摘 要

随着轨道交通快速发展，钢轨波磨问题已经日益严重，钢轨波磨会造成列车振动、降低车辆和轨道部件使用寿命、影响车辆行驶安全等多种问题，而国内很多城市在轨道养护方面目前仍采用人工波磨测量，效率低且劳动强度大。目前对于钢轨波磨已有了多种测量方法，其中机器视觉测量方法已得到广泛研究验证，但还未实现自动化测量。为了提高波磨测量的效率和精度，我设计了钢轨波磨自动化测量系统。该测量系统采用基于激光摄像技术的线结构光测量方法，配合波磨自动化测量小车，包含了车载采集模块和上位机处理模块，其中车载采集模块采用树莓派作为开发板，通过拍摄波磨光条图像、ROI处理、图像传输、测量系统标定、重心法求光条中心、车身振动补偿、波磨信息提取一系列处理，可以输出波磨测量结果，此外还设计了用户交互操作界面，可以实现对参数的设置及程序自动运行。此次设计由于实验条件问题，选取一套激光摄像模块进行了调试实验，得出了初步的测量结果，此外还提出了波磨数据后续计算和评价方法，可供实际测量中参考使用。此测量系统可以提升波磨测量效率，未来可以广泛应用在轨道养护工作中。

关键词：钢轨波磨；机器视觉法；激光摄像技术；树莓派

Abstract

With the remarkable development of rail transportation, the effect caused by rail corrugation has become more and more serious. Rail corrugation will cause train vibration, reduce the service life of vehicles and rail components, and affect the safety of vehicles. Many cities in China still use artificial rail corrugation measurement for track maintenance, which has low efficiency and high labor intensity. At present, there are a variety of measurement methods for rail corrugation, and the machine vision measurement method has been extensively researched and verified, but automated measurement of this method has not been achieved. In order to improve the efficiency and accuracy of corrugation measurement, I designed a rail corrugation automatic measurement system. The measuring system uses a line-structured optical measuring method based on laser camera technology and works in conjunction with the rail corrugation automatic measurement vehicle. It includes a vehicle acquisition module and a host computing module. The vehicle acquisition module uses the Raspberry Pi. Through a series of processes carried out by shooting rail corrugation images, ROI processing, image transmission, measurement system calibration, centroid method to find the center of the light bar, body vibration compensation, and rail corrugation information extraction, the system can output rail corrugation measurement results. Besides, I designed a user interactive operation interface, which can complete the setting of parameters and the automatic running of the control program. Due to the experimental conditions in this design, I selected a set of laser camera modules for debugging experiments, obtained preliminary measurement results. In addition, the follow-up calculation and evaluation method of rail corrugation data is proposed, which can be used for reference in actual measurement. This measurement system can improve the measurement efficiency of the rail corrugation, and can be widely used in rail maintenance work in the future.

Key Words：Rail corrugation; Machine vision measurement; Laser camera technology; Raspberry Pi

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外的研究现状 1

1.2.1 波磨测量的标准及要求 1

1.2.2 钢轨波磨的测量方法 2

1.3 研究内容及意义 5

第2章 波磨测量总体方案设计 6

2.1 测量目标及方法 6

2.2 测量总体方案设计 6

2.3 测量系统模块与流程 7

2.4 本章小结 8

第3章 波磨图像车载采集与处理 9

3.1 波磨图像采集系统 9

3.2 系统硬件设备选型 11

3.3 树莓派运行环境搭建 12

3.4 钢轨与测量设备模型制作 13

3.5 波磨图像采样 15

3.6 采集图像ROI处理 16

3.7 采集图像发送 17

3.8 本章小结 18

第4章 波磨图像上位机处理与分析 19

4.1 采集图像接收 19

4.2 测量系统的标定 19

4.2.1 摄像头畸变标定 19

4.2.2 图像坐标系转换 21

4.3 提取光条中心线 22

4.4 车身振动补偿理论 23

4.5 波磨数据提取分析 25

4.6 GUI用户界面设计 26

4.7 本章小结 27

第5章 系统实验及波磨评价 28

5.1 测量系统实验与讨论 28

5.2 波磨数据计算及评价方法 30

5.3 本章小结 31

第6章 总结与展望 32

6.1 设计总结 32

6.2 工作展望 32

参考文献 33

致 谢 35

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着轨道交通的快速发展，轮轨间的噪声和轨道损伤问题日益凸显，钢轨踏面上出现的规律性凹凸不平现象称为钢轨波磨，不仅造成了列车行驶时的振动，也会降低列车和铁道结构部件的使用寿命，严重的钢轨波磨甚至会造成列车行车事故。我国近几年铁路运输也在向着高速重载方向发展，波磨问题也越来越显著。此外波磨会引起很大的轮轨附加动力，额外消耗牵引能量，加速轨面损坏和道床永久变形，增加维修养护成本，给铁路运输系统带来很大的损失。波磨有两个属性参数：波长和波深^[1]。在国内很多城市轨道养护方面目前仍采用人工波磨测量，效率低且劳动强度大，急需一种高效可行的测量方法。目前国内外学者已经提出了包括接触式测量和非接触式测量的多种钢轨波磨测量方法，但缺少基于这些方法的自动化测量小车及检测系统。

图1.1 钢轨波磨实拍图^[1]

1.2 国内外的研究现状

本文设计了钢轨波磨自动化测量系统，我主要就波磨测量的标准和要求、波磨现有测量方法这两个方面查阅了大量文献，本小节主要是对以上两个方面的综述。

1.2.1 波磨测量的标准及要求

目前，国际上与钢轨波磨的测量及评价有关的标准主要有三份。