车载激光雷达数据校准方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及轨道交通安全技术领域，尤其是涉及一种车载激光雷达数据校准方法、装置及系统。

背景技术

铁路限界(Railway Clearances)包括车辆限界和建筑限界两部分，是铁路管理部门针对列车车体、沿线建筑物和设备制定的标准横断面轮廓线。本发明所涉及的铁路限界特指建筑限界，依据国标《GB 146.2标准轨距铁路建筑限界》的相关规定。铁路建筑限界用于保障列车在行驶时有足够的行驶空间和行驶安全，它是一条以钢轨顶面为基准，在水平直线上垂直于铁路中心线，用于限制建筑物和设备在任何情况下均不得侵入的横断面轮廓尺寸控制线。

随着我国新建铁路线路和改造既有铁路线路的里程的不断增多，铁路场站、站台、雨棚、隧道、桥梁的修建与改造都有可能出现不符合“标准轨距铁路限界规范”的情况，铁路沿线设备也有可能侵入到限界范围内，容易导致列车运行时发生撞击/刮蹭事故，影响铁路的整体运营秩序，造成巨大的经济和人员损失。因此，需要利用铁路限界检测系统定期地检测线路限界状态，高效、准确地检测出异物侵限的位置和尺寸，指导铁路养护单位制定线路维护计划，保障铁路运输安全。

近年来，激光雷达技术的发展为铁路限界状态检测提供了高效率、高精度的数据获取手段，通过在检测列车头部安装激光雷达，能够在行车环境下连续地扫描沿线建筑物和设备的断面轮廓，从而实时检测线路限界状态。然而，检测列车是具有弹簧悬挂装置的多自由度振动系统，铁路轨道也存在各种波长的随机不平顺激扰，列车高速运行时，车体会出现蛇形运动和随机振动，安装的激光雷达也会随之发生偏移和转动，导致扫描的建筑物断面轮廓存在较大的误差，造成最终的限界检测结果不准确。因此，利用激光雷达采集限界数据时，需要实时测量列车车体相对于轨道的3个自由度的运动参量，包括横向位移、垂向位移和横滚角度，然后，通过坐标系映射的方式计算出激光雷达的运动参量，并对扫描的断面轮廓进行动态校准，消除激光雷达运动带来的干扰误差，从而提高铁路限界检测系统的测量精度和准确性。

目前，测量列车车体运动参量的方法可分为接触式和非接触式两种。现有测量列车车体运动参量的方法仍存在以下不足：

(1)接触式测量方法存在传感器设备安装繁琐、测量数据计算复杂度高、效率低、累积误差较大等问题，不能用于行车环境下的动态测量；

(2)非接触式测量方法受限于激光器和相机的自身精度，而且容易受到外界因素的干扰，测量精度难以保证。

发明内容

本发明提供了一种车载激光雷达数据校准方法、装置及系统，可以缓解铁路限界检测系统的车载激光雷达扫描数据受车体运动影响导致的数据精度不足问题，并实现对车载激光雷达数据动态校准。

第一方面，本发明实施例提供了一种车载激光雷达数据校准方法，该方法应用于限界数据处理平台，该方法包括：获取列车运行方向信息、轨道信息、激光摄像组件安装位置信息和激光雷达安装位置信息；根据所述列车运行方向信息和所述轨道信息确定轨道基准坐标系，根据所述列车运行方向信息和所述激光摄像组件安装位置信息确定车体坐标系，根据所述列车运行方向信息和所述激光雷达安装位置信息确定激光雷达坐标系；接收位移变化参量数据；所述位移变化参量数据根据所述激光摄像组件采集的轨廓数据确定；利用所述轨道基准坐标系、所述车体坐标系和所述激光雷达坐标系，根据所述位移变化参量数据修正所述车载激光雷达数据，得到校准结果

第二方面，本发明实施例还提供一种车载激光雷达数据校准方法，该方法应用于车体运动测量平台，该方法包括：控制激光摄像组件向轨道表面投射激光条纹；控制激光摄像组件对所述激光条纹进行摄像，得到图像信息；根据所述图像信息确定位移变化参量数据；将所述位移变化参量数据发送至限界数据处理平台，以使所述限界数据处理平台利用轨道基准坐标系、车体坐标系和激光雷达坐标系，根据所述位移变化参量数据修正所述车载激光雷达数据，得到校准结果。

