占 棟， 于 龍， 肖 建， 陳唐龍

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

為適應(yīng)日益繁重的軌道運(yùn)輸需要，軌道交通管理部門(mén)加快了列車(chē)運(yùn)行速度，提高了列車(chē)軸重和行車(chē)密度，增加列車(chē)長(zhǎng)度并混合列車(chē)編組，鋼軌的工作負(fù)荷明顯增加，工作環(huán)境更加復(fù)雜，導(dǎo)致鋼軌磨耗加快，局部線路鋼軌波磨、剝離、壓潰等病害現(xiàn)象突出，增加了鋼軌維護(hù)難度[1-4]。

軌道檢測(cè)車(chē)是檢查軌道病害、指導(dǎo)軌道維修作業(yè)、評(píng)價(jià)軌道服役性態(tài)和保證軌道交通運(yùn)輸安全的重要基礎(chǔ)裝備。上世紀(jì)50年代起，我國(guó)一直致力于軌道檢測(cè)車(chē)的研制，在引進(jìn)、消化和吸收國(guó)外軌道檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，相繼成功研發(fā)出適合于我國(guó)的多種型號(hào)軌道檢測(cè)車(chē)，為我國(guó)軌道交通運(yùn)營(yíng)維護(hù)發(fā)揮了巨大作用[5-6]。鋼軌輪廓?jiǎng)討B(tài)測(cè)量作為軌道檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，在軌道檢測(cè)中占有重要地位[7-10]，其檢測(cè)結(jié)果可直接用于軌道幾何參數(shù)計(jì)算，同時(shí)為鋼軌表面故障甄別、鋼軌服役性態(tài)評(píng)估、鋼軌缺陷演變機(jī)理研究提供客觀依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)一直十分重視鋼軌輪廓測(cè)量，先后在鋼軌輪廓測(cè)量圖像識(shí)別、視覺(jué)傳感器標(biāo)定和鋼軌輪廓特征提取方面開(kāi)展了系列研究。AlIPPI等[11]最先提出采用激光攝像技術(shù)進(jìn)行鋼軌輪廓?jiǎng)討B(tài)測(cè)量，重點(diǎn)研究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在鋼軌激光輪廓圖像識(shí)別中的應(yīng)用；POPOV等[12]研究了基于線性模型的激光攝像式傳感器標(biāo)定方法，并應(yīng)用在莫斯科地鐵軌道檢測(cè)系統(tǒng)中；MAURO等[13]介紹了意大利軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，包括鋼軌輪廓?jiǎng)討B(tài)測(cè)量技術(shù)；孫軍華等[14]提出一種Kalman濾波和Hessian 矩陣相結(jié)合的鋼軌激光光條中心快速提取方法；LIU等[15]考慮車(chē)體振動(dòng)，提出了一種新型鋼軌磨耗動(dòng)態(tài)測(cè)量方法，并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用；占棟[16]在鋼軌輪廓測(cè)量視覺(jué)傳感器傳統(tǒng)標(biāo)定方法的基礎(chǔ)上，采用非線性模型對(duì)視覺(jué)測(cè)量方法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，提高了傳感器測(cè)量精度。

目前國(guó)內(nèi)軌道檢測(cè)車(chē)中普遍配備的是2組激光攝像式傳感器，只能對(duì)左右股鋼軌標(biāo)準(zhǔn)工作邊的半斷面輪廓進(jìn)行測(cè)量，無(wú)法完成鋼軌輪廓全斷面測(cè)量。鋼軌非標(biāo)準(zhǔn)工作邊包含了豐富的數(shù)據(jù)信息，對(duì)鋼軌磨耗計(jì)算基準(zhǔn)選取、鋼軌輪廓匹配、車(chē)輛振動(dòng)補(bǔ)償及道岔區(qū)域軌道幾何參數(shù)計(jì)算等具有重要的參考價(jià)值。近年，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展及視覺(jué)測(cè)量成本降低，國(guó)外相關(guān)研究人員針對(duì)鋼軌半斷面檢測(cè)在軌形監(jiān)控、鋼軌磨耗計(jì)算、鋼軌缺陷判定中所存在不足，加強(qiáng)了鋼軌輪廓全斷面動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)方面的研究，研制了相關(guān)產(chǎn)品，其中有代表性的有意大利MERMEC公司、美國(guó)的ENSCO公司和KLDLABS公司。

