一种道岔钢轨件钻孔尺寸的测量方法
阅读：1039发布：2020-06-26
专利汇可以提供一种道岔钢轨件钻孔尺寸的测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 道岔 钢 轨件钻孔尺寸的测量方法，提供了一种基于双目 立体视觉 的道岔钢轨件钢轨钻孔和孔间距的测量方法，利用这种方法能够在钢轨件生产车间直接实现钻孔孔径大小和钻孔 位置 的测量，将大大提高工作效率，使得测量工作在现场就可以完成，灵活方便，测量结果准确，显著提高了测量的 精度 和速度，从而大大提高了生产效率。，下面是一种道岔钢轨件钻孔尺寸的测量方法专利的具体信息内容。
1.一种道岔钢轨件钻孔尺寸的测量方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
a、进行工业相机标定：首先采用张正友平面标定法进行标定，通过拍摄在不同平面的七幅含有平面标定板(17)的图像，得到工业相机的内参数矩阵，然后在测量中通过正对的平面标定板(17)得到该平面标定板(17)所在坐标系下的外参数矩阵，同时也可以得到两个工业相机(2)之间的基本矩阵；
b、准备钢轨件(16)，在钢轨件(16)上画出第一检测孔位，调整两个工业相机(2)的高度和角度，使两个工业相机(2)正对钢轨件(16)的侧面，然后对被测钢轨件(16)进行拍摄，得到同段钢轨件(16)的两个图像，并将所拍照片传输给控制装置；
c、控制装置对所得的两个图像分别进行高斯滤波处理和基于Canny的边缘检测，得到两幅分别含有钻孔边缘的图像；
d、通过对步骤c所得的图像中的椭圆进行检测得到在图像中所有椭圆的方程，取到椭圆上250个点的坐标，通过极几何约束关系得到两个图像中椭圆上的匹配点，然后根据匹配点和两个工业相机之间的基本矩阵恢复这些匹配点的三维坐标，对这些空间点进行空间圆的拟合，那么就可以得到钻孔在空间中的方程，也就得到了钻孔的孔径大小和孔径的位置；
e、控制装置将步骤d所得的数据与保存在数据库中的标准数据进行比对，给出检测结果合格与否的提示，如果合格，在第一检测孔位打孔，如果不合格，进行步骤f；
f、重复进行步骤b到步骤e，直至检测结果合格。
2.根据权利要求1所述的一种道岔钢轨件钻孔尺寸的测量方法，其特征在于：步骤e中所述的检测结果合格是指尺寸误差小于等于0.5mm的产品为合格产品，检测结果不合格是指尺寸误差大于0.5mm的产品为不合格产品。
一种道岔钢轨件钻孔尺寸的测量方法
技术领域
背景技术
[0002] 道岔是铁路实现列车转线运行的关键轨道设备，其技术水平集中反映了一个国家铁路轨道的制造水平，道岔制造与组装的高精度与高平顺性是重要的技术指标之一，道岔钢轨件的相关尺寸制造精度是影响道岔高精度与高平顺性的重要因素之一。目前道岔钢轨件钻孔尺寸以及位置的测量通常都是采用人工接触式测量方式，人工接触式测量方式测量步骤繁琐，耗时长，精度低，测量效率低。
发明内容
[0004] 本发明所采取的具体技术方案是：一种道岔钢轨件钻孔尺寸的测量方法，关键是：所述的方法包括以下步骤：
[0005] a、进行工业相机标定：首先采用张正友平面标定法进行标定，通过拍摄在不同平面的七幅含有平面标定板的图像，得到工业相机的内参数矩阵，然后在测量中通过正对的平面标定板得到该平面标定板所在坐标系下的外参数矩阵，同时也可以得到两个工业相机之间的基本矩阵；
[0006] b、准备钢轨件，在钢轨件上画出第一检测孔位，调整两个工业相机的高度和角度，使两个工业相机正对钢轨件的侧面，然后对被测钢轨件进行拍摄，得到同段钢轨件的两个图像，并将所拍照片传输给控制装置；
[0007] c、控制装置对所得的两个图像分别进行高斯滤波处理和基于Canny的边缘检测，得到两幅分别含有钻孔边缘的图像；
