CN119953417A - 一种轨道点云位姿矫正方法及应用和一种测量设备及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道检测技术领域，提供了一种轨道点云位姿矫正方法及应用和一种测量设备及系统，其中轨道点云的位姿矫正方法包含以下步骤：将轨道的三维点云3DPC的局部坐标系对齐到标准轨道点云模型的坐标系，获得对齐后的三维点云3DPCⅠ；根据3DPCⅠ的X值、Y值、Z值中的至少一个值判断3DPCⅠ是否满足位姿矫正要求，若满足位姿矫正要求，则得到位姿矫正后的三维点云3DPCⅡ。本发明能解决轨道几何状态检测误差较大的问题。

Description

一种轨道点云位姿矫正方法及应用和一种测量设备及系统

技术领域

本发明涉及轨道检测技术领域，特别是一种轨道点云位姿矫正方法及应用和一种测量设备及系统。

背景技术

在铁路高速运营的大背景下，铁路运输的安全性日趋成为焦点，而对轨道的主要性能参数进行定期检测，并根据检测结果制定相应的维护和检修计划，是保障铁路运输安全的关键手段，是列车安全运行的重要保证。

然而目前的轨道检测手段主要依赖钢直尺、道尺、支距尺、磨耗尺、弦线等传统测量工具进行数据采集并和标准数据进行对比，这些传统测量工具一方面容易受到如障碍物干涉等外界环境因素的干扰，从而导致测量效率低下甚至无法进行测量，测量精度也难以保证；另一方面传统测量工具高度依赖人工，人力消耗大的同时，测量结果不精确、可靠性低。

发明内容

本发明的发明人发现，面结构光学三维测量技术是一种针对漫反射物体三维形貌测量的新兴非相干光三维传感技术，具有速度快、非接触、高精度等优点；现有的面结构光学三维测量技术需要先在物体表面投射光栅条纹，并通过视觉传感器获取带有光栅条纹的物体图像，再解码图像并计算出图像上所有像素点的三维坐标，即可得到在视觉传感器视野内的物体表面的三维点云。当应用于轨道检测时，根据图像解码出的轨道三维点云数据会受到视觉传感器相对轨道的距离、角度等相对位置关系的影响；而视觉传感器与轨道的相对位置关系会受到各种因素，如视觉传感器的性能、操作人员的操作习惯、图像摄制环境的影响而难以标准化，从而导致根据不同图像解码出的三维点云数据在空间中的位姿不明确，难以与标准轨道点云数据进行比较，进而导致使用现有的面结构光学三维测量技术对轨道的几何状态进行检测时误差较大。

本发明的目的在于：为解决轨道几何状态检测误差较大的问题，提供了一种轨道点云位姿矫正方法及应用和一种测量设备及系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种轨道点云的位姿矫正方法，包含以下步骤：

S1、获取轨道的三维点云3DPC；将3DPC拟合为平面点云PPC；

S2、计算衡量PPC中各点法线向量的平均统计值的RN向量，根据RN向量建立PPC的特征平面P_⊥和P_||；计算P_⊥相对标准轨道点云模型XOZ平面的旋转矩阵T_⊥；计算P_||相对标准轨道点云模型YOZ平面的旋转矩阵T_||，使用T_⊥和T_||对3DPC进行旋转变换；计算3DPC的质心的X值，若质心的X值小于预设的阈值，将3DPC绕Y轴旋转180°，得到处理后的三维点云3DPCⅠ；

S3、根据处理后的三维点云3DPCⅠ的X值、Y值、Z值中的至少一个值判断3DPCⅠ是否满足位姿矫正要求，若满足位姿矫正要求，则得到位姿矫正后的三维点云3DPCⅡ。

作为本发明的优选方案，步骤S1中将3DPC拟合为平面点云PPC的步骤中，包含将3DPC分割为t片点云3DPC[i]，0≤i＜t，并将3DPC[i]拟合为t片平面点云PPC[i]；步骤S2中基于PPC[i]对3DPC进行旋转变换，得到处理后的三维点云3DPCⅠ[i]；步骤S3中判断3DPCⅠ[i]是否满足位姿矫正要求，若满足位姿矫正要求，则得到位姿矫正后的三维点云3DPCⅡ。

作为本发明的优选方案，步骤S3包含如下步骤：

S31、将每片3DPCⅠ[i]分别与标准轨道点云模型的对应部分进行相似度对比；

S32、根据各3DPCⅠ[i]分别与标准轨道点云模型对应部分的相似度从高到低依次进行位姿矫正要求判断；若出现满足位姿矫正要求的3DPCⅠ[i]，则3DPCⅠ满足位姿矫正要求判断，得到3DPCⅡ。

作为本发明的优选方案，步骤S1中通过对3DPC[i]进行平面模型分割获得PPC[i]。

作为本发明的优选方案，步骤S3中，3DPCⅠ满足位姿矫正要求的条件为，3DPCⅠ的最大Y值小于或等于预设的阈值；3DPCⅠ[i]满足位姿矫正要求的条件为，至少一个3DPCⅠ[i]的最大Y值小于或等于预设的阈值。

作为本发明的优选方案，步骤S1中的3DPC为轨头和轨腰的数据。

作为本发明的优选方案，步骤S1中通过自动选区和/或手动选区选择轨头和轨腰的数据。

作为本发明的优选方案，步骤S1之前对3DPC进行下采样。

作为本发明的优选方案，步骤S2包含如下步骤：

计算PPC中各点P[i]的法线向量N[i]，0≤i＜n，n为PPC的点数；计算衡量N[i]平均统计值的RN向量；计算P[i]分别至RN向量的位置关系d[i]，设d[i]中的最大值为d[s]，与d[s]对应的点为P[s]；使用RN向量和P[s]建立平面P_⊥和平面P_||，其中P_⊥垂直于RN向量、P_||平行于RN向量；

计算P_⊥与标准轨道点云模型坐标系平面XOZ之间的角度θ和对应的旋转轴向量V_⊥，计算围绕V_⊥旋转θ的旋转矩阵T_⊥；计算P_||与标准轨道点云模型坐标系平面YOZ之间的角度和对应的旋转轴向量V_||，计算围绕V_||旋转的旋转矩阵T_||；

使用T_⊥和T_||对3DPC进行旋转变换；计算3DPC的质心的X值，若质心的X值小于预设的阈值，将3DPC绕Y轴旋转180°，得到处理后的三维点云3DPCⅠ。

一种轨道点云的位姿矫正方法的应用，包含以下步骤：

A、通过本发明的一种轨道点云的位姿矫正方法获得3DPCⅡ；

B、根据3DPCⅡ识别轨道的类型，选取对应的标准轨道点云模型对3DPCⅡ进行偏差分析，得到3DPCⅡ的偏差分析结果。

作为本发明的优选方案，步骤B包含如下步骤：

B1、将3DPCⅡ与对应的标准轨道点云模型进行粗配准；

B2、将3DPCⅡ与对应的标准轨道点云模型进行精配准；

B3、计算3DPCⅡ与对应的标准轨道点云模型之间的偏差。

作为本发明的优选方案，步骤B1之前分割3DPCⅡ中的轨头和轨腰；步骤B1中将3DPCⅡ的轨头的质心与标准轨道点云模型的轨头的质心对齐，或将3DPCⅡ的轨腰的质心与标准轨道点云模型的轨腰的质心对齐。

作为本发明的优选方案，步骤B中沿Z轴从3DPCⅡ中截取出m个断面3DPCS[i]，0≤i＜m，从标准轨道点云模型上截取出与3DPCS[i]对应的多个标准截面；逐一对比3DPCS[i]与标准截面的相似度，识别出控制断面；根据控制断面选择对应的标准轨道点云模型。

作为本发明的优选方案，还包含建立轨道数据库；所述轨道数据库中至少存储有3DPCⅡ的偏差分析结果。进一步地，所述3DPCⅡ的偏差分析结果包含沿轨道纵向遍历控制断面得到的轨道几何参数曲线。