針對(duì)我國(guó)軌道檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合國(guó)外軌道檢測(cè)最新研究進(jìn)展以及國(guó)內(nèi)軌道檢測(cè)車(chē)研制背景，本文對(duì)影響鋼軌輪廓全斷面檢測(cè)精度的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究，主要包括鋼軌輪廓全斷面測(cè)量中多視角條件下不同視覺(jué)傳感器全局標(biāo)定及考慮車(chē)輛蛇形運(yùn)動(dòng)的鋼軌輪廓測(cè)量數(shù)據(jù)多自由度振動(dòng)補(bǔ)償；梳理形成系統(tǒng)的鋼軌輪廓全斷面檢測(cè)技術(shù)方法；將研究方法應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)鋼軌輪廓全斷面動(dòng)態(tài)測(cè)量中，為提高鋼軌全斷面輪廓檢測(cè)精度提供理論方法和技術(shù)手段。

1 測(cè)量原理

采用激光攝像技術(shù)進(jìn)行鋼軌輪廓全斷面動(dòng)態(tài)測(cè)量，系統(tǒng)檢測(cè)原理見(jiàn)圖1。要實(shí)現(xiàn)左右股鋼軌輪廓全斷面測(cè)量，至少需使用4組激光攝像式傳感器，每組由1臺(tái)攝像機(jī)和1臺(tái)線結(jié)構(gòu)光源構(gòu)成，其空間布置見(jiàn)圖1。同一股鋼軌，緊貼車(chē)輪踏面的一側(cè)稱(chēng)鋼軌內(nèi)側(cè)，遠(yuǎn)離車(chē)輪踏面的另一側(cè)稱(chēng)鋼軌外側(cè)。受車(chē)底安裝空間限制及視角影響，要實(shí)現(xiàn)鋼軌輪廓全斷面測(cè)量，須在同一股鋼軌內(nèi)外側(cè)的不同視角條件下對(duì)稱(chēng)安裝2組激光攝像式傳感器。安裝時(shí)，須保證內(nèi)外側(cè)激光攝像式傳感器投射的結(jié)構(gòu)光平面重合，見(jiàn)圖2。

測(cè)量時(shí)，內(nèi)外側(cè)激光攝像式傳感器投射的結(jié)構(gòu)光平面與鋼軌相交，在鋼軌表面形成一條包含鋼軌輪廓信息的激光光條曲線。旁側(cè)攝像機(jī)與結(jié)構(gòu)光平面呈一定角度拍攝鋼軌激光輪廓圖像，基于激光三角測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)鋼軌輪廓檢測(cè)。檢測(cè)過(guò)程

Step1車(chē)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)光電里程計(jì)旋轉(zhuǎn)輸出脈沖信號(hào)，檢測(cè)系統(tǒng)采集光電脈沖信號(hào)后，作為觸發(fā)信號(hào)同時(shí)傳輸給左右股鋼軌輪廓檢測(cè)的4臺(tái)攝像機(jī)，完成同一時(shí)刻鋼軌激光光條圖像采集。

Step2圖像采集系統(tǒng)獲取鋼軌輪廓圖像后，實(shí)時(shí)傳輸給圖像處理系統(tǒng)，進(jìn)行相應(yīng)的鋼軌激光光條特征提取、激光光條坐標(biāo)換算和重合區(qū)域坐標(biāo)融合，得到完整鋼軌斷面輪廓數(shù)據(jù)。

