羅麗萍,柳林佳
(南昌大學(xué)機電工程學(xué)院,南昌 330031)
軌道短波檢測中數(shù)據(jù)拼接方法的研究
羅麗萍,柳林佳
(南昌大學(xué)機電工程學(xué)院,南昌 330031)
鋼軌頂面短波不平順對噪聲、振動、安全和輪軌沖擊荷載均有很大影響。為嚴(yán)格控制鋼軌頂面短波不平順開發(fā)了輕便、高精度的軌面短波不平順測量裝置。本文簡要介紹了該測量儀的系統(tǒng)構(gòu)成、測量原理,主要針對測量過程中由于儀器測量基長的限制,不可能一次性完成規(guī)定軌道長度的測量問題,從而采取分段測量、逐步數(shù)據(jù)拼接的方法。
軌道檢測 短波不平順 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)拼接
列車在高速運行時,由于瞬間通過的距離長,其通過長度范圍內(nèi)存在的小軌面不平順就會對車輛的簧下系統(tǒng)形成高頻振動,引起車輪對鋼軌的沖擊荷載,加大動荷的沖擊力,加速軌道殘余變形的積累,導(dǎo)致道砟破碎、道床路基產(chǎn)生不均勻沉降,從而形成較大波長的軌道不平順,使軌道過早失效,而失效軌道的不及時處理勢必危及行車安全;而且沖擊和振動又會影響機車與車輛零部件的使用壽命[1]。因此,嚴(yán)格控制鋼軌頂面短波不平順可有效減少輪軌之間的沖擊作用,降低噪聲,對延長鋼軌,車輛部件的使用壽命、減少軌道維修費用、減輕噪聲污染均有重要意義[2]。
短波不平順是指波長1 m以下的軌面不平順,其幅值較小,多在0.1~2.0 mm,主要為鋼軌波紋或波浪磨耗、焊縫平順度超標(biāo)、鋼軌不均勻磨耗、剝離掉塊和軌枕間距不當(dāng)?shù)纫蛩禺a(chǎn)生。
測量系統(tǒng)主要由電渦流傳感器、里程傳感器、步進電機、步進電機控制器、STC單片機和一臺PC機組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。在測量的過程中,步進電機帶動電渦流傳感器在鋼軌表面上方做橫向來回直線移動。在移動的過程中,傳感器拾取傳感器探頭與鋼軌頂軌面之間的間距信號,經(jīng)電平轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集后,通過串口發(fā)送至上位機進行在線數(shù)據(jù)處理,采樣間隔10 mm。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在軌道短波檢測的過程中,因其軌道檢測裝置測量基長的限制,一次性的測量不可能完成規(guī)定軌道長度的檢測。針對這個檢測問題,提出分次測量,逐步數(shù)據(jù)拼接的方法來實現(xiàn)規(guī)定長度的檢測,測量原理如圖2。圖中實線部分為移動之前的測量位置,虛線部分為移動一段距離之后的測量位置,實線與虛線交匯的部分是前后兩段測量數(shù)據(jù)需要進行拼接的部分。
實線與虛線交匯的部分在前后兩個測量坐標(biāo)系下的測量值是完全不同的,如圖5、圖6。測量裝置移動一段距離之后,其測量坐標(biāo)系發(fā)生了變化,從而導(dǎo)致在測量的過程中對同一區(qū)域前后測量得出兩種結(jié)果。因此,在拼接的過程中,需要建立測量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型,將后面測量的測量值轉(zhuǎn)換到第一次測量時的初始測量坐標(biāo)系中。
坐標(biāo)變換可實現(xiàn)測量坐標(biāo)系的統(tǒng)一,實現(xiàn)重疊區(qū)域數(shù)據(jù)曲線的旋轉(zhuǎn)和平移,從而最終找到重合部分的精確定位。由二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式[3]
圖2 測量原理
其中,x1、y1是移動之前的曲線坐標(biāo);x2、y2是移動一段距離之后的曲線坐標(biāo);θ為旋轉(zhuǎn)角度;x0、y0為平移量。
依據(jù)(2)式分析可以得知:數(shù)據(jù)拼接的關(guān)鍵在于求得旋轉(zhuǎn)角度θ和平移量y0。
初始拼接點的正確與否直接影響到整體拼接的誤差大小,對于相鄰兩次測量來說,依據(jù)移動了多少距離簡單求出的初始拼接點并不一定是最佳的拼接點,一方面?zhèn)鞲衅鳒y量的移動距離存在誤差;另一方面前后兩次測量重疊區(qū)域的數(shù)據(jù)同樣存在誤差。
其尋找方法主要是運用二次迭代法,在移動的距離前后20 cm范圍內(nèi)搜尋最佳初始拼接點,使重疊區(qū)域的拼接總絕對誤差量達到最小。其流程圖如圖3。