作为本发明的优选方案，根据轨道数据库中的3DPCⅡ的偏差分析结果建立轨道几何参数趋势图，根据轨道几何参数趋势图制定维护维修计划。

作为本发明的优选方案，建立轨道几何参数趋势图时包含以下步骤：

根据轨道数据库中的历史数据建立轨道几何参数折线图；使用预测模型进行轨道几何参数预测；建立轨道几何参数趋势图。

一种轨道三维几何状态测量设备，包括处理器和存储器；所述存储器和所述处理器通讯连接；所述存储器存储有能够被所述处理器执行的指令，所述处理器通过所述指令能够执行本发明的一种轨道点云的位姿矫正方法。

一种轨道三维几何状态测量系统，包含本发明的一种轨道三维几何状态测量设备、面结构光发射器和视觉传感器；所述面结构光发射器用于向轨道上投影面结构光；所述视觉传感器用于获取带有光栅条纹的轨道图像；所述视觉传感器与所述处理器通讯连接。

作为本发明的优选方案，还包含横梁和车轮组件；所述车轮组件设置于所述横梁沿轨道横向的两侧；至少一个所述车轮组件通过自适应装置与所述横梁连接从而能够相对所述横梁绕竖直方向的轴线摆动；所述车轮组件的间距对应轨道的轨距；所述车轮组件能沿所述轨道移动；所述面结构光发射器和所述视觉传感器连接于所述横梁。

作为本发明的优选方案，所述自适应装置包含第一安装座和第二安装座，所述第一安装座能够相对所述第二安装座沿竖直方向的轴线转动；所述第一安装座和所述第二安装座中的一者连接于所述横梁，所述第一安装座和所述第二安装座中的另一者连接于所述车轮组件。

作为本发明的优选方案，所述自适应装置的另一端与所述车轮组件或所述横梁滑动连接，所述滑动连接包含轴线沿轨道横向设置的滑轨。

作为本发明的优选方案，所述面结构光发射器和所述视觉传感器通过悬臂连接杆连接于所述横梁；所述悬臂连接杆用于调整所述面结构光发射器和所述视觉传感器相对所述轨道的位置与角度。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的轨道点云的位姿矫正方法在对轨道的三维点云3DPC进行识别和测量之前，包含了将轨道的三维点云3DPC的特征平面对齐到标准轨道点云模型坐标系，从而获取位姿矫正后的三维点云3DPCⅡ的步骤，相比于现有方案直接使用3DPC，本方案在后续使用能够排除由于3DPC局部坐标系相对标准轨道点云模型坐标系存在偏移和/或倾斜而带来的测量偏差，从而提高后续处理中对3DPCⅡ的识别准确率和测量精度，进而使面结构光学三维测量技术能够顺利应用于轨道检测；

同时由于本方案能够消除3DPC局部坐标系与标准轨道点云模型坐标系的偏移和/或倾斜，因此在使用视觉传感器拍摄轨道图像时，无需固定视觉传感器与轨道的相对位置关系，使工作人员可以根据视觉传感器性能、自身操作习惯等因素自由安排摄制距离和角度，从而提高轨道检测中拍摄环节的效率；

进一步地，本方案可利用RN向量建立平面P_⊥和平面P_||，从而综合考虑到PPC中的各点，避免单一坏点对法线计算的影响，也能避免直接计算拟合平面的法线，导致的部分点无法考虑在内的情况，使本方案具有更强的鲁棒性；同时利用RN向量建立平面P_⊥和平面P_||以衡量3DPC的特征方位，也能使方位描述更加准确，提高本方案的准确性；

在对3DPC进行旋转变换时，本方案可采用通过旋转矩阵T_⊥和T_||对3DPC进行旋转变换的方式，从而确保平面P_⊥和平面P_||分别与标准轨道点云模型的XOZ平面和YOZ平面重合，消除3DPC坐标系相对标准轨道点云模型偏移和/或倾斜而带来的测量偏差，保证本方案的准确性；

同时，本方案还对旋转变换后3DPC的质心的X值进行了检验，从而确保旋转变换后3DPC的延伸方向与Z轴的延伸方向一致，避免旋转变换后3DPC局部坐标系与标准轨道点云模型坐标系平行，但方向不一致的情况；

最后本方案还包含判断3DPCⅠ是否满足位姿矫正要求的步骤，进一步确保3DPCⅠ的有效性，避免如计算出错，或原始数据3DPC未包含所需轨头或轨腰部分导致3DPC

Ⅰ不满足位姿矫正要求的情况。

2、本发明的轨道点云的位姿矫正方法的应用由于采用了本发明的轨道点云的位姿矫正方法，3DPCⅡ的局部坐标系与标准轨道点云模型坐标系没有偏移和倾斜，在对3DPCⅡ进行识别和偏差分析时具有更高的准确度。

3、本发明的轨道三维几何状态测量设备包含存储有用于执行本发明的轨道点云的位姿矫正方法的存储器以及对应的处理器，能在使用面结构光学三维测量技术对轨道测量时，基于3DPCⅡ进行轨道类型识别和轨道几何参数测量以提高识别准确率和降低测量偏差。

4、本发明的轨道三维几何状态测量系统能获取轨道三维点云3DPC并经由轨道三维几何状态测量设备处理得到3DPCⅡ，再基于3DPCⅡ进行轨道类型识别和轨道几何参数测量以提高识别准确率和降低测量偏差。

附图说明

图1是本发明的一种轨道点云的位姿矫正方法的流程示意图；

图2是本发明的一种轨道点云的位姿矫正方法的应用的流程示意图一；

图3是本发明的一种轨道点云的位姿矫正方法的应用的流程示意图二；

图4是本发明的一种轨道三维几何状态测量系统的立体结构示意图一；

图5是本发明的一种轨道三维几何状态测量系统的立体结构示意图二；

图6是本发明的一种轨道三维几何状态测量系统安装于轨道状态从轨道内侧看向轨道外侧的局部立体结构示意图；

图7是本发明的一种轨道三维几何状态测量系统的立体结构爆炸示意图；

图8是图5中Ⅰ处的局部立体结构放大示意图；

图9是自适应装置处的局部立体结构爆炸示意图；

图10是车轮组件的立体结构示意图；

图11是悬臂连接杆的局部立体结构示意图；

图标：1-轨道；2-横梁；3-车轮组件；4-轨距调整机构；5-自适应装置；6-悬臂连接杆；21-第一安装座；211-凹陷部；31-行进轮；32-阶梯轴；33-滑轨；34-导向轮；35-限位块；51-第二安装座；511-凸起部；52-滑块；53-连接件；61-连杆；62-设备平台。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例所采用的一种轨道点云的位姿矫正方法，包含以下步骤：

S1、获取轨道1的三维点云3DPC；将3DPC拟合为平面点云PPC；

S2、计算衡量PPC中各点法线向量的平均统计值的RN向量，根据RN向量建立PPC的特征平面P_⊥和P_||；计算P_⊥相对标准轨道点云模型XOZ平面的旋转矩阵T_⊥；计算P_||相对标准轨道点云模型YOZ平面的旋转矩阵T_||，使用T_⊥和T_||对3DPC进行旋转变换；计算3DPC的质心的X值，若质心的X值小于预设的阈值，将3DPC绕Y轴旋转180°，得到处理后的三维点云3DPCⅠ；

S3、根据处理后的三维点云3DPCⅠ的X值、Y值、Z值中的至少一个值判断3DPCⅠ是否满足位姿矫正要求，若满足位姿矫正要求，则得到位姿矫正后的三维点云3DPCⅡ。

步骤S1中的三维点云3DPC可以是测量得到的，也可以直接输入现有的数据；步骤S1中可以采用各种方式将3DPC拟合为平面点云PPC，如主成分分析，最小二乘平面拟合；

