一种多传感器融合的高铁轨道中心线检测系统和检测方法

摘要

本发明属于铁路轨道检测技术领域，特别涉及一种多传感器融合的高铁轨道中心线检测系统和检测方法。该多传感器融合的高铁轨道中心线检测系统包括：CPIII控制桩和轨道车；每个CPIII控制桩固定有一个CPIII标识物；轨道车的任一车轮的转轴上设置有编码器，轨道车的下方中央处固定有惯性导航仪，上方中央处固定有相机支架；相机支架上四个线阵相机；轨道车上还固定有触发控制器和计算机；计算机内设置有图像采集卡和第一数据采集卡，编码器的输出端分别电连接触发控制器和第一数据采集卡；触发控制器的输出端电连接每个线阵相机，每个线阵相机的输出端电连接图像采集卡；惯性导航仪的输出端通过串口电连接计算机。

说明书

技术领域

本发明属于铁路轨道检测技术领域，特别涉及一种多传感器融合的高铁 轨道中心线检测系统和检测方法。

背景技术

铁路高速化是当今世界铁路运输发展的必然趋势，这就对列车在高速运 行时的平稳性和安全性提出了更高的要求。铁路的轨道参数在列车长时间运 行和外界环境的作用下会不可避免的发生变化，轨道会发生变形、沉降，从 而留下安全隐患。为了保证列车的行驶安全，必须加强对轨道的检测，及时 掌握轨道状态，正确并科学的指导轨道的养护维修。因此，确保轨道保持优 良状态已经成为铁路养护维修中一项重要的基础工作。

现阶段通常使用全站仪配合轨道小车进行轨道参数测量，但是该种检测 方法存在劳动强度大、效率低、可靠性差和检测数据精度低等问题，已经不 能满足现代快速铁路养护维修的标准和要求。为了控制轨道的铺设线形，高 速铁路在铺设时通常会设置CPIII(轨道控制网)。CPIII一般会成对出现在无 砟轨道两侧，且CPIII棱镜中心点的经纬度数据和高程数据在轨道建成初期 时，已经经过测量并存入数据库，因此可以通过测量CPIII棱镜中心点的位置， 计算得到轨道的中心线，并与建成初期时轨道的中心线进行比对，从而得到 轨道的变形和沉降等情况，实现对轨道状况的自动化快速检测和故障定位。

发明内容

本发明的目的在于提出一种多传感器融合的高铁轨道中心线检测系统和 检测方法。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

技术方案一：

一种多传感器融合的高铁轨道中心线检测系统包括：在轨道两侧设置的 多个CPIII控制桩、以及用于沿轨道匀速行驶的轨道车；

每个CPIII控制桩固定有一个CPIII标识物，每个CPIII标识物为正方形 标识板，每个CPIII标识物的一面有标识图形，所述每个CPIII标识物上具有 标识图形的一面朝向轨道；所述轨道车的任一车轮的转轴上设置有用于测量 轨道车行驶里程的编码器，所述轨道车的上部为一平板，所述轨道车的平板 下方中央处固定有惯性导航仪，所述轨道车的平板的上方中央处固定有长方 体形状的相机支架；所述相机支架的右侧从上到下依次固定有第一线阵相机 以及第二线阵相机，所述相机支架的左侧从上到下依次固定有第三线阵相机 以及第四线阵相机，每个线阵相机的镜头朝向对应的CPIII控制桩；所述第一 线阵相机和第二线阵相机的连线记为线阵相机第一连线，所述第三线阵相机 和第四线阵相机的连线记为线阵相机第二连线，当所述轨道车下方的两根钢 轨处于同一高度时，所述线阵相机第一连线的中点和线阵相机第二连线的中 点处于同一高度；所述轨道车上还固定有触发控制器和计算机；

所述计算机内设置有图像采集卡和第一数据采集卡，所述编码器具有两 个输出端，其中一个输出端电连接触发控制器的输入端，另一个输出端电连 接计算机内的第一数据采集卡；所述触发控制器的输出端电连接每个线阵相 机的触发端，每个线阵相机的输出端电连接计算机内的图像采集卡；所述惯 性导航仪的输出端通过串口电连接计算机。

本技术方案的特点和进一步改进在于：

所述相机支架的右侧还固定有第一激光照明器，所述第一激光照明器的 高度小于第一线阵相机的高度，并大于第二线阵相机的高度；所述相机支架 的左侧还固定有第二激光照明器，所述第二激光照明器的高度小于第三线阵 相机的高度，并大于第四线阵相机的高度；每个激光照明器朝向对应的CPIII 控制桩。

