列车速度和轴重的不断提升将导致轨道磨耗加剧,如不及时检测并维护将引发列车脱轨等事故,严重影响铁路运输安全。随着我国高速铁路里程的迅速增长,对钢轨状态采用人工巡检和手工测量的方式因工作量大、效率和精度低等缺点,很难满足铁路现场维护的需求。如何精确快速检测轨道磨耗,掌握其损伤规律和磨耗变化,对轨道进行及时维护以延长使用寿命,避免安全事故发生,已成为铁路工务部门急需解决的难题。在此背景下,结构光测量技术因其非接触、精度高和测量数据丰富的优势被运用于轨道磨耗测量以替代传统手工方式。通常轨道磨耗发生在钢轨、辙岔、尖轨等不同部位,分为垂磨、侧磨、波浪磨耗等不同类型。钢轨铺设量大、分布广且结构简单,可通过获取钢轨轮廓来测量磨耗;而辙岔、尖轨等复杂结构部件和波浪磨耗通过二维断面轮廓难以定位,无法准确测量磨耗,需获取其三维形貌。本文根据结构光视觉测量特性,将线结构光视觉测量技术运用于钢轨全轮廓磨耗的动态测量,将面结构光视觉测量技术运用于辙岔、尖轨等复杂结构和波浪形磨耗测量。线结构光钢轨全轮廓磨耗双目视觉动态测量的精度容易受环境光照、现场标定、测量过程中振动及与标准模型误差分析的影响;而利用面结构光立体视觉对轨道三维形貌磨耗测量的难点在于测量点云数据预处理和与标准三维模型的对比分析。为利用结构光视觉测量技术精确测量轨道磨耗,本文主要研究内容如下:(1)为了实现线结构光双目视觉测量系统在铁路现场的标定,提出了一种基于自由平面靶标的高精度标定方法,是准确获取钢轨全轮廓的基础。铁路现场不便于调节设备,因此基于自由平面靶标实现系统标定。通过获取光平面与多个不同位置棋盘格平面靶标相交产生的特征点,拟合出光平面在钢轨两侧摄像机坐标系中的空间位置,然后将两侧摄像机测量的钢轨单侧轮廓统一到同一坐标系,从而获得钢轨断面全轮廓。因摄像机自身光敏特性以及外界因素影响,导致钢轨左右两侧轮廓会发生微小的偏差。根据两侧钢轨轨头踏面轮廓相同特征,实现钢轨断面全轮廓数据融合。(2)研究了线结构光视觉测量系统中钢轨光条轮廓亚像素中心精确快速提取方法,通过系统标定参数将其转化为钢轨全轮廓数据。铁路现场环境光以及轨头光亮带会影响钢轨光条轮廓图像质量,因此采用相机自动曝光法保证钢轨图像质量,同时使光条轮廓占据图像中一定量的像素点,在此基础上提取光条亚像素中心。为保证钢轨光条轮廓中心亚像素提取的精度和效率,提出图像动态阈值分割和Hessian矩阵相结合的提取方法,提高测量对环境的适应性,提升图像处理速度。(3)研究了线结构光视觉测量系统动态测量过程中,轨道检测车振动可能引起的钢轨磨耗测量误差,从硬件设计和测量算法上消除该影响。轨道检测车振动导致光平面偏转,测量的钢轨全轮廓会相对垂直断面发生横向和纵向拉伸,若与标准二维钢轨轮廓对比得到的磨耗值将产生误差。在硬件上通过弹簧压紧装置动态调整,使检测小车测量单元始终贴靠于钢轨侧面;测量算法上将测量的钢轨二维全轮廓数据引入三维空间,与标准钢轨三维模型进行对比。采用测量钢轨两侧轨腰小圆弧圆心作为初始配准基准,利用轨腰轮廓作为精确配准基准,实现测量钢轨全轮廓与标准钢轨三维模型精确对齐。最终将测量钢轨全轮廓投影到垂直于钢轨纵向的平面测量磨耗,能够有效消除测量过程中振动引起的光平面偏转问题。(4)研究了面结构光视觉测量系统获取的轨道原始测量点云预处理,检测数据与标准模型精确配准分析。轨道原始点云数据往往伴随大量噪声点并且数据量大,因此采用欧式聚类分割消除噪声点,然后采用基于曲率的点云自适应采样,在精简点云的同时保留点云细节特征,完成数据预处理。轨道三维磨耗测量是将测量三维形貌与标准三维模型进行对比分析,采用主成分分析法和最近点迭代法相结合的精确配准算法,与常用配准算法相比提高了精度和效率。(5)深入研究了线结构光双目立体视觉测量,实现钢轨全轮廓磨耗动态测量。在理论研究的基础上,设计并制造了线结构光双目立体视觉测量系统,在待检钢轨上推行轨道检测车获取钢轨断面全轮廓磨耗状况。对于道岔等复杂结构及钢轨波浪磨耗,则通过设计并制造面结构光立体视觉测量系统,以静态测量方式获取轨道三维形貌点云,实现轨道三维磨耗测量。通过理论研究和多次现场试验,实现了线结构光双目视觉测量系统对钢轨全轮廓磨耗的快速、动态测量和面结构光立体视觉测量系统对道岔辙岔、尖轨磨耗的三维测量以及工务测量参数提取,验证了结构光视觉测量系统的可行性和实用性,为轨道磨耗测量提供新的技术手段。