Step3鋼軌全斷面輪廓數(shù)據(jù)通過(guò)車(chē)載局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸給綜合處理計(jì)算機(jī)。綜合處理計(jì)算機(jī)將實(shí)時(shí)獲取的鋼軌輪廓與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌輪廓進(jìn)行對(duì)比和匹配，通過(guò)軌腰曲線固有特征信息，計(jì)算車(chē)輛振動(dòng)量，并依此進(jìn)行振動(dòng)補(bǔ)償。

Step4綜合處理計(jì)算機(jī)結(jié)合軟件中存儲(chǔ)的線路數(shù)據(jù)庫(kù)信息和光電里程計(jì)實(shí)時(shí)定位信息，將鋼軌輪廓最終測(cè)量數(shù)據(jù)與上述空間信息相結(jié)合，形成檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄，寫(xiě)入存儲(chǔ)磁盤(pán)，同時(shí)在顯示器和打印機(jī)中同步顯示和打印。

2 測(cè)量模型建立

實(shí)現(xiàn)鋼軌輪廓全斷面高精度動(dòng)態(tài)測(cè)量，需對(duì)鋼軌輪廓測(cè)量視覺(jué)傳感器進(jìn)行高精度標(biāo)定。以圖2中單股鋼軌輪廓全斷面測(cè)量中內(nèi)外側(cè)相鄰視覺(jué)傳感器為例，介紹其標(biāo)定方法。

鋼軌輪廓測(cè)量視覺(jué)傳感器標(biāo)定原理見(jiàn)圖3，各參數(shù)及符號(hào)定義見(jiàn)表1。鋼軌輪廓測(cè)量視覺(jué)傳感器標(biāo)定，即采用合適的計(jì)算方法求取攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)、相鄰攝像機(jī)外部參數(shù)和結(jié)構(gòu)光平面方程系數(shù)。采用二維平面靶標(biāo)對(duì)鋼軌輪廓測(cè)量視覺(jué)傳感器進(jìn)行在線標(biāo)定，主要包括：

Step1自由移動(dòng)平面靶標(biāo)，經(jīng)過(guò)i次移動(dòng)后的靶標(biāo)平面記為π(i)，確保靶標(biāo)平面π(i)在左右攝像機(jī)中能夠同時(shí)清晰成像后，固定靶標(biāo)。

Step2為避免結(jié)構(gòu)光對(duì)圖像角點(diǎn)提取影響，關(guān)閉激光光源，分別調(diào)節(jié)左右攝像機(jī)曝光時(shí)間，使靶標(biāo)平面π(i)能夠在左右攝像機(jī)中同時(shí)清晰成像后，拍攝靶標(biāo)平面π(i)在相鄰攝像機(jī)中圖像。

Step3保持Step2中靶標(biāo)空間位置不變，結(jié)構(gòu)光源通電，結(jié)構(gòu)激光平面πL與靶標(biāo)平面相交后，在π(i)上形成激光光條直線l(i)，調(diào)節(jié)攝像機(jī)曝光時(shí)間，使激光光條能夠在左右攝像機(jī)中同時(shí)清晰成像后，相鄰攝像機(jī)同時(shí)拍攝激光光條圖像。

Step4移動(dòng)平面靶標(biāo)，重復(fù)Step1～Step3，左右攝像機(jī)分別拍攝同一靶標(biāo)在至少3個(gè)不同空間位置處的圖像。

Step7綜合攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)Ak、相鄰攝像機(jī)外部參數(shù)[R1t1]、激光平面方程，建立鋼軌輪廓全斷面視覺(jué)測(cè)量模型。

表1 參數(shù)及符號(hào)定義

注：下標(biāo)k表示第k個(gè)攝像機(jī)。

2.1 攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)Ak標(biāo)定

( 1 )

( 2 )

( 3 )

( 4 )

( 5 )