每个CPIII标识物的标识图形为：白色背景上的四个黑色实心圆，所述四 个黑色实心圆为第一黑色实心圆、第二黑色实心圆、第三黑色实心圆和第四 黑色实心圆，所述第一黑色实心圆和第四黑色实心圆关于对应CPIII标识物的 中心点对称，所述第二黑色实心圆和第三黑色实心圆关于对应CPIII标识物的 中心点对称；第一黑色实心圆的圆心和第二黑色实心圆的圆心之间的连线记 为第一圆心连线，第一黑色实心圆的圆心和第三黑色实心圆的圆心之间的连 线记为第二圆心连线，所述第一圆心连线与所述第二圆心连线垂直，并且所 述第一圆心连线的长度与所述第二圆心连线的长度相等；

所述第四黑色实心圆的圆心和第二黑色实心圆的圆心之间的连线记为第 三圆心连线，第四黑色实心圆的圆心和第三黑色实心圆的圆心之间的连线记 为第四圆心连线，第一圆心连线至第四圆心连线组合形成正方形；第一圆心 连线至第四圆心连线组合形成的正方形的中心点与对应CPIII标识物的中心 点相重合。

所述每个CPIII标识物的中心点与检测CPIII控制点的绝对坐标值时对应 CPIII棱镜的中心相重合。

技术方案二：

一种多传感器融合的高铁轨道中心线检测方法，基于上述多传感器融合 的高铁轨道中心线检测系统，包括以下步骤：

步骤1，建立二维直角坐标系xoy，所述二维直角坐标系的x轴为：线阵 相机第一连线的中点和线阵相机第二连线的中点的连线所在直线；所述二维 直角坐标系的x轴正方向朝向右方；所述二维直角坐标系的y轴为：相机支 架的中轴垂线，所述二维直角坐标系的y轴正方向朝向上方；在二维直角坐 标系中，得出每个线阵相机的光心坐标；

步骤2，轨道车开始沿高铁轨道匀速行驶，在轨道车行驶的过程中，惯性 导航仪实时采集轨道车的航向角、轨道车的侧倾角和轨道车的俯仰角；惯性 导航仪将实时采集的轨道车的航向角、轨道车的侧倾角和轨道车的俯仰角通 过串口发送至计算机内；

在轨道车行驶的过程中，编码器将行驶里程以脉冲信号的形式分别发送 至计算机内的第一数据采集卡和触发控制器，第一数据采集卡对脉冲信号进 行计数，得出对应时刻轨道车的已行驶里程；触发控制器每收到设定数目的 脉冲信号，便生成一个触发信号，并将生成的触发信号分别发送至第一线阵 相机至第四线阵相机；每个线阵相机每收到一个触发脉冲信号，就进行一次 拍摄，每个线阵相机将采集的图像数据发送至计算机内的图像采集卡；

步骤3，计算机存储对应时刻轨道车的已行驶里程、轨道车的航向角、轨 道车的侧倾角和轨道车的俯仰角以及采集的图像数据，然后在存储的图像数 据中，识别出带有CPIII标识物的图像数据；

步骤4，计算机根据识别出的带有CPIII标识物的图像数据、以及二维直 角坐标系中每个相机的光心坐标，得出二维直角坐标系中对应的CPIII标识物 的中心点的坐标；

步骤5，计算机根据对应时刻轨道车的已行驶里程，从CPIII数据库中获 取对应CPIII标识物的中心点的经纬度和高程数据；根据获取的对应CPIII标 识物的中心点的经纬度和高程数据，得出对应CPIII标识物的中心点在大地坐 标系中的坐标；

在计算机中，根据对应CPIII标识物的中心点在大地坐标系中的坐标、对 应时刻轨道车的航向角、对应时刻轨道车的侧倾角、对应时刻轨道车的航向 角、以及二维直角坐标系中对应的CPIII标识物的中心点的坐标，得出对应 CPIII标识物处二维直角坐标系原点在大地坐标系中的坐标；

步骤6，在计算机中，根据步骤1至步骤5，得出轨道车行驶路线左侧每 个CPIII标识物处二维直角坐标系原点在大地坐标系中的坐标和/或轨道车行 驶路线右侧每个CPIII标识物处二维直角坐标系原点在大地坐标系中的坐标；

步骤7，在计算机中，根据二维直角坐标系原点与高铁轨道表面的高度距 离、以及轨道车行驶路线左侧或右侧每个CPIII标识物处二维直角坐标系原点 在大地坐标系中的坐标，得出高铁轨道中心线上多点在大地坐标系中的坐标； 根据得出的高铁轨道中心线上多点在大地坐标系中的坐标，采用三次曲线平 滑差值方法在大地坐标系中画出高铁轨道中心线。

本技术方案的特点和进一步改进在于：

在步骤2之前，第一激光照明器和第二激光照明器开始工作，每个激光 照明器持续发出激光。

在步骤3中，计算机存储图像数据后，对存储的图像数据依次进行灰度 值变换、均值滤波、直方图均衡化处理；然后针对依次经灰度值变换、均值 滤波、直方图均衡化处理的图像数据，通过模板匹配的方式识别出带有CPIII 标识物的图像数据。