第三方面，本发明实施例提供了一种车载激光雷达数据校准装置，该装置应用于限界数据处理平台，该装置包括：获取模块，用于获取列车运行方向信息、轨道信息、激光摄像组件安装位置信息和激光雷达安装位置信息；坐标系模块，用于根据所述列车运行方向信息和所述轨道信息确定轨道基准坐标系，根据所述列车运行方向信息和所述激光摄像组件安装位置信息确定车体坐标系，根据所述列车运行方向信息和所述激光雷达安装位置信息确定激光雷达坐标系；接收模块，用于接收位移变化参量数据；所述位移变化参量数据根据所述激光摄像组件采集的轨廓数据确定；校准模块，用于利用所述轨道基准坐标系、所述车体坐标系和所述激光雷达坐标系，根据所述位移变化参量数据修正所述车载激光雷达数据，得到校准结果。

第四方面，本发明实施例还提供一种车载激光雷达数据校准装置，该装置应用于车体运动测量平台，该装置包括：激光模块，用于控制激光摄像组件向轨道表面投射激光条纹；图像模块，用于控制激光摄像组件对所述激光条纹进行摄像，得到图像信息；数据模块，用于根据所述图像信息确定位移变化参量数据；发送模块，用于将所述位移变化参量数据发送至限界数据处理平台，以使所述限界数据处理平台利用轨道基准坐标系、车体坐标系和激光雷达坐标系，根据所述位移变化参量数据修正所述车载激光雷达数据，得到校准结果。

第五方面，本发明实施例还提供一种车载激光雷达数据校准系统，该系统包括限界数据处理平台和车体运动测量平台；所述限界数据处理平台与车体运动测量平台通信连接；所述限界数据处理平台包括激光雷达和应用于限界数据处理平台的车载激光雷达数据校准装置；所述车体运动测量平台包括激光摄像组件和应用于车体运动测量平台的车载激光雷达数据校准装置。

第六方面，本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述车载激光雷达数据校准方法。

第七方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述车载激光雷达数据校准方法的计算机程序。

本发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例提供了一种车载激光雷达数据校准方案，该方案包括：获取列车运行方向信息、轨道信息、激光摄像组件安装位置信息和激光雷达安装位置信息；根据列车运行方向信息和轨道信息确定轨道基准坐标系，根据列车运行方向信息和激光摄像组件安装位置信息确定车体坐标系，根据列车运行方向信息和激光雷达安装位置信息确定激光雷达坐标系；接收位移变化参量数据；位移变化参量数据根据激光摄像组件采集的轨廓数据确定；利用轨道基准坐标系、车体坐标系和激光雷达坐标系，根据位移变化参量数据修正所载激光雷达数据，得到校准结果。本发明实施例基于列车运行方向信息、轨道信息、激光摄像组件安装位置信息和激光雷达安装位置信息建立轨道基准坐标系、车体坐标系和激光雷达坐标系，利用建立的三种坐标系可实现车体的位移变化参量数据在坐标系间的转换，以便将位移变化参量数据和车载激光雷达数据映射到相同的坐标系下进行计算，提升校准结果的测量精度和准确性，另外，位移变化参量数据根据激光摄像组件实时采集的轨廓数据确定，因此，可以实现对车载激光雷达数据动态校准。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的应用于限界数据处理平台的车载激光雷达数据校准方法流程图；