轨道1的具体类型根据检测需求而定，以检测道岔为例，轨道1可以包含尖轨、辙叉、护轨、接缝钢轨、钢轨等结构；根据3DPC采集方式的不同，3DPC除了包含轨道1的点云信息，也可能会包含一些其它干扰信息，如地面、夹板、螺栓等其它结构的点云信息，这部分点云形态多变，不利于位姿矫正，因此可以在步骤S1之前对3DPC进行筛选，筛去所需点云以外的其它点云，使步骤S1中的3DPC为轨头和轨腰的数据；具体可以采用例如自动选区和/或人工选区的方式进行筛选，自动选区的规则可以根据经验值判断；人工选区由操作者目视判断；具体选区方式可以采用如框选、套索的方式；自动选区和人工选区可以择一进行，也可以同时采用，例如将人工选区作为自动选区失败时的备份；选区时宜选取较为平坦的轨头踏面；若3DPC中不包含干扰信息，或已经排除了干扰信息，则可以不进行自动选区或人工选区。

同时，3DPC的信息密度一般较大，为了减少后续步骤中的计算量，本实施例还在步骤S1之前对3DPC进行下采样，从而提高后续步骤中的点云数据处理速度；当步骤S1之前还包含对3DPC进行筛选步骤时，既可以在对3DPC进行筛选之后对选中的3DPC进行下采样，也可以在对所有3DPC进行下采样后再对3DPC进行筛选；若3DPC的信息密度较小，如采用了像素较低的视觉传感器进行轨道1的摄像，则可以不对3DPC进行下采样；具体地，本实施例的下采样选择体素滤波采样或均匀采样。

步骤S2用于将3DPC的局部坐标系与标准轨道点云模型坐标系对齐；在本实施例中，标准轨道点云模型采用包含X轴、Y轴和Z轴笛卡尔坐标系，且X轴对应标准轨道点云模型的轨道横向；Y轴对应标准轨道点云模型的轨道高度方向；Z轴对应标准轨道点云模型的轨道纵向。

在步骤S2中计算P_⊥相对标准轨道点云模型XOZ平面的旋转矩阵T_⊥，可以采用先计算P_⊥相对标准轨道点云模型XOZ平面的角度θ和对应的旋转轴向量V_⊥，再通过θ和V_⊥计算T_⊥的方式；对应的，计算P_||相对标准轨道点云模型YOZ平面的旋转矩阵T_||，可以采用先计算P_||相对标准轨道点云模型YOZ平面的角度和对应的旋转轴向量V_||，再通过和V_||计算T_||的方式；使用T_⊥和T_||对3DPC进行旋转变换后，即可使P_⊥和P_||分别与标准轨道点云模型的XOZ平面和YOZ平面对齐，从而能将3DPC的局部坐标系与标准轨道点云模型的坐标系对齐；预设的阈值需要根据标准轨道点云模型中点云相对坐标系原点的摆放而定，只要根据该阈值判断3DPC是否沿Z轴方向反向放置即可；具体地，本实施例中若3DPC的质心X值小于0即将3DPC绕Y轴旋转180°，以避免3DPC的延伸方向与Z轴的延伸方向不一致；若质心的X值大于或等于预设的阈值，直接得到处理后的三维点云3DPCⅠ。

在步骤S3中，由于轨道1的物理结构，3DPCⅠ中具有最大Y值的点只会出现在轨道1部分，而不会出现在非轨道1部分，如地面、夹板上，因此3DPCⅠ的最大Y值由轨道1的几何参数决定，当根据轨道1最高点的几何参数设定对应的阈值，则满足位姿矫正要求的3DPCⅠ中的所有点的Y值都应该小于该阈值：因此本实施例所采用的具体位姿矫正判断依据为：当3DPCⅠ的最大Y值小于或等于预设的阈值，则3DPCⅠ满足位姿矫正要求，可以将3DPCⅠ作为满足位姿矫正要求的三维点云3DPCⅡ。

实施例2

在实施例1的基础上，在步骤S1中将3DPC拟合为平面点云PPC的步骤中，包含将3DPC分割为t片点云3DPC[i]，0≤i＜t，并将3DPC[i]拟合为t片平面点云PPC[i]；对应地，步骤S2中基于PPC[i]对3DPC进行位姿变换，并得到处理后的三维点云3DPCⅠ[i]；步骤S3中判断3DPCⅠ[i]是否满足位姿矫正要求，若满足位姿矫正要求，则得到位姿矫正后的三维点云3DPCⅡ。

具体地，本实施例采用区域增长分割将3DPC分割为t片点云3DPC[i]，从而将3DPC中非同一平滑曲面的点云区分开来，区域增长分割能使3DPC[i]中的每一个元素上的各点均位于同一光滑表面，使点云数据更具有整体性和连续性，从而更易于提取点云中的局部特征，便于后续步骤中对点云的识别和分类；

将3DPC[i]拟合为PPC[i]采用平面模型分割，具体是采用随机采样一致性对3DPC拟合出一个平面，将点到该平面的距离小于距离阈值的点都作为平面内点，大于距离阈值的点都作为平面外点，取平面内点作为分割结果；以本实施例检测道岔为例，对3DPC进行平面模型分割，可有效地从3DPC中提取出轨头踏面平面；平面模型分割的具体方式可参考现有技术，本实施例优选RANSAC算法(随机采样一致，RAndom SAmple Consensus)；

采用区域增长分割和平面模型分割对3DPC进行处理能进一步从3DPC中筛选出所需点云数据，去除3DPC中不需要的点云数据，例如地面、夹板、螺栓等其它结构的点云信息，提高本实施例的鲁棒性。

在步骤S3中按如下步骤对3DPCⅠ[i]进行位姿矫正要求判断：

S31、将每片3DPCⅠ[i]分别与标准轨道点云模型的对应部分进行相似度对比；

S32、根据各3DPCⅠ[i]分别与标准轨道点云模型对应部分的相似度从高到低依次进行位姿矫正要求判断；若出现满足位姿矫正要求的3DPCⅠ[i]，则3DPCⅠ满足位姿矫正要求判断，得到3DPCⅡ。

在步骤S31中，相似度对比参考现有技术，可以通过如均方误差、最大公共点集、陆地移动距离、倒角距离等指标进行评价，本实施例通过计算3DPCⅠ[i]与标准直钢轨点云模型截面之间的豪斯多夫距离Hausdorf[i]进行相似度对比；对应的，在步骤S32中根据3DPCⅠ[i]的Hausdorf[i]的大小，从小到大对3DPCⅠ[i]进行重新排序，获得重新排序后的3DPCⅠ[i]，3DPCⅠ[0]即与标准点云模型相似度最高的点云，而3DPCⅠ[t-1]则是与标准点云模型相似度最低的点云；随后从3DPCⅠ[0]开始向3DPCⅠ[t-1]依次判断每一个3DPCⅠ[i]是否满足位姿矫正要求，即最大Y值是否小于或等于预设的阈值；若出现有满足位姿矫正要求的3DPCⅠ[i]，则后续3DPCⅠ[i]由于具有与标准点云模型更低的相似度，满足位姿矫正要求的可能性会更低，因此后续3DPCⅠ[i]无需再一一判断；即只要有一个3DPCⅠ[i]满足位姿矫正要求，便可提前结束判断并将整个3DPCⅠ作为3DPCⅡ，从而提前结束判断以减少计算量，提高计算速度；若直到3DPCⅠ[t-1]仍未出现满足位姿矫正要求的3DPCⅠ[i]，则说明3DPCⅠ未满足位姿矫正要求或最初选择的3DPC数据存在问题，需要重新选择3DPC。

