熊仕勇,陳春俊,王　鋒

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,成都　610031； 2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都　610031)

隨著我國(guó)城市軌道交通的迅速發(fā)展，軌道基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)檢測(cè)是保證列車運(yùn)營(yíng)安全的前提，軌道檢測(cè)車(簡(jiǎn)稱軌檢車)能對(duì)軌道的幾何參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。早期的軌道檢測(cè)是采用光電傳感器和伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，這種檢測(cè)方法極易受振動(dòng)、天氣等環(huán)境因素的影響[1]。國(guó)外鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)軌道的檢測(cè)采用了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、激光攝像等技術(shù)。采用鋼軌輪廓檢測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌輪廓數(shù)據(jù)比對(duì)，借助數(shù)值計(jì)算方法，精確掌握軌道狀態(tài)，而對(duì)鋼軌輪廓數(shù)據(jù)特征點(diǎn)快速、準(zhǔn)確提取是保證鋼軌輪廓精確匹配[2]、軌道幾何不平順精確檢測(cè)的前提。

目前，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，激光攝像傳感器得到了廣泛應(yīng)用，我國(guó)軌檢車引進(jìn)了基于激光和攝像技術(shù)的檢測(cè)方法。文獻(xiàn)[3]提出一種基于二維激光位移傳感器的軌距檢測(cè)方法，采用2D實(shí)現(xiàn)鋼軌輪廓數(shù)據(jù)檢測(cè)。文獻(xiàn)[1]提出基于激光三角測(cè)量原理的軌距檢測(cè)系統(tǒng)，該方法對(duì)軌形輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行曲率角計(jì)算、平滑，通過(guò)曲率角尋找輪廓特征點(diǎn)后進(jìn)行圖像匹配，該方法對(duì)輪廓可選特征點(diǎn)較少。文獻(xiàn)[2]根據(jù)以空間圓弧上所有點(diǎn)為圓心做與圓弧等半徑的圓時(shí)它們相交于同一點(diǎn)的理論，獲取測(cè)量鋼軌軌腰圓弧中心特征點(diǎn)的世界坐標(biāo)。這種提取方法計(jì)算復(fù)雜，噪聲影響大且特征點(diǎn)單一。同樣，文獻(xiàn)[6]提出一種基于曲率角計(jì)算提取輪廓特征點(diǎn)的方法。而實(shí)際軌形輪廓數(shù)據(jù)用基于曲率提取特征點(diǎn)，導(dǎo)致可選特征點(diǎn)單一化，對(duì)實(shí)測(cè)輪廓進(jìn)行曲率角計(jì)算會(huì)帶來(lái)很大的誤差，定位能力不強(qiáng)。

針對(duì)目前鋼軌輪廓特征點(diǎn)提取方法現(xiàn)狀，本文提出一種基于鋼軌輪廓特征曲線的特征點(diǎn)提取方法，對(duì)采集的鋼軌輪廓數(shù)據(jù)采用基于中值誤差與連續(xù)度自適應(yīng)調(diào)整權(quán)值的平滑濾波方法對(duì)實(shí)測(cè)輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，解決存在分段的二維輪廓數(shù)據(jù)的平滑問(wèn)題。定義了輪廓特征曲線應(yīng)滿足的兩個(gè)基本屬性，給出了特征曲線的一種定義方式，利用特征曲線上的特征點(diǎn)能快速定位實(shí)測(cè)輪廓特征點(diǎn)，由于特征曲線實(shí)現(xiàn)方式的多樣性，使得實(shí)測(cè)輪廓數(shù)據(jù)特征點(diǎn)的選取不再單一。最后，采用GJ-2型軌道檢測(cè)車進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)際軌道進(jìn)行輪廓測(cè)量，采用本文所提出的特征點(diǎn)提取方法對(duì)實(shí)測(cè)輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行特征點(diǎn)提取，試驗(yàn)證明，該方法能快速、準(zhǔn)確地定位輪廓特征點(diǎn)。

1　基于2D鋼軌輪廓測(cè)量原理

激光攝像及圖像處理技術(shù)在軌道不平順檢測(cè)中的應(yīng)用，使得我國(guó)軌道檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛越。激光攝像式傳感器的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了鋼軌輪廓的連續(xù)動(dòng)態(tài)測(cè)量[5]，二維激光位移傳感器用于在線檢測(cè)鋼軌輪廓，其原理如圖1所示。1號(hào)、2號(hào)二維激光位移傳感器安裝在專用檢測(cè)梁上，檢測(cè)梁與檢測(cè)車轉(zhuǎn)向架焊接連接，二維激光位移傳感器的安裝需滿足能同時(shí)對(duì)鋼軌頂面、側(cè)面及軌腰進(jìn)行檢測(cè)。