图2为本发明实施例提供的坐标系定义图；

图3为本发明实施例提供的设备安装位置图；

图4(a)为本发明实施例提供的激光摄像组件安装示意图；

图4(b)为本发明实施例提供的激光摄像组件选取标定点图；

图4(c)为本发明实施例提供的激光摄像组件标定完成图；

图5(a)为本发明实施例提供的激光摄像组件的激光器扫描钢轨示意图；

图5(b)为本发明实施例提供的激光摄像组件的相机拍摄的钢轨轮廓示意图；

图6为本发明实施例提供的车体坐标系标定原理示意图；

图7为本发明实施例提供的激光雷达坐标系标定流程图；

图8为本发明实施例提供的车体运动模型示意图；

图9为本发明实施例提供的车体相对轨道运动测量原理示意图；

图10为本发明实施例提供的模拟测试环境示意图；

图11为本发明实施例提供的实际车体安装环境示意图；

图12(a)为本发明实施例提供的试验2场景断面轮廓校准图之采集轮廓图；

图12(b)为本发明实施例提供的试验2场景断面轮廓校准图之校准轮廓图；

图13(a)为本发明实施例提供的试验3场景断面轮廓校准图之采集轮廓图；

图13(b)为本发明实施例提供的试验3场景断面轮廓校准图之校准轮廓图；

图14(a)为本发明实施例提供的试验3场景复合运动后断面轮廓校准图之采集轮廓图；

图14(b)为本发明实施例提供的试验3场景复合运动后断面轮廓校准图之校准轮廓图；

图15(a)为本发明实施例提供的试验6场景断面轮廓校准图之采集轮廓图；

图15(b)为本发明实施例提供的试验6场景断面轮廓校准图之校准轮廓图；

图16为本发明实施例提供的车载激光雷达数据校准系统架构示意图；

图17为本发明实施例提供的应用于车体运动测量平台的车载激光雷达数据校准方法流程图；

图18为本发明实施例提供的应用于限界数据处理平台的车载激光雷达数据校准装置结构框图；

图19为本发明实施例提供的应用于车体运动测量平台的车载激光雷达数据校准装置结构框图；

图20为本发明实施例提供的计算机设备结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，测量列车车体运动参量的方法可分为接触式和非接触式两种。接触式测量方法主要通过拉线式位移传感器或电容式位移传感器获得车体与轨道的相对位移变化，其中，电容式位移传感器是将电容两极安装在车体和轴箱上，根据电容两极之间的间隙距离与容量的反比关系来测量两者之间相对位移变化。然而，此种方式仅能测量车体与轴箱之间的相对位移变化，实际上，轴箱所在的轮对与轨道之间仍然存在运动位移。此外，通过在转向架上安装位移传感器和加速度传感器，可以测量车体相对于轨道在垂向和横向的位移变化。然而，车体相对于转向架以及转向架相对于轨道的接触式测量存在误差累积，会导致最终的测量误差较大。

非接触式测量方法有基于激光扫描技术和基于机器视觉技术两种方式。基于激光扫描技术的方式通过在车体底部两侧转向架附近位置安装激光器，分别扫描左右两侧钢轨，记录转向架相对于轨道的距离以及角度，据此计算车体横向位移、垂向位移和横滚角度。然而，激光器精度有限，铁路沿线环境复杂，激光器易受光照干扰，测量误差较大。基于机器视觉技术的方式是采用面阵或线阵的CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)相机，拍摄强光源照射下的钢轨轮廓，根据钢轨轮廓特征点位置的变化换算车体相对于轨道的横向位移、垂向位移和横滚角度。然而，列车高速运动时，相机拍摄的图像清晰度不足，提取钢轨轮廓特征点时存在误差累积，导致最终的测量误差大。

为了解决铁路限界检测系统的车载激光雷达数据受车体运动影响导致的数据精度不足问题，本发明实施例提供的一种车载激光雷达数据校准方法、装置及系统，通过融合激光扫描技术和机器视觉技术，能够实时、准确地测量车体相对于轨道的横向位移、垂向位移和横滚角度，以解决现有方法测量精度不准确的问题；另外，通过构建车体坐标系和激光雷达坐标系的空间映射矩阵，将车体运动参量映射为激光雷达的运动参量，再进行断面轮廓数据的校准，以解决两种设备坐标系不统一的问题。本发明提升了在行车环境下动态测量车体运动参量的精度，同时，提出了系统中心坐标映射方法，将多源传感器设备采集的数据映射到轨道基准坐标系下，实现了动态校准断面轮廓数据的目的，从而提升了铁路限界检测系统测量精度和准确性。对行车环境下的车体运动参量动态测量进行了有益探索，为提升基于车载激光雷达的铁路限界检测系统的测量精度和准确性提供了有效的技术手段和解决方案。

本发明进行了相关验证测试，试验结果表明，所提方法能够在行车环境下实时、准确地测量车体相对于轨道的横向位移、垂向位移和横滚角度3个自由度的运动参量，能够对车载激光雷达扫描的断面轮廓进行动态校准，提高了铁路限界检测系统的测量精度和准确性。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种车载激光雷达数据校准方法进行详细介绍。

本发明实施例提供了一种车载激光雷达数据校准方法，参见图1所示的一种车载激光雷达数据校准方法流程图，该方法应用于限界数据处理平台，该方法包括以下步骤：

步骤S102，获取列车运行方向信息、轨道信息、激光摄像组件安装位置信息和激光雷达安装位置信息。

在本发明实施例中，轨道信息可以包括列车运行所在的轨道的轨顶信息、轨距信息和轨道中心线信息等。激光摄像组件可以包括激光器和相机，用于采集轨道的轨廓数据，可以以发射激光、拍摄照片等手段进行轨廓数据的采集。激光摄像组件安装在列车上，例如，参见图4(a)，两个激光摄像组件可以分别安装在列车的车体下方两侧。激光雷达与激光摄像组件安装的空间位置不同，激光摄像组件安装在车体下方，而激光雷达安装在车头中部，参见图3所示。

