基于雙目視覺的接觸線幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

潘雪濤，談少華，渠立山，張美鳳，蔡建文

(常州工學(xué)院光電工程學(xué)院，江蘇常州 213002)

電力機(jī)車接觸導(dǎo)線幾何參數(shù)主要是導(dǎo)線高度、拉出值、磨損創(chuàng)面寬度[1]。傳統(tǒng)的人工檢測以及檢測車檢測都存在著極大的局限性，危險(xiǎn)大、效率低，不能滿足實(shí)時(shí)檢測的需要。近年來，上海鐵路科研所、西南交通大學(xué)、大連交通大學(xué)的科研人員提出采用機(jī)器視覺技術(shù)，基于視差和光學(xué)三角原理[2]對(duì)接觸線進(jìn)行空間定位，從而得到拉出值、接觸線高度和磨損等參數(shù)。這些研究集中在測量原理、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)或接觸線圖像信號(hào)的采集與處理等方面[3～5]，而對(duì)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并沒有深入研究。但實(shí)際上雙目視覺測量系統(tǒng)不同的布站方式，不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，空間目標(biāo)的探測精度會(huì)隨之發(fā)生變化[6，7]。因此在設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)前，結(jié)合實(shí)際條件和設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的，也是十分必要的。

1 導(dǎo)線磨損面邊緣定位精度分析

1.1 導(dǎo)線磨損面邊緣空間坐標(biāo)表達(dá)式

如圖1所示，當(dāng)光源照射到磨損后的接觸線，磨損面與其他部分的光反射率存在明顯的梯度。由兩攝像機(jī)獲取視場內(nèi)導(dǎo)線圖像，利用圖像處理算法提取磨損面邊界點(diǎn)A和B的空間坐標(biāo)值后即可計(jì)算出導(dǎo)線幾何參數(shù)。因此幾何參數(shù)測量的關(guān)鍵是磨損面邊緣點(diǎn)的空間坐標(biāo)探測精度。

圖2為雙目立體視覺交匯測量原理圖。設(shè)兩攝像機(jī)光敏面尺寸均為2T，成像鏡頭Lens的焦距均為f，兩光敏面中心間距為2L，交匯仰角(即光軸與y軸夾角)均為 α(0＜ α＜ 90°)。若磨損面邊界點(diǎn) A(x，y)在攝像機(jī)上對(duì)應(yīng)成像點(diǎn)的坐標(biāo)值分別為x1、x2，則根據(jù)幾何關(guān)系可得其空間坐標(biāo)表達(dá)式如式(1)、(2)，同理可得 B 點(diǎn)坐標(biāo)值[6]。

圖1 磨損導(dǎo)線反射光強(qiáng)度曲線

圖2 雙目立體視覺交匯測量原理

1.2 空間目標(biāo)定位精度分析

1.2.1 坐標(biāo)測量的有效視場

被測點(diǎn)必須落在兩攝像機(jī)均能同時(shí)觀察到的區(qū)域，這一區(qū)域稱為有效視場。xoy平面中，在交匯測量的水平視場內(nèi)作一內(nèi)切圓，其半徑R表示有效視場的大小。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般根據(jù)測量對(duì)象的實(shí)際條件，先確定R、T、f，然后得到L和α的關(guān)系

1.2.2 坐標(biāo)測量誤差分析

由式(1)、(2)可知，邊界點(diǎn) A的坐標(biāo)值與 x1、x2、L、T、f、α5個(gè)參數(shù)有關(guān)，故坐標(biāo)測量誤差由這五個(gè)參數(shù)的測量誤差決定。根據(jù)誤差傳遞理論[8]，x坐標(biāo)測量誤差表示為

式中 ax1、ax2、a2L、af、aα為各誤差分量。由式(1)對(duì)各參數(shù)求偏導(dǎo)可得

同理可求得y坐標(biāo)測量誤差

式中 bx1、bx2、b2L、bf、bα為各誤差分量，具體表達(dá)式此處從略。

由上述表達(dá)式，利用MATLAB進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，可得坐標(biāo)測量精度與各參數(shù)的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 坐標(biāo)測量精度與各參數(shù)關(guān)系曲線

(1)有效視場內(nèi)每點(diǎn)的坐標(biāo)測量精度和該點(diǎn)成像位置有關(guān)，離基線(兩攝像機(jī)間的連線)較遠(yuǎn)的區(qū)域誤差值較大，離基線較近的區(qū)域誤差值較小，如圖3(a)所示。結(jié)合圖2分析可知，有效視場內(nèi)I區(qū)域的測量精度較差，而Ⅳ區(qū)域的測量精度較好。

(2)其他參數(shù)不變，像元間距越大，測量精度越低。保持?jǐn)z像機(jī)擺放姿態(tài)不變，焦距越小，有效視場越大，測量精度越低;焦距增大，測量精度變高。當(dāng)焦距大于20 mm，此時(shí)焦距變化對(duì)測量精度的影響已經(jīng)較小了。測量誤差與焦距關(guān)系如圖3(b)所示。故測量系統(tǒng)宜采用長焦鏡頭(一般應(yīng)大于25 mm)。