圖1　二維激光位移傳感器鋼軌輪廓測(cè)量

二維激光位移傳感技術(shù)基于三角測(cè)距原理，內(nèi)部由線型激光源模塊、光學(xué)濾鏡及透鏡、DSP模塊、CCD和CAN總線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。如圖2(a)所示，線型激光源發(fā)射線型激光切面，在激光切面內(nèi)形成一個(gè)梯形可測(cè)范圍平面，在切面激光的梯形可測(cè)范圍內(nèi)的激光投射在鋼軌表面形成鋼軌輪廓線，2D內(nèi)部的光學(xué)器件感知反射光線并將其投射到高性能CCD可得到上千個(gè)輪廓測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。在2D傳感器內(nèi)部進(jìn)行圖像處理、鋼軌輪廓提取及數(shù)字化后以數(shù)據(jù)流的形式將輪廓測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上，上位機(jī)在CAN總線接口卡中可提取輪廓測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。該測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的物理意義是實(shí)際鋼軌輪廓測(cè)點(diǎn)在2D傳感器坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)。如圖2(b)所示，實(shí)測(cè)鋼軌輪廓測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)在2D傳感器坐標(biāo)系中的輪廓數(shù)據(jù)。

圖2　鋼軌激光輪廓

2　鋼軌輪廓特征曲線及特征點(diǎn)提取

2.1　輪廓特征曲線定義

如圖2(b)所示，鋼軌輪廓數(shù)據(jù)可由1條二維離散曲線P=[p(j)=(x(j),y(j)),(j=1～n)]來(lái)表示，其中n為輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)。由于檢測(cè)車振動(dòng)影響，實(shí)測(cè)鋼軌輪廓數(shù)據(jù)在其傳感器坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)具有隨機(jī)性，考慮到鋼軌輪廓數(shù)據(jù)上任意一點(diǎn)相對(duì)其他點(diǎn)之間的位置關(guān)系具有不變特性，為了表征鋼軌輪廓數(shù)據(jù)各坐標(biāo)點(diǎn)之間的這種不變特性，提出了鋼軌輪廓特征曲線的概念。能作為鋼軌輪廓特征曲線需具備以下兩個(gè)屬性。

(1)特征曲線上任一點(diǎn)與鋼軌輪廓數(shù)據(jù)物理位置上一點(diǎn)具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)特征曲線能表征鋼軌輪廓點(diǎn)內(nèi)部之間不變的物理位置關(guān)系，與測(cè)量坐標(biāo)系無(wú)關(guān)。

利用鋼軌輪廓特征曲線可把實(shí)測(cè)二維輪廓數(shù)據(jù)用一維曲線去表征，對(duì)一維曲線數(shù)據(jù)的處理更易于對(duì)鋼軌輪廓特征點(diǎn)的提取。為滿足特征曲線兩個(gè)基本屬性，本文給出了一種實(shí)現(xiàn)特征曲線的方法，以鋼軌輪廓數(shù)據(jù)上任一點(diǎn)(p(i)=(x(i),y(i)),i∈[1+R,n-R])的前后第R個(gè)點(diǎn)p(i-R)=(x(i-R),y(i-R))、p(i+R)=(x(i+R),y(i+R))之間的距離值s(i)作為點(diǎn)p(i)的特征距離。

(1)

鋼軌輪廓上所有點(diǎn)的特征距離便可構(gòu)成特征曲線。定義鋼軌輪廓數(shù)據(jù)特征曲線f(i)為

f(i)=(i,s(i)),i∈[1+R,n-R]

(2)

利用式(2)求解標(biāo)準(zhǔn)輪廓特征曲線如圖3所示，圖3(a)是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼軌輪廓曲線解析式離散化后模擬激光投射圖像，圖3(b)是標(biāo)準(zhǔn)輪廓數(shù)據(jù)按式(2)計(jì)算所對(duì)應(yīng)的特征曲線。

圖3　標(biāo)準(zhǔn)輪廓及其特征曲線

分析標(biāo)準(zhǔn)輪廓特征曲線可知，曲線上任一點(diǎn)的縱坐標(biāo)數(shù)值大小，表征了實(shí)測(cè)輪廓數(shù)據(jù)上該點(diǎn)前后第R個(gè)點(diǎn)p(i-R)與p(i+R)之間的距離大小，該數(shù)值越小，表明這3個(gè)點(diǎn)p(i)、p(i-R)、p(i+R)所處位置越緊密。由于激光投射存在盲區(qū)導(dǎo)致軌形數(shù)據(jù)分段，特征曲線包含明顯凸起部分。

