基于機(jī)器視覺測量技術(shù)的地鐵站臺(tái)限界檢測儀設(shè)計(jì)*

何越磊 余佳磊 陳 猛 龔佩毅 湯友福

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,201620,上海;2.上海欣鐵機(jī)電科技有限公司,201100,上海//第一作者,教授)

地鐵站臺(tái)限界是在站臺(tái)范圍內(nèi)車輛運(yùn)行、停靠與旅客乘降安全所需要的空間尺寸[1]。目前，我國地鐵站臺(tái)限界檢測還是采用接觸式的測量方法，利用站臺(tái)尺、刻度尺、鉛錘和量桿等器具進(jìn)行測量[2]。該測量方法的測量誤差大、作業(yè)繁瑣復(fù)雜、效率低，不能滿足站臺(tái)限界測量和管理的需要。針對(duì)接觸式檢測暴露出的種種問題，近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)限界非接觸自動(dòng)檢測技術(shù)進(jìn)行了研究。例如:瑞士AMBERG公司的GRP 5000限界檢測小車?yán)眉す鉁y距方法實(shí)現(xiàn)隧道包括車站限界的快速連續(xù)檢測；英國的UPS-80限界檢測車和法國的MGV檢測車都是利用機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)全線包括站臺(tái)的限界檢測[3]。但是這些檢測裝置都是搭載在大型軌檢車上或是軌道走行設(shè)備上，運(yùn)輸及使用的便攜性較差，不能滿足隨走隨測的要求。

針對(duì)軌道交通站臺(tái)限界測量問題，研究了一種基于單目視覺和三角測量原理[4]的便攜式非接觸站臺(tái)限界檢測儀，將攝像機(jī)、傳感器等集成在便攜式多功能機(jī)械構(gòu)架上，放置在站臺(tái)邊緣，就可以實(shí)現(xiàn)站臺(tái)限界非接觸靜態(tài)測量。基于此，針對(duì)近景斜角大范圍測量技術(shù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵的標(biāo)定問題，提出了基于基準(zhǔn)點(diǎn)匹配的標(biāo)定方法完成檢測儀的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)限界檢測和超限的準(zhǔn)確判斷。

1 檢測儀整體方案設(shè)計(jì)

非接觸式站臺(tái)限界檢測儀構(gòu)架方案如圖1所示。選用畫幅滿足要求、整體尺寸較小的視覺傳感器實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集，并和激光發(fā)生器實(shí)現(xiàn)三角測量關(guān)系，達(dá)到被測站臺(tái)軌行區(qū)三維幾何關(guān)系的重建效果。同時(shí)為了解決設(shè)備的調(diào)平狀態(tài)，利用傾角傳感器搭載調(diào)平機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的水平調(diào)節(jié)，使整體結(jié)構(gòu)能夠保持相對(duì)水平狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備整體高效傳輸與數(shù)據(jù)處理能力，采用Gige Vision標(biāo)準(zhǔn)和RS-232通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)圖像信號(hào)和傾角信號(hào)的傳輸。結(jié)合圖像算法與數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)檢測儀的軟件，實(shí)現(xiàn)檢測儀的人機(jī)交互和超限報(bào)警。將檢測儀的各模塊集成在小型可拆卸的便攜式機(jī)械構(gòu)架中，利用統(tǒng)一電源模塊供電，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)作業(yè)。

圖1 檢測儀構(gòu)架方案設(shè)計(jì)

