基于視覺引導的接觸網支柱組立裝備系統研究

焦國棟

(中鐵建電氣化局集團第三工程有限公司 河北高碑店 074000)

1 背景

高速鐵路接觸網作為高速鐵路系統的“血管”，源源不斷地將電能通過列車的受電弓輸送給高速鐵路動力車組，使其高速運行。在鐵路修程修制改革的背景下，作為四電工程智能化施工的重要組成部分，目前國內接觸網自動化施工裝備智能化設備仍是一片空白，支柱組立、腕臂安裝等關鍵工序還是通過人工或者傳統簡易工程機械完成，存在施工效率低下、施工安全、質量無法保證等問題，已無法滿足“強基達標、提質增效”的高鐵新需求[1]。十三五期間全球科技創新進入空前密集活躍期，通過BIM、GIS、數字孿生、施工機器人、預制拼裝化、物聯網、人工智能、大數據、5G通信等技術與先進的工業制造技術相融合，進行工程仿真設計、工廠加工、精密測控、自動化安裝、動態監測和信息化管理等應用，正在為高鐵接觸網施工各領域的智能化發展點燃新引擎[2-3]。同時中國制造2025、交通強國、《中長期鐵路網規劃》等若干重大戰略的提出，十三五期間與鐵路智能建造密切相關的一系列關鍵技術發展迅猛[4-6]，國鐵集團印發《智能高速鐵路體系架構1.0》大力推行鐵路智能建造，接觸網智能建造是其重要組成部分，構建“智能、綠色、創新、融合”的接觸網智能建造技術體系勢在必行。近年來開通運營的京張高鐵、在建的新福廈高鐵，是我國智能鐵路最新成果的集成化應用，從此開啟了世界智能鐵路的先河，為初步形成智能鐵路應用格局奠定了基礎[7]。高速鐵路接觸網施工系列智能裝備的研發與應用成為轉變企業發展動力，實現從主要依靠資源和低成本勞動成本動力等要素投入轉向創新驅動，提升企業的競爭能力的轉變。

接觸網支柱組立裝備作為高速鐵路接觸網施工系列智能裝備重要組成部分，其設計應以標準化、通用化、自動化為目標，能夠適應高鐵接觸網的現場施工作業環境，能夠充分發揮其快速、精確對位的優勢，最大程度減小施工人員作業內容和作業強度，并能夠代替現有吊車吊裝H型鋼柱、施工人員手動對位的施工作業流程，同時應具備操作安全簡單、調試方便及較好的可維護性[8-10]。最后，能夠實時采集安裝過程中的相關數據并存儲記錄，從而與用戶BIM管理系統進行系統數據對接。該裝備于2020年7月成功投入到京雄城際鐵路施工中，證明了具有良好的經濟效益和社會效益。

2 總體架構及工作原理

2.1 總體架構

接觸網支柱組立裝備(見圖1)主要由基礎平臺、機械臂、立桿機械手、電控系統、液壓系統、管路系統等部分組成。該裝備可以實現接觸網H型支柱半自動安裝功能，其中在安裝環節運用自動方式，在抓取至放置階段采用半自動方式。使用該設備進行施工，降低了對工人專業水平要求，可以高效優質安全完成施工任務。在支柱組立過程中，該設備同時對相應的接觸網基礎、支柱組立的扭面斜率等數據進行記錄并存儲，實現信息化管理等工程化應用和工程建設質量的全生命周期閉環管理，實現高速鐵路工程施工、建設全過程的精細化、智能化、集成化管理，推進接觸網建造的全生命周期管理。

圖1 支柱組立裝備總體架構

2.2 工作原理

該裝備的核心部件是支柱組立機械臂，包括機械臂控制器、各關節比例閥(包括底盤回轉比例閥、大臂比例閥、小臂比例閥、伸縮比例閥、抓手上下移動比例閥、抓手上下俯仰比例閥、抓手左右俯仰比例閥、抓手旋轉比例閥)以及各關節油壓傳感器(泵壓力傳感器、回轉壓力傳感器、大臂壓力傳感器、小臂壓力傳感器、伸縮壓力傳感器、抓手上下壓力傳感器、抓手俯仰壓力傳感器1、抓手俯仰壓力傳感器2、抓手旋轉壓力傳感器)、遙控器(包含接收機)和上位工控機。機械臂控制器使用力士樂RC28-14控制器作為工作機構的主控制器(見圖2)。通訊方式采用CANopen總線通訊方式。控制器RC28-14獲取操作手柄和面板控制開關的控制指令，通過傳感器實時獲取工作機構位置信息，控制夾爪和油缸動作。