將Ak帶入式( 5 )，展開(kāi)后可得

( 6 )

將式( 6 )帶入式( 4 )，通過(guò)空間中3組不同靶標(biāo)平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，求出攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)矩陣Ak中未知變量[19]

( 7 )

( 8 )

上述標(biāo)定過(guò)程采用的是攝像機(jī)理想成像模型，實(shí)際標(biāo)定過(guò)程中鏡頭存在一定非線性畸變。引入鏡頭畸變因子δu(x,y)、δv(x,y)，其計(jì)算公式[17-18]

( 9 )

式中：r2=u2+v2。

(10)

展開(kāi)式(10)，可得

(11)

(12)

2.2 相鄰攝像機(jī)外部參數(shù)標(biāo)定

(13)

(14)

(15)

用式(15)求解oc1xc1yc1zc1、oc2xc2yc2zc2外部參數(shù)矩陣，結(jié)果為[22]

2.3 激光平面方程標(biāo)定

(17)

(18)

展開(kāi)式(18)，得到激光平面方程一般表示形式axc1+byc1+czc1+d=0。[abcd]T即為獲取的激光平面方程標(biāo)定系數(shù)。

2.4 鋼軌輪廓全斷面測(cè)量模型建立

鋼軌輪廓全斷面測(cè)量時(shí)，激光平面內(nèi)任意一點(diǎn)Q在攝像機(jī)坐標(biāo)系oc1xc1yc1zc1中記為Qc1，在攝像機(jī)坐標(biāo)系oc2xc2yc2zc2中記為Qc2，在各自攝像機(jī)中圖像記為q1、q2。根據(jù)攝像機(jī)透視變換矩陣Ak，對(duì)鋼軌輪廓測(cè)量中的內(nèi)外側(cè)攝像機(jī)建立成像模型

s1q1=A1Qc1

(19)

s2q2=A2Qc2

(20)

由2.2節(jié)中求得的相鄰攝像機(jī)外部參數(shù)R1、t1，可知Qc2與Qc1的關(guān)系

Qc2=R1Qc1+t1

(21)

鋼軌輪廓測(cè)量時(shí)，鋼軌激光輪廓圖像坐標(biāo)q1、q2可通過(guò)圖像實(shí)時(shí)獲取。將q1帶入方程(19)，聯(lián)立方程(18)、(19)，即可求取外側(cè)鋼軌激光輪廓在攝像機(jī)坐標(biāo)系oc1xc1yc1zc1中坐標(biāo)。同理，將內(nèi)側(cè)鋼軌輪廓圖像坐標(biāo)q2帶入方程(20)，聯(lián)立方程(18)、(20)、(21)，可獲取內(nèi)側(cè)鋼軌輪廓在攝像機(jī)坐標(biāo)系oc1xc1yc1zc1中坐標(biāo)。將鋼軌內(nèi)外側(cè)輪廓測(cè)量數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行疊加，便可最終實(shí)現(xiàn)鋼軌輪廓全斷面測(cè)量。

3 振動(dòng)補(bǔ)償

軌道檢測(cè)車(chē)動(dòng)態(tài)行進(jìn)中，安裝于轉(zhuǎn)向架上的視覺(jué)傳感器跟隨車(chē)輛一起發(fā)生隨機(jī)振動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)鋼軌輪廓高精度動(dòng)態(tài)測(cè)量，必須進(jìn)行車(chē)輛振動(dòng)補(bǔ)償[24-25]，見(jiàn)圖5。軌道中心坐標(biāo)系記為owxwywzw，繞owxw、owyw、owzw軸振動(dòng)分別定義為浮沉振動(dòng)、搖頭振動(dòng)、側(cè)滾振動(dòng)。