[0008] d、通过对步骤c所得的图像中的椭圆进行检测得到在图像中所有椭圆的方程，取到椭圆上250个点的坐标，通过极几何约束关系得到两个图像中椭圆上的匹配点，然后根据匹配点和两个工业相机之间的基本矩阵恢复这些匹配点的三维坐标，对这些空间点进行空间圆的拟合，那么就可以得到钻孔在空间中的方程，也就得到了钻孔的孔径大小和孔径的位置；
[0009] e、控制装置将步骤d所得的数据与保存在数据库中的标准数据进行比对，给出检测结果合格与否的提示，如果合格，在第一检测孔位打孔，如果不合格，进行步骤f；
[0010] f、重复进行步骤b到步骤e，直至检测结果合格。
[0011] 步骤e中所述的检测结果合格是指尺寸误差小于等于0.5mm的产品为合格产品，检测结果不合格是指尺寸误差大于0.5mm的产品为不合格产品。
[0012] 本发明的有益效果是：提供了一种基于双目立体视觉的道岔钢轨件钢轨钻孔和孔间距的测量方法，利用这种方法能够在钢轨件生产车间直接实现钻孔孔径大小和钻孔位置的测量，将大大提高工作效率，使得测量工作在现场就可以完成，灵活方便，测量结果准确，显著提高了测量的精度和速度，从而大大提高了生产效率。附图说明
[0013] 图1为本发明中测量装置的结构示意图。
[0014] 图2为本发明测量时平面标定板、工业相机和钢轨件的位置关系示意图。
[0015] 图3为双目立体视觉的二极几何约束。
[0016] 附图中，1代表底座，2代表工业相机，3代表支撑架，4代表丝杠，5代表电机，6代表减速机，7代表滑块，8代表定位横杆，9代表定位纵杆，10代表全方位云台，11代表联轴器，12代表滑轮，13代表控制台，14代表支撑杆，15代表翻板座椅，16代表钢轨件，17代表平面标定板。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图对本发明做进一步说明：
[0018] 如图1所示，一种道岔钢轨件钻孔尺寸测量装置，包括底座1、两个工业相机2、控制装置、高度调节装置，两个工业相机2和高度调节装置都与控制装置连接，高度调节装置沿竖直方向设置在底座1上，两个工业相机2沿水平方向对称设置在高度调节装置的两侧并与高度调节装置形成升降配合，两个工业相机2借助高度调节装置与底座1形成升降配合。
[0019] 高度调节装置包括门型结构的支撑架3、丝杠4、电机5、减速机6、固定支架，电机5的输出轴借助联轴器11与减速机6连接，支撑架3的底端与底座1固定连接，丝杠4沿竖直方向设置在支撑架3门型结构的内部，电机5设置在支撑架3的顶部并与控制装置连接，丝杠4的顶部穿通支撑架3与减速机6的输出轴固定连接，丝杠4的底部与底座1形成转动配合，丝杠4上套装有滑块7，固定支架包括定位横杆8，定位横杆8的两端分别设置有一个定位纵杆9，两个定位纵杆9对称设置并都与定位横杆8垂直设 置，两个定位纵杆9的端部都固定有全方位云台10，工业相机2与全方位云台10铰接，定位横杆8与滑块7固定连接，工业相机2借助滑块7和丝杠4的配合与底座1形成升降配合。测量时，电机5通过联轴器11带动减速机6转动，减速机6带动丝杠4转动，使滑块7在丝杠4上上升或下降，滑块7通过固定支架带动两个工业相机2上升或下降，当两个工业相机2到达所需的高度时电机5停止转动，然后利用全方位云台10调整工业相机2的角度即可，结构简单，操作方便。
[0020] 作为对本发明的进一步改进，在底座1的底端设置多个滑轮12，使得该装置在进行水平移动时更加方便省力。
[0021] 作为对本发明的进一步改进，增设用于放置控制装置的控制台13，控制台13的背面与支撑架3固定连接，控制台13的底端固定有支撑杆14，支撑杆14的底端与底座1的上端固定连接，将控制装置设置在控制台13上，作为一个整体，测量时方便操作人员观察控制。