圖2 支柱組立機械臂液壓系統控制

該裝備系統控制主要包含機械臂運轉的兩種控制方式:手動控制和自動控制。其中手動控制又包含兩種模式:坐標控制模式和單關節控制模式。坐標控制模式主要實現機械臂的多關節聯動，保證其在三維坐標中精準運動；單關節控制主要實現機械臂各個關節的獨立運動，能夠保證機械臂在可達范圍內任意運動。自動控制主要根據實時反饋的視覺信息進行自主運動，使其到達誤差范圍內[11]。其工作流程見圖3。

圖3 支柱組立裝備工作流程

(1)自動安裝模式

該工作裝置的主要目的是通過工作機構把接觸網支柱從指定位置轉移到另一個指定位置。在整個過程中，通過圖像識別技術進行目標定位。事先約定，設置固定底座中位為定位坐標系的相對0位即(0，0，0)。設定立桿底座中心為運動坐標點。并提供所有螺絲孔及螺桿柱的坐標位置。圖4示意了固定底座、支柱及吊裝設備的工況位置。

圖4 自動對孔模式

對于自動安裝模式采取以下設計思路:當設備接收到自動立桿指令后，整機進行豎桿操作，并通過傾角傳感器保證支柱豎直。然后回轉機構以一定的旋轉速度從起始角度進行緩慢旋轉，當支柱XY平面的距離到固定座(0，0)距離由大變小，再從小變大時，保證兩者之間的距離最小。這時候機械臂底座，支柱，固定底座為一條直線，在這種情況下操作大臂和機械手靠近固定底座。兩者距離為:。當L＝0時，到達設定坐標，并調整機械手姿態，從而調整法蘭轉向，保證法蘭對孔需求。

(2)手動安裝模式

當圖像定位失效以后，為了進一步作業，可以通過工作機構安裝的傳感器進行引導定位。本裝置在每個工作機構都安裝了測量傳感器。在底盤安裝了雙軸傾角傳感器，在回轉馬達安裝回轉角度編碼器，在大臂，斗桿，挖斗安裝了傾角傳感器。通過每個機構的尺寸，本裝置可以建立自身的坐標系統。如回轉馬達編碼器數值a1，底盤傾角a2，大臂傾角a3，前后俯仰傾角a4，可以計算出夾爪的相對空間位置。如圖5所示，當工作機構需要進行X方向移動時，本裝置可根據當前傳感器知道回轉體距離夾爪的相對位置，計算出Y方向和Z方向的距離數值。從而通過回轉角度的編碼的改變計算出斗桿和大臂的變化量，保證Y軸和Z軸方向的不變。

圖5 手動對孔模式

3 視覺引導系統

視覺引導系統是支柱組立裝備的眼睛，在工作過程中引導作業車找到合適的安裝工位進行安裝。視覺引導系統采用雙工業相機作為引導工具[12-13]，配合支柱組立裝備完成支柱的精準對位，同時視覺引導系統具有測量功能，可對預安裝的底座進行測量分析，檢查底座的施工狀態。其主要功能包含:

(1)引導機械手運動到支柱抓取位置；

(2)標定支柱與安裝基礎之間相對位置；

(3)引導機械完成支柱裝配。

雙相機安裝在機械手法蘭盤處(見圖6)，該位置一方面在抓取支柱過程中要保證雙相機能夠看到支柱指定位置粘貼的靶標點，另一方面要保證在將抓取的支柱精確安置到預埋螺栓過程中能看到地面引導板，并能完成預埋螺栓及支柱法蘭孔的位置標定。

視覺引導靶標(見圖7)分為支柱組立靶標、基礎靶標和地面靶標三部分，支柱組立靶標粘貼在立桿底部法蘭上，基礎靶標放置在機場螺柱上，在標定過程放置立桿靶標和基礎靶標，標定結束后取走，裝配作業過程中使用地面靶標引導。

