部分点云施加相同的旋转平移变换，将变换之后的点云与标准轮廓的轨头点云做对比。
[0109]
具体地，通俗来说，对于钢轨分为轨头部分和轨腰部分，一般轨头部分磨损较为严重(认为不稳定)，轨腰部分几乎没有磨损(认为较为稳定)，所以会先将实际轮廓的轨腰部分的源点云(即是第一源点云)与标准轮廓的轨腰部分的目标点云进行试错性质的迭代，这样比较容易就能迭代成功，也就是很容易就可以将实际轮廓的轨腰和标准轮廓的轨腰匹配好，减少试错次数。然后，根据轨腰的迭代结果，直接将两个轨头匹配(或融合)、对比，这样就减少了轨头部分的迭代试错过程，大大减少了迭代的工作量。
[0110]
步骤s220，根据匹配结果，对比预先设定的目标位置的最终轮廓的实际坐标与标准轮廓的标准坐标之间的差值，得到钢轨轮廓的损耗值。
[0111]
在具体实施时，损耗值至少包括以下之一：侧面损耗值、垂直损耗值以及总损耗值。
[0112]
具体地，上述匹配结果如图6所示。比对图6中的两条边缘线(其中一条边缘线是铁路部发布的标准轮廓的示意图，一条边缘线是拟合的最终轮廓的示意图)，对比两条边缘线就可以得到钢轨轮廓的损耗值，图6的横坐标为x，纵坐标为y。标准轮廓是交互装置接收到的用户输入的数据，或者，服务器从网络获得的。其中，根据铁路部的规定，目标位置指的是垂直损耗在钢轨顶面1/3宽处(距标准工作边)测量，侧面损耗在钢轨踏面(按标准断面)下16mm处。总磨耗为垂直损耗与1/2侧面损耗之和。
[0113]
本实施例提出一种利用在轨人工推行小车搭载多源传感器的钢轨廓形磨耗检测技术方案，该方案能够快速、动态检测钢轨的实际廓形以及钢轨磨耗(又称损耗)。与动态检测装备相比，本案采集速度更快，测量精度更高。本案集成程度高，支持各传感器之间快速同步定位，且通过姿态采集装置对载体平台运动过程中产生的振动影响进行补偿，该方法与传统拟合线性等相比过程更简单，也可以更有效地抑制振动带来的误差。本方案采用的基于迭代最近点匹配算法可以快速准确地与标准钢轨廓形进行匹配、融合，进而计算钢轨磨耗值。与静态检测装备相比，本案属于智能检测装备，检测效率和精度远远优于静态测量，本案所描述的装置，仅需要一个操作员，且可以支持大约6km/h的速度在轨道上运行，且最高支持每6mm采集一次左右轨道两个廓形数据，而人工测量采集单个廓形数据的时间大约在1～2min，且频繁弯腰作业，劳动强度大。
[0114]
实施例三
[0115]
本实施例提供第三种钢轨轮廓的损耗检测方法，具体包括：
[0116]
1.在小车(又称为载体平台)上设置相对于两边的钢轨对称的4个结构激光传感器(能发射结构性激光，还能采集从钢轨处返回的激光)，设置同步装置(又称为同步板)，同步装置连接时钟装置(采集时间数据)、定位装置(采集定位数据)、姿态感应装置(实时采集小车的横滚角、偏航角和俯仰角)，光电编码装置(能收集小车的速度和行驶的距离)、小车上还设置有服务器。
[0117]
2.服务器通过同步装置，使相对于两侧钢轨对称的4个激光传感器在同一时间发出4束结构性激光，并同步使激光传感器采集返回激光数据，并通过时钟装置、定位装置、光电编码装置，将时间、速度、定位、姿态和返回激光数据打包存储，得到同步文件，以随时调用。发出以及采集回返激光的空间间隔和时间间隔可以预先设定，比如小车每行驶6mm发射或者采集一次激光，或者每隔1秒，发射或者采集一次激光。
[0118]
3.采集的返回激光数据是碎片化的，不能完整反映钢轨的整体形态。
[0119]
4.根据预设的标定角度，将碎片化的返回激光数据拼接在一起，即是对返回激光数据进行偏转角修正并拼接，得到完整返回激光数据。
[0120]
5.把完整返回激光数据选择合适的范围进行滤波，过滤除钢轨之外的离群点，得到钢轨范围内的点云，得到了滤波数据，也就是全断面钢轨廓形。
[0121]
6.但是，全断面钢轨廓形只解决了碎片化问题，其该数据还是基于传感器采集的数据，而不是通过推车采集的，所以，要修正这种坐标系的误差，得到修正坐标系误差后的轮廓。
[0122]
7.小车在行驶过程中是有剧烈的抖动的，所以要根据横滚角、偏航角和俯仰角，对修正坐标系误差后的轮廓进行抖动修正补偿，得到抖动修正后的轮廓。
[0123]
8.利用迭代最近点技术，将上面抖动修正后的轮廓与预先获取的标准轮廓进行对比以及匹配，从而得到钢轨轮廓损耗情况。
[0124]
1)基于抖动修正后的轮廓，得到源点云。
[0125]
2)基于预先获取的标准轮廓，得到目标点云。
[0126]
3)基于源点云和目标点云，得到对应点对。
[0127]
4)基于对应点对，构造旋转矩阵和平移矩阵。
[0128]
5)基于旋转矩阵和平移矩阵，将源点云转换到目标点云的坐标系下，得到变换后源点云。
[0129]
6)计算变换后源点云与目标点云的误差函数，如果误差函数值大于预设的阈值，则迭代进行上述运算直到满足给定的误差要求，即直到小于或者等于预设的阈值，停止迭代，得到目标铁轨最终的轮廓。
[0130]