(3)其他參數(shù)不變，兩攝像機(jī)間距2L越大，有效視場越大，測量精度越低。測量誤差與攝像機(jī)間距L的關(guān)系如圖3(c)所示。

(4)其他參數(shù)不變時(shí)，攝像機(jī)仰角α越大，有效視場減小，x坐標(biāo)測量誤差增大、y坐標(biāo)測量誤差減小，但綜合誤差增大，測量精度降低;反之，α過小，有效視場增大，y坐標(biāo)測量誤差迅速增大，導(dǎo)致測量精度降低。坐標(biāo)測量誤差與α的關(guān)系如圖3(d)所示。測量系統(tǒng)的仰角應(yīng)當(dāng)在30°～70°選擇。

2 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過對(duì)坐標(biāo)測量誤差的理論分析和數(shù)值仿真可知，空間目標(biāo)探測精度會(huì)隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同發(fā)生變化，因此需要對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保達(dá)到測量要求。

2.1 接觸導(dǎo)線幾何參數(shù)測量實(shí)際條件及部分參數(shù)的選擇

電力接觸導(dǎo)線高度一般為5 650～6 200 mm，測量誤差±5 mm;拉出值一般為300 mm，測量誤差±2 mm;接觸導(dǎo)線直徑一般為10.19～14.40 mm，導(dǎo)線磨損創(chuàng)面寬度測量誤差±2 mm;需要將測量裝置安裝于列車車頂進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。

根據(jù)導(dǎo)線高度和拉出值變化范圍，選擇有效視場內(nèi)切圓的半徑R=350 mm;根據(jù)測量精度要求，選擇LIS1024高性能CMOS圖像傳感器，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)為1×1 024像素分辨率，像素尺寸 7.8 μm×125 μm，光敏面尺寸7.988 mm×125 μm，則T=3.994 mm，Δx1=Δx2=ΔT=0.007 8 mm，x1、x2在－3.994～3.994 mm 區(qū)間變化;攝像機(jī)鏡頭焦距為30 mm，Δf=0.03 mm;一般列車車體寬度為3 100 mm左右，考慮到加工、安裝調(diào)試方便，初步確定L≤1 450 mm(具體值由優(yōu)化設(shè)計(jì)給出)，Δ2L=0.1 mm，Δα=3″。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

結(jié)合測量要求以及部分參數(shù)的設(shè)置，給出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定條件:(1)有效視場范圍內(nèi)，綜合坐標(biāo)測量誤差 Δ的最大值為最小，且滿足要求(即 Δ≤2 mm);(2)L≤1 450 mm。流程見圖4、圖5。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)主程序流程

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)子程序流程

程序計(jì)算得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為α=36.1°，L=1 445.8 mm，此時(shí)有效視場內(nèi)各點(diǎn)坐標(biāo)測量誤差在1.009 4～1.962 1 mm范圍內(nèi)變化，滿足定位精度要求。因此測量系統(tǒng)機(jī)械加工參數(shù)為α=36.1°±3″，L=(1 445.8±0.1)mm。最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下各誤差分量數(shù)值范圍見表1。

表1 各誤差分量數(shù)值范圍

有效視場內(nèi)綜合誤差及誤差分量的分布曲線如圖6～圖8所示。

圖6 最優(yōu)結(jié)構(gòu)條件下有效視場內(nèi)坐標(biāo)測量綜合誤差分布曲線

2.4 測量裝置的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行樣機(jī)制作，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。這樣的結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)兩攝像機(jī)反向放置，前面各擺放1個(gè)平面反射鏡，這樣攝像機(jī)交匯仰角的調(diào)整只需調(diào)整反射鏡位置就可以了，大大減小了加工和安裝的難度;

(2)這種結(jié)構(gòu)增大了系統(tǒng)基線距，而系統(tǒng)的體積并不發(fā)生顯著變化，質(zhì)量更輕，便于固定。

圖7 最優(yōu)結(jié)構(gòu)條件下有效視場內(nèi)x坐標(biāo)各誤差分量分布曲線

圖8 最優(yōu)結(jié)構(gòu)條件下有效視場內(nèi)y坐標(biāo)各誤差分量分布曲線

圖9 基于雙目視覺的接觸線測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

(1)根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的參數(shù)制作樣機(jī)可以獲得更高的定位精度，有效視場內(nèi)離基線較遠(yuǎn)區(qū)域坐標(biāo)測量誤差較大，離基線較近的區(qū)域誤差較小，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)接觸導(dǎo)線的大致高度值合理安裝儀器，盡量使其處于測量精度較佳的區(qū)域。

(2)在5個(gè)誤差因素中，x1和x2對(duì)坐標(biāo)測量精度影響最大，其次是f，再其次是L，α影響最小。成像點(diǎn)位置誤差是隨機(jī)誤差，可通過選用高分辨率攝像機(jī)，或采用基于子像素的邊緣檢測技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行分析和處理，可有效減小像點(diǎn)的測量誤差。間距L、焦距f和角度α的值及其偏差值是已知的，屬于系統(tǒng)誤差。在實(shí)際測量中可通過高精度標(biāo)定最大限度的減小這些因素的影響。

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