[0022] 作为对本发明的进一步改进，增设与控制台13相配套的翻板座椅15，翻板座椅15的底端与底座1固定连接，操作人员可以坐在翻板座椅15上进行操作，更加方便舒适。
[0023] 一种道岔钢轨件钻孔尺寸的测量方法，关键是：所述的方法包括以下步骤：
[0024] a、进行工业相机标定：首先采用张正友平面标定法进行标定，通过拍摄在不同平面的七幅含有平面标定板17的图像，得到工业相机的内参数矩阵，然后在测量中通过正对的平面标定板17得到该平面标定板17所在坐标系下的外参数矩阵，同时也可以得到两个工业相机2之间的基本矩阵， 具体步骤如下：
[0025] 对两个工业相机2分别使用张正友标定法，得到两个工业相机2的内参数矩阵P1 和 P2(Zhengyou zhang.A Flexible New Technique for Camera Calibration.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，VOL.22，NO.11.)，[0026] 双目立体视觉的二极几何约束，如图3所示，在图3中，X为空间中一点，π1,π2为两个工业相机2的成像平面，m1,m2为X在两个工业相机2的像点，C1,C2为两个工业相机2的光学中心，e1,e2为两个外极点，l1，l2分别为m2,m1的外极线；
[0027] 两个工业相机2成像的极几何关系可以用基本矩阵F来刻画，用基本矩阵来表达两幅图像的外极约束：
[0028] ①
[0029] l1＝Fm1
[0030] 如果给定充分多的对应点，可以由①式线性的计算出基本矩阵F，令F＝(fij)，m1T T＝(u,v,1),m2＝(u',v',1) 则基本矩阵的约束方程①可以写成下述形式：
[0031] u'uf11+u'vf12+u'f13+v'uf21+v'vf22+v'f23+uf31+vf32+f33＝0 ②[0032] 记T
[0033] f＝(f11,f12,f13,f21,f22,f23,f31,f32,f33) ③
[0034] 它是由F的3个行向量构成的9维列向量，则②可以写成向量内积的形式：
[0035] (u'u,u'v,u',v'u,v'v,v',u,v,1)f＝0
[0036] 这样，给定N个对应点可以得到线性方程组：
[0037] ④
[0038] 其中A是一个N×9的矩阵。在实际情况中，不能直接通过求解线性方程组来确定基本矩阵，而是求约束条件||f||＝1方程组④的最小二乘解，即求下述问题：
[0039] ⑤
[0040] 令A的奇异值分解为A＝UDVT，则⑤的解释V的最后一个列向量，即f＝v9于是可得到基本矩阵F；
[0041] b、准备钢轨件16，在钢轨件16上画出第一检测孔位，调整两个工业相机2的高度和角度，使两个工业相机2正对钢轨件16的侧面，如图2所示，然后对被测钢轨件16进行拍摄，得到同段钢轨件16的两个图像，并将所拍照片传输给控制装置；
[0042] c、控制装置对所得的两个图像分别进行高斯滤波处理和基于Canny的边缘检测，得到两幅分别含有钻孔边缘的图像；
[0043] d、通过对步骤c所得的图像中的椭圆进行检测得到在图像中所有椭圆的方程，取到椭圆上250个点的坐标，通过极几何约束关系得到两个图像中椭圆上的匹配点，然后根据匹配点和两个工业相机之间的基本矩阵恢复这些匹配点的三维坐标，对这些空间点进行空间圆的拟合，那么就可以得到钻孔在空间中的方程，也就得到了钻孔的孔径大小和孔径的位置，具体步骤如下：
[0044] d1、椭圆检测：