圖3 拼接點流程
其迭代過程和最佳拼接點搜尋相似。其流程圖如圖4。
圖4 誤差拼接流程
在迭代過程中,曲線2有先旋轉(zhuǎn)后平移和先平移后旋轉(zhuǎn)兩種方法。平移的過程中,又分為特征點平移法和均值平移法兩種。由于采樣間隔10 mm,移動之后,前后兩次在同一區(qū)域測量的點很大程度上不是同一點,這也是拼接中引起誤差的最大因素。由于兩次測量的不是針對同一點的問題,不能采用特征點平移法,因此采用均值平移法。圖7為采用該算法完成的拼接結(jié)果。
相關(guān)系數(shù)是變量之間相關(guān)程度的指標(biāo)。相關(guān)系數(shù)γ的取值范圍為[-1,1]。|γ|值越大,誤差σ越小,變量之間的線性相關(guān)程度越高;|γ|值越接近0,σ越大,變量之間的線性相關(guān)程度越低[4]。相關(guān)系數(shù)計算公式
式中,Y1為移動之前重疊區(qū)域的測量數(shù)據(jù);Y2為移動之后重疊區(qū)域的測量數(shù)據(jù);N為重疊區(qū)域的測量數(shù)據(jù)個數(shù)。
其拼接流程和最小總絕對誤差的拼接流程相似。其迭代過程中,每次旋轉(zhuǎn)平移之后,求取其相關(guān)系數(shù)。然后做比較,得到最大相關(guān)系數(shù)和旋轉(zhuǎn)角度值,完成拼接。圖8為采用該方法完成的拼接結(jié)果。
1)在兩段相鄰的測量數(shù)據(jù)中,在移動距離前后20 cm的范圍內(nèi)搜索最佳初始拼接點。
2)依據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理在最佳初始拼接點處,運用迭代旋轉(zhuǎn)和均值平移的方法得出最小總絕對誤差(或最大相關(guān)系數(shù))時的旋轉(zhuǎn)角度和平移量。
3)將拼接段數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至待拼接段中。
4)消除重疊點,不重疊點進行均值處理,拼接結(jié)束。
拼接過程中的重疊區(qū)域點越多,拼接精度越高。因此在移動的過程中,盡可能保證移動的距離不宜過大。
在2010-4-23測量的兩段相鄰鐵軌的兩段數(shù)據(jù)曲線(測量裝置移動了500 mm),如圖5、圖6所示,拼接結(jié)果如圖7、圖8、圖9所示。
圖5 0~1 200 mm測量曲線(測量基長1.2 m)
圖6 500~1 700 mm測量曲線(移動了500 mm)
圖7 0~1 680 mm測量曲線(最小總絕對誤差法)
從表1中得出,經(jīng)搜索最佳初始拼接點,最佳初始點的位置為480 mm處,而不是里程傳感器測量的500 mm。從最大拼接誤差和總絕對誤差來看,最小總絕對誤差法相對于最大相關(guān)系數(shù)法,精度更好。
圖8 0~1 680 mm測量曲線(最大相關(guān)系數(shù)法)
圖9 重疊區(qū)域均值處理后0~1 680 mm測量曲線
表1 兩種拼接方法結(jié)果對比
經(jīng)過試驗及測量數(shù)據(jù)分析表明,采用最小總絕對誤差法和最大相關(guān)系數(shù)法都可以完成快速的數(shù)據(jù)拼接。但經(jīng)過試驗對比,最大相關(guān)系數(shù)法計算量大,精度稍低。因此,采用最小總絕對誤差法,該方法能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、快速的數(shù)據(jù)拼接,滿足測量需求。
[1]周永健,練松良,楊文忠.軌面短波不平順對輪軌力影響的研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報,2009(4):6-12.
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[3]楊元興,李瑛.應(yīng)用最小二乘法進行平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[J].地礦測繪,2010(1):44-45.
[4]劉紅俠,楊靚,黃巾,等.快速圖像匹配相關(guān)系數(shù)算法及實現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計算機,2007(2):32-35.
U213.4
A
1003-1995(2011)02-0108-03
2010-08-10;
2010-12-18
羅麗萍(1956—),女,遼寧旅順人,教授。
(責(zé)任審編 王天威)