鐵路接觸網(wǎng)巡檢無人車自動定位系統(tǒng)研究

朱家誠，吳 彬，吳焱明，馬開峰

（合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

鐵路接觸網(wǎng)沿鐵路線上空布置，為電力機車提供動力，對鐵路正常運行起著關(guān)鍵作用。隨著我國電氣化鐵路的快速發(fā)展，鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)可靠性，穩(wěn)定性顯得尤為重要[1]。所以鐵路接觸網(wǎng)的定期檢測維護工作也必不可少，目前國內(nèi)主要檢測方式有兩種。

（1）人力車梯檢修，需配置七至八人，攜帶檢測設(shè)備，沿著鐵路線對鐵路接觸網(wǎng)逐一檢測。耗時又費力，惡劣的環(huán)境下檢修，作業(yè)人員也存在安全隱患。

（2）使用燃油大型檢修作業(yè)車來完成接觸網(wǎng)的檢測，燃油檢修車必須從車站出發(fā)，不能從鐵路中段上鐵軌，緊急故障處理不便利，且不符合可持續(xù)發(fā)展理念[2]。

我們受上海鐵路局合肥供電段委托，已經(jīng)研制了一種自行式電氣化鐵路接觸網(wǎng)檢修車梯[3]。使用該車梯作業(yè)效率較大提高，可減少多名檢修作業(yè)人員，同時能夠減輕作業(yè)人員的勞動強度，目前已經(jīng)有多臺在試用。

考慮到自行式車梯巡檢過程單調(diào)，重復(fù)性強，檢測設(shè)備也是專業(yè)設(shè)備。所以原有的自行式車梯的基礎(chǔ)上研制一臺具備自動定位功能的無人車，在接觸網(wǎng)立柱位置自動停車，利用車上搭載的檢測設(shè)備，實現(xiàn)接觸網(wǎng)檢測。很大程度上節(jié)約了勞動力，對鐵路接觸網(wǎng)檢測和維護作業(yè)的發(fā)展有著重要的發(fā)展意義和經(jīng)濟意義。

2 系統(tǒng)組成

無人車基本組成包括機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其機械結(jié)構(gòu)主要組成是底盤，車身機構(gòu)和工作平臺，其整體機械結(jié)構(gòu)可拆卸，易組裝。其控制系統(tǒng)以工控機為上位機，PLC為下位機，上位機及下位機軟件程序都采用模塊化設(shè)計。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。硬件主要包括嵌入式工控機[4]、PLC、直流伺服電機及其驅(qū)動器、無線遙控器以及接收器、工業(yè)相機等。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure Diagram of Control System

無人車的動力源為一個48V30Ah的可充電鋰電池。從性能要求以及工作環(huán)境選擇直流伺服電機作為無人車的執(zhí)行機構(gòu)，選擇ARK-1550嵌入式工控機作為控制系統(tǒng)上位機。從輸入輸出I/O點數(shù)，性能要求，成本，可靠性以及或留有富余量等角度考慮，選擇歐姆龍CP1H系列PLC[5]。選擇?？低暤墓I(yè)相機，其用戶開發(fā)環(huán)境開放，其性能也滿足需求。以PLC為下位機的主要內(nèi)容包括：

（1）伺服驅(qū)動模塊?？梢允謩涌刂齐姍C按設(shè)定速度和設(shè)定位置運動。在手動調(diào)整過程中可以檢測執(zhí)行機構(gòu)精度，對機械部件進行調(diào)整。

（2）通訊模塊。包括發(fā)送和接收兩個功能塊，主要是將運動部件的動作信息發(fā)送到上位機，接收上位機傳送過來的運動指令，從而實現(xiàn)上位機對下位機的控制。

（3）故障報警及處理模塊。無人車在鐵軌出現(xiàn)遇到故障致使電機異常時，報警信號由PLC傳至上位機。上位機通過GPS模塊將無人車的位置信息通過短信功能發(fā)送到工作人員。工作人員及時前去處理。

（4）無線遙控器模塊。無線遙控器接收器信號直接接到PLC的輸入，無線遙控器可以直接通過PLC向電機發(fā)送指令，實現(xiàn)電機的快進、快退、點進、點退等。