圖7 主要靶標結構形式

視覺引導系統采用攝影測量技術，布放機械手法蘭盤處的相機通過測量粘貼在工裝或標志板的三維坐標，得到機械手和地面目標的三維坐標。視覺引導機械臂將接觸網支柱轉運到接觸網基礎之上進行對位安裝。

4 接觸網支柱組立裝備關鍵技術

4.1 基于多傳感器的精準定位技術

一般情況下，鐵路以及城市軌交施工環境惡劣，外部條件往往并不理想。當處于峽谷、隧道、立交橋、多路徑誤差或衛星覆蓋范圍較差的地區時，北斗信號會丟失或減弱。本裝置采用多傳感器融合技術，根據北斗以及感知傳感器實時采集數據，實現對施工場景下桿基礎的精準定位，根據BIM系統相關數據從而實現支柱組立的機械化與智能化安裝；同時將該數據實時反饋給信息化系統可視化平臺，從而實現對支柱組立施工的實時統計、效率分析以及施工效果展示。

4.2 野外環境下基于視覺引導的高精度自主對位技術

接觸網施工作業環境為野外環境、晝夜施工、光照條件變化巨大。為實現智能化作業，采用視覺定位是最為可行的技術。然而受光照影響巨大，研究不同光照條件的基于視覺引導的工程機械精確控制是必須研究的內容。結合戶外使用條件，根據戶外光照條件自動調整曝光頻率、閃光燈頻率等參數，為支柱組立裝備實時提供精準的施工相對位置信息，從而實現支柱組立的全自動精確對位。

4.3 重載工程機械臂多自由度精確控制

不同于傳統的多軸機器人，H型鋼柱體積大，重量重，作業范圍大，作業設備重量受限，傳統多軸機器人無法滿足要求，需采用工程機械臂實現安裝。該機械臂采用伸縮臂以及多關節液壓驅動，存在關節結合處裝配精度差，關節本身剛性低等特點，因此末端位置無法通過傳統的DH矩陣法計算得到。該裝備控制系統(見圖8)通過建立特定指向坐標系，結合支柱組立的施工工藝流程以及工程機械臂的運動固定軌跡，對末端的有效軌跡進行分段規劃，進而把分段軌跡分解到各個關節，實現多個關節的協同組合運動，從而保證末端的運動精度在誤差允許范圍內，實現執行機構的精準控制。

圖8 支柱組立裝備智能控制系統應用框架

4.4 基于智能測量底座的支柱斜率精準調整

由于樁基礎和立柱需要在一定的傾斜角度范圍內，且樁基礎螺柱安裝比較粗略，需要不斷調平，因此樁基礎GPS數值信息采集不能保證在樁基礎正中心位置，存在一定差異。為了提高測量精度、縮短作業時間、減小人員工作強度、提高施工質量、保障施工的安全性，智能測量底座(見圖9)中心安裝了GPS信息采集儀，保證了GPS數值信息的實時性和精準性；在其內部安裝高精度傾角傳感器，實時采集平行于鐵軌側(X)和垂直于鐵軌側(Y)傾角信息，可依據實測值調整打底螺母至設計傾角斜率范圍內，保證了支柱組立后支柱斜率的準確性和安全性。

圖9 智能測量底座裝置

5 結束語

支柱組立智能裝備應用重型裝備研制的機械設計、集成設計、控制技術等關鍵技術，能有效降低施工人員的體力勞動強度，提高施工效率與質量，提升高速鐵路接觸網支柱組立的可靠性以及智能化程度。該裝備通過重載機械臂高精度控制、機器視覺自動引導、空間多維路徑規劃等新技術實現支柱組立自動化操作。通過智能底座實現對支柱地腳螺栓狀態檢測，導入支柱基礎位置信息和行車北斗信息，通過停車引導屏準確給出停車位置，實現精準作業，安裝偏差僅為3 mm，與傳統施工方法相比，每組立1根接觸網支柱人員減少1/3，綜合成本降低60%，而且安全操作性能大大優于傳統方法。該裝備的工程應用，填補該領域施工應用的空白，對智能高鐵建造推進具有重要意義。