[0045] 由于两个工业相机2拍摄时，不可能同时保持正对着钻孔拍摄，因此钻孔投影到工业相机2像平面时，不一定是圆，也有可能是椭圆，那么就要对像平面的椭圆进行检测，本发明中使用的椭圆算法可以检测出图像中所有的椭圆或者圆(HO Chun-ta，CHEN Ling-hwei.A fast ellipse/circle detector using geometric symmetry[J].Pattern Recognition，1995，28(1):117-124.)，设检测出的椭圆方程为：
[0046] C1(x,y)＝a1x2+h1xy+b1y2+g1x+f1y+c1
[0047] C2(x,y)＝ax2+h2xy+b2y2+g2x+f2y+c2
[0048] d2、求两幅图像中椭圆上的匹配点：
[0049] 设m1是椭圆上的一点，在另一工业相机2的图像中与其匹配的点为m2，由二极几何的二极约束可求得基本矩阵F，那么m1的外极线l1＝Fm1(设求得的l1的方程为：Ax+By+C＝0)，m2必定在l1上，而且m2同时也在二次曲线C2(x,y)上，m2可由下面方程组求得：
[0050] ⑥
[0051] 若⑩有一个解，那么m2就是⑥的解，若⑥有两个解，那么这两个解的灰度值与m1的灰度值最为接近的点是与m1相匹配的点，通过以上方法可以求得椭圆上所有相匹配的点；
[0052] d3、恢复钻孔边缘点的三维坐标：
[0053] 由上面求得匹配点的，可求得这些点在三维空间中的点的坐标，以m1和m2这对匹配点为例来求它们的三维坐标，在步骤a中我们已经得到了两个工业相机2的投影矩阵P1,P2，那么分别对两个工业相机2列出投影方程：
[0054]
[0055] ⑦[0056] 其中z是一个常数，X为空间点坐标，⑦是一个过约束的方程，有4个源于X的坐标的独立的线性等式，可以用最小二乘法求得⑦的解，那么这就求得了匹配点的三维坐标X，通过上述方法可以求得所有匹配点的三维坐标；
[0057] d4、空间圆的拟合：
[0058] 在上面求得的三维点，实际上在三维空间里，理论上是同时落在一个共同的空间圆上的，但是由于工业相机2标定等的误差，他们不可能都绝对地落在一个空间圆上，但我们可以利用这些空间点来拟合这个空间圆的方程，
[0059] 具体的拟合方法如下：
[0060] d4-1、设空间圆所在的平面的方程为：Ax+By+Cz+D＝0，因为所有在空间圆上的点都必然在这个平面上，设第i个点到该平面的距离为di(i＝1,2,3...N)，那么[0061] ⑧
[0062] 通过求解下面的无约束优化为题就可以求得该平面方程：
[0063]
[0064] d4-2、利用圆的几何性质估计空间圆的圆心坐标，圆的弦的垂直平分线的交点一定通过圆心，那么利用该性质可以很简单地估计圆心的坐标，然后求这些圆心坐标的重心，我们就把这些可能是圆的圆心点的重心近似 地看作为圆的圆心，设圆的圆心坐标为(xo,yo,zo)；
[0065] d4-3、在d4-2中已经求得了空间圆的圆心坐标，那么空间圆的半径r为：
[0066]
[0067] 通过以上过程，就能通过两个工业相机2拍摄的照片，求得每个钻孔的方程，那么就得到了钻孔的实际孔径大小，以及钻孔圆心的位置，孔间距就是孔圆心的距离；
[0068] e、控制装置将步骤d所得的数据与保存在数据库中的标准数据进行比对，如果尺寸误差小于等于0.5mm则为合格产品，在合格产品的第一检测孔位打孔，否则为不合格产品，进行步骤f；
[0069] f、重复进行步骤b到步骤e，直至检测结果合格。
[0070] 本发明中的测量方法能够在钢轨件16生产车间直接实现钻孔孔径大小和钻孔位置的测量，将大大提高工作效率，使得测量工作在现场就可以完成，灵活方便，测量结果准确，显著提高了测量的精度和速度，从而大大提高了生产效率。
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