基于雙目視覺的接觸線幾何參數檢測系統優化設計

潘雪濤，談少華，渠立山，張美鳳，蔡建文

(常州工學院光電工程學院，江蘇常州 213002)

電力機車接觸導線幾何參數主要是導線高度、拉出值、磨損創面寬度[1]。傳統的人工檢測以及檢測車檢測都存在著極大的局限性，危險大、效率低，不能滿足實時檢測的需要。近年來，上海鐵路科研所、西南交通大學、大連交通大學的科研人員提出采用機器視覺技術，基于視差和光學三角原理[2]對接觸線進行空間定位，從而得到拉出值、接觸線高度和磨損等參數。這些研究集中在測量原理、系統總體設計或接觸線圖像信號的采集與處理等方面[3～5]，而對測量系統的結構設計并沒有深入研究。但實際上雙目視覺測量系統不同的布站方式，不同的結構參數，空間目標的探測精度會隨之發生變化[6，7]。因此在設計測量系統前，結合實際條件和設計指標對系統的各項參數進行優化設計是可行的，也是十分必要的。

1 導線磨損面邊緣定位精度分析

1.1 導線磨損面邊緣空間坐標表達式

如圖1所示，當光源照射到磨損后的接觸線，磨損面與其他部分的光反射率存在明顯的梯度。由兩攝像機獲取視場內導線圖像，利用圖像處理算法提取磨損面邊界點A和B的空間坐標值后即可計算出導線幾何參數。因此幾何參數測量的關鍵是磨損面邊緣點的空間坐標探測精度。

圖2為雙目立體視覺交匯測量原理圖。設兩攝像機光敏面尺寸均為2T，成像鏡頭Lens的焦距均為f，兩光敏面中心間距為2L，交匯仰角(即光軸與y軸夾角)均為 α(0＜ α＜ 90°)。若磨損面邊界點 A(x，y)在攝像機上對應成像點的坐標值分別為x1、x2，則根據幾何關系可得其空間坐標表達式如式(1)、(2)，同理可得 B 點坐標值[6]。

圖1 磨損導線反射光強度曲線

圖2 雙目立體視覺交匯測量原理

1.2 空間目標定位精度分析

1.2.1 坐標測量的有效視場

被測點必須落在兩攝像機均能同時觀察到的區域，這一區域稱為有效視場。xoy平面中，在交匯測量的水平視場內作一內切圓，其半徑R表示有效視場的大小。實際應用時，一般根據測量對象的實際條件，先確定R、T、f，然后得到L和α的關系

1.2.2 坐標測量誤差分析

由式(1)、(2)可知，邊界點 A的坐標值與 x1、x2、L、T、f、α5個參數有關，故坐標測量誤差由這五個參數的測量誤差決定。根據誤差傳遞理論[8]，x坐標測量誤差表示為

式中 ax1、ax2、a2L、af、aα為各誤差分量。由式(1)對各參數求偏導可得

同理可求得y坐標測量誤差

式中 bx1、bx2、b2L、bf、bα為各誤差分量，具體表達式此處從略。

由上述表達式，利用MATLAB進行數值運算，可得坐標測量精度與各參數的關系，如圖3所示。

圖3 坐標測量精度與各參數關系曲線

(1)有效視場內每點的坐標測量精度和該點成像位置有關，離基線(兩攝像機間的連線)較遠的區域誤差值較大，離基線較近的區域誤差值較小，如圖3(a)所示。結合圖2分析可知，有效視場內I區域的測量精度較差，而Ⅳ區域的測量精度較好。

(2)其他參數不變，像元間距越大，測量精度越低。保持攝像機擺放姿態不變，焦距越小，有效視場越大，測量精度越低;焦距增大，測量精度變高。當焦距大于20 mm，此時焦距變化對測量精度的影響已經較小了。測量誤差與焦距關系如圖3(b)所示。故測量系統宜采用長焦鏡頭(一般應大于25 mm)。