在步骤1中，第一线阵相机的光心坐标表示为(x_s1，y_s1)，第二线阵相机 的光心坐标表示为(x_s2，y_s2)，第三线阵相机的光心坐标表示为(x_s3，y_s3)，第 四线阵相机的光心坐标表示为(x_s4，y_s4)；

所述步骤4具体包括以下子步骤

(4.1)在识别出的带有CPIII标识物的图像数据中，对于在高铁轨道左 侧的任一个带有CPIII标识物的图像数据，在计算机中采用图像识别的方法得 出对应CPIII标识物上每个黑色实心圆的圆心在第一线阵相机的成像点偏离 第一线阵相机光心的距离、以及对应CPIII标识物上每个黑色实心圆的圆心在 第二线阵相机的成像点偏离第二线阵相机光心的距离；其中，对应CPIII标识 物上第一黑色实心圆的圆心在第一线阵相机的成像点偏离第一线阵相机光心 的距离为Δ₁，对应CPIII标识物上第二黑色实心圆的圆心在第一线阵相机的成 像点偏离第一线阵相机光心的距离为Δ₂，对应CPIII标识物上第三黑色实心圆 的圆心在第一线阵相机的成像点偏离第一线阵相机光心的距离为Δ₃，对应 CPIII标识物上第四黑色实心圆的圆心在第一线阵相机的成像点偏离第一线阵 相机光心的距离为Δ₄；对应CPIII标识物上第一黑色实心圆的圆心在第二线阵 相机的成像点偏离第二线阵相机光心的距离为Δ₅，对应CPIII标识物上第二黑 色实心圆的圆心在第二线阵相机的成像点偏离第二线阵相机光心的距离为 Δ₆，对应CPIII标识物上第三黑色实心圆的圆心在第二线阵相机的成像点偏离 第二线阵相机光心的距离为Δ₇，对应CPIII标识物上第四黑色实心圆的圆心在 第二线阵相机的成像点偏离第二线阵相机光心的距离为Δ₈；

(4.2)根据第一线阵相机的焦距f₁、第一线阵相机的光轴与所述二维直 角坐标系的y轴之间的夹角α₁、所述二维直角坐标系中第一线阵相机的光心 坐标(x_s1，y_s1)、以及对应CPIII标识物上每个黑色实心圆的圆心在第一线阵 相机的成像点偏离第一线阵相机光心的距离，得出对应CPIII标识物上第一黑 色实心圆的圆心在第一线阵相机的成像点在所述二维直角坐标系的坐标 (m₁，n₁)、对应CPIII标识物上第二黑色实心圆的圆心在第一线阵相机的成像 点在所述二维直角坐标系的坐标(m₂，n₂)、对应CPIII标识物上第三黑色实心 圆的圆心在第一线阵相机的成像点在所述二维直角坐标系的坐标(m₃，n₃)、以 及对应CPIII标识物上第四黑色实心圆的圆心在第一线阵相机的成像点在所 述二维直角坐标系的坐标(m₄，n₄)；

根据第二线阵相机的焦距f₂、第二线阵相机的光轴与所述二维直角坐标 系的y轴之间的夹角α₂、所述二维直角坐标系中第二线阵相机的光心坐标 (x_s2，y_s2)、以及对应CPIII标识物上每个黑色实心圆的圆心在第二线阵相机 的成像点偏离第二线阵相机光心的距离，得出对应CPIII标识物上第一黑色实 心圆的圆心在第二线阵相机的成像点在所述二维直角坐标系的坐标(m₅，n₅)、 对应CPIII标识物上第二黑色实心圆的圆心在第二线阵相机的成像点在所述 二维直角坐标系的坐标(m₆，n₆)、对应CPIII标识物上第三黑色实心圆的圆心 在第二线阵相机的成像点在所述二维直角坐标系的坐标(m₇，n₇)、以及对应 CPIII标识物上第四黑色实心圆的圆心在第二线阵相机的成像点在所述二维直 角坐标系的坐标(m₈，n₈)；

(4.3)根据所述二维直角坐标系中第一线阵相机的光心坐标(x_s1，y_s1)、 所述二维直角坐标系中第二线阵相机的光心坐标(x_s2，y_s2)、对应CPIII标识 物上每个黑色实心圆的圆心在第一线阵相机的成像点在所述二维直角坐标系 的坐标、对应CPIII标识物上每个黑色实心圆的圆心在第二线阵相机的成像点 在所述二维直角坐标系的坐标、第一线阵相机的焦距f₁、第二线阵相机的焦 距f₂、第一线阵相机的光轴与所述二维直角坐标系的y轴之间的夹角α₁、第 二线阵相机的光轴与所述二维直角坐标系的y轴之间的夹角α₂、对应CPIII 标识物上每个黑色实心圆的圆心在第一线阵相机的成像点偏离第一线阵相机 光心的距离、以及对应CPIII标识物上每个黑色实心圆的圆心在第二线阵相机 的成像点偏离第二线阵相机光心的距离，得出对应CPIII标识物上每个黑色实 心圆的圆心在所述二维直角坐标系的坐标；