步骤S104，根据列车运行方向信息和轨道信息确定轨道基准坐标系，根据列车运行方向信息和激光摄像组件安装位置信息确定车体坐标系，根据列车运行方向信息和激光雷达安装位置信息确定激光雷达坐标系。

考虑到铁路限界检测系统采用的激光雷达与测量车体运动的激光摄像组件的安装位置不同，所采集的数据不在同一坐标系，测量得到的车体运动参量不能直接用于断面轮廓数据的校准，因此，在本发明实施例中，利用列车运行方向信息、轨道信息、激光摄像组件安装位置信息和激光雷达安装位置信息，建立三个坐标系，分别用于描述轨道、列车和激光摄像组件的位置信息。

步骤S106，接收位移变化参量数据。

在本发明实施例中，位移变化参量数据根据激光摄像组件采集的轨廓数据确定。需要说明的是，激光摄像组件可以在列车运行状态下实时采集轨廓数据。本发明实施例的位移变化参量数据基于实时采集的轨廓数据得到，可以用于动态实时校准车载激光雷达数据。

需要说明的是，位移变化参量数据用于描述车体相对于轨道的位移和运动姿态。

步骤S108，利用轨道基准坐标系、车体坐标系和激光雷达坐标系，根据位移变化参量数据修正车载激光雷达数据，得到校准结果。

在本发明实施例中，构建了三个坐标系之后，利用三种坐标系可实现车体的位移变化参量数据在坐标系间的转换，以便将位移变化参量数据和车载激光雷达数据映射到相同的坐标系下进行计算，实现车载激光雷达扫描的断面轮廓数据与车体运动参量的同步融合，得到校准结果。

本发明实施例提供了一种车载激光雷达数据校准方案，该方案包括：获取列车运行方向信息、轨道信息、激光摄像组件安装位置信息和激光雷达安装位置信息；根据列车运行方向信息和轨道信息确定轨道基准坐标系，根据列车运行方向信息和激光摄像组件安装位置信息确定车体坐标系，根据列车运行方向信息和激光雷达安装位置信息确定激光雷达坐标系；接收位移变化参量数据；位移变化参量数据根据激光摄像组件采集的轨廓数据确定；利用轨道基准坐标系、车体坐标系和激光雷达坐标系，根据位移变化参量数据修正所载激光雷达数据，得到校准结果。本发明实施例基于列车运行方向信息、轨道信息、激光摄像组件安装位置信息和激光雷达安装位置信息建立轨道基准坐标系、车体坐标系和激光雷达坐标系，利用建立的三种坐标系可实现车体的位移变化参量数据在坐标系间的转换，以便将位移变化参量数据和车载激光雷达数据映射到相同的坐标系下进行计算，提升校准结果的测量精度和准确性，另外，位移变化参量数据根据激光摄像组件实时采集的轨廓数据确定，因此，可以实现对车载激光雷达数据动态校准。

在一个实施例中，根据列车运行方向信息和轨道信息确定轨道基准坐标系，可以按照如下步骤执行：

根据轨道信息确定轨道基准坐标系的第一方向、轨道基准坐标系的第二方向和轨道基准坐标系的原点；根据列车运行方向信息确定轨道基准坐标系的第三方向。

在本发明实施例中，参见图2，轨道基准坐标系是垂直于轨道中心线的三维平面直角坐标系。其中横坐标轴(Y轴)与两轨轨顶连线重合，纵坐标轴(Z轴)垂直于两轨轨顶平面，列车运行方向为X轴，坐标原点为两轨轨顶连线与轨道中心线的交点。

在一个实施例中，根据列车运行方向信息和激光摄像组件安装位置信息确定车体坐标系，可以按照如下步骤执行：

根据激光摄像组件安装位置信息确定车体坐标系的第一方向、车体坐标系的第二方向和车体坐标系的原点；根据列车运行方向信息确定车体坐标系的第三方向。

在本发明实施例中，参见图2，车体坐标系的横坐标轴(Y轴)与钢梁重合，纵坐标轴(Z轴)垂直于钢梁向上，列车运行方向为X轴，坐标原点在激光摄像组件钢梁的中心位置。

在一个实施例中，根据列车运行方向信息和激光雷达安装位置信息确定激光雷达坐标系，可以按照如下步骤执行：

根据激光雷达安装位置信息确定雷达坐标系的第一方向、雷达坐标系的第二方向和雷达坐标系的原点；根据列车运行方向信息确定激光雷达坐标系的第三方向。

在本发明实施例中，参见图2，激光雷达坐标系的横坐标轴(Y轴)与垂直于激光雷达的侧面，纵坐标轴(Z轴)垂直于激光雷达的顶面，列车运行方向为X轴，坐标原点在激光雷达的中心轴位置。