(3)其他參數不變，兩攝像機間距2L越大，有效視場越大，測量精度越低。測量誤差與攝像機間距L的關系如圖3(c)所示。

(4)其他參數不變時，攝像機仰角α越大，有效視場減小，x坐標測量誤差增大、y坐標測量誤差減小，但綜合誤差增大，測量精度降低;反之，α過小，有效視場增大，y坐標測量誤差迅速增大，導致測量精度降低。坐標測量誤差與α的關系如圖3(d)所示。測量系統的仰角應當在30°～70°選擇。

2 測量系統結構參數優化設計

通過對坐標測量誤差的理論分析和數值仿真可知，空間目標探測精度會隨結構參數的不同發生變化，因此需要對結構參數進行優化設計，以確保達到測量要求。

2.1 接觸導線幾何參數測量實際條件及部分參數的選擇

電力接觸導線高度一般為5 650～6 200 mm，測量誤差±5 mm;拉出值一般為300 mm，測量誤差±2 mm;接觸導線直徑一般為10.19～14.40 mm，導線磨損創面寬度測量誤差±2 mm;需要將測量裝置安裝于列車車頂進行實時測量。

根據導線高度和拉出值變化范圍，選擇有效視場內切圓的半徑R=350 mm;根據測量精度要求，選擇LIS1024高性能CMOS圖像傳感器，其相關技術指標為1×1 024像素分辨率，像素尺寸 7.8 μm×125 μm，光敏面尺寸7.988 mm×125 μm，則T=3.994 mm，Δx1=Δx2=ΔT=0.007 8 mm，x1、x2在－3.994～3.994 mm 區間變化;攝像機鏡頭焦距為30 mm，Δf=0.03 mm;一般列車車體寬度為3 100 mm左右，考慮到加工、安裝調試方便，初步確定L≤1 450 mm(具體值由優化設計給出)，Δ2L=0.1 mm，Δα=3″。

2.2 優化設計思路

結合測量要求以及部分參數的設置，給出最優結構參數的確定條件:(1)有效視場范圍內，綜合坐標測量誤差 Δ的最大值為最小，且滿足要求(即 Δ≤2 mm);(2)L≤1 450 mm。流程見圖4、圖5。

2.3 優化設計結果

圖4 優化設計主程序流程

圖5 優化設計子程序流程

程序計算得到的最優結構參數為α=36.1°，L=1 445.8 mm，此時有效視場內各點坐標測量誤差在1.009 4～1.962 1 mm范圍內變化，滿足定位精度要求。因此測量系統機械加工參數為α=36.1°±3″，L=(1 445.8±0.1)mm。最優結構參數條件下各誤差分量數值范圍見表1。

表1 各誤差分量數值范圍

有效視場內綜合誤差及誤差分量的分布曲線如圖6～圖8所示。

圖6 最優結構條件下有效視場內坐標測量綜合誤差分布曲線

2.4 測量裝置的基本結構

根據優化設計得到的結構參數進行樣機制作，其結構如圖9所示。這樣的結構有如下優點:

(1)兩攝像機反向放置，前面各擺放1個平面反射鏡，這樣攝像機交匯仰角的調整只需調整反射鏡位置就可以了，大大減小了加工和安裝的難度;

(2)這種結構增大了系統基線距，而系統的體積并不發生顯著變化，質量更輕，便于固定。

圖7 最優結構條件下有效視場內x坐標各誤差分量分布曲線

圖8 最優結構條件下有效視場內y坐標各誤差分量分布曲線

圖9 基于雙目視覺的接觸線測量系統結構

3 結論

(1)根據優化設計得到的參數制作樣機可以獲得更高的定位精度，有效視場內離基線較遠區域坐標測量誤差較大，離基線較近的區域誤差較小，使用時應根據接觸導線的大致高度值合理安裝儀器，盡量使其處于測量精度較佳的區域。

(2)在5個誤差因素中，x1和x2對坐標測量精度影響最大，其次是f，再其次是L，α影響最小。成像點位置誤差是隨機誤差，可通過選用高分辨率攝像機，或采用基于子像素的邊緣檢測技術對圖像進行分析和處理，可有效減小像點的測量誤差。間距L、焦距f和角度α的值及其偏差值是已知的，屬于系統誤差。在實際測量中可通過高精度標定最大限度的減小這些因素的影響。

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