上述1)-6)为迭代过程，该迭代过程采用最小二乘估计计算变换矩阵，原理简单且具有较好的精度，但是由于采用了迭代计算，导致算法计算速度较慢，也容易陷入局部最优解。
[0131]
为了解决计算速度慢，或者陷入局部最优解的问题，采用以下优化方案：
[0132]
①
通过计算关键点的曲率查找初始匹配点。
[0133]
②
通过提取特征度较大或者较为稳定的点(比如轨腰点)进行匹配，当实际轨腰与标准轨腰匹配完成之后(即是已经得到了轨腰的最终的轮廓)，再对轨头部分点云施加相同的旋转平移变换，这样就减少了轨头矩阵变换的试错过程。在此，轨头的最终的轮廓+轨腰的最终的轮廓＝目标铁轨最终的轮廓。
[0134]
7)一般来说，认为轨腰稳定，不易磨损，比较完整，所以，本技术主要是对轨头部分进行的磨损检测，即将轨头部分与标准数据进行对比，得到磨损值。
[0135]
根据铁路部门的规定，垂直磨耗是在钢轨顶面1/3宽处(距标准工作边)测量，侧面磨耗在钢轨踏面(按标准断面)下16mm处测量。总磨耗为垂直磨耗与1/2侧面磨耗之和。所以，可以计算出侧面磨耗、垂直磨耗以及总磨耗。
[0136]
基于上述功能需求，本技术围绕信号—数据—信息的传译过程进行了如图7所示的系统设计。系统包括物理层、数据层、逻辑层三个层次。
[0137]
物理层是对多源异构传感器集成的描述。物理层集成了光电编码装置、gnss((global navigation satellite system，全球导航卫星系统，即定位装置)、imu(即姿态采集装置)、线结构光扫描仪(即激光传感器)，通过多源激光传感器，将系统所关注的现实
空间的变化转化为光电信号；系统下位机通过同步控制电路对物理层的多源传感器进行同步触发采集，得到行驶里程(即距离数据)、系统位置(即位置数据)、系统姿态以及断面激光数据(即回返激光数据)等数据层的各种数据。
[0138]
数据层是多源传感器与上位机的交互层，负责将物理层的信号转译成数据，并实现上位机与物理层间数据相互传输。信号转译遵循特定协议，协议由内部方案约定，不在本次专利保护范围；逻辑层负责数据解析、处理。通过一系列运算，计算得到钢轨的廓形与磨耗。
[0139]
本案首先设计了一种利用在轨人工推行小车搭载多源传感器的钢轨廓形磨耗检测小车(或装置)，系统主要由四个线结构激光传感器、一组imu(inertial measurement unit，惯性导航单元)、一套gps全球定位系统(包含天线与接收机)、同步控制板以及一台服务器构成。
[0140]
本方案以人工推行小车为载体在轨道上工作时，gps系统对下位机进行授时，从而对每个传感器进行同步授时，imu获取每个传感器的姿态，光电编码装置脉冲计数进行定位同步。同步控制板(即同步装置)通过网络向下位机发送解析指令，通知下位机接收来自线结构光轮廓扫描仪的轮廓数据、gps数据、imu数据以及光电编码装置的脉冲数据，最后将数据传输至上位机进行解算，通过误差改正、数据融合和模型匹配等一系列运算最终得到钢轨的廓形及磨耗值。
[0141]
本发明实施例提供的钢轨轮廓的损耗检测方法，与上述实施例提供的钢轨轮廓的损耗检测方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
[0142]
实施例四
[0143]
本发明实施例提供一种钢轨轮廓的损耗检测装置，如图8所示，损耗检测该装置包括：
[0144]
结构性激光处理模块81，用于发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光，并采集回返数据；
[0145]
振动补偿修正模块82，用于对回返数据进行拼接以及振动补偿修正，得到实际轮廓；
[0146]
迭代模块83，用于通过迭代最近点技术将实际轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果；
[0147]
损耗计算模块84，用于根据匹配结果，得到钢轨轮廓的损耗值。
[0148]
本发明提供了一种钢轨轮廓的损耗检测装置，应用于载体平台，该方法包括：发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光，并采集回返数据；对回返数据进行拼接以及振动补偿修正，得到钢轨的实际轮廓；通过迭代最近点技术将实际轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果；根据匹配结果，确定钢轨轮廓的损耗值。本发明通过发射对称性的结构激光、对回返激光进行振动补偿修正以及通过迭代最近点技术匹配轮廓这三种技术方案，更加精确地计算得到了钢轨轮廓的损耗值。
[0149]
本发明实施例提供的钢轨轮廓的损耗检测装置，与上述实施例提供的钢轨轮廓的损耗检测方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
[0150]
实施例五
