随着我国铁路网规模的快速发展,基于机器视觉的钢轨磨耗无损动态检测技术,已取代传统的接触式静态检测方法,成为提高铁路线路维护效率的重要手段。然而动态检测过程中,恶劣复杂的室外线路环境、车体的多自由度随机振动和传统检测方法的先天不足,都对钢轨磨耗的准确获取带来了严峻的挑战。如何在一系列干扰下实现钢轨磨耗的快速精确检测,一直以来都受到了国内外高等院校和铁路科研单位的广泛关注。本文通过使用2D和1D激光位移传感器搭建相关测量平台,围绕影响钢轨磨耗动态检测精度的数个实际问题展开全面而深入的研究,主要的研究成果列举如下:(1)通过使用测量平台在室内外测试线路上进行大量的实测实验并汇总分析相应的测试结果,本文发现了钢轨磨耗常规计算流程在实际动态检测中面临的一系列问题,明确了这些问题对磨耗精确测量的影响,为后续各章对这些问题一一展开研究奠定了坚实的基础。(2)针对现场测试中钢轨断面轮廓一方面受钢轨表面油脂层、光亮区域和路基、扣件等无关区域反射引起的曲线离群点较多,另一方面受线路形态多样性可能引起的廓形无效问题,本文提出一种基于轮廓粗配准的离群点及有效廓形快速检测算法。该算法先对轮廓曲线进行分裂,消除了曲线中大部分的稀疏离群点;再对剩余轮廓段进行合并,将属于同一区域的拼接为一段,然后进行区域凹凸性检验,根据连续凹凸和点数最大原则确定潜在轨头轨腰区,实现潜在区域与标准轮廓的粗配准;最后根据配准后两个轮廓间的轨腰相似度实现了有效廓形的识别,在此基础上将原始测量轮廓与标准轮廓重配准,根据轮廓间相对距离实现了离群点的有效去除。(3)针对动态检测中车体振动可能引起2D传感器激光平面不再垂直于轨道纵向时造成的断面测量轮廓仿射失真问题,本文提出了两种不同的轮廓失真校准方法。第一种方法根据失真轮廓与正常轮廓的差异主要集中于轨颚点、轨头直线和轨腰区三层基元的特点,提出一种新的曲线相似度计算方法——点集映射,来定量评估这个差异,再将这个差异代入改进版粒子群算法迭代优化,最终实现了失真轮廓的精确校准。本质上讲,该方法是一种基于区域匹配的方法。相比之下,第二种方法是一种基于寻找匹配特征点的方法。该方法通过结合轨颚和轨底两个特征点在轮廓轨腰曲线上构造凸壳,利用仿射不变性构建仿射不变特征向量,实现了特征点对的快速提取与仿射参数的求解。同时,该方法考虑到钢轨的生产误差,提出使用测量正常轮廓作为曲线校准时的参考轮廓,使得失真校准的准确性进一步提高。(4)传统的弦测模型(如两点弦、三点等弦、三点偏弦等)在实际应用中面临两个严峻的挑战:一是没有一种单弦模型能独立覆盖轨道维护所需的30mm~60m广域波长范围,二是传统的频率采样法不能用于偏弦或多点弦模型中FIR逆滤波器的设计。为了解决这两个问题,本文提出一种实用的组合弦模型设计方案。对于第一个问题,由于该模型搭建在现有的三点偏弦平台上,通过3个1D传感器的灵活组合,该模型将两点弦的长波测量优势与三点偏弦的短波测量优势巧妙地融为一体,成功实现了在一个平台上的轨道波磨广域测量,极大地提高了波磨检测的效率。对于第二个问题,本文使用基于最小二乘的滤波器设计方案。和传统的频率采样法相比,基于最小二乘的滤波器设计过程更为自由、简单。更加重要的是,即使在同样的输出滤波器阶数下,后者的滤波器性能也优于前者。(5)波磨动态测量过程中,由于线路上弯道和车体自身蛇形运动的影响,位移传感器测量点不能始终较好地保持在轨顶中部横向有效范围内,由此引起了波磨测量结果的失真。针对此问题,本文在原始波磨动态检测主系统的基础上,加入一种弦测点位置监视与修正辅助系统。该系统由基于机器视觉的位置监视子系统和基于步进电机的位置修正子系统两部分组成。前者按照给定的采样间隔监视每一个测量点的位置,计算其相对于轨顶中线的横向偏差。一旦偏差超过预设的范围,后者通过步进电机和丝杆滑台等按照给定的策略做出相应的动作,将测量点拉回到有效范围内。室内静态测试和模拟线路上的动态测试结果表明,该系统可以有效地监视和修正弦测点可能出现的横向位置偏差,使得修正后的测量结果更加逼近轨道波磨的真实形态。