基于線陣相機(jī)的接觸軌幾何參數(shù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)

占 棟，陳唐龍，于 龍，鄭 銳

0 引言

在地鐵供電方式中，接觸軌供電因其單位電阻小、節(jié)省能耗、安裝方便、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用越來(lái)越廣泛。為使接觸軌供電能夠長(zhǎng)期高效運(yùn)行，對(duì)接觸軌檢測(cè)提出了嚴(yán)格的要求。接觸軌幾何參數(shù)指接觸軌受流面至相鄰走行軌頂面的垂直距離、接觸軌中心與軌道中心的水平距離，這2個(gè)參數(shù)是衡量集電靴與接觸軌受流特性的重要指標(biāo)[4]。目前國(guó)內(nèi)多條線路采用接觸軌受流方式，接觸軌幾何參數(shù)檢測(cè)主要依靠手工測(cè)量，效率極低。因此，研究接觸軌動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，研制接觸軌動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，定期對(duì)接觸軌幾何參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，是保證牽引供電系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要手段。

1 檢測(cè)原理

1.1 雙目成像原理

如圖1所示，雙目成像原理采用裝有2塊CCD芯片的雙目相機(jī)，基礎(chǔ)是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)。設(shè)AC為1#相機(jī) CCD芯片，DF為 2#相機(jī) CCD芯片，AN為1#相機(jī)主光軸，DJ為2#相機(jī)主光軸，M為被測(cè)目標(biāo)，AH、DI分別為1#相機(jī)焦距、2#相機(jī)焦距，MB、ME為目標(biāo)到CCD芯片的入射線，OK為1#相機(jī)和2#相機(jī)的中心線，MK、OK為目標(biāo)到2個(gè)相機(jī)中心線的垂直距離和水平距離。在檢測(cè)過(guò)程中，MK、OK即為目標(biāo)位置信息。

圖1 雙目成像原理示意圖

已知量：DE、AB為相機(jī)測(cè)量目標(biāo)值，AD為1#相機(jī)CCD中心到2#相機(jī)CCD中心的垂直距離，采用相同的 CCD芯片和相同焦距的鏡頭，故AH=DI，JI=NH；由相似三角形原理可知：

求解：

目標(biāo)與雙目相機(jī)中心位置的垂直距離和水平距離：

1.2 雙目成像原理在接觸軌檢測(cè)中的應(yīng)用

如圖2接觸軌檢測(cè)原理圖所示，將檢測(cè)梁安裝于檢測(cè)車(chē)軸箱蓋下方，距離左右走行軌一定距離安裝車(chē)體偏移測(cè)量裝置，分別為1#傳感器、2#傳感器，將雙目相機(jī)分別安裝于檢測(cè)梁左右外側(cè)，h1，h3分別為1#相機(jī)、2#相機(jī)中心位置到相鄰走行軌軌面的垂直高度；h0、h2分別為1#相機(jī)、2#相機(jī)中心位置到接觸軌受流面的垂直距離。

車(chē)體在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生偏移，若要準(zhǔn)確測(cè)量接觸軌中心到軌道中心位置的水平距離，需要準(zhǔn)確計(jì)算相機(jī)中心到軌道中心的水平距離、相機(jī)中心到軌道中心的垂直距離、相機(jī)中心到接觸軌受流面的垂直距離、相機(jī)中心到接觸軌中心的水平距離，1#傳感器和 2#傳感器分別用來(lái)測(cè)量相機(jī)中心到軌道中心的水平距離和垂直距離[1]。

設(shè)檢測(cè)車(chē)在運(yùn)行的過(guò)程中，左側(cè)、右側(cè)接觸軌中心到軌道中心位置的水平距離分別為x0、x1；設(shè)軌道中心到 1#相機(jī)、2#相機(jī)中心的水平距離為 r0和 r1（見(jiàn)圖 2）。利用雙目成像檢測(cè)原理，對(duì)接觸軌進(jìn)行測(cè)量，設(shè)L0、L1為1#相機(jī)、2#相機(jī)檢測(cè)接觸軌外側(cè)到相機(jī)中心的水平距離，標(biāo)準(zhǔn)接觸軌受流面外側(cè)到接觸軌中心的水平距離為46 mm[2]，所以：

圖2 接觸軌檢測(cè)原理示意圖

1#相機(jī)、2#相機(jī)中心位置到相鄰走行軌面的距離為h1、h3；1#相機(jī)、2#相機(jī)中心位置距離接觸軌受流面的垂直距離為h0、h2，設(shè)接觸軌受流面到相鄰走形軌的垂直距離為y0、y1，故接觸軌與相鄰走行軌面高度：