2.2　輪廓曲線平滑

特征曲線不受檢測(cè)車運(yùn)行振動(dòng)的影響，但陽(yáng)光干擾會(huì)使得投射圖像產(chǎn)生噪點(diǎn)，噪點(diǎn)的存在會(huì)使得特征曲線形成凸起“毛刺”。另外，由于2D傳感器內(nèi)部對(duì)輪廓數(shù)據(jù)數(shù)字化轉(zhuǎn)化過(guò)程存在數(shù)字化誤差。噪點(diǎn)和數(shù)字化誤差的存在都會(huì)降低特征曲線平滑度，影響特征點(diǎn)的準(zhǔn)確提取。因此，在對(duì)實(shí)測(cè)輪廓數(shù)據(jù)計(jì)算其特征曲線之前，必須對(duì)鋼軌輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。本文采用基于中值誤差與連續(xù)度自適應(yīng)調(diào)整權(quán)值的平滑濾波方法，通過(guò)引入權(quán)值因子，有效解決存在分段的輪廓數(shù)據(jù)達(dá)到分段平滑的效果。同時(shí)，該方法還能有效去除噪點(diǎn)，消除噪點(diǎn)對(duì)特征曲線的影響。

(3)

式中，ω(k+i)≥0,(-N≤i≤N)稱為權(quán)值因子，其大小取決于：

中值誤差項(xiàng)

空間連續(xù)度

(5)

則權(quán)值因子

ω(k+i)=ω1(k+i)×ω2(k+i)=

(6)

權(quán)值因子ω(k+i)中的系數(shù)σ1、σ2表示鈍化程度，其值越大，鈍化作用越強(qiáng)，輪廓數(shù)據(jù)中的不平滑點(diǎn)將消失；反之，鈍化作用越弱。σ1、σ2的選取根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度和噪聲干擾而不同，可通過(guò)多次試驗(yàn)選取合適的值，有效選擇σ1可達(dá)到不同的平滑效果，合理選擇σ2可有效去除輪廓數(shù)據(jù)中噪點(diǎn)。

2.3　特征點(diǎn)提取

本文根據(jù)特征曲線上的特征點(diǎn)來(lái)尋找實(shí)測(cè)激光輪廓數(shù)據(jù)特征點(diǎn)。因此，能快速、有效去定位一維特征曲線上的特征點(diǎn)是關(guān)鍵所在。如圖3(b)所示，觀察特征曲線，具有明顯的突起，某點(diǎn)處的特征距離與下一點(diǎn)的特征距離從40 mm突變?yōu)?00 mm，同樣存在從90 mm突變到26 mm的點(diǎn)，這種具有較大距離突變的點(diǎn)即可作為特征曲線的特征點(diǎn)。此外，特征曲線上總存在特征距離值最小的一點(diǎn)，該點(diǎn)亦可作為實(shí)測(cè)輪廓特征點(diǎn)的定位點(diǎn)。根據(jù)特征曲線上的特征點(diǎn)，便可得到對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)輪廓數(shù)據(jù)的特征點(diǎn)。

綜上分析，特征曲線上的特征點(diǎn)可選擇定義為

fi=(f-1(min[f(i)]),min[f(i)])

(7)

(8)

式中，常數(shù)m的大小要能確保找到特征曲線突變點(diǎn)。根據(jù)式(7)、式(8)可得實(shí)測(cè)輪廓數(shù)據(jù)特征點(diǎn)

pi=(x((f-1(min[f(i)])),y((f-1(min[f(i)])))

(9)

pk=(x(k),y(k))

(10)

式中k值由式(8)決定。

輪廓特征點(diǎn)提取流程如下：一幀完整輪廓數(shù)據(jù)→對(duì)輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理→根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)計(jì)算其特征曲線→根據(jù)定義尋找特征曲線上特征點(diǎn)→根據(jù)特征曲線上特征點(diǎn)尋找輪廓特征點(diǎn)。

根據(jù)特征曲線及特征點(diǎn)的定義，對(duì)實(shí)測(cè)輪廓尋找特征點(diǎn)，如圖4所示。

圖4　實(shí)測(cè)輪廓特征點(diǎn)