在一个实施例中，利用轨道基准坐标系、车体坐标系和激光雷达坐标系，根据位移变化参量数据修正车载激光雷达数据，可以按照如下步骤执行：

利用轨道基准坐标系，确定车体坐标系和激光雷达坐标系之间的映射关系；利用映射关系，将位移变化参量数据从车体坐标系映射至激光雷达坐标系；利用映射后的位移变化参量数据对激光雷达采集的断面轮廓数据进行修正。

在本发明实施例中，完成基准标定后，即可通过跟踪轨廓图像中的轨顶点和轨距点，测量激光摄像组件相对于轨道的位移变化参量，并转换成车体坐标系中心相对于轨面基准坐标系的横向、垂向位移和横滚角度变化量。

然后，基于车体坐标系Φ

最后，计算Φ

在一个实施例中，利用轨道基准坐标系，确定车体坐标系和激光雷达坐标系之间的映射关系，可以按照如下步骤执行：

利用轨道基准坐标系对车体坐标系进行标定，以将激光摄像组件安装位置信息映射至轨道基准坐标系；利用轨道基准坐标系对激光雷达坐标系进行标定，以将激光雷达安装位置信息映射至轨道基准坐标系；确定车体坐标系与激光雷达坐标系之间的映射关系。

在本发明实施例中，参见图3，车体整体为刚体，激光雷达坐标系Φ

需要说明的是，为了保证校准结果的准确性，在利用轨道基准坐标系，确定车体坐标系和激光雷达坐标系之间的映射关系之前，还需要对车体坐标系和激光雷达坐标系进行基准标定，具体可以按照如下步骤执行：

(1)车体坐标系标定：

由于车体加工存在误差，激光摄像组件在不同车体上的实际安装位置不同，需要通过标定来消除安装位置误差，建立激光摄像组件静止状态下与Φ

首先，通过轨距尺精准测量两轨轨距作为激光摄像组件横向坐标的输入控制量，再通过专用的三角尺和标定尺分别测量两侧激光摄像组件和钢梁中心距轨顶点的高度值作为激光摄像组件垂向坐标的输入控制量，测量两侧激光摄像组件距钢轨内侧的距离作为摄像组件横向坐标的输入控制量，最后，统一左右激光摄像组件的坐标系建立Φ

标定原理示意如图6所示，需要测量的量如下：

a.两侧激光摄像组件外侧距离轨面的高度值：z

b.两侧激光摄像组件外侧距离钢轨内侧的距离：y

c.钢轨轨距值Gauge，换算成两轨顶点中心距离G。

激光摄像组件输出量如下：

a.左轨轨顶点高低和水平值：H

b.右轨轨顶点高低和水平值：H

现场实际安装环境下钢梁和钢轨相对位置关系可能不一致，会导致系统误差，需要分别计算水平误差Y

Z

根据现场标定得到系统水平误差和垂直误差，将误差参数作为车体姿态同步解算模型的输入参数(Y

H

L

H

L

H

(2)激光雷达坐标系标定：

激光雷达在安装的过程中不可避免地会引入安装误差，如果不进行滤除必然会对铁路限界检测系统带来很大的测量误差，尤其是安装平台的角度和高度与设计指标有偏移时，断面轮廓坐标会发生移位，需要通过标定来对坐标系统的角度和进行修正，并映射到Φ