实施例3

在实施例1或2的基础上，步骤S2具体包含如下步骤：

计算PPC中各点P[i]的法线向量N[i]，0≤i＜n，n为PPC的点数；计算衡量N[i]平均统计值的RN向量；计算P[i]分别至RN向量的位置关系d[i]，设d[i]中的最大值为d[s]，与d[s]对应的点为P[s]；使用RN向量和P[s]建立平面P_⊥和平面P_||，其中P_⊥垂直于RN向量、P_||平行于RN向量；

计算P_⊥与标准轨道点云模型坐标系平面XOZ之间的角度θ和对应的旋转轴向量V_⊥，计算围绕V_⊥旋转θ的旋转矩阵T_⊥；计算P_||与标准轨道点云模型坐标系平面YOZ之间的角度和对应的旋转轴向量V_||，计算围绕V_||旋转的旋转矩阵T_||；使用T_⊥和T_||对3DPC进行旋转变换；

计算3DPC的质心的X值，若质心的X值小于预设的阈值，将3DPC绕Y轴旋转180°，得到处理后的三维点云3DPCⅠ。

在步骤S2中计算衡量N[i]平均统计值的RN向量时使用公式(1)：

式中为RN向量，分别为RN向量在X、Y、Z方向上的分量，N[i]x、N[i]_y、N[i]_z分别为N[i]向量在X、Y、Z方向上的分量，n为点云PPC的点数；

本步骤使用RN向量可以将PPC中所有的点都考虑到，可以避免单一坏点对法线计算的影响；也能避免直接计算拟合平面的法线，导致的部分点无法考虑在内的情况。

在步骤S2中计算PPC中各点P[i]分别至RN向量的位置关系d[i]，并设d[i]中的最大值为d[s]时分别使用公式(2)和公式(3)：

d[s]＝max(d[i]) (0≤i<n) (3)

式中d[i]为点P[i](0≤i＜n)至RN向量的位置关系，x[i]、y[i]、z[i]分别为点P[i]在X、Y、Z方向的坐标值，分别为RN向量在X、Y、Z方向上的分量；

本步骤在PPC中查找与RN向量位置关系最大的点，作为后续建立P_⊥和平面P_||的点，使用建立的平面衡量点云自身的特征方位更加准确。

使用RN向量和P[s]建立平面P_⊥和平面P_||时分别使用公式(4)和公式(5)：

式中分别为RN向量在X、Y、Z方向上的分量，x[s]、y[s]、z[s]分别为点P[s]在X、Y、Z方向的坐标值；X、Y、Z为三维空间中的三个轴。

本步骤使用向量RN与点P[s]建立垂直于向量RN的平面P_⊥和平行于向量RN的平面P_||，用于衡量点云的特征方位，方位描述更加准确。

在步骤S2中计算用于计算旋转矩阵的θ与时使用公式(6)和公式(7)：

式中θ为平面P_⊥与平面XOZ之间的夹角，分别为RN向量在X、Y、Z方向上的分量；x[s]、y[s]、z[s]分别为点P[s]在X、Y、Z方向的坐标值。

在步骤S2中计算用于计算旋转矩阵的旋转轴向量V_⊥和V_||时分别使用公式(8)和公式(9)：

式中，V_⊥x、V_⊥y、V_⊥z分别为V_⊥在X、Y、Z方向上的分量；V_||x、V_||y、V_||z分别为V_||在X、Y、Z方向上的分量；分别为RN向量在X、Y、Z方向上的分量；x[s]、y[s]、z[s]分别为点P[s]在X、Y、Z方向的坐标值。

在步骤S2中计算旋转矩阵T_⊥和T_||时分别使用公式(10)和公式(11)：

式中θ为平面P_⊥与平面XOZ之间的夹角，为平面P_||与平面YOZ之间的夹角，V_⊥x、V_⊥y、V_⊥z分别为V_⊥在X、Y、Z方向上的分量；V_||x、V_||y、V_||z分别为V_||在X、Y、Z方向上的分量；

实施例4

如图2所示，本实施例所采用的一种轨道点云的位姿矫正方法的应用，包含以下步骤：

A、通过如实施例1至3中的任何一种轨道点云的位姿矫正方法对3DPC进行位姿矫正，获得矫正后的三维点云3DPCⅡ；

B、根据3DPCⅡ识别轨道1的类型，选取对应的标准轨道点云模型对3DPCⅡ进行偏差分析，得到3DPCⅡ的偏差分析结果。

在步骤A之前，可以先制定轨道检测计划，包含检测部位和检测参数的制定；例如，对于时速350公里的18号尖轨，可以对其直线尖轨和曲线尖轨部位的降低值、垂磨、侧面磨耗进行检测；对于时速350公里的18号辙叉，可以检测其翼轨的咽喉宽度和动程，检测其长心轨的降低值和磨耗，检测其短心轨的降低值和磨耗；对于钢轨，其检测参数包含轨头磨耗值、轨头踏面磨耗深度、轨头高度、轨头宽度、钢轨高度、轨腰厚度、轨底宽度、轨头垂直平直度和水平平直度、轮轨接触半径等几何尺寸参数；对于接缝钢轨，其检测参数包含轨缝宽度、左右错牙、上下错牙和平直度；检测数据文件的准备与检测部位和检测参数的设置匹配。

在步骤A中，3DPC的具体采集方式可参考如下步骤：

通过向轨道1表面投影面结构光获取带有光栅条纹的轨道1的图像；将轨道1的图像解算为3DPC。

具体地，面结构光包含两组光栅条纹，且两组光栅条纹相互垂直设置；向轨道1表面投影时，一组光栅条纹平行于轨道纵向，一组光栅条纹平行于轨道高度方向；光栅条纹的颜色均采用蓝色，从而能利用蓝色光较短的波长减小光线在轨道1表面的弯曲和偏移，从而提高测量精度；视觉传感器采用至少包含两个间隔设置的摄像头的工业相机，从而能够通过双目或多目视觉对计算各像素点与视觉传感器的距离，进而解算出图像上各点的三维坐标，得到3DPC。

步骤B中选取与3DPCⅡ对应的标准轨道点云模型时，可以以3DPCⅡ分别与不同的标准轨道点云模型的相似度为依据；3DPCⅡ分别与不同的标准轨道点云模型的相似度对比参考现有技术，可以通过如均方误差、最大公共点集、陆地移动距离、倒角距离等指标进行评价；步骤B中得到偏差分析结果后，即可结合现有的几何参数状态判定依据，得到轨道几何参数状态结论，例如轨道包含垂磨、侧磨和总磨的磨耗数据，以及包含轨底宽度、轨头垂直平直度和水平平直度的几何尺寸参数是否合格。

具体地，步骤B包含如下步骤：

B1、将3DPCⅡ与对应的标准轨道点云模型进行粗配准；

B2、将3DPCⅡ与对应的标准轨道点云模型进行精配准；

B3、计算3DPCⅡ与对应的标准轨道点云模型之间的偏差。

粗配准用于快速将3DPCⅡ和标准轨道点云模型对准，可以采用多种方式实现，如获取3DPCⅡ上指定结构的质心，并使其与标准轨道点云模型上与指定结构对应结构的质心重合；或使用SAC-IA算法(采样一致性初始配准算法，Sample Consensus InitialAlignment)进行粗配准；精配准用于进一步优化3DPCⅡ和标准轨道点云模型对准效果，可以采用多种方式，如ICP算法(迭代最近点，Iterative Closest Point)或者NDT算法(正态分布变换，Normal Distributions Transform)的方式实现；

在步骤B2之前增加步骤B1从而分层次地进行3DPCⅡ与对应的标准轨道点云模型的配准，能够减少步骤B2中精配准的计算量，从而加快精配准的计算速度，提高配准过程的效率；同时粗配准也能消除3DPCⅡ初始位姿相对标准轨道点云模型的大部分误差，使点云在精配准阶段更容易收敛到最优解，从而增加了配准的稳定性；