車(chē)輛振動(dòng)存在多個(gè)自由度，且各方向振動(dòng)相互耦合，很難直接測(cè)出。將車(chē)輛不同類(lèi)型振動(dòng)按不同基準(zhǔn)坐標(biāo)軸進(jìn)行正交分解，通過(guò)鋼軌軌腰中包含的固有特征信息，計(jì)算車(chē)輛振動(dòng)在不同方向的參量，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行車(chē)輛振動(dòng)補(bǔ)償。

3.1 車(chē)輛振動(dòng)對(duì)鋼軌輪廓測(cè)量誤差影響

車(chē)輛繞基準(zhǔn)坐標(biāo)系中ow1xw1、ow1yw1和ow1zw1坐標(biāo)軸發(fā)生振動(dòng)，對(duì)鋼軌輪廓測(cè)量影響見(jiàn)圖7。

(22)

(23)

(24)

3.2 振動(dòng)補(bǔ)償方法

鋼軌軌頭區(qū)域與車(chē)輪踏面接觸，有磨損，無(wú)法作為測(cè)量基準(zhǔn)。軌腰作為輪軌非接觸區(qū)域，適合作為車(chē)輛振動(dòng)補(bǔ)償基準(zhǔn)。鋼軌軌腰由半徑不等的大小圓弧圓順連接而成[26]，可選擇軌腰處不同滾動(dòng)圓的圓心作為振動(dòng)補(bǔ)償計(jì)算特征點(diǎn)。補(bǔ)償計(jì)算原理見(jiàn)圖8。設(shè)第k個(gè)攝像機(jī)測(cè)量所得鋼軌輪廓數(shù)據(jù)中，軌腰處大圓弧記為AkBk，小圓弧為BkCk，Bk為AkBk與BkCk切點(diǎn)，大圓圓心和小圓圓心分別記為ok1、ok2，半徑為r1、r2。

測(cè)量車(chē)輛振動(dòng)帶來(lái)的俯仰角θ1、偏航角θ2以及滾轉(zhuǎn)角θ3，需對(duì)軌腰處的大圓弧和小圓弧進(jìn)行擬合。由仿射定理可知，圓經(jīng)過(guò)仿射變換后會(huì)變成橢圓[27]。因此，振動(dòng)條件下測(cè)量所得鋼軌輪廓，軌腰處大圓弧和小圓弧并非標(biāo)準(zhǔn)圓弧，而是橢圓圓弧。本文利用橢圓圓弧中包含的振動(dòng)信息，對(duì)車(chē)輛振動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量。

車(chē)輛振動(dòng)補(bǔ)償計(jì)算方法的步驟為

Step1采用橢圓擬合算法，擬合振動(dòng)狀態(tài)下測(cè)量所得鋼軌輪廓中軌腰處橢圓圓弧，求取橢圓圓弧對(duì)應(yīng)的圓心坐標(biāo)；

Step2將求得的橢圓圓心坐標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌輪廓中圓心坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算其與標(biāo)準(zhǔn)軌腰中圓弧圓心坐標(biāo)偏差；

Step4將鋼軌內(nèi)側(cè)攝像機(jī)2、3測(cè)量所得鋼軌輪廓數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過(guò)當(dāng)前時(shí)刻ow1xw1、ow1yw1坐標(biāo)軸相對(duì)初始時(shí)刻的變化，求取車(chē)輛滾轉(zhuǎn)角θ3。

詳細(xì)計(jì)算過(guò)程推演如下。

橢圓一般方程表達(dá)式為

f(a,x)=ax2+bxy+cy2+dx+ey+f=0

(25)

式中：a=[abcdef]；x=[x2xyy2xy1]。

橢圓圓心計(jì)算式

(26)

設(shè)第k個(gè)攝像機(jī)測(cè)量的鋼軌軌腰大圓弧方程為fk1(ak1,x)，軌腰小圓弧方程為fk2(ak2,x)，大圓弧坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)量為N1，小圓弧坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)量為N2，可對(duì)第k個(gè)攝像機(jī)測(cè)量的鋼軌輪廓數(shù)據(jù)建立關(guān)于大小圓弧方程待定系數(shù)(ak1,ak2)的擬合函數(shù)