以工控機為上位機的控制系統(tǒng)主要內(nèi)容包括：

①人機界面模塊。主要包括手動調(diào)整界面和自動運行界面。人機界面可以對無人車的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，有利于調(diào)試和實驗。

②串口通訊模塊。選擇通訊方式，按照定制的通訊協(xié)議，實現(xiàn)上位機和下位機間命令、狀態(tài)和信息的傳遞[6]。在系統(tǒng)運行過程中，上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)交換頻率高，所以通訊逾時對系統(tǒng)運行效率有著重要影響，在保證正常通訊的條件下，提高通訊波特率，可減小通訊逾時。

③拍照模塊。實現(xiàn)上位機對工業(yè)相機的控制?？赏ㄟ^上位機命令設(shè)置相機拍照模式，包括初始化、連續(xù)拍照、拍照間隔時間、停止拍照、自動存儲圖片、自動打開圖片等。

④圖像識別模塊。研制了一套圖像識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了灰度化、二值化、邊緣檢測、Hough變換等多種算法。對工業(yè)相機采集的圖片進行圖像特處理，并將圖像處理結(jié)果的信號轉(zhuǎn)換為上位機命令。

3 圖像識別

無人車的自動定位是以圖像識別模塊來實現(xiàn)的。圖像識別系統(tǒng)主要是對工業(yè)相機采集的照片做圖像處理。圖像識別系統(tǒng)目的就是要識別出來接觸網(wǎng)立柱的特征。

鐵路接觸網(wǎng)立柱的直線特征明顯，針對直線特征的檢測，可利用Hough變換原理來實現(xiàn)接觸網(wǎng)立柱特征識別。

Hough變換的基本原理：就是平面坐標系和參數(shù)坐標系的一個轉(zhuǎn)換。Hough變換原理[7]，如圖2所示。

圖2 Hough變換原理圖Fig.2 Principium Chart of Hough Transform

假設(shè)在x-y平面坐標系上有直線方程：

該直線上有點：

所以平面坐標系的三個點對應(yīng)著參數(shù)坐標系里的三條曲線。在ρ-θ參數(shù)坐標系中，曲線②③④都過點（ρ，θ），且直線①上的每一個點對應(yīng)的曲線都經(jīng)過該點。因此對邊緣檢測后的圖像，對其每一個非零像素點，在參數(shù)坐標下變換成一條曲線，那么平面坐標系中屬于同一條直線上的點在參數(shù)坐標系中形成多條曲線并相交于一點。因此可用Hough變換原理進行直線檢測[8]。

Hough變換算法測試的結(jié)果，如圖3所示。原圖中直線m，n，h和一個圓，按照圖像識別流程，最后經(jīng)過Hough變換處理得到其變換矩陣以及其變換結(jié)果。變換矩陣所展示的參數(shù)坐標系中有a，b，c三個累加點分別對應(yīng)m，n，h三條直線。變換結(jié)果則是成功提取出三條直線特征。

圖3 直線檢測結(jié)果Fig.3 Result of Straight Line Detection

在進行直線檢測過程中，可先對原始圖像進行灰度化、二值化的處理，然后對二值圖像做圖像腐蝕處理，圖像腐蝕后進行邊緣檢測，最后Hough變換的過程則是將邊緣檢測后的圖像上的直線特征提取出來。圖像識別系統(tǒng)里圖像處理的主要流程，如圖4所示。

圖4 圖像識別流程圖Fig．4 Picture of Image Recognition Process

由工業(yè)相機直接采集的圖片為彩色圖像，像素為寬度1920*高度1080。其圖像格式為RGB，其每一個像素點的區(qū)間為（0，0，0）～（255，255，255）。經(jīng)過灰度化處理以后，彩色圖像變成8位的灰度圖像，即黑白圖像，由黑到白，其顏色深度由灰度值決定，其灰度值范圍是（0～255）?；叶葓D像經(jīng)過二值化處理，則變成一個二值灰度圖像，只有黑和白，其像素值為0或1。對二值圖像進行圖像腐蝕處理不僅可以消除沒有意義的邊界點，還可以收縮邊界，有利于對圖像中直線特征的分析與識別。

