基于面陣相機(jī)的接觸軌幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)

唐崇偉，陳唐龍

0 引言

檢測接觸軌幾何參數(shù)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(nèi)大多是采用傳統(tǒng)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(fā)一種新型在線、非接觸式接觸軌檢測裝置技術(shù)勢在必行，但該技術(shù)在國內(nèi)幾乎是一片空白，更沒有制定相關(guān)的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

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

1 接觸軌在線檢測系統(tǒng)檢測原理

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

接觸軌檢測系統(tǒng)采用面陣相機(jī)對接觸軌中心位置距離相機(jī)中心的水平距離和垂直距離進(jìn)行準(zhǔn)確測量，同時(shí)采用激光測距傳感器對車體振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，減小車體振動(dòng)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(tǒng)原理圖

參見圖1，設(shè)p0、p1分別為左右激光測距傳感器到左右相機(jī)背面的水平距離，m0、m1分別為左右激光測距傳感器實(shí)時(shí)的檢測數(shù)據(jù)；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(jī)中心位置到對應(yīng)側(cè)走行軌軌面的垂直高度；h0、h2分別為左右相機(jī)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(jī)中心位置到接觸軌外側(cè)的水平距離；接觸軌外側(cè)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(tǒng)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(jī)的標(biāo)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(fā)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(dāng)物體表面的位置發(fā)生改變時(shí)，其真實(shí)的物體位移可以由對像移的檢測和計(jì)算得到。

激光三角法按入射光線與被測工件表面法線的關(guān)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(qiáng)集中，而且可以直接得到被測物體某點(diǎn)的位移情況。

三角法原理如圖2 所示：激光器和成像系統(tǒng)組成系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。激光光源照射到物體表面形成一個(gè)亮光點(diǎn)，成像系統(tǒng)把該光點(diǎn)匯聚到CCD 上形成像點(diǎn)，當(dāng)所測距離Y 不同時(shí)像點(diǎn)會(huì)在CCD 上移動(dòng)，反映在CCD 上的光點(diǎn)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(diǎn)的位置就能準(zhǔn)確確定被測物體與相機(jī)之間的距離。

圖2 直射式激光三角法原理圖

根據(jù)圖2 所示直射式三角形的相似關(guān)系有：

得Y 和X 兩者之間的關(guān)系為

式中，Y 為被測距離，f 為成像系統(tǒng)焦距，l 為發(fā)光點(diǎn)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(nèi)各點(diǎn)成像很好，應(yīng)使過鏡頭中心的垂線恰好是測量范圍起始點(diǎn)與鏡頭中心連線所構(gòu)成角的平分線。X 為像點(diǎn)在CCD 上移動(dòng)的距離。因此只要測出X，就能測出Y。

3 面陣相機(jī)的標(biāo)定

攝像機(jī)標(biāo)定和標(biāo)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(biāo)定過的攝像機(jī)，才能從圖像投影坐標(biāo)中獲取真實(shí)世界物體的距離測量信息。該檢測系統(tǒng)的面陣相機(jī)標(biāo)定包括面陣相機(jī)的水平標(biāo)定和垂直標(biāo)定，所用標(biāo)定方法是利用相機(jī)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(jì)算接觸軌的水平距離和垂直距離與面陣相機(jī)成像面x 和y軸的對應(yīng)關(guān)系。

3.1 面陣相機(jī)水平方向的標(biāo)定

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

根據(jù)三角成像原理，當(dāng)水平移動(dòng)接觸軌時(shí)，利用精密儀器測量接觸軌的移動(dòng)距離，可計(jì)算出接觸軌在CCD 上成像的像點(diǎn)移動(dòng)位置，從而得出接觸軌中軸線到軌道中心此時(shí)的水平距離與接觸軌在CCD 上位置的對應(yīng)關(guān)系。

圖3 面陣相機(jī)水平標(biāo)定示意圖

3.2 面陣相機(jī)垂直方向的標(biāo)定

面陣相機(jī)垂直標(biāo)定如圖4 所示，由于接觸軌的斷口區(qū)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(jī)垂直方向選取1024 個(gè)像素位置來標(biāo)定接觸軌受流面到相鄰走行軌軌頂面的距離，以這1024 個(gè)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(shí)，接觸軌在CCD 成像的像點(diǎn)位置，以2邊512 個(gè)像素位置為其檢測范圍。

根據(jù)三角成像原理，當(dāng)上下移動(dòng)接觸軌時(shí)，利用精密儀器測量接觸軌的移動(dòng)距離，可計(jì)算出接觸軌在CCD 上成像的像點(diǎn)移動(dòng)位置，從而得出相機(jī)的圖像坐標(biāo)系與物理空間坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系。

圖4 面陣相機(jī)垂直標(biāo)定示意圖

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 和表2 分別表示采用面陣相機(jī)的標(biāo)定方法，接觸軌的水平和垂直距離與圖像坐標(biāo)中x、y軸像素位置對應(yīng)關(guān)系。

表1 接觸軌垂直距離與圖像坐標(biāo)中垂直像素位置對應(yīng)關(guān)系表

表2 接觸軌水平距離與圖像坐標(biāo)中水平像素位置對應(yīng)關(guān)系表

4 結(jié)語

針對接觸軌在當(dāng)前地鐵供電中的廣泛應(yīng)用，接觸軌幾何參數(shù)會(huì)直接影響地鐵牽引機(jī)車動(dòng)力源的穩(wěn)定性和可靠性，地鐵接觸軌幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)能夠?yàn)榻佑|軌幾何參數(shù)的評價(jià)提供重要指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對接觸軌幾何參數(shù)進(jìn)行精確測量與評估，為接觸軌的維護(hù)及安全運(yùn)營提供依據(jù)。本文設(shè)計(jì)了基于面陣的接觸軌幾何參數(shù)動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)，運(yùn)用面陣相機(jī)標(biāo)定方法，通過激光三角法測量接觸軌幾何參數(shù)，作為接觸軌是否出現(xiàn)故障的判斷依據(jù)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，簡便易行，便于實(shí)際操作。

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