(4.4)根据对应CPIII标识物上每个黑色实心圆的圆心在所述二维直角 坐标系的坐标，计算对应CPIII标识物的中心点在所述二维直角坐标系的坐 标。

在步骤6中，所述轨道车行驶路线左侧第i个CPIII标识物处二维直角坐 标系原点在大地坐标系中的坐标为(x_i，y_i，z_i)，i取自然数；

在步骤7中，高铁轨道中心线上与左侧第i个CPIII标识物对应的点在大 地坐标系中的坐标为(x_i，y_i，z_i-H)。

本发明的有益效果为：CPIII标识物、惯性导航仪以及里程仪等数据相 融合，实现了对高铁轨道工况信息的自动检测和故障定位，极大的缩短了检 测工时，显著提高了工作效率和检测精度。

附图说明

图1为本发明的一种多传感器融合的高铁轨道中心线检测系统的安装结 构示意图；

图2为本发明的一种多传感器融合的高铁轨道中心线检测系统的电路连 接示意图；

图3为每个CPIII标识物的标识图形；

图4为本发明的一种多传感器融合的高铁轨道中心线检测方法的流程图；

图5为本发明采用双目立体视觉测量的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，为本发明的一种多传感器融合的高铁轨道中心线检测系统的安 装结构示意图。参照图2，为本发明的一种多传感器融合的高铁轨道中心线检 测系统的电路连接示意图。该多传感器融合的高铁轨道中心线检测系统包括 在轨道两侧设置的多个CPIII控制桩，每个CPIII控制桩上设置有用于进行 CPIII测量的CPIII棱镜。每个CPIII控制桩固定有一个CPIII标识物12，每个 CPIII标识物12为一个30mm*30mm的正方形标识板，每个CPIII标识物12 的一面有标识图形，每个CPIII标识物12上具有标识图形的一面朝向轨道； CPIII标识物中心通过螺钉固定于对应的CPIII控制桩上，所述每个CPIII标 识物12的中心点与检测CPIII控制点的绝对坐标值时对应CPIII棱镜的中心 相重合。

参照图3，为每个CPIII标识物的标识图形。每个CPIII标识物12的标识 图形的边框为用黑色填充，中心为白色背景上的四个黑色实心圆，在其边框 的左上角有一个黑色三角形。四个黑色实心圆为第一黑色实心圆A、第二黑 色实心圆B、第三黑色实心圆C和第四黑色实心圆D，所述第一黑色实心圆A 和第四黑色实心圆D关于对应CPIII标识物的中心点对称，所述第二黑色实 心圆B和第三黑色实心圆C关于对应CPIII标识物的中心点对称；第一黑色 实心圆A的圆心和第二黑色实心圆B的圆心之间的连线记为第一圆心连线， 第一黑色A实心圆的圆心和第三黑色实心圆C的圆心之间的连线记为第二圆 心连线，所述第一圆心连线与所述第二圆心连线垂直，并且所述第一圆心连 线的长度与所述第二圆心连线的长度相等；第四黑色实心圆D的圆心和第二 黑色实心圆B的圆心之间的连线记为第三圆心连线，第四黑色实心圆D的圆 心和第三黑色实心圆C的圆心之间的连线记为第四圆心连线，第一圆心连线 至第四圆心连线组合形成正方形；第一圆心连线至第四圆心连线组合形成的 正方形的中心点与对应CPIII标识物的中心点相重合。

本发明实施例中，该多传感器融合的高铁轨道中心线检测系统还包括轨 道车11，轨道车11安装有电动动力装置，能够按照设定速度沿轨道匀速行驶。 轨道车11的下部为四个车轮，其前轮轮距、后轮轮距与高铁列车的轮距相等。 轨道车11的上部为一长方形的平板，当所述轨道车11下方的两根钢轨处于 同一高度时，该平板与水平面平行。轨道车11的任一车轮的转轴上设置有编 码器1，编码器工作时，向外发送脉冲信号，通过统计脉冲信号的个数，即可 以得出轨道车已行驶里程。本发明实施例中，编码器可以根据需要选择类型， 例如，编码器为增量式编码器。