[0151]
本发明实施例提供一种钢轨轮廓的损耗检测系统，损耗检测系统90用于执行上述
的损耗检测方法；如图9所示，损耗检测该系统包括载体平台91、服务器92、激光传感器93、交互装置94、光电编码装置95、定位装置96、姿态采集装置97、时钟装置98、同步装置99和存储装置910；服务器、激光传感器、交互装置、光电编码装置、定位装置、姿态采集装置、时钟装置、同步装置和存储装置均设置于载体平台上。
[0152]
交互装置，用于接收指令。
[0153]
具体地，交互装置用于接收用户发送的指令，比如发射或者采集激光信号的时间和空间。或者接收用户发送的预先设置好的标准轮廓或者预设的规则。
[0154]
同步装置，用于根据指令，控制激光传感器、光电编码装置、定位装置、姿态采集装置和时钟装置同步工作。
[0155]
激光传感器，用于发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光，并采集回返数据。
[0156]
光电编码装置，用于采集载体平台的速度数据和载体平台在目标时间内行驶的距离数据。
[0157]
定位装置，用于采集载体平台的位置数据。
[0158]
姿态采集装置，用于采集载体平台的姿态数据。
[0159]
时钟装置，用于采集时间数据。
[0160]
同步装置，还用于将回返数据、速度数据、距离数据、位置数据、姿态数据和时间数据存储至同步数据库。
[0161]
存储装置，用于存储同步数据库。
[0162]
服务器，用于对回返数据进行拼接以及振动补偿修正，得到实际轮廓，通过迭代最近点技术将实际轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果；根据匹配结果，得到钢轨轮廓的损耗值。
[0163]
具体地，本方案的系统实物示意图如图10所示。
[0164]
在实际使用时，工人102可以推着载体平台91(或者说推车)，沿着钢轨101进行移动。载体平台上对称地设置有4个激光传感器93，可以分别对两侧的钢轨发射激光并分别采集回返数据。
[0165]
本发明实施例提供的钢轨轮廓的损耗检测系统，与上述实施例提供的钢轨轮廓的损耗检测方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
[0166]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种钢轨轮廓的损耗检测方法，其特征在于，应用于载体平台，所述方法包括：发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光，并采集回返数据；对所述回返数据进行拼接以及振动补偿修正，得到所述钢轨的实际轮廓；通过迭代最近点技术将所述实际轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果；根据所述匹配结果，确定所述钢轨轮廓的损耗值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述载体平台设置有激光传感器；发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光，并采集回返数据的步骤，包括：根据预设的第一时间间隔或者预设的第一空间间隔，所述激光传感器发射相对于所述钢轨两侧对称的结构性激光；根据预设的第二时间间隔或者预设的第二空间间隔，所述激光传感器采集所述回返数据；其中，所述回返数据包括：回返激光数据、所述回返激光数据所对应的当前的时间数据、位置数据、所述载体平台的姿态数据、所述载体平台的速度数据、所述载体平台在目标时间内行驶的距离数据，所述姿态数据包括横滚角、偏航角和俯仰角；将所述回返数据保存至预设的同步数据库。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述回返数据进行拼接以及振动补偿修正，得到所述钢轨的实际轮廓的步骤，包括：将所述回返激光数据转换为回返激光点云；根据预设的标定角度，对多个所述回返激光点云进行角度修正；对角度修正后的所述回返激光点云进行物理拼接，得到第一完整钢轨点云；对所述第一完整钢轨点云进行滤波修正，得到第二完整钢轨点云；对所述第二完整钢轨点云进行振动补偿修正，得到所述钢轨的实际轮廓。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述第二完整钢轨点云进行振动补偿修正，得到所述钢轨的实际轮廓的步骤，包括：对所述第二完整钢轨点云进行载体坐标系转换，得到第三完整钢轨点云；根据同步数据库中的所述横滚角、所述偏航角和所述俯仰角对所述第三完整钢轨点云进行所述振动补偿修正，得到所述钢轨的实际轮廓。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过下式计算根据所述横滚角、所述偏航角和所述俯仰角对所述第三完整钢轨点云进行所述振动补偿修正：其中，x