标定流程如图7所示，具体步骤如下：

(1)打开数据采集软件的标定模块，开启数据采集在主窗口上显示二维断面图；

(2)在轨面上放置标定尺，标定尺的两端摆放在钢轨上，保证水平放置，调整标定尺的位置使得标定尺的中心线与传感器打出的激光线重合，并且标定尺相对线路中心线左右对称。

(3)中心角标定，在标定模块中首先调整传感器的中心角度，使实测的标定尺所在的线(下称标定线)与X轴(水平)方向重合；

(4)高度标定，调整Y坐标(垂向)使标定线与二维图中的轨面基准线重合；

(5)水平标定，调整X坐标(水平)使标定线相对于二维图中的中心线左右对称；

反复进行(2)～(4)步骤，直到实测的标定线完全映射到轨面基准坐标系上，将标定好的参数保存到配置文件中。

下面对本发明的实验测试与验证进行说明。本发明实施例通过实验室多自由度试验平台进行了试验验证，展示了车载激光雷达数据动态校准的效果。

(1)实验环境：

模拟测试环境如图10所示，设计支撑装置抬高钢轨，同时设计专用的悬挂装置将激光扫描传感器和激光摄像组件集成到同一断面上，悬挂在试验平台上。多自由度试验平台可以完成周期性旋转、平移等多种运动，在对其运动过程进行组合之后，可以模拟复杂运动。通过实验平台设定不同的车体运动场景，测试分析激光摄像组件对断面轮廓数据的校准效果，验证算法的准确性和有效性。

实际车体安装环境如图11所示，激光摄像组件安装在车体下方，激光扫描传感器安装在列车头部，两者在纵向、横向和垂向方向上均有不同的距离偏差。考虑到车体的刚性，可以用上述实验平台环境近似模拟车体的运动。

(2)模拟测试平台试验结果与分析：

本发明实施例从激光雷达扫描的断面轮廓图的相对位置变化来评估车载激光雷达数据动态校准的效果，断面轮廓图经过横向位移、垂向位移和横滚角度的校准之后，不管试验平台如何运动，断面轮廓都应该保持基本不动，断面轮廓中的钢轨顶部应在钢轨轨面基准线上，同时相对于线路中心线左右对称，通过不同运动场景下断面轮廓图的相对位置变化来验证车体运动测量方法的校准效果。

表1试验场景

试验场景包含如下几个部分：

(1)激光雷达的安装位置分为中间和右侧位置，验证激光雷达安装在车体不同位置时的校准效果；

(2)模拟运动分为车体运动轨道不动和车体轨道复合运动两种，验证在车体和轨道复合运动下的校准效果；

(3)车体位移运动分为横向和垂向运动，验证在大尺度的车体横向和垂向运动下的校准效果；

(4)车体横滚运动的旋转中心设定在距轨面不同高度的位置，验证了不同车型车体旋转中心不同的情况下的校准效果。

设定典型的试验场景如表1所示，选取试验2、3、6来展示校准效果如下：

试验2的车体运动为复合运动，激光雷达安装在中间位置，采集的断面轮廓如图12(a)所示，可以看出断面轮廓整体向右倾斜，图12(b)为校准后的断面轮廓图，两根钢轨轨顶已恢复到钢轨轨面基准线上且左右对称，试验结果说明校准效果较好。

试验3是车体和轨道的复合运动，激光雷达安装在中间位置，右侧钢轨人为加高15mm，外侧移动15mm，采集的断面轮廓如图13(a)所示，明显能够看到右侧钢轨轨顶高于轨面基准线，图13(b)为校准后的断面轮廓图，两根钢轨轨顶已恢复到钢轨轨面基准线上且左右对称。复合运动后，采集的断面轮廓如图14(a)所示，可以看出轮廓整体向左倾斜，图14(b)为校准后的断面轮廓图，两根钢轨轨顶已恢复到钢轨轨面基准线上且左右对称，试验结果说明校准效果非常明显。

试验6：车体运动为复合运动，激光雷达安装在右侧位置，采集的断面轮廓如图15(a)所示，可以看出图像整体向右倾斜，图15(b)为校准后的断面轮廓图，两根钢轨轨顶已恢复到钢轨基准线上且左右对称，试验结果说明校准效果较好。

本发明提供了一种车载激光雷达数据校准方法、装置及系统，该方法采用激光器和面阵式CCD相机构成激光摄像组件实时采集两轨轨廓图像，并计算轨顶点和轨距点，设计标定算法实现轨道基准坐标系与车体坐标系相对位置的准确标定，建立车体和轨道动态相对运动测量模型，从而计算车体相对于轨道的横向位移、垂向位移和横滚角度的变化量。在此基础上，本发明进一步提出了系统中心坐标映射方法，通过构建车体坐标系和激光雷达坐标系的空间映射矩阵，将车体运动参量映射为激光雷达的运动参量，从而对扫描的断面轮廓进行动态校准，提升铁路限界检测系统的测量精度和准确性。

本发明实施例还提供了一种车载激光雷达数据校准方法，该方法应用于车体运动测量平台，参见图17所示的应用于车体运动测量平台的车载激光雷达数据校准方法流程图，该方法包括：

