详情

原文传递一种钢轨表面缺陷三维检测系统及方法

专利名称：	一种钢轨表面缺陷三维检测系统及方法
摘要：	本发明提供了一种钢轨表面缺陷三维检测系统及相应的方法，通过调整激光单元和相机的位置和分布方式可以在减少相机个数的情况下完全覆盖钢轨，以便对钢轨表面进行完整地照射和图像采集，从而可以大大降低标定的工作量；将每个激光单元分别与一个相机单元一体组装，使二者可以始终以相同的方向和速度进行移动，从而确保相机单元的拍摄角度和范围始终与激光单元的照射角度和范围一致；实验证实该系统的深度检测分辨力可以达到0.05mm，能够准确检测钢轨表面多种二维缺陷或小尺寸的缺陷，从而大大提高了检测的精度，并且没有遗漏、误判率极低，因此检测结果可信度高，适于在钢轨生产检测中进行推广应用。
专利类型：	发明专利
申请人：	北京冶自欧博科技发展有限公司
发明人：	张超;贾国龙;刘富强
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T16:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T08:00:00+0805
申请号：	CN201911295086.4
公开号：	CN111122598A
代理机构：	北京爱普纳杰专利代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：	王玉松
分类号：	G01N21/95;G;G01;G01N;G01N21;G01N21/95
申请人地址：	100071 北京市丰台区西四环南路88号
主权项：	1.一种钢轨表面缺陷三维检测系统，其特征在于，包括四组检测机构以及与四组所述检测机构电性连接的分析单元(1)，每组所述检测机构包括组装为一体并且朝向同一方向的一个激光单元(2)和一个相机单元(3)，四组所述检测机构分别设在所述钢轨的左上方、右上方、左下方以及右下方；所述激光单元(2)将激光线投影到所述钢轨的轨梁表面，且四个所述激光单元(2)发射的激光线位于同一平面上，并在所述轨梁的踏面、底面以及两个腹面上围合形成封闭的曲线；所述相机单元(3)采集所述激光线在所述轨梁上的投影、并将采集到的激光线图像提供给所述分析单元(1)，且相对的两个所述相机单元(3)的拍摄方向位于同一直线上；所述分析单元(1)对所述激光线图像进行处理和计算，分析所述激光线在所述轨梁表面的形变，从而获得所述钢轨表面的缺陷信息。 2.如权利要求1所述的钢轨表面缺陷三维检测系统，其特征在于，所述分析单元(1)包括如下部分：标定模块(11)，用于对所述检测系统的多项参数进行标定，所述参数包括相机内参、相机外参、激光器平面参数以及钢轨的运动方向；深度变化计算模块(12)，用于根据经过标定的所述参数、通过所述激光线照射在所述钢轨表面的图像求解出所述钢轨表面的三维坐标，进而计算出所述钢轨表面深度变化分布图；缺陷检测识别模块(13)，用于从所述钢轨表面深度变化分布图中识别出缺陷，并对所述缺陷的种类进行判断。 3.如权利要求2所述的钢轨表面缺陷三维检测系统，其特征在于，所述标定模块(11)用于按照如下方法、采用长方体的标定板对所述参数进行标定：标定相机内参：将所述相机单元(3)的位置固定，采集多张不同姿态的标定板图像进行输入，据此输出相机内参；标定相机外参：调整所述标定板的姿态，使所述标定板的标定面垂直于所述钢轨的运动方向，在所述标定板上放置水平仪使整个标定板水平，采集此时的标定板图像，并据此输出相机外参；标定激光单元平面：调整所述激光单元(2)的位置，照射所述标定板上的任意两条相邻的棱、且两条所述棱中仅有一条属于所述标定面，使发射的激光线平面与所述标定面平行，并据此求出激光线平面，即为所述激光单元平面；标定钢轨的运动方向：将所述标定板按照所述钢轨的运动方式进行相同的运动，通过所述相机单元(3)不同时刻所采集到的标定板图像来计算所述钢轨的运动方向。 4.如权利要求2所述的钢轨表面缺陷三维检测系统，其特征在于，所述深度变化计算模块(12)包括如下部分：点云坐标计算子模块(121)，用于根据经过标定的所述参数分别从每幅所述激光线图像中得出钢轨表面各个点的坐标，获得三维点云数据、并保存在视差图中；点云轮廓拼合子模块(122)，用于将每幅所述激光线图像中获得的三维点云数据进行合并，生成一个完整的点云轮廓；轮廓配准子模块(123)，用于采用标准钢轨轮廓作为基准模型，对所述点云轮廓进行配准、得到配准后的钢轨轮廓；深度变化分布图生成子模块(124)，用于计算所述配准后的钢轨轮廓与所述基准模型间的差值，并据此生成深度变化分布图。 