s
、y
s
为所述实际轮廓的点坐标，x
m
、y
m
为激光传感器装置在所述第三完整钢轨点云的点坐标；θ
r
为所述横滚角、θ
h
为所述偏航角、θ
p
为所述俯仰角。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过迭代最近点技术将所述实际轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果的步骤，包括：根据所述实际轮廓确定源点云；
根据所述预先获取的标准轮廓确定目标点云；基于所述源点云和所述目标点云确定对应点对；基于所述对应点对构造旋转矩阵和平移矩阵；基于所述旋转矩阵和所述平移矩阵，将所述源点云变换至所述目标点云的坐标系下；根据所述目标点云与变换后的源点云确定误差函数；判断所述误差函数是否满足预设的函数条件，若所述误差函数满足预设的函数条件，则生成所述钢轨的最终轮廓；将所述最终轮廓与所述预先获取的标准轮廓进行匹配，得到所述匹配结果。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述源点云和所述目标点云确定对应点对的步骤，包括：选择符合预设的曲率规则的所述源点云作为第一源点云，或者，选择稳定度符合预设的稳定度规则的所述源点云作为所述第一源点云；基于所述第一源点云与所述目标点云确定所述对应点对。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述匹配结果，确定所述钢轨轮廓的损耗值的步骤，包括：根据所述匹配结果，对比预先设定的目标位置的所述最终轮廓的实际坐标与所述标准轮廓的标准坐标之间的差值，得到所述钢轨轮廓的损耗值，其中，所述损耗值至少包括以下之一：侧面损耗值、垂直损耗值以及总损耗值。9.一种钢轨轮廓的损耗检测装置，其特征在于，所述损耗检测装置包括：结构性激光处理模块，用于发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光，并采集回返数据；振动补偿修正模块，用于对所述回返数据进行拼接以及振动补偿修正，得到实际轮廓；迭代模块，用于通过迭代最近点技术将所述实际轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果；损耗计算模块，用于根据所述匹配结果，得到所述钢轨轮廓的损耗值。10.一种钢轨轮廓的损耗检测系统，其特征在于，所述损耗检测系统用于执行权利要求1-8任一项所述的损耗检测方法；所述损耗检测系统包括载体平台、服务器、激光传感器、交互装置、光电编码装置、定位装置、姿态采集装置、时钟装置、同步装置和存储装置；所述服务器、所述激光传感器、所述交互装置、所述光电编码装置、所述定位装置、所述姿态采集装置、所述时钟装置、所述同步装置和所述存储装置均设置于所述载体平台上；所述交互装置，用于接收指令；所述同步装置，用于根据所述指令，控制所述激光传感器、所述光电编码装置、所述定位装置、所述姿态采集装置和所述时钟装置同步工作；所述激光传感器，用于发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光，并采集回返数据；所述光电编码装置，用于采集所述载体平台的速度数据和所述载体平台在目标时间内行驶的距离数据；所述定位装置，用于采集所述载体平台的位置数据；所述姿态采集装置，用于采集所述载体平台的姿态数据；所述时钟装置，用于采集时间数据；
所述同步装置，还用于将所述回返数据、所述速度数据、所述距离数据、所述位置数据、所述姿态数据和所述时间数据存储至同步数据库；所述存储装置，用于存储所述同步数据库；所述服务器，用于对所述回返数据进行拼接以及振动补偿修正，得到实际轮廓，通过迭代最近点技术将所述实际轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果；根据所述匹配结果，得到所述钢轨轮廓的损耗值。

技术总结
本发明提供了一种钢轨轮廓的损耗检测方法、装置和系统，应用于载体平台，该方法包括：发射相对于钢轨两侧对称的结构性激光，并采集回返数据；对回返数据进行拼接以及振动补偿修正，得到钢轨的实际轮廓；通过迭代最近点技术将实际轮廓与预先获取的标准轮廓进行匹配，得到匹配结果；根据匹配结果，确定钢轨轮廓的损耗值。本发明通过发射对称性的结构激光、对回返激光进行振动补偿修正以及通过迭代最近点技术匹配轮廓这三种技术方案，更加精确地计算得到了钢轨轮廓的损耗值。得到了钢轨轮廓的损耗值。得到了钢轨轮廓的损耗值。


技术研发人员：代永波 毛庆洲 寇东华 宋贲 李应平 胡伟 郑继忠
受保护的技术使用者：武汉汉宁轨道交通技术有限公司
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2022/3/8