S202，控制激光摄像组件向轨道表面投射激光条纹。

S204，控制激光摄像组件对激光条纹进行摄像，得到图像信息。

S206，根据图像信息确定位移变化参量数据。

在本发明实施例中，位移变化参量数据可以包括车辆运动过程中相对于初始状态的横向、垂向和横滚角的变化量。

车体相对于轨道的运动参量变化的影响因素主要有两类，一类是轮对、弹性悬挂系统等车体本身组件引起的振动和位移变化，另一类是由于轨道的轨距、高低、水平等的变化激励产生的运动。激光摄像组件安装在车体上所采集的数据均反应车体相对于轨道的相对变化量，为上述两种影响因素导致的运动。测量基准通过标定模型获取激光摄像组件空间位置的初始状态，在车辆快速运动过程中通过激光摄像组件实时采集计算可以获取相对于初始状态的横向、垂向和横滚角的变化量。

在一个实施例中，铁路限界检测系统的激光雷达和激光摄像组件安装于车体上，车体振动时，车体钢结构的形变可以忽略不计，因此可以将激光雷达和激光摄像组件作为一个刚体考虑，它们之间的相对位置保持不变。车体运动模型如图8所示，在列车静止状态下，激光雷达的原点为P，车体坐标系Φ

为了方便理解，将车体相对于轨道的运动转化为轨道相对于车体的运动，如图9所示。设Φ

式中，G为两轨轨顶点之间的距离。坐标系映射矩阵

ΔO

S208，将位移变化参量数据发送至限界数据处理平台，以使限界数据处理平台利用轨道基准坐标系、车体坐标系和激光雷达坐标系，根据位移变化参量数据修正车载激光雷达数据，得到校准结果。

在本发明实施例中，限界数据处理平台可以按照如下系统中心坐标映射方法，根据位移变化参量数据修正车载激光雷达数据，得到校准结果：

由于安装位置误差，激光雷达的原点和激光摄像组件的原点不在同一垂线，在计算

当激光雷达安装在车体偏右侧时：

式中，α＝arctan(z/y)，

获得

式中，R为断面轮廓空间点的矢径(距离)，θ

在一个实施例中，根据图像信息确定位移变化参量数据，可以按照如下步骤执行：

利用图像处理算法提取图像信息中的激光条纹数据；根据激光条纹数据提取轨顶点的坐标数据和轨距点的坐标数据；根据轨顶点的坐标数据和轨距点的坐标数据确定车体相对于轨道的位移变化参量数据。

在本发明实施例中，激光摄像组件的安装方式如图4(a)所示，包含线阵式可见光红外激光器和面阵式高速CCD相机。激光摄像组件参数标定用于建立图像与空间实际尺寸的映射关系。相机的工作范围为300～500mm范围内,在相机内参标定时，需要将标定板摆放在距离相机300～500mm范围内，在8个不同位置抓拍8张图像。然后，手动选取标记点，如图4(b)所示。坐标选择完毕后，标定软件会将选择的一列标记点的坐标自动标出，观察标记十字是否在标志点中心，如识别不准，可手动进行调整。标定完的图像如图4(c)所示。

线阵式可见光红外激光器用于向钢轨表面投射激光条纹，如图5(a)所示，面阵式相机对激光条纹进行摄像并保存为图片。然后，利用图像处理算法提取图像中的激光条纹。

需要说明的是，图像处理算法可以根据实际需求进行设置，本发明实施例对此不作具体限定。

在一个实施例中，根据激光条纹数据提取轨顶点的坐标数据和轨距点的坐标数据，可以按照如下步骤执行：

利用深度学习模型对激光条纹数据进行分割，得到分割结果；利用分区域多模板匹配重心法在分割结果中提取轨顶点的坐标数据和轨距点的坐标数据。

在本发明实施例中，可以采用基于ENet(语义分割算法)的深度学习模型实现激光条纹的多区段快速分割，利用分区域多模板匹配重心法实现轨顶点和轨距点的亚像素坐标提取，如图5(b)所示。最后，基于标定数据，计算轨顶点和轨距点在Φ

本发明实施例中还提供了一种车载激光雷达数据校准装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与车载激光雷达数据校准方法相似，因此该装置的实施可以参见车载激光雷达数据校准方法的实施，重复之处不再赘述。参见图18所示的应用于限界数据处理平台的车载激光雷达数据校准装置结构框图，该装置包括：