本发明实施例中，轨道车11的平板下方中央处固定有惯性导航仪(惯性 导航系统)3，惯性导航仪用于测量轨道车的航向角、俯仰角和侧倾角。轨道 车11的平板的上方中央处固定有长方体形状的相机支架10。相机支架10的 右侧从上到下依次固定有第一线阵相机4、第一激光照明器8、以及第二线阵 相机5，相机支架10的左侧从上到下依次固定有第三线阵相机6、第二激光 照明器9、以及第四线阵相机7。每个线阵相机的镜头朝向对应的CPIII控制 桩，每个激光照明器朝向对应的CPIII控制桩。本发明实施例中，每个线阵相 机为高精度工业线阵相机，具有触发端和信号输出端，在收到外界触发信号 时进行图像拍摄。每个线阵相机镜头都带有滤光片，以防止外界阳光干扰。 其中第一线阵相机4和第二线阵相机5用于采集高铁轨道右侧的图像数据， 第三线阵相机6和第四线阵相机7用于采集高铁轨道左侧的图像数据。每个 激光照明器为低噪声线激光照明器，每个激光照明器上电后持续发出808nm 波长的激光。其中，第一激光照明器8为第一线阵相机4和第二线阵相机5 提供照明，第二激光照明器9为第三线阵相机6和第四线阵相机7提供照明。

本发明实施例中，第一线阵相机4和第二线阵相机5的连线记为线阵相 机第一连线，第三线阵相机6和第四线阵相机7的连线记为线阵相机第二连 线，当所述轨道车11下方的两根钢轨处于同一高度时，线阵相机第一连线的 中点和线阵相机第二连线的中点处于同一高度。特别地，当所述轨道车11下 方的两根钢轨处于同一高度时，第一线阵相机4和第三线阵相机6处于同一 高度，第二线阵相机5和第四线阵相机7处于同一高度，第一激光照明器8 和第二激光照明器9处于同一高度，并且第一激光照明器8的高度与线阵相 机第一连线的中点的高度相同，第二激光照明器9的高度与线阵相机第二连 线的中点的高度相同。

本发明实施例中，还设置有触发控制器2和计算机13，计算机13为工控 机，其内部设置有图像采集卡和第一数据采集卡。编码器1具有两个输出端， 其中一个输出端电连接触发控制器2的输入端，另一个输出端电连接计算机 13内的第一数据采集卡。第一数据采集卡为PCI2394板卡(该板卡直接插入 计算机的PCI插槽中即可正常使用)。通过编码器和第一数据采集卡的配合， 即可得出轨道车的已行驶里程。

编码器将脉冲信号发送至触发控制器2。触发控制器2的输出端电连接每 个线阵相机的触发端，触发控制器用于接收计数脉冲信号，用于每收到设定 数目的脉冲信号，便生成一个触发信号，用于将生成的触发信号分别发送至 第一线阵相机至第四线阵相机，每个线阵相机用于在收到来自触发控制器的 触发信号(例如为脉冲信号)时，进行一次拍摄，得到对应的图像数据。本 发明实施例中，触发控制器为单片机。

每个线阵相机的输出端电连接计算机13内的图像采集卡，通过图像采集 卡和每个线阵相机的配合使用，计算机即可得出每个线阵相机所拍摄的图像 数据。惯性导航仪3的输出端通过串口电连接计算机13，基于惯性导航仪的 数据，计算机即可实时得出轨道车的航向角、俯仰角和侧倾角。本发明实施 例中，计算机用于对接收的数据进行处理，从而得出轨道的中心线。

本发明实施例中，基于上述一种多传感器融合的高铁轨道中心线检测系 统，还提出了一种多传感器融合的高铁轨道中心线检测方法。参照图4，为本 发明的一种多传感器融合的高铁轨道中心线检测方法的流程图。该多传感器 融合的高铁轨道中心线检测方法包括以下步骤：

步骤1，参照图1，建立二维直角坐标系xoy，二维直角坐标系的x轴为： 线阵相机第一连线的中点和线阵相机第二连线的中点的连线所在直线；所述 二维直角坐标系的x轴正方向朝向右方；所述二维直角坐标系的y轴为：相 机支架的中轴垂线，相机支架关于相机支架的中轴垂线左右对称。二维直角 坐标系的y轴正方向朝向上方；x轴和y轴的交点为二维直角坐标系的原点。 在二维直角坐标系中，得出每个相机的光心坐标，第一线阵相机的光心坐标 表示为(x_s1，y_s1)，第二线阵相机的光心坐标表示为(x_s2，y_s2)，第三线阵相机 的光心坐标表示为(x_s3，y_s3)，第四线阵相机的光心坐标表示为(x_s4，y_s4)。

步骤2，对本发明的多传感器融合的高铁轨道中心线检测系统进行供电， 第一激光照明器和第二激光照明器开始工作，每个激光照明器持续发出激光， 为对应的线阵相机提供照明。

轨道车开始沿高铁轨道匀速行驶，在轨道车行驶的过程中，惯性导航仪 实时采集轨道车的航向角和轨道车的侧倾角；惯性导航仪将实时采集的轨道 车的航向角和轨道车的侧倾角通过串口发送至计算机。