进一步地，在步骤B1之前还包含杂点移除步骤，从而进一步排除干扰信息，如地面、夹板、螺栓等其它结构的点云信息，提取所需轨道点云信息；杂点移除可以采用例如各种方式，例如采用欧式距离聚类算法移除点数较少的杂点；利用球半径滤波算法或者统计滤波算法移除离群点；通过获取3DPCⅡ质心的三维坐标，设置方向及阈值，通过直通滤波算法，移除某一方向上远离轨道1的所有杂点。

步骤B3中3DPCⅡ与对应的标准轨道点云模型之间的偏差即3DPCⅡ上各点与标准点云模型中的最近邻点之间的距离，可通过各种方式计算，如使用octree最近邻搜索算法或者kdtree最近邻搜索算法。

进一步的，步骤B中对3DPCⅡ进行偏差分析时，沿Z轴将3DPCⅡ分割为m个断面3DPCS[i]，0≤i＜m；分别对每个3DPCS[i]选取标准轨道点云模型上对应的截面进行相似度计算，得到控制断面，根据控制断面选择对应的标准轨道点云模型。沿Z轴分别对3DPCⅡ的各截面3DPCS[i]进行偏差分析，适用于检测变截面轨道1时，需要分别对轨道1各截面选取标准轨道点云模型上对应截面进行偏差分析的情况。

本实施例在步骤B1之前还分割3DPCⅡ中的轨头和轨腰；对应地，步骤B1中将3DPCⅡ的轨头的质心与标准轨道点云模型的轨头的质心对齐，或将3DPCⅡ的轨腰的质心与标准轨道点云模型的轨腰的质心对齐；轨头和轨腰的分割方法可以采用各种算法，如欧式聚类分割算法或者区域增长分割算法。

实施例5

如图3所示，在实施例4的基础上，还包含建立轨道数据库；轨道数据库中至少存储有3DPCⅡ的偏差分析结果；具体地，轨道数据库采用如SQLite或ORACLE的关系型数据库，以行、列以及行和列组合而成的表格的形式存储轨道的数据，能便于用户理解和查询；

具体地，通过3DPCⅡ的偏差分析结果，可以得到包含轮缘槽宽度、咽喉宽度、钢轨高度、轨头宽度、轨底宽度、轨腰厚度、降低值的轨道几何尺寸参数，以及包含垂磨、侧面磨耗、总磨的磨耗数据；进一步的，可沿轨道纵向遍历控制断面得到的磨耗数据曲线，例如垂磨、侧面磨耗、总磨沿轨道纵向的曲线，从而更加直观地展示轨道沿轨道纵向的磨耗情况。

除了3DPCⅡ的偏差分析结果，本实施例的轨道数据库还存储有步骤A中获得的3DPC作为原始数据，以及中间数据3DPCⅠ，能够方便历史数据回溯和校核。

对应地，轨道数据库还需要具备对应的轨道检测数据管理手段以及轨道几何状态参数管理手段；具体地，这两种管理手段包含针对数据处理后得到的检测参数与参数曲线的管理，包括的几何参数状态判定依据的增删改查，以及检测参数和参数曲线的增删改查等操作，增删改查即增加新的判定依据、删除旧的判定依据、修改需要更新的判定依据、查询判定依据是否正确。

本实施例还根据轨道数据库的信息制定维护维修计划；维护维修计划包含常规维护维修计划、大中修维护计划和复检计划；

常规维护维修计划主要是预防性和修理性的作业，如当根据尖轨的偏差分析结果发现尖轨降低值不满足要求时，则需要根据尖轨的降低值数据，在尖轨轨底与滑床台之间垫入一定厚度的特制铁垫片，使尖轨降低值达到设计标准；或者根据尖轨的降低值误差情况，调整基本轨轨下胶垫厚度，使基本轨和尖轨的相对高度即尖轨降低值满足设计允许误差范围；

大中修维护计划主要是更换作业，如对于钢轨，当钢轨的头部磨损达到轻伤标准，即垂磨达到8mm，侧面磨耗达到10mm，总磨达到9mm时，根据其伤损程度对伤损处进行标记，并重点监控该伤损处的磨耗发展；当钢轨的头部磨损达到重伤标准，即垂磨10mm，侧面磨耗12mm时，及时切除重伤部分，实施焊复，甚至更换或重铺对应部位的钢轨；对于道岔，当道岔出现以下几种情况时，需要及时组织修理或更换：尖轨相对于基本轨降低值、心轨相对于翼轨降低值偏差超过1mm，且对行车平稳性有影响；尖轨与心轨因扭转或磨耗等原因造成光带异常，且对行车平稳性有影响；其他伤损达到钢轨轻伤标准时；

复检计划主要是在维护维修作业完成后对作业的情况进行评估，从而进行验收，检查维护维修作业是否已经达到了目标。

进一步地，还可以根据轨道数据库中的3DPCⅡ的偏差分析结果建立轨道几何参数趋势图，并根据轨道几何参数趋势图预测轨道1的几何参数；具体地，可以先根据轨道数据库中的历史几何参数数据建立轨道几何参数折线图，并使用灰色预测模型或支持向量机预测模型对几何参数进行预测，建立轨道几何参数趋势图，从而根据轨道几何参数趋势图辅助制定维护维修计划。

维护维修计划的具体制定可以参考铁运(2013)29号《高速铁路有砟轨道线路维修规则》、铁运(2012)83号《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》、《普速铁路线路修理规则》、《普速铁路线路修理规则补充规定》(铁工电[2022]78号)、《高速铁路道岔和钢轨伸缩调节器养护维修实施细则》。

实施例6

一种轨道三维几何状态测量装置，包括处理器和存储器；存储器和处理器通讯连接；存储器存储有能够被处理器执行的指令，处理器通过指令能够执行实施例1至实施例3中任何一种轨道点云的位姿矫正方法。

存储器可以采用现有技术，如固态硬盘或机械硬盘；处理器也可以采用现有技术，如中央处理器和图形处理器；存储器和处理器的通讯连接可以是有线通讯，也可以是无线通讯。

实施例7

一种轨道三维几何状态测量系统，包含面结构光发射器、视觉传感器和实施例6中的一种轨道三维几何状态测量装置；面结构光发射器用于向轨道1上投影面结构光；视觉传感器用于获取带有光栅条纹的轨道1的图像；视觉传感器与处理器通讯连接。

面结构光发射器可以是各种形式，如采用能发射两组正交分布的光栅条纹的发射器，或通过多个单向光栅条纹发射器组合而成；面结构光发射器可以各种光，如黄色光、绿色光，本实施例选用能够发射蓝色单向光栅条纹的发射器，使用时先沿轨道纵向或轨道高度方向朝轨道1投影第一组光栅条纹并拍照，再沿轨道高度方向或轨道纵向朝轨道1投影第二组光栅条纹并拍照。

视觉传感器可以选用能够测距的视觉传感器，如双目视觉相机、多目视觉相机或结构光相机。

进一步的，如图4至图7所示，还包含横梁2和车轮组件3；所述车轮组件3设置于所述横梁2沿轨道横向的两侧；至少一个所述车轮组件3通过自适应装置5与所述横梁2连接从而能够相对所述横梁2绕竖直方向的轴线摆动；所述车轮组件3的间距对应轨道1的轨距；所述车轮组件3能沿所述轨道1移动；所述面结构光发射器和所述视觉传感器连接于所述横梁2。

车轮组件3、横梁2和自适应装置5组合为轨检小车，工作人员在沿轨道纵向为轨道1拍照时，可先使搭载了面结构光发射器和视觉传感器的轨检小车移动至需要拍摄的位置，从而无需人工搬运面结构光发射器和视觉传感器，能够节省体力。

