[發明專利]一種基于約束迭代最近點法的鋼軌輪廓魯棒性配準方法

有效

• 申請號: 202010711688.X
• 申請日: 2020-07-22
• 公開（公告）號: CN111882592B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 李艷福;智英建;鐘曉蕓;蔣馥蔚;劉宏立;馬子驥
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍空軍工程大學
• 主分類號: G06T7/33
• 分類號: G06T7/33;G06T7/35;G06T7/64;G06T7/13;G06T7/12;G06T7/136
• 代理公司: 西安研創天下知識產權代理事務所(普通合伙) 61239
• 代理人: 楊鳳娟

本發明公開了一種基于約束迭代最近點法的鋼軌輪廓魯棒性配準方法，首先通過輪廓粗配準法將測量輪廓搬移到離標準輪廓足夠近的初始位置，從而保證CICP算法的收斂性；然后通過Ramer算法對軌腰進行自適應、全局性的分割，準確地提取出局部無污染區域，保證了CICP配準區域的無污染性，最后對細配準后的輪廓通過軌顎點的垂向位置約束，消除了軌腰局部配準引入的垂向偏差，有效提升了CICP配準的準確性。

技術領域

本發明涉及軌道交通檢測領域，具體涉及一種基于約束迭代最近點法的鋼軌輪廓魯棒性配準方法。

背景技術

鋼軌斷面輪廓的準確測量在軌道質量檢測中扮演著至關重要的角色。它的測量結果可以直觀地反映軌道斷面的幾何形態，為軌道維護提供一個科學的依據。

激光圖像法(Laser image method,LIM，也稱攝影測量法)和激光位移法(Laserdisplacement method,LDM)是鋼軌斷面輪廓無損檢測的兩種主要方法。由于前者涉及復雜的圖像處理過程，實際應用中已逐漸被后者所取代。

傳統的斷面輪廓測量建立在測量輪廓曲線形態理想的基礎上，即包含完整的軌頭、軌腰，且曲線上沒有強烈的離群點干擾。此時，所用的輪廓配準方法主要是雙圓心擬合法(Double circle segment,DCS)和迭代最近點法(Iterative closest point,ICP)，原理如圖1所示。

雙圓心擬合法通過擬合測量輪廓軌腰雙圓弧的圓心坐標，并與標準輪廓對應位置的圓心坐標進行比較，求得旋轉矩陣和平移矢量，實現測量輪廓與標準輪廓的準確配準。迭代最近點法通過在測量輪廓和標準輪廓的軌腰非污染區上尋找多個配準特征點對，基于最小二乘來估計最優的旋轉矩陣和平移矢量參數，從而實現輪廓配準。

實際作業過程中，由于現場工況的復雜性，測量輪廓曲線形態可能受到嚴重的損害，主要干擾因素如下：

(1)離群點干擾

為使動態作業過程中激光平面始終能穩定地覆蓋住鋼軌軌頭和軌腰區域，激光平面的寬度通常會留有一定的余量。此時，除投射在鋼軌上外，它還可能投射在其他不相關區域，如兩側的道砟和扣件上，這會引入大量的離群點到測量輪廓中，示例如圖2所示。此外，鋼軌表面光亮區域的反射，進一步增加了離群點的干擾程度。離群點的存在不僅影響輪廓上軌腰區的定位，還會進一步影響鋼軌斷面磨耗的準確測量。因此，輪廓配準前，我們必須先檢測去除大部分離群點的干擾。

(2)軌腰的局部遮擋或缺失

由于室外作業環境的惡劣性，鋼軌輪廓的軌腰下半部區域經常會被雜草、泥污或其他污漬所遮擋。此外，當檢測車通過小半徑彎道時，隨著固定于車體底部的激光位移傳感器與鋼軌之間相對距離的增加，距傳感器最遠的軌腰小半徑圓弧區可能出現局部缺失，示例如圖3所示。

對基于DCS的鋼軌輪廓配準來說，軌腰雙圓弧區的完整性是至關重要的。考慮到實際工況下軌腰的局部遮擋或缺失經常發生，該方法對于實現輪廓的魯棒性配準是不合適的。

對基于ICP的鋼軌輪廓配準來說，它不要求用于提取配準特征點的軌腰區域必須覆蓋完整軌腰，但該區域的非污染性是必須要保證的，不能受到任何外界的干擾。實際工況下，由局部遮擋、道砟和扣件干擾所形成的污染區與非污染區共存于軌腰曲線上。此時，如何實現兩者的準確分割是解決問題的關鍵。此外，如何保證迭代配準時算法的收斂性也至關重要。

發明內容

基于上述分析，傳統ICP算法相比DCS來說，在輪廓配準的適應性上還是較高的，但必須設法滿足它的兩個約束條件。為此，本發明在傳統ICP算法的基礎上，提出一種約束ICP算法(Constrained iterative closest point,CICP)，來實現復雜工況下鋼軌輪廓的魯棒性配準。

本發明采用的技術方案是：