2 檢測儀的檢測原理

2.1 檢測原理

保證軌道有正確的幾何形位是車輛安全行駛的首要條件。通過捕捉兩股鋼軌圖像來確定線路中心線位置，站臺(tái)的邊緣以線路中心線和軌面為基準(zhǔn)來確定，有相對(duì)幾何尺寸要求，進(jìn)而保證軌行區(qū)的安全限界要求。站臺(tái)限界檢測儀利用三角測量原理，激光發(fā)生器在站臺(tái)層以一定傾斜角度照射在軌行區(qū)，由工業(yè)攝像機(jī)捕捉鋼軌斷面輪廓線圖像，并由傾角儀記錄水平角和俯仰角信息進(jìn)行角度補(bǔ)償。 利用圖像處理方法解析出軌頭輪廓線參數(shù)，通過匹配標(biāo)準(zhǔn)鋼軌軌頭輪廓線，求得軌距和左右軌高低，并確定鋼軌中心線和線路中心線位置，進(jìn)一步則可求得站臺(tái)邊緣距鋼軌頂面的高差和水平距離，這是與站臺(tái)限界相關(guān)的重要指標(biāo)。

2.2 測量參數(shù)指標(biāo)

地鐵車站橫斷面如圖2所示，站臺(tái)限界檢測儀主要檢測的參數(shù)指標(biāo)包括：

1) 軌距S,為兩股鋼軌頭部內(nèi)側(cè)軌頂面以下16 mm處兩作用邊之間的最小距離。

2) 左右軌高低η,為左右兩股鋼軌頂面的相對(duì)高差。

3) 站臺(tái)高度H,為站臺(tái)面至軌面高度。

4) 站臺(tái)距離W,為站臺(tái)邊緣至線路中心線距離(若遇站臺(tái)邊緣有橡膠條即W為橡膠條邊緣至線路中心線距離)。

圖2 地鐵站臺(tái)橫斷面示意圖

3 檢測儀機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

站臺(tái)限界檢測儀三維仿真設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。整機(jī)呈三角結(jié)構(gòu)，充分利用三角形三邊定理定位攝像機(jī)與激光器的工作距離,并將激光發(fā)生器、工業(yè)攝像機(jī)、傾角傳感器、電源模塊等集成在機(jī)盒內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)一體化；通過機(jī)械公差配合，采用可拆卸的方法，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的便攜性。整機(jī)具有水平調(diào)節(jié)功能,測量基準(zhǔn)唯一性,兼具防水、防摔、散熱和保護(hù)傳感器功能。

圖3 檢測儀三維仿真設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

4 檢測儀關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 近景斜角大范圍攝像機(jī)標(biāo)定模型

根據(jù)測量原理，整個(gè)檢測儀需要各傳感器之間工作距離盡可能小，而鋼軌與站臺(tái)位置相距較大，故需要建立一個(gè)近景斜角大范圍攝像機(jī)標(biāo)定模型，以解決檢測儀的標(biāo)定問題。如圖4所示，以標(biāo)定板左下角為標(biāo)定板的世界坐標(biāo)系xw、yw、zw，使標(biāo)定平面在世界坐標(biāo)系z(mì)w=0的平面上，并和激光器發(fā)射平面重合，利用攝像機(jī)拍攝標(biāo)定區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定，此時(shí)攝像機(jī)、鋼軌、激光器三者之間的三維幾何關(guān)系標(biāo)定在一個(gè)具有已知坐標(biāo)點(diǎn)的二維平面中，即可計(jì)算出線路中心線的坐標(biāo)參數(shù)值。

圖4 攝像機(jī)標(biāo)定模型

對(duì)于近景斜角大范圍拍照測量的檢測儀來說，鏡頭成像的畸變較大，使圖片上每點(diǎn)的像素當(dāng)量都不相同，因此很難直接用數(shù)學(xué)模型來求解標(biāo)定參數(shù)。因此,設(shè)計(jì)了一套基于基準(zhǔn)點(diǎn)匹配的方法來實(shí)現(xiàn)近景大范圍拍照測量的標(biāo)定。通過攝像機(jī)拍攝具有已知坐標(biāo)距離的大型多陣列圓標(biāo)定板，進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)的提取與匹配，完成檢測儀的定標(biāo)，檢測儀標(biāo)定流程如圖5所示。