获取模块71，用于获取列车运行方向信息、轨道信息、激光摄像组件安装位置信息和激光雷达安装位置信息；坐标系模块72，用于根据列车运行方向信息和轨道信息确定轨道基准坐标系，根据列车运行方向信息和激光摄像组件安装位置信息确定车体坐标系，根据列车运行方向信息和激光雷达安装位置信息确定激光雷达坐标系；接收模块73，用于接收位移变化参量数据；位移变化参量数据根据激光摄像组件采集的轨廓数据确定；校准模块74，用于利用轨道基准坐标系、车体坐标系和激光雷达坐标系，根据位移变化参量数据修正车载激光雷达数据，得到校准结果。

在一个实施例中，坐标系模块，具体用于：根据轨道信息确定轨道基准坐标系的第一方向、轨道基准坐标系的第二方向和轨道基准坐标系的原点；根据列车运行方向信息确定轨道基准坐标系的第三方向。

在一个实施例中，坐标系模块，具体用于：根据激光摄像组件安装位置信息确定车体坐标系的第一方向、车体坐标系的第二方向和车体坐标系的原点；根据列车运行方向信息确定车体坐标系的第三方向。

在一个实施例中，坐标系模块，具体用于：根据激光雷达安装位置信息确定雷达坐标系的第一方向、雷达坐标系的第二方向和雷达坐标系的原点；根据列车运行方向信息确定激光雷达坐标系的第三方向。

在一个实施例中，校准模块，具体用于：利用轨道基准坐标系，确定车体坐标系和激光雷达坐标系之间的映射关系；利用映射关系，将位移变化参量数据从车体坐标系映射至激光雷达坐标系；利用映射后的位移变化参量数据对激光雷达采集的断面轮廓数据进行修正。

在一个实施例中，校准模块，具体用于：利用轨道基准坐标系对车体坐标系进行标定，以将激光摄像组件安装位置信息映射至轨道基准坐标系；利用轨道基准坐标系对激光雷达坐标系进行标定，以将激光雷达安装位置信息映射至轨道基准坐标系；确定车体坐标系与激光雷达坐标系之间的映射关系。

本发明实施例中还提供了一种车载激光雷达数据校准装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与车载激光雷达数据校准方法相似，因此该装置的实施可以参见车载激光雷达数据校准方法的实施，重复之处不再赘述。参见图19所示的应用于车体运动测量平台的车载激光雷达数据校准装置结构框图，该装置包括：

激光模块75，用于控制激光摄像组件向轨道表面投射激光条纹；图像模块76，用于控制激光摄像组件对激光条纹进行摄像，得到图像信息；数据模块77，用于根据图像信息确定位移变化参量数据；发送模块78，用于将位移变化参量数据发送至限界数据处理平台，以使限界数据处理平台利用轨道基准坐标系、车体坐标系和激光雷达坐标系，根据位移变化参量数据修正车载激光雷达数据，得到校准结果。

在一个实施例中，数据模块，具体用于：利用图像处理算法提取图像信息中的激光条纹数据；根据激光条纹数据提取轨顶点的坐标数据和轨距点的坐标数据；根据轨顶点的坐标数据和轨距点的坐标数据确定车体相对于轨道的位移变化参量数据。

在一个实施例中，数据模块，具体用于：利用深度学习模型对激光条纹数据进行分割，得到分割结果；利用分区域多模板匹配重心法在分割结果中提取轨顶点的坐标数据和轨距点的坐标数据。

本发明实施例还提供一种车载激光雷达数据校准系统，该系统包括限界数据处理平台和车体运动测量平台，限界数据处理平台与车体运动测量平台通信连接；限界数据处理平台包括激光雷达和上述的车载激光雷达数据校准装置；车体运动测量平台包括激光摄像组件和上述的车载激光雷达数据校准装置。

在本发明实施例中，参见图16所示的车载激光雷达数据校准系统架构示意图，体运动测量平台由2套激光摄像组件、轨廓数据处理系统组成，用于实时采集两轨轨廓图像，计算车体相对于轨道的位移和运动姿态，并实时发送给限界数据处理平台。限界数据处理平台包含1台高精度激光雷达、数据采集与分析服务器、里程定位同步单元和软件系统组成，能够控制多频多源传感器的数据采集、里程同步与速度计算、限界数据分析与展示等，实现车载激光雷达扫描的断面轮廓数据与车体运动参量的同步融合。

本发明实施例还提供一种计算机设备，参见图20所示的计算机设备结构示意框图，该计算机设备包括存储器81、处理器82及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一种车载激光雷达数据校准方法的步骤。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的计算机设备的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有执行上述任一种车载激光雷达数据校准方法的计算机程序。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。