基于機器視覺接觸網幾何參數檢測小車的研究及應用

吳立群　中國鐵路上海局集團有限公司科研所

隨著國內高速鐵路網逐漸完善，各條高鐵線路大規(guī)模投入使用，高鐵運營里程已達到2.5萬km，電氣化率居世界第一。在此背景下，傳統(tǒng)鐵路檢修合一的模式已不適合當前鐵路的發(fā)展，由此鐵路總公司提出了各專業(yè)運檢修分離的新型鐵路運營、檢測、維護模式。針對供電專業(yè)檢測而言，接觸網幾何參數的靜態(tài)值及平順度關系到高速列車能否安全運行，因此相關管理部門必須時刻掌握整條線路的導高、拉出值及磨耗狀況，目前幾何參數檢測方式基本僅有1C、4C及傳統(tǒng)手持式激光測距儀3種方式。

然而，1C系統(tǒng)裝載于總公司綜合檢測列車上，無法對所有路網進行滿足時效性的全面覆蓋。4C系統(tǒng)裝載于接觸網作業(yè)車或客車車體上，每次檢測需要調度車輛，檢測周期間隔較長且無針對性。手持式激光測距儀是點式測量，作業(yè)效率低，勞動強度大，無法對整條接觸線的幾何參數進行描繪檢測。

本文介紹了基于機器視覺技術的手推式接觸網幾何參數檢測小車的研究和應用，檢測參數主要包含：接觸網幾何參數、接觸線底面磨損、小車精確定位等。該設備針對工區(qū)一級的需求，具有靈活上道檢測的特點，一次檢測可以描繪出經過區(qū)段的導高、拉出值，更能測量出目前很少檢測設備能夠檢測的接觸線底面磨耗值，操作簡單，提高了工區(qū)的檢測效率。

1 系統(tǒng)設計及原理

1.1 測量原理

本文采用投線型激光發(fā)生器配合工業(yè)線陣相機進行檢測數據圖像的采集，通過對采集圖像進行實時圖像分析處理，得出接觸線分別在2個相機CCD中出現(xiàn)的位置，根據三角測量原理比對標定映射表可以查詢出當前接觸線的導高、拉出值及底面磨損寬度。

其中投線型激光發(fā)生器具有技術指標優(yōu)秀、性能穩(wěn)定、可靠性強、壽命長等特點。激光器內置高低溫半導體溫控模塊，滿足極端溫度（-20℃～50℃）的工作條件，采用最先進的光纖勻化技術，使投射出的激光細膩、能量分布均勻，作為輔助光源很好的保證了相機圖像采集的質量。另外，該激光器內部配件均有固化和防震處理，適合車載使用。

相應配置兩臺分辨率為4000，雙通道模式下最高線掃描頻率為36kHz的高速線陣CCD相機。相機配有GigeVision接口，替代了原有CameraLink總線，只需配合一個英特爾PRO/1000以太網卡就可以進行圖像傳輸，省去了幀捕獲器，節(jié)約了成本。

依據圖像成像距離5000mm～7000mm，在5000mm處相機試場大小1250mm。鏡頭成像參數如下：

像素精度=試場/分辨率=1250mm/4000≈0.3mm；

放大率=像元尺寸/像素精度=0.014mm/0.3mm=0.046；

焦距=工作距離×放大率/（放大率+1）=5000mm×0.046/（0.046+1）≈220mm；

CCD靶面直徑=4000×0.01mm=40mm。

由于拍攝物體有2000mm景深，因此需要計算光圈大小以保證在景深范圍內圖像清晰，可由公式ΔL=2f2FδL2/（f4-F2δ2L2） 其中：ΔL—景深，f—焦距，F(xiàn)—光圈數值，L—工作距離，δ—容許彌散圓直徑推導得出，實際運用時根據數值進行微調。

圖1 相機曝光模式

圖1羅列了相機7種可供選擇的曝光模式，結合GPIO連接器，用于接收和控制外部信號，例如接收EXSYNC、PRIN和方向信號。

在此系統(tǒng)中，選擇曝光模式6作為相機的工作模式，在該模式下，相機具有外部觸發(fā)線率和內部可編程曝光時間的特性，既實現(xiàn)了相機通過連接在走行輪上的編碼器等距觸發(fā)采樣的功能，又確保了在不同應用場合下，通過調整曝光時間得到灰度值合適的采集圖像。圖2為模式6的時序圖。

圖2 相機模式6時序圖

1.2 控制器模塊

該控制器模塊主要包含高速度高精度模數轉化、開關量計數、千兆以太網通信、數據同步以及與上位PC通訊等主要功能。該模塊體積小、集成程度高、功耗低，并做了防水防塵模塊化封裝，適用于野外及惡劣環(huán)境。