基準(zhǔn)圓點(diǎn)提取的精確性直接影響檢測儀的標(biāo)定精度，因此是檢測儀標(biāo)定最重要的一步。對(duì)于橢圓形圖像中心的提取，目前大多數(shù)采用橢圓參數(shù)擬合的方法[5-6]，或者是利用橢圓的邊界信息尋找橢圓的公切線進(jìn)行中心點(diǎn)的提取;但對(duì)于多陣列圓的標(biāo)定板，其標(biāo)定范圍廣、光照不均勻，再加上鏡頭畸變的影響，利用這些方法很難直接提取出橢圓的中心像素點(diǎn)。針對(duì)檢測儀的標(biāo)定提出利用區(qū)域生長重心法提取基準(zhǔn)點(diǎn)，將區(qū)域生長法和灰度重心法相結(jié)合，通過粗定位尋找每個(gè)基準(zhǔn)圓的種子點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域生長。若n為基準(zhǔn)圓區(qū)域內(nèi)所有滿足生長準(zhǔn)則的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，T為所選取的灰度閾值，f(x,y)為基準(zhǔn)圓區(qū)域內(nèi)某一種子點(diǎn)鄰域像素的灰度值，當(dāng)：

圖5 檢測儀標(biāo)定流程

像素點(diǎn)拒絕進(jìn)入生長區(qū)域，完成區(qū)域分割。然后利用灰度重心法提取生長區(qū)域的重心作為基準(zhǔn)點(diǎn)，若u0、v0為所求基準(zhǔn)點(diǎn)重心坐標(biāo)，則：

通過遍歷所有基準(zhǔn)點(diǎn)，達(dá)到對(duì)大型多陣列圓標(biāo)定板上基準(zhǔn)點(diǎn)的提取。

4.2 檢測儀參數(shù)計(jì)算模型

檢測儀標(biāo)定完成并通過圖像處理算法解析出目標(biāo)曲線，捕捉到各像素點(diǎn)坐標(biāo)，檢驗(yàn)儀標(biāo)定好之后需要對(duì)站臺(tái)限界幾何關(guān)系參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型如圖6所示。

1) 將所測圖像匹配在已標(biāo)定的x、y二維平面坐標(biāo)中，由于鋼軌下顎端點(diǎn)不產(chǎn)生磨耗,因此檢測的基準(zhǔn)就以左軌內(nèi)側(cè)下顎端點(diǎn)A和右軌外側(cè)下顎端點(diǎn)A1為不變的基準(zhǔn)點(diǎn)，通過B和B1點(diǎn)計(jì)算側(cè)邊斜率，使其與定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)鋼軌軌頭下顎兩端點(diǎn)重合，重合點(diǎn)即為A、A′、A1、A1′。

3) 沿鋼軌中心線OP、O1P1，在中心線O點(diǎn)向下16 mm處取C、C1點(diǎn)，通過C點(diǎn)垂直于鋼軌中心線作直線交鋼軌側(cè)面于D、D1點(diǎn)，并根據(jù)軌頭寬度計(jì)算出D2點(diǎn)，利用二維平面兩點(diǎn)距離公式則S=DD2。

4) 根據(jù)地鐵站臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)限界定標(biāo)原理，分別換算出站臺(tái)邊緣(橡膠條邊緣)距軌道中心線距離W，站臺(tái)面距鋼軌頂面距離H。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)檢測儀的測量誤差、精度以及使用性能，選取某地鐵車站的下行車站25個(gè)站臺(tái)門進(jìn)行測量。由于地鐵站臺(tái)邊緣都安裝有橡膠條，所以現(xiàn)場做測試的站臺(tái)距離為軌道中心線至橡膠條邊緣的距離。站臺(tái)限界檢測儀與軌道尺(精度±0.5 mm、站臺(tái)尺(精度±1 mm)采集同一橫斷面的各點(diǎn)數(shù)據(jù)作對(duì)比，其軌距、站臺(tái)距離和站臺(tái)高度的測量值及誤差分析如圖7所示。

c) 站臺(tái)高度測量值及誤差分析

圖7 軌距、站臺(tái)距離和站臺(tái)高度測量值及誤差分析