基于几何特征的钢轨轨廓高精度匹配方法研究

摘要

钢轨轨廓的高精度检测是钢轨廓形、磨耗精确测量的基础。快速轨廓仪是一种利用多个线结构光平面共面安装的二维激光摄像式传感器组合进行钢轨轨廓非接触检测的典型方法。
　　各激光传感器严格对称安装是保证各传感器数据正确搭接、保证快速轨廓仪测量精度的关键，这会增加测量系统制造、装配与调试的困难。为了降低对称性对测量精度的影响，对传感器线结构光平面进行标定是一种可行的解决方案。在分析与总结现有的线结构光平面共面法标定方法的基础上，本文提出一种新型的线结构光平面标定法—等高线法，该方法以00级平面度标准量块为基准，等间距提取适量的数据点，通过角度变换，并采用 Levenberg-Marquardt算法对其进行非线性迭代使它们处于同一等高线上。标定试验结果表明，等高线标定法重复性可达0.00133°，标定后的轨廓仪检测精度可达7.7μm，且具有设备要求低、操作简单的特点。
　　通常，快速轨廓仪安装在轨检车上，通过实际检测钢的轨轨廓标准钢轨轨廓匹配可实现钢轨廓形、磨耗的连续、快速精确测量。在钢轨轨廓检测过程中，由于轨道不平顺会引起轨检车振动、蛇行、侧倾、扭曲等，导致激光摄像式传感器采集的数据无法直接进行钢轨轨廓的匹配。为解决车体振动对钢轨轨廓匹配带来的影响，本文提出一种基于钢轨固有几何特性的轨廓匹配方法。用已标定的线激光传感器获取钢轨轨廓的空间位置信息；利用Hough变换检测钢轨外侧轨头曲率半径为13 mm和内、外侧轨腰处曲率半径为20 mm的圆弧曲线，采用Levenberg-Marquardt算法拟合出这3处圆弧曲线所在圆的圆心坐标作为3个特征点进行钢轨轨廓匹配；选其中2个特征点作为匹配参考点进行旋转加平移变换实现与对应标准特征点匹配，求出侧倾角消除车体侧倾和振动问题，该方法的匹配精度高达0.047 mm。
　　不共线的三个圆心确定一个平面实现钢轨轨廓的高精度匹配，在UI界面，对检测钢轨轨廓拟合的图形与预设置的标准轨廓图形没有错位现象，同时该匹配方法已经在江西日月明轨道检测小车上得到验证。快速高精度的检测钢轨轨廓对提高列车运行平稳性，制定合理科学的钢轨轨廓修复策略有重要意义。

目录

声明

第1章 引言

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 本文主要研究内容

1.4 本文的创新点

1.5 课题来源

第2章 钢轨轨廓的检测原理

2.1 线结构光检测

2.2 激光传感器工作原理

2.3 线激光传感器的选型

2.4 钢轨轨廓提取原理

2.5 本章小结

第3章 钢轨轨廓匹配系统的结构

3.1 机械结构

3.2 电气系统的结构

3.3 软件设计

3.4 本章小结

第4章钢轨轨廓高精度匹配方法

4.1 线结构光平面偏转角度θ的标定

4.2 钢轨轨廓线的拟合

4.3 钢轨轨廓高精度匹配

4.4 钢轨磨耗检测

4.5 本章小结

第5章 实验验证与匹配分析

5.1 实验验证

5.2 匹配分析

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果