由式（4）、式（5）可求得左側(cè)、右側(cè)接觸軌的幾何參數(shù) x0，y0，x1，y1。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖像采集裝置，采用德國(guó)高速線陣相機(jī)，最大采集速度為 1 000 Hz，能夠滿足高速圖像信息采集。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

車(chē)體偏移補(bǔ)償裝置采用慣性包和激光測(cè)距傳感器，在檢測(cè)過(guò)程中的車(chē)體振動(dòng)和偏移，通過(guò)慣性包數(shù)據(jù)和激光測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量軌距和車(chē)體偏移數(shù)據(jù)。

信息定位系統(tǒng)采用德國(guó)進(jìn)口脈沖傳感器，具有光電脈沖計(jì)數(shù)功能，將其安裝在軸箱蓋上，檢測(cè)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)輪軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)光電編碼器發(fā)送脈沖數(shù)據(jù)，通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)計(jì)算車(chē)輛行走里程，同時(shí)結(jié)合上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，對(duì)車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中的累積誤差進(jìn)行修正，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。

圖4 系統(tǒng)硬件框圖

綜合信息處理采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線，對(duì)多個(gè)傳感器信號(hào)實(shí)時(shí)采集，同時(shí)在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同步、濾波和綜合處理。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)綜合數(shù)據(jù)處理軟件采用 Visual Studio 2008作為開(kāi)發(fā)工具，C++作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。對(duì)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，保存接觸軌幾何參數(shù)、公里標(biāo)、檢測(cè)速度、接觸軌離去角和接近角等信息，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)波形曲線、實(shí)時(shí)打印、檢測(cè)數(shù)據(jù)事后回放等功能[5]。

系統(tǒng)軟件流程圖及軟件運(yùn)行界面分別如圖5、圖6所示。

2.4 圖像處理算法

對(duì)雙目線陣相機(jī)目標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確提取直接影響檢測(cè)精度，主要采用的圖像處理算法包括圖像增強(qiáng)、圖像分割、邊緣提取等[4]，達(dá)到準(zhǔn)確快速提取邊緣點(diǎn)的目的。

相機(jī)數(shù)據(jù)量大，同時(shí)需要滿足檢測(cè)實(shí)時(shí)性，因此，線陣相機(jī)圖像高速處理是該系統(tǒng)一個(gè)難點(diǎn)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該系統(tǒng)在廣州地鐵四號(hào)線正線、四號(hào)線新造車(chē)輛段試車(chē)線連續(xù)試驗(yàn) 3個(gè)月，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，效果良好。

圖5 軟件流程圖

圖6 綜合信息處理系統(tǒng)界面

測(cè)量精度：將人工測(cè)量數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，隨機(jī)抽取20個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證接觸軌檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)精度（見(jiàn)圖7、圖8）。

由圖7、圖8可以看出，接觸軌檢測(cè)系統(tǒng)垂直方向和水平方向的檢測(cè)精度控制在±2 mm。

由圖 9、圖 10可知，接觸軌檢測(cè)系統(tǒng)分別檢測(cè)上行數(shù)據(jù)、下行數(shù)據(jù)在垂直方向和水平方向有較好的重復(fù)性，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

圖7 垂直精度驗(yàn)證曲線圖

圖8 水平精度驗(yàn)證曲線圖

圖9 垂直上下行數(shù)據(jù)重復(fù)性驗(yàn)證曲線圖

圖10 水平數(shù)據(jù)重復(fù)性驗(yàn)證曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

由于接觸軌供電方式不同于接觸網(wǎng)，接觸軌幾何參數(shù)特性也不同于接觸網(wǎng)，而標(biāo)準(zhǔn)要求接觸軌正常偏差范圍為±5 mm[2，3]，對(duì)接觸軌動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)精度要求較高，屬于精密檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中，振動(dòng)較大，而現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)檢測(cè)誤差要控制在±2 mm，整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中需要克服振動(dòng)對(duì)檢測(cè)帶來(lái)的誤差。通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，反映效果良好，但整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命、穩(wěn)定性、可靠性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

[1]陳唐龍，于滌，陳耀坤. 接觸網(wǎng)檢測(cè)車(chē)振動(dòng)補(bǔ)償研究[J].成都：西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)[J].1999，34，（4）：461-465.

[2]CJJ96-200，地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]于松偉.我國(guó)地鐵接觸軌技術(shù)發(fā)展綜述與研發(fā)建議[J].北京：都市快軌交通，2004，17（2）：6-11.

[4]阮秋琦，阮宇智. 數(shù)字圖像處理[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]孫鑫，余安萍. VC++深入詳解[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.