許　磊

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津　300251)

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高速鐵路Ⅲ型軌道板尺寸快速檢測技術(shù)研究

許磊

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300251)

摘要提出一種基于激光跟蹤和手持激光掃描組合技術(shù)的軌道板外觀尺寸快速檢測方法。手持類激光掃描儀可以快速、高精度地獲取軌道板表面激光點云數(shù)據(jù)，絕對激光跟蹤儀可為手持掃描儀提供高頻、高精度位置和姿態(tài)信息，這些信息將用于手持掃描儀實時定位定姿。利用掃描獲取的軌道板激光點云數(shù)據(jù)，通過點云分類與采樣一致性算法，可實現(xiàn)軌道模型參數(shù)的自動提取，將自動提取的模型參數(shù)與設(shè)計模型進行比較，可實現(xiàn)軌道板外觀尺寸的檢測。

關(guān)鍵詞Ⅲ型軌道板尺寸檢測激光掃描點云分類采樣一致性

目前，高速鐵路Ⅲ型軌道板外觀尺寸檢測主要有以下兩種手段。(1)基于馬達驅(qū)動型全站儀+特殊裝置的方式:在Ⅱ型軌道板尺寸檢測的基礎(chǔ)上，對裝置進行改進，對全站儀數(shù)據(jù)采集和分析軟件進行升級，實現(xiàn)Ⅲ型軌道板外觀尺寸檢測。此類方法是目前工程上應(yīng)用最多的檢測手段，可實現(xiàn)軌道板外觀尺寸的直接檢測，完成一塊軌道板外觀尺寸完整檢測的時間約40 min，效率上很難滿足軌道板廠實際生產(chǎn)需求。(2)基于近景攝影測量+機械驅(qū)動方式：基于近景攝影測量系統(tǒng)的自動化檢測系統(tǒng)，通過步進電機驅(qū)動攝像機，讓攝像機在軌道板上方沿著設(shè)定的路線進行移動攝像。此類方法可以實現(xiàn)軌道板外觀尺寸的快速獲取，再通過分析軟件的處理，實現(xiàn)軌道板外觀尺寸結(jié)果的自動生成。此類方法在效率上有很大提高，但需要對檢測現(xiàn)場進行改造，掃描儀運動的機械裝置較為復(fù)雜，不能實現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)獲取方式。

1方法

1.1方法簡介

高速鐵路Ⅲ型板式(Chinese Railway Track Slab，CRTS Ⅲ型)無砟軌道板是我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新型軌道板，采用工廠化一次加工成型，無需后期打磨。相比之前其他類型的軌道板，檢測規(guī)范對CRTS Ⅲ型加工尺寸的精度要求更加嚴格，檢測項目更多，且必須對每一塊軌道板進行尺寸檢測。利用手持類激光掃描儀快速高精度掃描，獲取軌道板表面點云數(shù)據(jù)，再利用軌道板表面高密度的激光點云，采用點云分割與模型采樣一致性算法，自動提取軌道板模型參數(shù)。

本文提出的CRTS Ⅲ型軌道板檢測流程如圖1所示，主要包含3個部分：(1)建立軌道板局部坐標(biāo)系，將軌道板掃描數(shù)據(jù)糾正至此坐標(biāo)系；(2)對糾正后的軌道板點云進行分類，準(zhǔn)確分割承軌臺的承軌面、鉗口面以及預(yù)埋套管處激光點云數(shù)據(jù)；(3)分別采用平面擬合和球形模型擬合的方法，實現(xiàn)承軌面和鉗口面的平面參數(shù)以及預(yù)埋套管球形參數(shù)的提取。最后，利用提取的承軌面、鉗口面平面參數(shù)及預(yù)埋套管球形參數(shù)，參照軌道板設(shè)計文件，計算軌道板尺寸偏差。

圖1　基于激光跟蹤和手持激光掃描組合軌道板檢測流程

1.2激光點云坐標(biāo)系糾正

手持類激光掃描儀自動獲取軌道板激光點云數(shù)據(jù)一般采用任意坐標(biāo)系，為了對激光點云進行快速分類，需要將激光點云糾正至軌道板相對坐標(biāo)系，糾正后的軌道板坐標(biāo)系如圖2。

圖2　軌道板局部坐標(biāo)系

1.3激光點云分類

(1)承軌面與鉗口面點云分類

為了實現(xiàn)承軌面與鉗口面平面點云分類，首先采用矩形分割的方法進行平面點云分割，再對分割后點云進行高程濾波，即可分別獲得承軌面與鉗口面平面點云。在進行矩形分割時，根據(jù)已知軌道板類型的設(shè)計文件，定義承軌面與鉗口面表面分割矩形。在進行高程濾波時，根據(jù)設(shè)計文件，計算承軌面與鉗口面的高程最大值與最小值，再利用公式(1)，對矩形分割的點云進行高程濾波。承軌面與鉗口面點云分類如圖3及式(1)。

圖3　承軌面與鉗口面點云分類

(1)

(2)預(yù)埋套管處球形點云分類

為了檢測預(yù)埋套管相關(guān)的尺寸加工偏差，需要準(zhǔn)確測量預(yù)埋套管中心位置。借助自歸心球形棱鏡，采用間接方式獲取預(yù)埋套管中心位置。