在轨道车行驶的过程中，编码器将行驶里程以脉冲信号的形式分别发送 至计算机内的第一数据采集卡和触发控制器，第一数据采集卡对脉冲信号进 行计数，得出对应时刻轨道车的已行驶里程。

在轨道车行驶的过程中，编码器将脉冲信号分别发送至计算机内的第一 数据采集卡和触发控制器，第一数据采集卡对计数脉冲信号进行计数，得出 对应时刻轨道车的已行驶里程；触发控制器每收到设定数目的脉冲信号，便 生成一个3.3V的触发信号(触发控制器收到设定数目的脉冲信号的时间为轨 道车向前移动0.1mm的时间)，并将生成的触发信号分别发送至第一线阵相机 至第四线阵相机。每个线阵相机每收到一个触发脉冲信号，就进行一次拍摄， 每个线阵相机将采集的图像数据发送至计算机内的图像采集卡。

步骤3，计算机存储对应时刻轨道车的已行驶里程、轨道车的航向角、轨 道车的侧倾角、轨道车的俯仰角以及采集的图像数据，然后在存储的图像数 据中，识别出带有CPIII标识物的图像数据。

优选地，在步骤3中，计算机存储图像数据后，对存储的图像数据依次 进行灰度值变换、均值滤波、直方图均衡化处理；然后针对依次经灰度值变 换、均值滤波、直方图均衡化处理的图像数据，通过模板匹配的方式识别出 带有CPIII标识物的图像数据并进行存储。

步骤4，计算机根据识别出的带有CPIII标识物的图像数据、以及二维直 角坐标系中每个相机的光心坐标，得出二维直角坐标系中对应的CPIII标识物 的中心点的坐标。

其具体子步骤为：

(4.1)参照图5，为本发明采用双目立体视觉测量的原理图。在识别出 的带有CPIII标识物的图像数据中，对于在高铁轨道左侧的任一个带有CPIII 标识物的图像数据，在计算机中采用图像识别的方法得出对应CPIII标识物上 每个黑色实心圆的圆心在第一线阵相机的成像点偏离第一线阵相机光心的距 离、以及对应CPIII标识物上每个黑色实心圆的圆心在第二线阵相机的成像点 偏离第二线阵相机光心的距离；其中，对应CPIII标识物上第一黑色实心圆的 圆心在第一线阵相机的成像点偏离第一线阵相机光心的距离为Δ₁，对应CPIII 标识物上第二黑色实心圆的圆心在第一线阵相机的成像点偏离第一线阵相机 光心的距离为Δ₂，对应CPIII标识物上第三黑色实心圆的圆心在第一线阵相机 的成像点偏离第一线阵相机光心的距离为Δ₃，对应CPIII标识物上第四黑色实 心圆的圆心在第一线阵相机的成像点偏离第一线阵相机光心的距离为Δ₄；对 应CPIII标识物上第一黑色实心圆的圆心在第二线阵相机的成像点偏离第二 线阵相机光心的距离为Δ₅，对应CPIII标识物上第二黑色实心圆的圆心在第二 线阵相机的成像点偏离第二线阵相机光心的距离为Δ₆，对应CPIII标识物上第 三黑色实心圆的圆心在第二线阵相机的成像点偏离第二线阵相机光心的距离 为Δ₇，对应CPIII标识物上第四黑色实心圆的圆心在第二线阵相机的成像点偏 离第二线阵相机光心的距离为Δ₈。

(4.2)根据第一线阵相机的焦距f₁、第一线阵相机的光轴与所述二维直 角坐标系的y轴之间的夹角α₁、所述二维直角坐标系中第一线阵相机的光心 坐标(x_s1，y_s1)、以及对应CPIII标识物上每个黑色实心圆的圆心在第一线阵 相机的成像点偏离第一线阵相机光心的距离，得出对应CPIII标识物上第一黑 色实心圆的圆心在第一线阵相机的成像点在所述二维直角坐标系的坐标 (m₁，n₁)、对应CPIII标识物上第二黑色实心圆的圆心在第一线阵相机的成像 点在所述二维直角坐标系的坐标(m₂，n₂)、对应CPIII标识物上第三黑色实心 圆的圆心在第一线阵相机的成像点在所述二维直角坐标系的坐标(m₃，n₃)、以 及对应CPIII标识物上第四黑色实心圆的圆心在第一线阵相机的成像点在所 述二维直角坐标系的坐标(m₄，n₄)；对应的计算公式如下：