F(ak1,ak2)=

(27)

通過(guò)橢圓擬合算法，可以精確求解橢圓方程系數(shù)ak1、ak2，帶入式(26)，得大小橢圓圓心坐標(biāo)。將鋼軌內(nèi)外側(cè)大圓圓心與小圓圓心o11、o21和o12、o22作為特征點(diǎn)，對(duì)車(chē)輛振動(dòng)中的俯仰角和偏航角進(jìn)行求解。

(28)

(29)

(30)

借助o21C和o31C，求得車(chē)輛滾轉(zhuǎn)角為

(31)

4 試驗(yàn)

4.1 標(biāo)定試驗(yàn)

圖10為鋼軌輪廓測(cè)量視覺(jué)傳感器標(biāo)定實(shí)物。鋼軌輪廓測(cè)量視覺(jué)傳感器安裝于軌頭內(nèi)側(cè)斜上方約400 mm處，同一股鋼軌的內(nèi)外側(cè)攝像機(jī)光學(xué)測(cè)量中心距離約600 mm，單個(gè)視覺(jué)傳感器測(cè)量范圍約300×450 mm2。每個(gè)視覺(jué)傳感器由MICROVIEW公司的MVC1000SAM_GE60型攝像機(jī)(分辨率1 280×1 024像素)、KOWA公司的LM12NCL型鏡頭及Z_LASER線型激光器組成。選用棋盤(pán)格靶標(biāo)作為標(biāo)定物，棋盤(pán)格靶標(biāo)精度為0.005 mm。

內(nèi)外側(cè)鋼軌輪廓測(cè)量視覺(jué)傳感器獲取同一靶標(biāo)在6個(gè)不同方向圖像，見(jiàn)圖11。保持靶標(biāo)空間位置不變，獲取靶標(biāo)平面與激光平面相交后所得激光光條圖像，見(jiàn)圖12。

采用棋盤(pán)格角點(diǎn)亞像素提取算法，精確提取圖11中棋盤(pán)格角點(diǎn)坐標(biāo)[28]；同理，采用激光光條中心亞像素提取算法[29-31]，精確提取圖12中棋盤(pán)格靶標(biāo)平面與激光平面相交所得激光光條圖像坐標(biāo)。從圖11、12中提取的內(nèi)外側(cè)鋼軌輪廓測(cè)量視覺(jué)傳感器標(biāo)定計(jì)算數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖13。

采用2.1節(jié)中攝像機(jī)內(nèi)外部參數(shù)分離計(jì)算方法，求得鋼軌內(nèi)外側(cè)攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)Ak、Dk及標(biāo)定靶標(biāo)平面與攝像機(jī)坐標(biāo)系外部參數(shù)矩陣，結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

借助表2、表3中標(biāo)定結(jié)果及第2節(jié)中標(biāo)定計(jì)算方法，求得相鄰攝像機(jī)外部參數(shù)及激光平面方程

(32)

xc1+0.018yc1-0.27zc1+169.34=0

(33)

表2 攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定結(jié)果

表3 靶標(biāo)平面與攝像機(jī)坐標(biāo)系外部參數(shù)標(biāo)定結(jié)果

4.2 動(dòng)態(tài)測(cè)量試驗(yàn)

實(shí)際線路中獲取的內(nèi)外側(cè)鋼軌輪廓圖像，見(jiàn)圖14。借助4.2節(jié)中求得的模型參數(shù)，對(duì)圖14中鋼軌輪廓圖像進(jìn)行處理，得到局部測(cè)量坐標(biāo)系下鋼軌輪廓測(cè)量結(jié)果，見(jiàn)圖15(a)、15(b)。借助內(nèi)外側(cè)鋼軌輪廓測(cè)量視覺(jué)傳感器之間外部參數(shù)[R1t1]，將圖15(a)、15(b)中檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換到同一測(cè)量坐標(biāo)系下，見(jiàn)圖15(c)。最后，采用車(chē)輛振動(dòng)補(bǔ)償算法，對(duì)圖15(c)中數(shù)據(jù)進(jìn)行多自由度振動(dòng)補(bǔ)償，精確獲取鋼軌輪廓測(cè)量結(jié)果。