进一步的，两侧车轮组件3之间的间距可调，轨道1的轨距变化能带动两侧车轮组件3的间距发生对应的变化，从而使两侧的车轮组件3保持与对应侧的轨道1的接触；

两侧车轮组件3之间的间距可调，可以是各种结构，如至少一个车轮组件3活动连接于横梁2上，或两个车轮组件3通过例如滑轨滑块机构或气缸的可调节机构相互连接；两侧车轮组件3的间距能随轨道1的轨距变化，可以采用被动式的结构，如通过限位挡板或限位销限制车轮组件3相对轨道1沿轨道横向的移动自由度，也可以采用主动式的结构，如通过伺服电机或气缸驱动两侧车轮组件3的间距随轨道1的轨距变化。

每一侧的车轮组件3上设置有至少两个行进轮31，且单侧车轮组件3上的行走轮沿轨道纵向间隔分布；具体地，如图10所示，本实施例的在单侧车轮组件3上设置两个行进轮31，从而使本实施例的轨道三维几何状态测量系统形成四轮结构，能更加平稳地沿轨道1运行。

至少一个行进轮31的轮轴是阶梯轴32，并设置有用于感应阶梯轴32转动圈数的位置传感器，从而能根据感应该阶梯轴32的转动圈数计算行进轮31的里程；操作人员在使用视觉传感器时，可根据行进轮31的里程每隔一段距离摄制一张轨道1的图像，从而避免摄制轨道1图像时漏掉轨道1的部分区域，导致3DPC数据不全的情况；其余行进轮31的轮轴可以采用光轴以降低制造成本。

在每个车轮组件3上，还设置有至少一个导向轮34；导向轮34的轴线沿轨道高度方向设置，所示导向轮34用于和轨道1侧壁抵接，从而为车轮组件3提供导向功能，防止车轮组件3沿轨道纵向运动时偏离轨道1；导向轮34的沿轨道高度方向的每个水平截面的半径不同，即导向轮34沿其轴线的两个侧面为斜面，这样可以保证与轨道1的肥边进行良好接触，提高对车轮组件3的约束性能；具体地，如图6、图7和图10所示，本实施例的导向轮34设置于车轮组件3朝向横梁2的一侧，从而减少轨道三维几何状态测量系统沿轨道横向的尺寸，且导向轮34沿竖直平面的截面为V形。

所述面结构光发射器和视觉传感器通过悬臂连接杆6连接于横梁2；悬臂连接杆6用于调整面结构光发射器和视觉传感器的位置与角度；本实施例采用包含至少三个移动自由度和两个旋转自由度的悬臂连接杆6，具体为分别沿轨道横向、轨道纵向和轨道高度方向的三个移动自由度，和轴线分别沿轨道高度方向，以及平行于水平方向的旋转自由度，从而使操作人员在操作面结构光发射器和视觉传感器时，能够随意调整面结构光发射器和视觉传感器与轨道1的距离和角度，更容易获得高质量的图像；

具体地，如图4和图11所示，悬臂连接杆6包含至少两根连杆61；各连杆61首尾相连，相邻两根连杆61的连接处包含至少两个串联的转动副，其中至少一个转动副的轴线沿轨道高度方向设置，至少一个转动副的轴线平行于水平方向，从而使相邻两根连杆61之间具备轴线分别沿轨道高度方向，以及平行于水平方向的旋转自由度；各连杆61组合而成的整体一端相对横梁2固定，另一端通过至少两个串联的转动副连接有设备平台62，面结构光发射器和视觉传感器放置于设备平台62上。

至少一个车轮组件3还连接有轨距调整机构4；轨距调整机构4包含弹性元件，弹性元件一端连接于其中一侧的车轮组件3，弹性元件另一端连接于横梁2或另一侧的车轮组件3；弹性元件用于驱动两侧的车轮组件3分别抵紧于对应侧的轨道1；弹性元件可以采用各种形式，例如橡胶块、碟簧；轨距调整机构4用于在轨道1的轨距发生变化，如轨距增大时，驱动两侧车轮组件3的间距发生对应的变化，从而使两侧车轮组件3能始终保持与对应侧的轨道1抵接，防止车轮组件3由于轨道1的轨距变化而从轨道1上掉落的情况，保证车轮组件3在轨道1上行驶的稳定性；

具体地，本实施例的轨距调整机构4包含若干螺旋弹簧，螺旋弹簧一端抵接于其中一个车轮组件3朝向横梁2的一侧，螺旋弹簧另一端固定于横梁2，从而能够驱动两个车轮组件3相互远离。

进一步地，如图7、图8、图9和图10所示，自适应装置5包含第一安装座21和第二安装座51，第一安装座21能够相对第二安装座51沿竖直方向的轴线转动，第一安装座21和第二安装座51中的一者连接于横梁2，第一安装座21和第二安装座51中的另一者连接于车轮组件3；比如第一安装座21连接于横梁2，第二安装座51连接于车轮组件3，或者第二安装座51连接于横梁2，第一安装座21连接于车轮组件3。

第一安装座21和第二安装座51的相对转动可以通过各种方式实现，例如第一安装座21和第二安装座51中的一者设置有凹陷部211，第一安装座21和第二安装座51中的另一者至少部分地可转动地设置于凹陷部211中，从而；比如第二安装座51设置凹陷部211，第一安装座21的至少部分可转动地设于凹陷部211中，或者第一安装座21设置凹陷部211，第二安装座51的至少部分可转动地设于凹陷部211中。

如图8所示，自适应装置5还包含用于连接第一安装座21和第二安装座51的连接件53，连接件53的至少部分位于凹陷部211中，以连接第二安装座51和第一安装座21，并且与第二安装座51和第一安装座21中的另一者转动配合。比如连接件53是快拆件锁紧器，连接件53包括与第二安装座51配合的第一部分、以及与第一安装座21配合的第二部分，以保证将第二安装座51和第一安装座21连为一体的同时，第二安装座51和第一安装座21可相对转动。

进一步地，在第一安装座21和第二安装座51中的一者设置有凹陷部211的情况下，可在第一安装座21和第二安装座51中的另一者上设置凸起部511，比如第一安装座21设置凹陷部211，第二安装座51设置凸起部511，或者第一安装座21设置凸起部511，第二安装座51设置凹陷部211。凸起部511的周面和凹陷部211的周面均设有相互配合的圆弧面，如此，第二安装座51和第一安装座21相对转动时，两者的弧面可产生滑动接触，并对转动进行导向，进而保证转动的流畅性和稳定性，避免转动时出现卡滞等异常；连接件53依次穿设凹陷部211和凸起部511，从而连接第一安装座21和第二安装座51。

可选地，凹陷部211的周部设有互为相对的第一弧面和第二弧面，以及连通凹陷部211内腔的开口，开口位于第一弧面和第二弧面之间，开口可以设置两个，且两个开口相对设置；凸起部511上设置的弧面与第一弧面、第二弧面配合。如此，可以保证第二安装座51和第一安装座21相互之间有效转动的同时，减小凹陷部211和凸起部511之间的接触面，进而减少摩擦阻力，保证转动顺畅。

可选地，对于凸起部511的具体结构，凸起部511的周部可以是连续完整的圆环面。而本申请采用的具体结构如图8所示，凸起部511的两端设有互为相对的第三弧面和第四弧面，以及设有分别连接第三弧面和第四弧面的侧平面，第三弧面与第一弧面滑动配合，第四弧面与第二弧面滑动配合，侧平面对应开口，第一安装座21和第二安装座51相对转动时，凸起部511的侧平面可以伸出或缩回凹陷部211的开口。如此，可以使第一安装座21和第二安装座51在结构上匹配度较高，利于自适应装置5的小型化，提高紧凑度。

可选地，自适应装置5还包括滑轨33，滑轨33沿轨道横向布置，第一安装座21和第二安装座51中的一者通过滑轨33滑动连接于横梁2或车轮组件3，从而实现车轮组件3相对横梁2沿轨道横向的位置调整；例如当第二安装座51连接于横梁2，第一安装座21连接于车轮组件3时，则既可以使第二安装座51通过滑轨33滑动连接与横梁2，也可以使第一安装座21通过滑轨33滑动连接于车轮组件3。

