基于面陣相機的接觸軌幾何參數檢測系統

唐崇偉，陳唐龍

0 引言

檢測接觸軌幾何參數即是測量接觸軌中心位置距軌道中心位置的水平距離和接觸軌受流面與相鄰走行軌頂面的垂直距離。

目前國內大多是采用傳統的接觸式檢測方法，即采用人工持軌道尺的檢測方法。該檢測方法效率低，工作量大。因此，開發一種新型在線、非接觸式接觸軌檢測裝置技術勢在必行，但該技術在國內幾乎是一片空白，更沒有制定相關的檢測標準。

激光三角法是光電檢測技術的一種，因其具有非接觸、高精度、易于控制等優點，在長距離及三維形貌等檢測中有著廣泛的應用。

1 接觸軌在線檢測系統檢測原理

接觸軌中心到軌道中心的標準距離為1 510 mm；接觸軌距離基本軌頂面標準垂直高度為200 mm；正常線路接觸軌水平距離和垂直高度標準偏差需要控制在±3 mm 的范圍以內。

接觸軌檢測系統采用面陣相機對接觸軌中心位置距離相機中心的水平距離和垂直距離進行準確測量，同時采用激光測距傳感器對車體振動進行計算，減小車體振動和車體偏移對接觸軌檢測精度的影響。

圖1 接觸軌在線檢測系統原理圖

參見圖1，設p0、p1分別為左右激光測距傳感器到左右相機背面的水平距離，m0、m1分別為左右激光測距傳感器實時的檢測數據；n0、n1分別為左右激光測距傳感器在水平方向的投影；Q0為左右激光測距傳感器的水平間距離；h1、h3分別為左右相機中心位置到對應側走行軌軌面的垂直高度；h0、h2分別為左右相機中心位置到接觸軌受流面的垂直距離；L0、L1分別為左右相機中心位置到接觸軌外側的水平距離；接觸軌外側到接觸軌中心的水平距離為46 mm；軌距為C；左右兩邊接觸軌的水平距離分別為x0、x1，故

左右接觸軌的垂直距離分別為y0，y1，故

由圖1 和上式可知，接觸軌檢測系統主要是測量L0、L1和h0、h2。本文是用激光三角測距法和面陣相機的標定方法測量L0、L1，h0、h2。

2 激光三角法檢測原理

在激光三角法中，由光源發出的一束激光照射在待測物體平面上，通過反射最后在檢測器上成像。當物體表面的位置發生改變時，其真實的物體位移可以由對像移的檢測和計算得到。

激光三角法按入射光線與被測工件表面法線的關系分為直射式和斜射式。本文采用的方法為直射式激光三角法。與斜射式方法相比，直射式的分辨率雖然比斜射式的分辨率低，但測量范圍較大，體積較小，光斑較小，光強集中，而且可以直接得到被測物體某點的位移情況。

三角法原理如圖2 所示：激光器和成像系統組成系統的基本結構。激光光源照射到物體表面形成一個亮光點，成像系統把該光點匯聚到CCD 上形成像點，當所測距離Y 不同時像點會在CCD 上移動，反映在CCD 上的光點像位置X 也隨之不同，在基線長度已知，光源和CCD 及透鏡的相對位置確定的前提下，通過測量CCD 上像點的位置就能準確確定被測物體與相機之間的距離。

圖2 直射式激光三角法原理圖

根據圖2 所示直射式三角形的相似關系有：

得Y 和X 兩者之間的關系為

式中，Y 為被測距離，f 為成像系統焦距，l 為發光點中心到透鏡中心的水平距離，即基線長度，L 為某一已知距離。在該距離處所成像正好位于CCD的中心。為使測量范圍內各點成像很好，應使過鏡頭中心的垂線恰好是測量范圍起始點與鏡頭中心連線所構成角的平分線。X 為像點在CCD 上移動的距離。因此只要測出X，就能測出Y。

3 面陣相機的標定

攝像機標定和標定過程的精度取決于場景的二維圖像化的精度和可信度。只有使用選定精確標定過的攝像機，才能從圖像投影坐標中獲取真實世界物體的距離測量信息。該檢測系統的面陣相機標定包括面陣相機的水平標定和垂直標定，所用標定方法是利用相機成像面的x、y 軸分別表示接觸軌的水平和垂直距離。利用三角檢測原理，計算接觸軌的水平距離和垂直距離與面陣相機成像面x 和y軸的對應關系。

3.1 面陣相機水平方向的標定

面陣相機水平標定如圖3 所示，面陣相機的分辨率為1 280×1 204，在1 280 個像素位置中選擇300 個像素位置，以這300 個像素位置來標定接觸軌中軸線到軌道中心的水平距離 。以這300 個像素位置的中心位置為接觸軌中軸線到軌道中心的標準水平距離，即1 510 mm 時，接觸軌在CCD 成像的位置。以兩邊150 個像素位置為其檢測范圍。

根據三角成像原理，當水平移動接觸軌時，利用精密儀器測量接觸軌的移動距離，可計算出接觸軌在CCD 上成像的像點移動位置，從而得出接觸軌中軸線到軌道中心此時的水平距離與接觸軌在CCD 上位置的對應關系。

圖3 面陣相機水平標定示意圖

3.2 面陣相機垂直方向的標定

面陣相機垂直標定如圖4 所示，由于接觸軌的斷口區域有一部分微微向上傾斜，也是接近角和離去角，為了測量接近角和離去角，相機垂直方向選取1024 個像素位置來標定接觸軌受流面到相鄰走行軌軌頂面的距離，以這1024 個像素位置的中心位置為軌受流面到相鄰走行軌軌頂面的距離為200 mm 時，接觸軌在CCD 成像的像點位置，以2邊512 個像素位置為其檢測范圍。

根據三角成像原理，當上下移動接觸軌時，利用精密儀器測量接觸軌的移動距離，可計算出接觸軌在CCD 上成像的像點移動位置，從而得出相機的圖像坐標系與物理空間坐標系的對應關系。

圖4 面陣相機垂直標定示意圖

3.3 實驗數據

表1 和表2 分別表示采用面陣相機的標定方法，接觸軌的水平和垂直距離與圖像坐標中x、y軸像素位置對應關系。

表1 接觸軌垂直距離與圖像坐標中垂直像素位置對應關系表

表2 接觸軌水平距離與圖像坐標中水平像素位置對應關系表

4 結語

針對接觸軌在當前地鐵供電中的廣泛應用，接觸軌幾何參數會直接影響地鐵牽引機車動力源的穩定性和可靠性，地鐵接觸軌幾何參數檢測系統能夠為接觸軌幾何參數的評價提供重要指標，實現對接觸軌幾何參數進行精確測量與評估，為接觸軌的維護及安全運營提供依據。本文設計了基于面陣的接觸軌幾何參數動態檢測系統，運用面陣相機標定方法，通過激光三角法測量接觸軌幾何參數，作為接觸軌是否出現故障的判斷依據。該系統結構合理，簡便易行，便于實際操作。

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