基于機器視覺的鋼軌廓形檢測系統設計

安小雪 周燕瓊

（1.上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海 201620；2.上海工程技術大學 工程實訓中心，上海 201620）

鐵路運輸是國家交通運輸的大動脈，承擔著大量的客運和貨運任務，它的發展直接影響中國經濟的發展。隨著鐵路事業的快速發展，高速、重載列車運行量的增加，鋼軌的磨損也越來越嚴重，鋼軌磨損造成鋼軌輪廓尺寸變化，加速了機車車輪的磨損，增加輪軌接觸面積，增大運行阻力，加大列車運行過程中事故發生的可能性，減少鋼軌和機車的使用壽命。隨著現代傳感、計算機技術的發展，采用非接觸式無損測量方法已成為鋼軌廓形檢測的主流[1]。本文研究設計一種基于機器視覺的鋼軌廓形檢測系統，通過硬件外觸發和軟件多線程并行處理實現多傳感器數據采集，然后基于單孔校準的數據拼接方法實現多傳感器數據拼接。

1 檢測原理

實際的測量過程中，鋼軌外觀形狀比較復雜，激光傳感器在一個視角下不能直接檢測得到完整的點云數據[2]。因此，該系統對稱使用兩個激光傳感器，如圖1所示。檢測時兩傳感器發出的激光光束在軌頂部分盡可能地重合，以保證可以完全覆蓋整個軌頭和軌腰部分，采集到完整的鋼軌輪廓。

由于采集到的數據點集位于兩個不同的傳感器坐標系下，為了保證數據的完整性，需要對兩組測量數據進行拼接處理。拼接思路是獲得傳感器1坐標系O1和傳感器2坐標系O2分別到標定塊坐標系O的轉換關系，之后將兩個傳感器的數據對應變換到坐標系O中，即可完成拼接，如圖2所示。

圖2 雙傳感器校準原理

圖1 鋼軌廓形檢測原理

坐標轉換公式為：

其中，（X1，Y1）為鋼軌上某個點在傳感器坐標系中的坐標；（X，Y）為該點在標定塊坐標系的坐標。

由式（1）可知，要完成線激光傳感器的坐標系向標定塊坐標系的轉換，必須確定傳感器坐標系與標定塊坐標系坐標原點之間的偏移量（t1，t2）和傳感器坐標系繞標定塊坐標系的偏轉角度θ。

2 硬件設計

由于鋼軌磨耗值不可能在很短一段距離內發生很大變化，因此每隔一定間距采樣一次數據即可。相機在采集圖像時可以處于內部控制模式或外部觸發模式。內部控制模式下，如果列車行駛速度變化，會造成拍攝的間距發生變化[3]。軌道測量以空間分布，需要實現等空間距離的采樣，故采用外部觸發模式。

歐姆龍E6B2-CWZ3X增量式傳感器能根據軸的旋轉位移量，輸出脈沖列。其方式是通過其他計數器，計算輸出脈沖數，通過計數檢測旋轉量。

外觸發控制模塊將一個增量式旋轉光電編碼器安裝于車輛輪對的輪軸上，光電編碼器隨著輪軸旋轉而產生脈沖信號，經過脈沖記數，可計算出列車運行的相對距離和車速。考慮到列車有正反2個運行方向，這要求光電編碼器需具備A、B兩相輸出功能。利用單片機STC89C52的2個外部中斷源，分別采集編碼器的A、B兩相電平脈沖，通過檢查A、B相脈沖的發生時間可以判斷列車的運行方向，觸發流程圖如圖3所示。

圖3 外觸發控制模塊

3 軟件設計

鋼軌廓形檢測軟件主要包括上位機與傳感器通訊模塊、數據預處理模塊以及數據校準模塊。Window操作系統是搶占式多任務系統，不是實時系統。因此，人們可以采用多線程并行處理技術實現多傳感鋼軌廓形的同步采集。結合數據采集單元要實現的功能，鋼軌廓形檢測軟件可以分為主線程和數據采集線程設計[4-5]，其設計流程如圖4所示。

圖4 鋼軌廓形檢測程序的流程

3.1 傳感器通信模塊設計

Gocator傳感器具有豐富的I/O接口，可與現有的控制系統直接通信。本系統采用TCP/IP協議以及Windows Socket技術開發實現對Gocator傳感器數據傳輸和命令控制，TCP/IP協議是一種面向連接的傳輸層協議，它可以提供可靠性高的服務。

系統采用C/S（客戶機/服務器）模式建立通信。上位機作為服務器用來響應并為客戶提供固定的服務。各傳感器作為客戶機向服務器提出請求或要求某種服務。PC機初始化后，創建網絡連接，查看網絡是否正常，當網絡處于正常工作狀態時，通過調用函數socket建立套接字。一旦服務器和客戶機連接建立，PC機就可以向釆集終端傳感器發送指令，傳感器接收到該指令后，通過網絡傳輸給PC機，PC機讀取并顯示接收到的數據，查看數據是否接收完，若接收完，再次等待接收網絡傳輸來的數據，如此循環地接收并顯示數據。