自歸心球棱鏡安放于預(yù)埋套管處，掃描儀獲取球棱鏡表面激光點云。經(jīng)過坐標(biāo)系糾正的軌道板點云各預(yù)埋套管的位置基本固定。自歸心球形棱鏡球半徑和球心至自歸心裝置底部的高度已知，可以準(zhǔn)確計算球形棱鏡中心的理論位置，再利用公式(2)所示的半徑搜索算法進行半徑搜索，可實現(xiàn)自歸心球棱鏡表面激光點云自動分類。

(2)

1.4激光點云模型采樣

(1)承軌面與鉗口面平面模型采樣

對經(jīng)過分類的承軌面與鉗口面激光點云采用平面模型采樣一致性算法，獲得平面模型參數(shù)，如圖4。

圖4　承軌面與鉗口面平面采樣一致性

(2)預(yù)埋套管處球形模型提取

對經(jīng)過分類的球形棱鏡表面點云采用球形模型采樣一致性算法，獲得球形模型參數(shù)，如圖5。

圖5　自歸心球棱鏡球形采樣一致性

1.5軌道板幾何尺寸計算

鐵總科技[2013]162文件中詳細列舉了CRTS Ⅲ型軌道板外觀尺寸偏差及檢驗要求，主要包含軌道板外觀尺寸、預(yù)埋套管、承軌臺、扣件間距、板頂面平整度等偏差要求。根據(jù)1.4中提取的模型參數(shù)，可以計算相應(yīng)的尺寸值，再與設(shè)計值進行比較，即可獲得軌道板各部件加工尺寸偏差值。這里只列舉其中相對重要的項目，如承軌臺預(yù)埋套管中心距離，可根據(jù)模型擬合的球形模型中球形中心坐標(biāo)，計算螺栓孔中心實際距離，再與標(biāo)準(zhǔn)值進行比較(設(shè)計值為233.3 mm)，即可計算螺栓孔中心的加工偏差。再如，單個承軌臺鉗口距離，可根據(jù)模型擬合的平面模型參數(shù)，將承軌面模型沿Z軸平行向上移動28 mm，向上移動的承軌面與鉗口面的相交為平行線，兩條平行交線的空間距離，即為單個承軌臺鉗口(小鉗口)距離。

2實驗及分析

2.1數(shù)據(jù)描述

為了評價本文方法的可靠性與精度，在某客專板廠進行掃描實驗。該線采用CRTSⅢ型軌道板，目前的檢測方法主要是采用自動馬達型全站儀+特殊裝置來實現(xiàn)。選擇瑞士徠卡測量系統(tǒng)的激光跟蹤儀、手持掃描儀進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。絕對激光跟蹤儀的型號為Leica AT960，位置精度為：Ux，y，z=0.015 mm+0.006 mm/m。手持激光掃描儀型號為Leica T-Scan 5，精度為0.060 mm，最大測量速率為210 000點/s。激光跟蹤儀設(shè)站在待檢測軌道板附近區(qū)域，手持掃描儀至激光跟蹤儀距離控制在10 m范圍內(nèi)。

2.2檢測結(jié)果

將掃描儀獲取的軌道板表面激光點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軌道板點云數(shù)據(jù)處理軟件，經(jīng)過簡單的交互操作，即可生成規(guī)范中要求的軌道板外觀尺寸檢測內(nèi)容。圖6所示的螺栓孔距離只是成果中的一項內(nèi)容，其他各檢測項也生成類似的表格。由于激光特性和采用的自歸心裝置的局限性，規(guī)范中要求的螺栓孔歪斜和凸起高度，以及保護層厚度3項指標(biāo)無法測量，可借助其他裝置輔助測量。

圖6　掃描儀測量的同一承軌臺兩相鄰套管中心距

2.3精度分析

為了驗證本文提出檢測方法的可靠性，將從兩個方面進行精度評定。首先分析模型擬合的精度，球形擬合的標(biāo)準(zhǔn)差為0.13 mm，平面擬合的標(biāo)準(zhǔn)差為0.06 mm。其次，采用傳統(tǒng)全站儀檢測方法，測量螺栓孔距離，結(jié)果如表1。由于采用不同的設(shè)備，所以全站儀和掃描儀精度不完全一致，但是偏差值基本一致。

表1　全站儀測量的同一承軌臺兩相鄰套管中心距

注：偏差絕對值最大值：0.9 mm。

3結(jié)論

采用激光跟蹤儀+手持掃描儀技術(shù)，可以實現(xiàn)軌道板表面點云的快速高精度獲取。針對軌道板檢測規(guī)范要求的檢測項目，編寫激光點云數(shù)據(jù)處理軟件，通過點云分類和采樣一致性算法，提取軌道板部件模型，再與設(shè)計文件進行比較，可以自動實現(xiàn)軌道板外觀尺寸檢測。后期，可將掃描儀安置在機械臂上，實現(xiàn)在線自動化掃描與數(shù)據(jù)分析。

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收稿日期：2016-05-20

作者簡介：許磊(1983—)，男，2009年畢業(yè)于武漢大學(xué)攝影測量與遙感專業(yè)，碩士，工程師。

文章編號：1672-7479(2016)03-0005-04

中圖分類號：P225

文獻標(biāo)識碼：A

Research on Quick Detection Track Slab of High Speed Railway

XU Lei