$\left(\begin{array}{c}(m_1,n_1)=(x_{s1}-f_1\sin {\alpha }_1-{\Delta }_1\cos {\alpha }_1,y_{s1}-f_1\cos {\alpha }_1+{\Delta }_1\sin {\alpha }_1)\\ (m_2,n_2)=(x_{s1}-f_1\sin {\alpha }_1-{\Delta }_2\cos {\alpha }_1,y_{s1}-f_1\cos {\alpha }_1+{\Delta }_2\sin {\alpha }_1)\\ (m_3,n_3)=(x_{s1}-f_1\sin {\alpha }_1-{\Delta }_3\cos {\alpha }_1,y_{s1}-f_1\cos {\alpha }_1+{\Delta }_3\sin {\alpha }_1)\\ (m_4,n_4)=(x_{s1}-f_1\sin {\alpha }_1-{\Delta }_4\cos {\alpha }_1,y_{s1}-f_1\cos {\alpha }_1+{\Delta }_4\sin {\alpha }_1)\end{array}\right)$

根据第二线阵相机的焦距f₂、第二线阵相机的光轴与所述二维直角坐标 系的y轴之间的夹角α₂、所述二维直角坐标系中第二线阵相机的光心坐标 (x_s2，y_s2)、以及对应CPIII标识物上每个黑色实心圆的圆心在第二线阵相机 的成像点偏离第二线阵相机光心的距离，得出对应CPIII标识物上第一黑色实 心圆的圆心在第二线阵相机的成像点在所述二维直角坐标系的坐标(m₅，n₅)、 对应CPIII标识物上第二黑色实心圆的圆心在第二线阵相机的成像点在所述 二维直角坐标系的坐标(m₆，n₆)、对应CPIII标识物上第三黑色实心圆的圆心 在第二线阵相机的成像点在所述二维直角坐标系的坐标(m₇，n₇)、以及对应 CPIII标识物上第四黑色实心圆的圆心在第二线阵相机的成像点在所述二维直 角坐标系的坐标(m₈，n₈)；对应的计算公式如下：

$\left(\begin{array}{c}(m_5,n_5)=(x_{s2}-f_2\sin {\alpha }_2-{\Delta }_5\cos {\alpha }_2,y_{s2}-f_2\cos {\alpha }_2+{\Delta }_5\sin {\alpha }_2)\\ (m_6,n_6)=(x_{s2}-f_2\sin {\alpha }_2-{\Delta }_6\cos {\alpha }_2,y_{s2}-f_2\cos {\alpha }_2+{\Delta }_6\sin {\alpha }_2)\\ (m_7,n_7)=(x_{s2}-f_2\sin {\alpha }_2-{\Delta }_7\cos {\alpha }_2,y_{s2}-f_2\cos {\alpha }_2+{\Delta }_7\sin {\alpha }_2)\\ (m_8,n_8)=(x_{s2}-f_2\sin {\alpha }_2-{\Delta }_8\cos {\alpha }_2,y_{s2}-f_2\cos {\alpha }_2+{\Delta }_8\sin {\alpha }_2)\end{array}\right)$

(4.3)根据所述二维直角坐标系中第一线阵相机的光心坐标(x_s1，y_s1)、 所述二维直角坐标系中第二线阵相机的光心坐标(x_s2，y_s2)、对应CPIII标识 物上每个黑色实心圆的圆心在第一线阵相机的成像点在所述二维直角坐标系 的坐标、对应CPIII标识物上每个黑色实心圆的圆心在第二线阵相机的成像点 在所述二维直角坐标系的坐标、第一线阵相机的焦距f₁、第二线阵相机的焦 距f₂、第一线阵相机的光轴与所述二维直角坐标系的y轴之间的夹角α₁、第 二线阵相机的光轴与所述二维直角坐标系的y轴之间的夹角α₂、对应CPIII 标识物上每个黑色实心圆的圆心在第一线阵相机的成像点偏离第一线阵相机 光心的距离、以及对应CPIII标识物上每个黑色实心圆的圆心在第二线阵相机 的成像点偏离第二线阵相机光心的距离，得出对应CPIII标识物上每个黑色实 心圆的圆心在所述二维直角坐标系的坐标。其中，对应CPIII标识物上第一黑 色实心圆A的圆心在所述二维直角坐标系的坐标(x_a1，y_a1)的计算公式为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_{a1}=\frac{G_1{G}_2(y_{s1}-y_{s2})-(G_2{y}_{s1}-G_1{y}_{s2})}{G_1-G_2}\\ y_{a1}=\frac{(G_1{y}_{s1}-G_2{y}_{s2})-(x_{s1}-x_{s2})}{G_1-G_2}\\ G_1=(m_1-x_{s1})/(n_1-y_{s1})=(-f_1\sin {\alpha }_1-{\Delta }_1\cos {\alpha }_1)/(-f_1\cos {\alpha }_1+{\Delta }_1\sin {\alpha }_1)\\ G_2(m_5-x_{s2})/=(n_5-y_{s2})=(-f_2\sin {\alpha }_2-{\Delta }_5\cos {\alpha }_2)/(-f_2\cos {\alpha }_2+{\Delta }_5\sin {\alpha }_2)\end{array}\right)$