5.如权利要求4所述的钢轨表面缺陷三维检测系统，其特征在于，所述点云轮廓拼合子模块(122)用于按照如下方法生成所述点云轮廓：视差图像分割：从所述视差图像中分割出有效坐标点区域；视差图像排序：对分割出的所述有效坐标点区域按照一定的方向进行排序；视差图像去重：对来自相邻的所述相机的有效坐标点区域中重叠的区域进行去重处理，得到无重复的有效坐标点；视差图像合并：对所有所述无重复的有效坐标点进行合并，得到三张分别位于x轴、y轴、z轴方向上的视差图，并据此生成一个完整的点云轮廓；所述轮廓配准子模块(123)用于按照如下方法对所述点云轮廓进行配准：轮廓粗调：对所述点云轮廓求解中心坐标，通过所述中心坐标进行轮廓调整；轮廓精调：采用一个标注钢轨轮廓作为基准模型，使用IPC算法和所述基准模型对所述点云轮廓进行配准操作，得到配准后的钢轨轮廓。 6.一种应用权利要求1～5中任一项所述系统的钢轨表面缺陷三维检测方法，其特征在于，包括如下步骤： S1：通过所述激光单元(2)同时从四个方向将位于同一平面的激光线投影到所述钢轨的轨梁表面，四个所述激光单元(2)发射的激光线位于同一平面上，并在所述轨梁的踏面、底面以及两个腹面上围合形成封闭的曲线； S2：通过所述相机单元(3)采集所述激光线在所述轨梁上的投影、并将采集到的激光线图像提供给所述分析单元(1)； S3：通过所述分析单元(1)对所述激光线图像进行处理和计算，分析所述激光线在所述轨梁表面的形变，从而获得所述钢轨表面的缺陷信息。 7.如权利要求6所述的钢轨表面缺陷三维检测方法，其特征在于，步骤S3的具体方法如下： S3.1：以钢轨的运动方向为z轴，对所述检测系统的多项参数进行标定，所述参数包括相机内参、相机外参、激光器平面参数以及钢轨的运动方向； S3.2：根据经过标定的所述参数、通过所述相机单元(3)采集到的激光线图像求解出所述所述钢轨表面的三维坐标，进而计算出所述钢轨表面深度变化分布图； S3.3：从所述钢轨表面深度变化分布图中识别出缺陷，并对所述缺陷的种类进行判断。 8.如权利要求7所述的钢轨表面缺陷三维检测系统，其特征在于，步骤S3.1的具体方法如下： S3.1.1：采用长方体的标定板，将所述相机单元(3)的位置固定，每台相机分别采集多张不同姿态的标定板图像进行输入，据此输出相机内参； S3.1.2：调整所述标定板的姿态，使所述标定板的标定面垂直于所述钢轨的运动方向，在所述标定板上放置水平仪使整个标定板水平，每台相机分别采集此时的标定板图像，并据此输出相机外参； S3.1.3：调整所述激光单元(2)的位置，照射所述标定板上的任意两条相邻的棱、且两条所述棱中仅有一条属于所述标定面，使发射的激光线平面与所述标定面平行，每台相机分别拍摄激光线图像、并提取激光线的三维坐标，然后整合坐标进行拟合、据此求出激光线平面，即为所述激光单元平面； S3.1.4：将所述标定板按照所述钢轨的运动方式进行相同的运动，通过所述相机单元(3)不同时刻所采集到的标定板图像来计算所述钢轨的运动方向。 9.如权利要求7所述的钢轨表面缺陷三维检测方法，其特征在于，步骤S3.2的具体方法如下： S3.2.1：根据经过标定的所述参数分别从每幅所述激光线图像中得出钢轨表面各个点的坐标，获得三维点云数据、并保存在视差图中； S3.2.2：将每幅所述激光线图像中获得的三维点云数据进行合并，生成一个完整的点云轮廓； S3.2.3：采用标准钢轨轮廓作为基准模型，对所述点云轮廓进行配准、得到配准后的钢轨轮廓； S3.2.4：所述深度变化分布图生成子模块(324)对所述配准后的钢轨轮廓与所述基准模型间的差值进行计算，并据此生成深度变化分布图。 10.如权利要求9所述的钢轨表面缺陷三维检测方法，其特征在于，步骤S3.2.2的具体方法如下： S3.2.2.1：从所述视差图像中分割出有效坐标点区域； S3.2.2.2：对分割出的所述有效坐标点区域按照一定的方向进行排序； S3.2.2.3：对来自相邻的所述相机的有效坐标点区域中重叠的区域进行去重处理，得到无重复的有效坐标点； S3.2.2.4：对所有所述无重复的有效坐标点进行合并，得到三张分别位于x轴、y轴、z轴方向上的视差图，并据此生成一个完整的点云轮廓；步骤S3.2.3的具体方法如下： S3.2.3.1：对所述点云轮廓求解中心坐标，通过所述中心坐标进行轮廓调整； S3.2.3.2：采用一个标准钢轨轮廓作为基准模型，使用ICP算法和所述基准模型对所述点云轮廓进行配准操作，得到配准后的钢轨轮廓。
所属类别：	发明专利