3.2 數據預處理

數據預處理模塊包括數據均勻采集、濾波等參數設置功能。

3.2.1 均勻采集

在激光三角測量的實際應用中，由于鏡頭視角原因，相機會產生梯形的視野范圍。因此，激光點之間的距離在近距離處比在遠距離處更近，相機直接采集的鋼軌輪廓數據為不均勻分布，不均勻性會降低分辨率和精度[6]。本文通過插值重采樣技術可獲得均勻的鋼軌輪廓。

3.2.2 濾波

在允許誤差范圍內，對數據點進行微調整，避免擬合曲線出現“粗糙毛刺”的不良效果，是獲得到品質良好的輪廓線的前提。程序設計了中值濾波、抽取、插值等濾波功能，用于處理外界干擾噪聲，輸出平滑的鋼軌廓形數據。

（1）中值濾波：基本原理是把數字序列中一點的值用該點鄰域內數據點的中值代替。設一組數據y1，y2，…，yn，取窗口長度m（m為奇數），對此序列進行中值濾波，就是從輸入序列中相繼抽出m個數，再將這m個點按其數值大小排列，取其序號為正中間的作為輸出。用數學公式表示為：

（2）插值：使用鄰近的數據線性插值填充由遮擋引起的缺失數據，即在序列的相鄰抽樣點之間等間隔插入M-1個，將原始采樣頻率增加M倍。

其中，f為新采樣頻率，fs為原抽樣頻率。

（3）抽取：當信號數據量太大時，可以每間隔M-1個點抽取一個數據點，組成新的數據，以減少采集的數據點數量，原始采樣頻率也相應的減小M倍。

其中，f為新采樣頻率，fs為原抽樣頻率。

3.3 數據校準模塊

本文借助一個平面度為00級的單孔圓盤標定塊，保證兩傳感器都能看到標定塊上的圓孔，通過校準尺面和孔的位置將傳感器校準到同一個坐標空間下，實現多斷面數據的拼接，如圖5所示。

圖5 單孔校準

4 實驗結果及分析

整個實驗平臺由三部分組成：自制的鋼軌檢測小車、NI工控機、視覺模塊。實驗選用的Gocator 2340型號3D智能激光傳感器，采用工業級設計，易于集成，內置多種工具，能夠滿足戶外惡劣條件下的檢測作業，最大掃描速率5000Hz，同時，單色激光亮度圖像可以有效地檢測缺陷，視野從47mm到1.26m，通過1Gb以太網接口通訊與數據處理計算機通信。

實驗選用是60kg/m標準軌作為試驗對象，用自制的軌檢小車對鋼軌選取20個不同位置的點進行全斷面輪廓重復性檢測。鋼軌廓形檢測系統的數據采集軟件整體界面，如圖6所示。左側為兩個傳感器采集的原始數據與拼接后的鋼軌廓形的顯示單元。右側包括傳感器參數設置單元、傳感器校準單元。

在實驗過程中，軟件運行穩定，可根據設置的參數實時采集數據。每采集一個數據，系統實時更新顯示，采集的原始鋼軌廓形和拼接后完整鋼軌廓形分別如圖7、圖8所示。

圖6 鋼軌廓形檢測系統

圖7 傳感器原始采集數據

圖8 傳感器拼接后的數據

實驗選用的是未經使用過的60kg/m標準軌進行測量，因此其輪廓尺寸應與理論尺寸一致，但由于加工的過程中存在一定的誤差，根據鋼軌制造誤差的規定，60軌軌頭的高度允許±0.5mm的偏差。將拼接好的鋼軌廓形與標準鋼軌進行對比分析，將兩個輪廓對齊，發現軌頭頂部出現間隙，對間隙進行測量，發現其間隙尺寸比較穩定，為0.1～0.2mm，在允許偏差范圍內，所以筆者認為其輪廓已經拼好。

5 結語

本文采用非接觸式線結構光技術進行鋼軌輪廓全斷面檢測，設計了一種基于機器視覺的鋼軌廓形檢測系統，通過硬件外觸發和軟件多線程并行處理實現了多傳感器數據采集。該設計具有應用的便攜性和測量的穩定性，因此具有較好的工程應用價值，可以為軌道幾何參數測量奠定良好的基礎。

[1]R Noll，M Krauhausen.Online Laser Measurement Technology for Rolled Products[J].Iron Making and Steelmaking，2008，35（3）：221-227.

[2]Chang Chongyi，Wang Chengguo，Jin Ying.Study on Numerical Method to Predict Wheel/Rail Profile Evolution Due to Wear[J].Wear，2010，269（3）：167-173.

[3]孟佳，高曉蓉.鋼軌磨耗自動檢測系統[J].中國鐵路，2005，（7）：57-58.

[4]陳佳明.非接觸式鋼軌全輪廓磨耗測量系統設計[D].南昌：南昌大學，2015：5.

[5]高偉杰.基干機器視覺的鋼軌輪廓檢測系統的研究[D].北京：北京交通大學，2012：3.

[6]李冬.基于機器視覺的鋼軌磨耗檢測系統研究[D].南京：南京航空航天大學，2013：6.