对应CPIII标识物上其余三个黑色实心圆的圆心在所述二维直角坐标系 的坐标计算方法与对应CPIII标识物上第一黑色实心圆A的圆心在所述二维 直角坐标系的坐标的计算方法类似，在此不再重复。

本发明实施例中，对应CPIII标识物上第二黑色实心圆B的圆心在所述二 维直角坐标系的坐标为(x_a2，y_a2)，对应CPIII标识物上第三黑色实心圆C的 圆心在所述二维直角坐标系的坐标为(x_a3，y_a3)，对应CPIII标识物上第四黑 色实心圆D的圆心在所述二维直角坐标系的坐标为(x_a4，y_a4)。

(4.4)根据对应CPIII标识物上每个黑色实心圆的圆心在所述二维直角 坐标系的坐标，计算对应CPIII标识物的标识图形中第一圆心连线至第四圆心 连线组合形成的正方形的中心点在所述二维直角坐标系的坐标(x_a，y_a)对应 的计算公式为：

(x_a，y_a)＝((x_a1+x_a2+x_a3+x_a4)/4,(y_a1+y_a2+y_a3+y_a4)/4)

由于第一圆心连线至第四圆心连线组合形成的正方形的中心点与对应 CPIII标识物的中心点相重合，所以对应CPIII标识物的中心点在所述二维直 角坐标系的坐标为(x_a，y_a)。并且由于每个CPIII标识物的中心点与检测CPIII 控制点的绝对坐标值时对应CPIII棱镜的中心相重合，所以对应CPIII棱镜的 中心在所述二维直角坐标系的坐标为(x_a，y_a)。

步骤5，计算机中预先存储有轨道车出发点的CPIII标识物的中心点的经 纬度和高程数据。在计算机中，根据对应时刻轨道车的已行驶里程、以及预 先存储的有轨道车出发点的CPIII标识物的中心点的经纬度和高程数据，从 CPIII数据库中获取对应CPIII标识物的中心点的经纬度和高程数据；根据获 取的对应CPIII标识物的中心点的经纬度和高程数据，得出对应CPIII标识物 的中心点在大地坐标系中的坐标(x₀，y₀，z₀)。

在计算机中，根据对应CPIII标识物的中心点在大地坐标系中的坐标、对 应时刻轨道车的航向角、对应时刻轨道车的侧倾角、以及二维直角坐标系中 对应的CPIII标识物的中心点的坐标，得出对应CPIII标识物处二维直角坐标 系(当线阵相机采集到对应CPIII标识物时的二维直角坐标系)原点在大地坐 标系中的坐标(x，y，z)；对应的计算公式为：

$\left(\begin{array}{c}(x,y,z)=\\ (x_0+l·\cos (\arctan \frac{y_a}{x_a}-\theta )·\cos \alpha ,y_0+l·\cos (\arctan \frac{y_a}{x_a}-\theta )·\sin \alpha ,z_0+l·\sin (\arctan \frac{y_a}{x_a}-\theta ))\\ l=\sqrt{{x_a}^2+{y_a}^2}\end{array}\right)$

步骤6，在计算机中，根据步骤1至步骤5，得出轨道车行驶路线左侧每 个CPIII标识物处二维直角坐标系原点在大地坐标系中的坐标。同理根据步骤 1至步骤5，也可以得出轨道车行驶路线右侧每个CPIII标识物处二维直角坐 标系原点在大地坐标系中的坐标，其获得方法与得出轨道车行驶路线左侧每 个CPIII标识物处二维直角坐标系原点在大地坐标系中的坐标的方法类似，在 此不再重复。轨道车行驶路线左侧第i个CPIII标识物处二维直角坐标系原点 在大地坐标系中的坐标为(x_i，y_i，z_i)，i为自然数。

步骤7，在计算机中，根据二维直角坐标系原点与高铁轨道表面的高度距 离、以及轨道车行驶路线左侧或右侧每个CPIII标识物处二维直角坐标系原点 在大地坐标系中的坐标，得出高铁轨道中心线上多点在大地坐标系中的坐标； 高铁轨道中心线上与左侧第i个CPIII标识物对应的点在大地坐标系中的坐标 为(x_i，y_i，z_i-H)。根据得出的高铁轨道中心线上多点在大地坐标系中的坐 标，采用三次曲线平滑差值方法，将轨道中心线上各点在大地坐标系中的坐 标进行依次差值运算，得到高铁轨道的中心线。

在得到高铁轨道的中心线之后，将利用本发明所获取的高铁轨道的中心 线与以往的轨道中心线进行比较，根据比对结果，实现高铁轨道的工况检测 和故障定位。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本 发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要 求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。