4 自動定位方法研究

自動定位的關(guān)鍵在于：如何通過從圖像中接觸網(wǎng)立柱的位置信息來判斷無人車實際與接觸網(wǎng)立柱之間的距離。為此，設(shè)計實驗研究定位算法。實驗中工業(yè)相機采集接觸網(wǎng)立柱特征的圖像模型，如圖5所示。

圖5 拍照模型Fig．5 Model of Taking Photo

工業(yè)照相機安裝在無人車底盤上，相機安裝角度β可以調(diào)整，以接觸網(wǎng)立柱Q為目標位置，d是鐵路距離立柱的橫向垂直距離，可以測得d等于3050mm。S則是相機距離接觸網(wǎng)立柱的縱向直線距離。實驗過程中，選定一個角度β，沿鐵軌推動底盤改變S進行圖像采集拍照。將獲得的多組照片，通過軟件測量出圖像中接觸網(wǎng)立柱位置的橫坐標x，其單位為像素，記錄距離S和橫坐標x。依次設(shè)置角度β等于30°，45°，60°，獲得多組數(shù)據(jù)。

統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)，繪制出x-S曲線圖，如圖6所示。

圖6 橫坐標-距離曲線Fig．6 Abscissa-Distance Curve

通過擬合的曲線方程，得到數(shù)學方程式為：

式中：S0，A1，x0—常數(shù)。

由圖6可發(fā)現(xiàn)角度發(fā)生改變以后，曲線基本特征不變，所以對應(yīng)的數(shù)學方程式不變，只是方程參數(shù)發(fā)生變化。

自動定位流程設(shè)計，如圖7所示。自動運行啟動后，無人車開始加速直至勻速前行，拍照系統(tǒng)啟動，工業(yè)相機開始間隔采集圖像，圖像識別系統(tǒng)進行圖像處理，識別特征。當檢測到接觸網(wǎng)立柱特征，無人車開始減速，并通過提取圖像中接觸網(wǎng)立柱的位置信息，由上位機算法計算接觸網(wǎng)立柱與無人車的實際距離S。逐漸靠近接觸網(wǎng)立柱位置，速度越來越小，誤差逐漸減小，S逐漸也減小，直至S小于設(shè)定誤差δ，無人車停車。

圖7 自動運行流程圖Fig．7 Automatic Location Flowchart

5 定位測試

在鐵路天窗期，對無人車進行了定位測試，工業(yè)相機安裝角度為45°，因此軟件設(shè)計中使用的橫坐標-距離數(shù)學關(guān)系式為：

鐵路接觸網(wǎng)立柱之間的距離大約為50m，在自動運行過程中，當系統(tǒng)檢測到立柱特征時，減速信號來臨，無人車開始減速，其減速曲線，如圖8所示。由圖8可知，當S=10m位置，按S型曲線減速行駛。當S＜5m時，其運動規(guī)律則是減速（A）和勻速相間（B），直至 S＜0．6m，保持 v=20mm/s低速前行，直至 S＜=30mm，無人車停車。

圖8 減速曲線Fig．8 Deceleration Curve

圖9 圖像識別手調(diào)界面Fig．9 Manual Operation Interface of Image Recognition

圖像識別系統(tǒng)手調(diào)界面，如圖9所示。圖9中A為接觸網(wǎng)立柱原圖，該圖是在鐵路現(xiàn)場定位測試過程中所采集的一張照片。圖9中B則是經(jīng)過圖像處理之后的結(jié)果，能夠提取出其直線特征?，F(xiàn)場定位測試結(jié)果表明：圖像識別能夠提取接觸網(wǎng)立柱直線特征，實驗得到的橫坐標-距離關(guān)系式可靠，無人車自動減速至停車的過程平穩(wěn)，且能夠定位到接觸網(wǎng)立柱位置，基本符合預(yù)期要求。

6 結(jié)語

通過上位機的軟件設(shè)計，以及PLC程序設(shè)計，鐵路接觸網(wǎng)巡檢無人車自動定位系統(tǒng)已初步研究完成，其控制系統(tǒng)以工控機為核心，利用工業(yè)相機采集接觸網(wǎng)立柱的照片，利用圖像識別檢測接觸網(wǎng)立柱特征，并實現(xiàn)定位至接觸網(wǎng)立柱位置。目前鐵路接觸網(wǎng)巡檢無人車現(xiàn)場的初步調(diào)試已完成。

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