由于軌道檢測(cè)車(chē)中的鋼軌輪廓檢測(cè)系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量過(guò)程中受到車(chē)輛振動(dòng)的影響，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件很難對(duì)其檢測(cè)精度進(jìn)行直接驗(yàn)證。動(dòng)態(tài)條件下多次檢測(cè)數(shù)據(jù)重復(fù)性是衡量動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)性能優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。為驗(yàn)證振動(dòng)補(bǔ)償后鋼軌輪廓測(cè)量精度，在同一段線路中采用不同速度等級(jí)對(duì)該線路鋼軌輪廓進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，通過(guò)提取鋼軌輪廓中磨耗檢測(cè)數(shù)據(jù)和比較其重復(fù)性誤差驗(yàn)證車(chē)輛振動(dòng)補(bǔ)償方法的有效性。鋼軌磨耗測(cè)量基準(zhǔn)見(jiàn)圖15(d)，其中Wh、Wv分別為鋼軌水平磨耗和垂直磨耗。

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，檢測(cè)速度為20、40、60、80 km/h，測(cè)量1 000 m長(zhǎng)線路內(nèi)的Wh和Wv。測(cè)量系統(tǒng)每隔0.25 m輸出一組鋼軌磨耗數(shù)據(jù)。1 000 m長(zhǎng)線路中，每項(xiàng)參數(shù)有4 000組數(shù)據(jù)，檢測(cè)結(jié)果分別見(jiàn)圖16。以20 km/h檢測(cè)所得鋼軌磨耗數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，驗(yàn)證其余檢測(cè)速度下鋼軌磨耗檢測(cè)數(shù)據(jù)與其重復(fù)性誤差以及最大偏差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，同一段1 000 m長(zhǎng)線路，以20 km/h測(cè)量鋼軌水平磨耗、垂直磨耗數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，其余速度下測(cè)量鋼軌水平磨耗、垂直磨耗最大重復(fù)性誤差eRMS分別為0.23、0.25 mm，其余速度下測(cè)量鋼軌水平磨耗、垂直磨耗最大偏差emax分別為0.49、0.48 mm。

表4 鋼軌磨耗測(cè)量誤差

5 結(jié)論

(1) 詳細(xì)推演了鋼軌輪廓全斷面視覺(jué)測(cè)量計(jì)算方法，建立了不同視角條件下的內(nèi)外側(cè)鋼軌輪廓視覺(jué)傳感器全局測(cè)量模型。

(2) 分析了動(dòng)態(tài)檢測(cè)中車(chē)輛多自由度振動(dòng)對(duì)鋼軌輪廓檢測(cè)的影響，探明了車(chē)輛不同類(lèi)型振動(dòng)對(duì)鋼軌輪廓測(cè)量誤差影響規(guī)律，提出了基于正交分解的車(chē)輛多自由度振動(dòng)解耦和補(bǔ)償方法。

(3) 研制了鋼軌輪廓全斷面檢測(cè)裝置，并將該檢測(cè)裝置在實(shí)際線路中進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，同一段1 000 m長(zhǎng)線路，以20 km/h測(cè)量鋼軌水平磨耗、垂直磨耗數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，其余速度下測(cè)量鋼軌水平磨耗、垂直磨耗最大重復(fù)性誤差eRMS分別為0.23、0.25 mm，其余速度下測(cè)量鋼軌水平磨耗、垂直磨耗最大偏差emax分別為0.49、0.48 mm。

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