进一步地，第二安装座51和第一安装座21中的另一者朝向滑轨33的一侧开设有用于容纳滑轨33的防尘槽，后文的滑块52可以设置在防尘槽中，滑轨33至少部分可容纳于防尘槽中，如此防尘槽可以提高滑轨33和滑块52的隐蔽性，以在提高轨检小车外观性能的同时，为滑轨33和滑块52提供遮罩保护，避免灰尘、雨水等其它异物直接落于滑轨33上方对滑轨33造成磨损或腐蚀，从而延长滑轨33的使用寿命。

进一步地，防尘槽的宽度大于滑轨33的宽度，以防止第二安装座51与第一安装座21相对运动时与滑轨33发生干涉，进而保证第二安装座51与第一安装座21相对运动的流畅性。

进一步地，如图9所示，自适应装置5还包括滑块52，滑块52固定于第二安装座51和第一安装座21中的另一者，滑块52与滑轨33滑动连接，从而构成第二安装座51和第一安装座21中的另一者与滑块52的滑动连接；当滑块52或滑轨33出现磨损时，仅需对滑块52和滑轨33进行更换即可，而无需整体更换第一安装座21或第二安装座51，使本实施例具有更好的可维护性。

进一步地，自适应装置5还包括限制滑块52位置的限位块35，限位块35设置于滑轨33沿轨道横向的两个端部中的至少一个，以限制滑块52沿轨道横向向对应方向移动的行程，从而限制第二安装座51和第一安装座21中的另一者相对滑轨33滑动的行程，进而限制车轮组件3相对于横梁2的过度运动。

具体到本实施例，本实施例的第一安装座21设置于横梁2沿轨道横向的端部的底部，且第一安装座21中设置凹陷部211，第二安装座51设置于车轮组件3的顶部，且第二安装座51中设置凸起部511，凹陷部211和凸起部511相互配合，使车轮组件3能够相对横梁2绕轨道高度方向旋转；滑轨33固定于车轮组件3的顶部，第二安装座51对应位置具有滑块52，滑块52和滑轨33滑动连接；防尘槽也设置于第二安装座51朝向滑轨33的一面，滑轨33和滑块52均位于防尘槽中；

本实施例通过自适应装置5为车轮组件3提供了一个相对横梁2的移动自由度和一个相对横梁2的旋转自由度，其中移动自由度沿轨道横向，旋转自由度的轴线沿轨道高度方向，当车轮组件3行驶在表面凹凸不平或具有弯曲变形的轨道1上时，车轮组件3能够根据轨道1的轮廓变化发生对应的移动和旋转，从而始终保持车轮组件3与轨道1的相对位置和角度不变，进而始终保持行走轮与轨道1的贴合，一方面能排除车轮组件3和轨道1的相对位置和角度变化对测量作业或测量结果的干扰，从而获得更加准确的轨道1几何参数，例如若将测量仪器搭载于车轮组件3上，则测量仪器与轨道1的相对位置和角度也不会发生变化，从而能保持在最佳测量角度；另一方面也避免由于车轮组件3与轨道1的距离过大或相对轨道1偏转角度过大而导致车轮组件3脱离轨道1或卡死的情况，使本实施例具有更高的通过性；且本实施例的自适应装置5结构既能够实现车轮组件3相对横梁2绕轨道高度方向的摆动，又能实现两侧车轮组件3之间的距离可调，结构紧凑，能够减少本实施例的轨道1三维几何状态测量系统的体积。

如图4所示，在横梁2的顶面还连接有第二悬臂连接杆；第二悬臂连接杆包含第二连杆和第二设备平台；第二设备平台能用于放置测量所需设备或工具，例如电脑或笔记本；第二连杆与横梁2的连接处包含至少两个转动副，其中至少一个转动副的轴线沿轨道高度方向设置，至少一个转动副的轴线平行于水平方向，从而使第二连杆相对横梁2具有轴线分别沿轨道高度方向，以及平行于水平方向的旋转自由度；在不需要使用第二悬臂连接杆放置测量所需设备或工具时，可将第二连杆旋转至轴线与横梁2平行，从而减少第二连杆占用的空间；在需要使用第二悬臂连接杆放置测量所需设备或工具时，可将第二连杆旋转至相对水平面竖起，从而方便操作人员接触第二设备平台；

第二设备平台和第二连杆之间也可以包含转动副；本实施例在第二设备平台和第二连杆之间包含一个轴线平行于水平方向的转动副，从而使第二设备平台相对横梁2具有轴线沿水平方向的旋转自由度，能够在需要收纳第二设备平台时，旋转第二设备平台至与水平面平行，从而减少第二设备平台占用的空间。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (28)

1.一种轨道点云的位姿矫正方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、获取轨道(1)的三维点云3DPC；将3DPC拟合为平面点云PPC；

S2、计算衡量PPC中各点法线向量的平均统计值的RN向量，根据RN向量建立PPC的特征平面P_⊥和P_||；计算P_⊥相对标准轨道点云模型XOZ平面的旋转矩阵T_⊥；计算P_||相对标准轨道点云模型YOZ平面的旋转矩阵T_||，使用T_⊥和T_||对3DPC进行旋转变换；

计算3DPC的质心的X值，若质心的X值小于预设的阈值，将3DPC绕Y轴旋转180°，得到处理后的三维点云3DPCⅠ；

S3、根据处理后的三维点云3DPCⅠ的X值、Y值、Z值中的至少一个值判断3DPCⅠ是否满足位姿矫正要求，若满足位姿矫正要求，则得到位姿矫正后的三维点云3DPCⅡ。

2.根据权利要求1所述的一种轨道点云的位姿矫正方法，其特征在于，步骤S1中将3DPC拟合为平面点云PPC的步骤中，包含将3DPC分割为t片点云3DPC[i]，0≤i＜t，并将3DPC[i]拟合为t片平面点云PPC[i]；

步骤S2中基于PPC[i]对3DPC进行旋转变换，得到处理后的三维点云3DPCⅠ[i]；

步骤S3中判断3DPCⅠ[i]是否满足位姿矫正要求，若满足位姿矫正要求，则得到位姿矫正后的三维点云3DPCⅡ。

3.根据权利要求2所述的一种轨道点云的位姿矫正方法，其特征在于，步骤S3包含如下步骤：

S31、将每片3DPCⅠ[i]分别与标准轨道点云模型的对应部分进行相似度对比；

S32、根据各3DPCⅠ[i]分别与标准轨道点云模型对应部分的相似度从高到低依次进行位姿矫正要求判断；若出现满足位姿矫正要求的3DPCⅠ[i]，则3DPCⅠ满足位姿矫正要求判断，得到3DPCⅡ。

4.根据权利要求2所述的一种轨道点云的位姿矫正方法，其特征在于，步骤S1中通过对3DPC[i]进行平面模型分割获得PPC[i]。

5.根据权利要求1至4中任何一项所述的一种轨道点云的位姿矫正方法，其特征在于，步骤S3中，3DPCⅠ满足位姿矫正要求的条件为，3DPCⅠ的最大Y值小于或等于预设的阈值；3DPCⅠ[i]满足位姿矫正要求的条件为，至少一个3DPCⅠ[i]的最大Y值小于或等于预设的阈值。

6.根据权利要求1至4中任何一项所述的一种轨道点云的位姿矫正方法，其特征在于，步骤S1中的3DPC为轨头和轨腰的数据。

7.根据权利要求6所述的一种轨道点云的位姿矫正方法，其特征在于，步骤S1中通过自动选区和/或手动选区选择轨头和轨腰的数据。

8.根据权利要求1至4中任何一项所述的一种轨道点云的位姿矫正方法，其特征在于，步骤S1之前对3DPC进行下采样。

9.根据权利要求1至4中任何一项所述的一种轨道点云的位姿矫正方法，其特征在于，步骤S2中计算RN向量时采用如下公式：

式中为RN向量，分别为RN向量在X、Y、Z方向上的分量，N[i]_x、N[i]_y、N[i]_z分别为N[i]向量在X、Y、Z方向上的分量，N[i]为PPC中第i个点的法向向量，0≤i＜n，n为PPC的点数。

