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原文传递基于轨式车载线结构光视觉的钢轨磨耗动态测量技术研究

论文题名：	基于轨式车载线结构光视觉的钢轨磨耗动态测量技术研究
关键词：	钢轨磨耗;线结构光;动态测量;线结构光视觉;位置位姿检测
摘要：	包括铁路、地铁、轻轨和有轨电车等轨道交通，是现代人类生活不可分割的重要一部分。而作为其支撑性基础部件的钢轨，由于受早期施工质量、检修养护、周围环境和长期轮轨接触等诸多因素的干扰，一直存在钢轨磨耗的问题，不但对钢轨服役寿命、车辆运行性能与舒适性产生直接的影响，而且可能造成车毁人亡的灾难性事故，尤其是随着轨道交通朝高速、重载和高密度运营方向快速发展，钢轨磨耗问题愈加突出。因此，开展钢轨磨耗测量技术的研究，以实现对钢轨服役状态的评价及指导钢轨磨耗的修复，具有十分重要的现实意义。尽管目前已发展多种钢轨磨耗测量方法，但由于采用线结构光视觉实现的钢轨磨耗非接触式测量技术，具有高速、高精和非接触等特点，已成为当今该技术领域发展的主流和研究的热点之一。然而，该技术往往是在车载运动过程中实施，动态运行环境下的振动冲击会不断改变线结构光视觉与待检钢轨之间的位置位姿关系，特别是俯仰与偏航自由度振动导致点云数据发生仿射畸变，使得基础数据无法直接用于廓形点云刚性配准，造成该技术检测性能的严重退化，甚至失效。基于以上背景，本文提出开展基于轨式车载线结构光视觉的钢轨磨耗动态测量技术研究。在了解钢轨磨耗测量相关技术研究现状及其发展趋势的基础上，明确基于轨式车载线结构光视觉的钢轨磨耗动态测量系统技术方案，重点开展了轨式车载视觉模组动态位置位姿的多信息融合检测及钢轨磨耗的线结构光视觉动态测量等关键技术的研究，实现了钢轨磨耗的线结构光视觉动态测量算法，并完成系统集成。同时，开展实验研究，以验证本文所研发技术的可行性与有效性。主要的研究工作有：　　第一章，论述了轨道交通基础设施运维及开展检测技术研究的重要意义，总结了钢轨磨耗测量相关技术的研究现状及其发展趋势，分析了目前钢轨磨耗测量技术所存在的问题及相应的对策，为论文后续研究指明了方向。同时，还对论文各章节的内容进行了安排。　　第二章，系统分析了基于模板匹配的机器视觉测量技术框架、钢轨磨耗线结构光视觉测量原理及其影响因素，推导了基于k-d树优化的最近点迭代点云配准公式，梳理了相关方法，建立了线结构光视觉测量的理论与技术基础。同时，确定了钢轨磨耗动态测量系统技术指标，设计了轨式车载线结构光视觉钢轨磨耗测量系统的总体方案，并对需要解决的主要关键技术进行了总结。　　第三章，开展了视觉模组动态位置位姿的多信息融合检测技术研究。在了解轨式机器车现有定位方法及进行运动学分析的基础上，推导了机器车轮径磨损导致定位误差的理论公式，并利用RFID/GPS和里程计相结合的方法实现了遮挡环境下机器车的精确定位；同时，明确了轨式机器车三维空间位姿的描述，建立了钢轨磨耗动态测量中的廓形畸变模型，采用加速度计和陀螺仪互补滤波的多信息融合检测方案，实现了机器车姿态欧拉角的获取。　　第四章，开展了线结构光视觉的钢轨廓形基础数据畸变校正技术研究。在完成钢轨廓形基础数据有效性识别和仿射畸变欧拉角投影的基础上，推导了归一化检测位置位姿下的钢轨廓形基础数据校正理论公式。此外，采用双边距离匹配点对模型，根据源与目标点云自适应估计重叠比，裁剪基础数据的异常值和离群值，从而减少了迭代时的局部最优估计，且在粗配准下实现了点云的高效局部配准，有效实现钢轨廓形基础数据的畸变校正。　　第五章，按照上述各章中所阐述的基本理论和关键技术研究成果，进行了模块化设计，将线结构光视觉和轨式机器车有机结合，在实现关键软硬件模块开发的基础上，开发出一套基于轨式车载线结构光视觉的钢轨磨耗动态测量系统。同时，运用该系统开展运动控制、视觉测量等有关实验研究，以验证本文所研发技术的可行性与有效性。　　第六章，总结了全文的研究内容以及创新成果，并对今后进一步研究进行展望。
作者：	吴姗宁
专业：	机械工程
导师：	杨克己;邓成呈
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2022