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提出的鋼軌輪廓數(shù)據(jù)特征點(diǎn)提取方法，采用GJ-2型軌道檢測(cè)車在實(shí)際地鐵線路上進(jìn)行試驗(yàn)。檢測(cè)梁安裝如圖5(a)所示，2D激光位移傳感器安裝如圖5(b)所示。

圖5　檢測(cè)梁及2D激光位移傳感器安裝

檢測(cè)車在運(yùn)行過(guò)程中，由定位裝置檢測(cè)車輛每走過(guò)一定距離(250 mm)后實(shí)時(shí)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)到2只2D激光位移傳感器中，2D接收觸發(fā)信號(hào)，收集一幀2D輪廓數(shù)據(jù)，完成一次鋼軌輪廓數(shù)據(jù)的測(cè)量。圖6分別是一幀實(shí)測(cè)左軌、右軌內(nèi)側(cè)輪廓在其自身傳感器測(cè)量坐標(biāo)系中的(x，y)坐標(biāo)值的平滑前后對(duì)比圖。

圖6　一幀實(shí)測(cè)輪廓數(shù)據(jù)平滑效果

利用本文所介紹的輪廓數(shù)據(jù)特征曲線的概念，對(duì)圖6中軌形數(shù)據(jù)計(jì)算其特征曲線的平滑前后對(duì)比，如圖7所示。

圖7　實(shí)測(cè)輪廓特征曲線平滑前后對(duì)比

圖8為一系列實(shí)測(cè)輪廓特征點(diǎn)提取后輪廓數(shù)據(jù)在2D測(cè)量坐標(biāo)系下的三維圖，其中紅色圈出為所提取特征點(diǎn)。

圖8　實(shí)測(cè)輪廓特征點(diǎn)提取

圖6(b)中，原始輪廓數(shù)據(jù)存在干擾噪點(diǎn)，采用本文平滑方法能有效去除噪點(diǎn)對(duì)特征曲線的影響，保證了特征曲線上的特征點(diǎn)的準(zhǔn)確提取。如圖8所示，通過(guò)連續(xù)采集鋼軌輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行特征點(diǎn)提取，可以看到紅色圈出的一系列特征點(diǎn)并不在一條直線上，這是由于車體振動(dòng)所帶來(lái)的影響，但可以發(fā)現(xiàn)，使用本文方法能定位每幀軌形數(shù)據(jù)的特征位置，完全消除車體振動(dòng)對(duì)輪廓數(shù)據(jù)的影響，能準(zhǔn)確提取鋼軌輪廓特征點(diǎn)。

利用該方法提取鋼軌輪廓特征點(diǎn)，影響其提取精度主要是2D傳感器自身的分辨率及數(shù)字化誤差，使用本文的平滑方法可在一定程度上減少數(shù)字化誤差的影響。在實(shí)際應(yīng)用中選用高精度的二維激光位移傳感器可提供檢測(cè)精度。

4　結(jié)語(yǔ)

鋼軌輪廓特征點(diǎn)的快速、準(zhǔn)確提取是解決目前基于激光攝像的軌道幾何不平順高速檢測(cè)的難點(diǎn)之一。本文利用鋼軌輪廓特征曲線不僅能快速定位特征點(diǎn)，而且可以通過(guò)調(diào)整定義特征曲線的尺度R來(lái)定義實(shí)測(cè)輪廓不同位置的特征點(diǎn)，該方法不受車體振動(dòng)影響，適合工程應(yīng)用。

(1)本文所提出的基于2D的鋼軌輪廓特征點(diǎn)提取方法，能對(duì)鋼軌輪廓特征點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)快速檢測(cè)。

(2)通過(guò)引入權(quán)值因子，利用基于中值誤差與連續(xù)度的自適應(yīng)調(diào)整權(quán)值的平滑濾波方法對(duì)實(shí)測(cè)輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，有效解決存在分段的輪廓數(shù)據(jù)達(dá)到分段平滑的效果。同時(shí)，該方法還能有效去除噪點(diǎn)，消除噪點(diǎn)對(duì)特征曲線的影響。

(3)利用鋼軌激光輪廓特征曲線的概念，從輪廓特征曲線的特征點(diǎn)去尋找實(shí)測(cè)激光輪廓特征點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算過(guò)程得知該方法提取特征點(diǎn)的在線計(jì)算實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

文中給出了一種定義輪廓特征曲線的方式，不同的特征曲線定義會(huì)尋找到更多的特征點(diǎn)，后續(xù)還會(huì)對(duì)特征曲線的實(shí)現(xiàn)方式做進(jìn)一步研究。

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