10.根据权利要求1至4中任何一项所述的一种轨道点云的位姿矫正方法，其特征在于，步骤S2包含如下步骤：

计算PPC中各点P[i]的法线向量N[i]，0≤i＜n，n为PPC的点数；计算衡量N[i]平均统计值的RN向量；计算P[i]分别至RN向量的位置关系d[i]，设d[i]中的最大值为d[s]，与d[s]对应的点为P[s]；使用RN向量和P[s]建立平面P_⊥和平面P_||，其中P_⊥垂直于RN向量、P_||平行于RN向量；

计算P_⊥与标准轨道点云模型坐标系平面XOZ之间的角度θ和对应的旋转轴向量V_⊥，计算围绕V_⊥旋转θ的旋转矩阵T_⊥；计算P_||与标准轨道点云模型坐标系平面YOZ之间的角度和对应的旋转轴向量V_||，计算围绕V_||旋转的旋转矩阵T_||；使用T_⊥和T_||对3DPC进行旋转变换；

计算3DPC的质心的X值，若质心的X值小于预设的阈值，将3DPC绕Y轴旋转180°，得到处理后的三维点云3DPCⅠ。

11.根据权利要求10所述的一种轨道点云的位姿矫正方法，其特征在于，步骤S2中计算d[i]和选取d[s]时采用如下公式：

d[s]＝max(d[i])(0≤i＜n)

式中x[i]、y[i]、z[i]分别为点P[i]在X、Y、Z方向的坐标值，分别为RN向量在X、Y、Z方向上的分量。

12.根据权利要求10所述的一种轨道点云的位姿矫正方法，其特征在于，步骤S2中建立平面P_⊥和平面P_||时采用如下公式：

P_⊥：

P_||：

式中分别为RN向量在X、Y、Z方向上的分量，x[s]、y[s]、z[s]分别为点P[s]在X、Y、Z方向的坐标值；X、Y、Z为三维空间中的三个轴。

13.根据权利要求10所述的一种轨道点云的位姿矫正方法，其特征在于，步骤S2中计算V_⊥和V_||时采用如下公式：

式中，V_⊥x、V_⊥y、V_⊥z分别为V_⊥在X、Y、Z方向上的分量；V_||x、V_||y、V_||z分别为V_||在X、Y、Z方向上的分量；分别为RN向量在X、Y、Z方向上的分量；x[s]、y[s]、z[s]分别为点P[s]在X、Y、Z方向的坐标值。

14.根据权利要求10所述的一种轨道点云的位姿矫正方法，其特征在于，步骤S2中计算θ与时采用如下公式：

式中θ为平面P_⊥与平面XOZ之间的夹角，分别为RN向量在X、Y、Z方向上的分量；x[s]、y[s]、z[s]分别为点P[s]在X、Y、Z方向的坐标值。

15.一种轨道点云的位姿矫正方法的应用，其特征在于，包含以下步骤：

A、通过如权利要求1至14中任何一项所述的一种轨道点云的位姿矫正方法获得3DPCⅡ；

B、根据3DPCⅡ识别轨道(1)的类型，选取对应的标准轨道点云模型对3DPCⅡ进行偏差分析，得到3DPCⅡ的偏差分析结果。

16.根据权利要求15所述的一种轨道点云的位姿矫正方法的应用，其特征在于，步骤B包含如下步骤：

B1、将3DPCⅡ与对应的标准轨道点云模型进行粗配准；

B2、将3DPCⅡ与对应的标准轨道点云模型进行精配准；

B3、计算3DPCⅡ与对应的标准轨道点云模型之间的偏差。

17.根据权利要求16所述的一种轨道点云的位姿矫正方法的应用，其特征在于，步骤B1之前分割3DPCⅡ中的轨头和轨腰；步骤B1中将3DPCⅡ的轨头的质心与标准轨道点云模型的轨头的质心对齐，或将3DPCⅡ的轨腰的质心与标准轨道点云模型的轨腰的质心对齐。

18.根据权利要求15至17中任何一项所述的一种轨道点云的位姿矫正方法的应用，其特征在于，步骤B中沿Z轴从3DPCⅡ中截取出m个断面3DPCS[i]，0≤i＜m，从标准轨道点云模型上截取出与3DPCS[i]对应的多个标准截面；逐一对比3DPCS[i]与标准截面的相似度，识别出控制断面；根据控制断面选择对应的标准轨道点云模型。

19.根据权利要求15至17中任何一项所述的一种轨道点云的位姿矫正方法的应用，其特征在于，还包含建立轨道数据库；所述轨道数据库中至少存储有3DPCⅡ的偏差分析结果。

20.根据权利要求19所述的一种轨道点云的位姿矫正方法的应用，其特征在于，所述3DPCⅡ的偏差分析结果包含沿轨道纵向遍历控制断面得到的轨道几何参数曲线。

21.根据权利要求19所述的一种轨道点云的位姿矫正方法的应用，其特征在于，根据轨道数据库中的3DPCⅡ的偏差分析结果建立轨道几何参数趋势图，根据轨道几何参数趋势图制定维护维修计划。

22.根据权利要求21所述的的一种轨道点云的位姿矫正方法的应用，其特征在于，建立轨道几何参数趋势图时包含以下步骤：

根据轨道数据库中的历史数据建立轨道几何参数折线图；使用预测模型进行轨道几何参数预测；建立轨道几何参数趋势图。

23.一种轨道三维几何状态测量设备，其特征在于，包括处理器和存储器；所述存储器和所述处理器通讯连接；所述存储器存储有能够被所述处理器执行的指令，所述处理器通过所述指令能够执行权利要求1至14中任何一项所述的一种轨道点云的位姿矫正方法。

24.一种轨道三维几何状态测量系统，其特征在于，包含如权利要求23所述的一种轨道三维几何状态测量设备、面结构光发射器和视觉传感器；所述面结构光发射器用于向轨道上投影面结构光；所述视觉传感器用于获取带有光栅条纹的轨道图像；所述视觉传感器与处理器通讯连接。

25.根据权利要求24所述的一种轨道三维几何状态测量系统，其特征在于，还包含横梁(2)和车轮组件(3)；所述车轮组件(3)设置于所述横梁(2)沿轨道横向的两侧；至少一个所述车轮组件(3)通过自适应装置(5)与所述横梁(2)连接从而能够相对所述横梁(2)绕竖直方向的轴线摆动；所述车轮组件(3)的间距对应轨道(1)的轨距；所述车轮组件(3)能沿所述轨道(1)移动；所述面结构光发射器和所述视觉传感器连接于所述横梁(2)。

26.根据权利要求25所述的一种轨道三维几何状态测量系统，其特征在于，所述自适应装置(5)包含第一安装座(21)和第二安装座(51)，所述第一安装座(21)能够相对所述第二安装座(51)沿竖直方向的轴线转动；所述第一安装座(21)和所述第二安装座(51)中的一者连接于所述横梁(2)，所述第一安装座(21)和所述第二安装座(51)中的另一者连接于所述车轮组件(3)。

27.根据权利要求26所述的一种轨道三维几何状态测量系统，其特征在于，所述自适应装置(5)的另一端与所述车轮组件(3)或所述横梁(2)滑动连接，所述滑动连接包含轴线沿轨道横向设置的滑轨(33)。

28.根据权利要求24至27中任何一项所述的一种轨道三维几何状态测量系统，其特征在于，所述面结构光发射器和所述视觉传感器通过悬臂连接杆(6)连接于所述横梁(2)；所述悬臂连接杆(6)用于调整所述面结构光发射器和所述视觉传感器相对所述轨道(1)的位置与角度。