如圖3所示，模塊主要由數字端與模擬端構成，兩者之間進行了光電隔離，防止由于操作不當引起電壓擊穿元器件，該光藕器件最高隔離電壓可達到2500V。其中，復雜可編程邏輯器件CPLD是整個采集硬件的核心，負責邏輯控制與定時控制。當上位機PC通過USB將采集通道數及采樣頻率等參數傳送給復雜可編程邏輯單元，并啟動采集命令后，復雜可編程邏輯單元會立即接收各模擬通道數值及數字通道數值，對各數值進行同步鎖存處理，定時將數據傳送至高速緩存區(qū)FIFO中，再對數據進行打包處理，通過USB接口傳送至上位機PC內存中去，等待程序讀取。

在本項目中，該控制器模塊實時接收并同步鎖存軌距測距儀、側面限界測距儀、傾角儀、編碼器等傳感器值，并依靠編碼器TTL信號對幾何參數采樣相機進行外觸發(fā)采集，保證了幾何參數的等距采集及各輔助參數對幾何參數的同步補償。

圖3 控制模塊原理框圖

1.3 精確定位模塊

配置一個里程編碼器，主要作用于兩方面：其一、用于相機采樣等距觸發(fā)，保證采集的圖像等距、連續(xù)；其二、用于在兩根定位桿號之間距離計數，使系統(tǒng)所檢測的各參數能實現(xiàn)精確定位。

根據走行輪直徑120mm，編碼器每轉256個脈沖，可得：

采樣間隔=PI×D/I=3.1415×120mm/256=1.47mm

2 軟件設計

采用VisualC++作為應用程序的開發(fā)工具，并使用i－PORTC++作為圖像采集和處理的主要類庫來進行開發(fā)。類庫主要分為基礎類和圖形用戶接口類。基礎類是iPORTC++的核心類，包括管理類、通用硬件控制類等。圖形用戶接口類是一組以MFC對話框類為基礎的類，它們實現(xiàn)了應用程序通常要實現(xiàn)的一些基礎功能，為編程提供了一些基礎工作。

2.1 硬件架構

應用程序啟動控制模塊工作，控制模塊采集里程編碼器TTL信號及各位移傳感器、激光測距儀信號，本系統(tǒng)中，主要考慮的是編碼器的速率和采樣頻率的問題，通過每通道的采樣頻率大于編碼器的最高脈沖頻率5倍以上，準確捕捉編碼器的每個脈沖，實現(xiàn)各一次儀表信號與相機觸發(fā)的同步功能。

控制模塊一方面將同步觸發(fā)信號傳給相機GPIO接口，驅動相機進行外觸發(fā)等距采樣，一方面將各通道數據傳輸給應用程序，鎖存在由應用程序建立的臨時緩存中，待相機傳回的圖幀經過分析處理，其幾何參數數據伙同臨時緩存中的數據及傾角儀數據一并作為一條記錄保存于本地磁盤中。整個工作流程如圖4所示。

圖4 硬件架構圖

2.2 應用軟件

本程序使用ADO作為數據庫訪問的接口。ADO是針對微軟數據庫開發(fā)應用程序進行數據訪問及維護的接口，封裝了數據庫操作的各種函數功能，使用戶能夠編寫個性化訪問和操作數據庫服務器中的數據。

一般用戶主要使用的ADO對象為連接對象Connection，記錄集對象Recordset,命令對象Command。為了能夠更方便的在程序中使用ADO建立數據庫連接與數據庫表的操作，本程序中設計了專門的數據庫公共類。主要有CADOCommand、CADODatabase、CADORecordset等類。這些類對原本的ADO操作做了相應的封裝。

檢測軟件中，使用VisualC++軟件開發(fā)環(huán)境的AppWizard向導程序，生成用戶軟件的基本框架。由于現(xiàn)場實時檢測程序負責數據的分析處理及結果的顯示保存，故建立基于對話框的應用程序，將相關后臺數據處理等過程封裝起來，這樣使用戶界面簡潔友好，更有利于用戶的操作。在用戶軟件的基本框架中，自動生成MFC程序框架中的2個基本類及1個自己創(chuàng)建的圖像處理類：

CCatenaryDetcetTrollyApp：接觸線檢測主應用程序類；

CCatenaryDetcetTrollyDlg：接觸網檢測對話框類；

Process：接觸網檢測圖像處理類。

在3個類中，又采用多進程、多線程編程技術、設立臨界區(qū)進行線程同步技術等等，以滿足接觸網幾何參數檢測，復雜的圖像采集、圖像處理、一次儀表數據采集、定位、同步、接觸網參數動畫顯示、存儲等功能要求。主要流程見圖5，分別有圖像采集流程、圖像解析流程、動畫顯示流程。

3 結束語

該研制小車在推行過程中始終根據鋼軌軌距、高差變化進行隨動跟隨，檢測基準面始終是鋼軌平面，排除了車輛姿態(tài)對檢測數據的精度影響，檢測出的靜態(tài)參數值可以仿真出曲線，使用戶能夠直觀了解現(xiàn)場狀況。該成果不但適用于鐵路，也可用于城市軌道交通，具有較高的實用性。

圖5 軟件流程圖