淺談跨座式單軌車受電弓滑板監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡洪錢　張連才

摘 要：隨著跨座式單軌技術(shù)的發(fā)展，提高單軌車輛的檢修技術(shù)有著不可否認(rèn)的必要性。文中給出了一種基于非接觸式自動掃描檢測的機(jī)器視覺系統(tǒng)，用于受電弓滑板磨耗監(jiān)測。通過機(jī)器視覺系統(tǒng)對跨座式單軌車的受電弓滑板進(jìn)行監(jiān)測，可以有效地提高受電弓滑板厚度的檢測精度和效率，并且降低檢修成本。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；跨座式單軌車；滑板磨耗檢測

中圖分類號：U232 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）04-0095-02

1 概述

重慶跨座式單軌車的受流系統(tǒng)與地鐵系統(tǒng)有所不同，其受電弓裝置安裝在車輛轉(zhuǎn)向架下方兩側(cè)面，供電接觸網(wǎng)是按正負(fù)極分開安裝的剛性接觸軌型式，二者的安裝配合精度要求十分高，對零部件的材質(zhì)和加工精度要求也很高。因此受電弓和接觸網(wǎng)都必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安裝和檢修，否則極易產(chǎn)生斷弓、刮弓、變形和弓網(wǎng)異常磨損等弓網(wǎng)事故。

在重慶輕軌二、三號線的運(yùn)營過程中，一副受電弓滑板由安裝到更換一般僅為1個月左右，滑板安裝時厚度12mm，更換時的厚度3.5mm，運(yùn)行里程約為1萬多公里。為保障運(yùn)營安全，需要工作人員在每次列檢過程中花大量時間找到每塊滑板的最薄點(diǎn)，并測量厚度以判斷是否達(dá)到更換條件，其弊端主要是造成檢車時間較長，且準(zhǔn)確度受人為因素影響較大。為此，需要研究一種精度高、效率高、可靠性高的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，可以更方便地跟蹤滑板的磨耗情況，制定滑板更換計(jì)劃，節(jié)省人工檢查時間，并能及時發(fā)現(xiàn)受電弓的運(yùn)行故障隱患，確保行車安全。本文研究機(jī)器視覺系統(tǒng)在跨座式單軌車受電弓滑板在線監(jiān)測中的應(yīng)用，能滿足和提高受電弓滑板厚度的檢測精度和效率，降低維護(hù)成本。

2 檢測原理

根據(jù)跨座式單軌車走行方式及受電弓裝置的特點(diǎn)，滑板磨耗情況主要通過安裝在特制的鋼軌道梁側(cè)面的多組激光線3D掃描相機(jī)對通過的受電弓滑板接觸面進(jìn)行高速掃描測量，傳感器通過高速掃描后可以得到多條滑板剖面的線輪廓，通過多個輪廓線擬合出滑板的接觸面形狀，然后與存儲在電腦里的標(biāo)準(zhǔn)輪廓做比較，得出磨耗值。鋼軌道梁安裝于車輛段內(nèi)，與標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)應(yīng)力PC梁對接，系統(tǒng)對通過的列車受電弓進(jìn)行逐一檢測。其檢測原理如圖1所示。

本系統(tǒng)采用了機(jī)器視覺系統(tǒng)來代替人的視覺功能對受電弓滑板進(jìn)行無接觸式測量，其關(guān)鍵部件為：圖像采集模塊（包括攝相機(jī)與鏡頭、照明光源和圖像采集板卡），信號控制模塊，計(jì)算機(jī)平臺，承載驅(qū)動模塊四個部分。由于機(jī)器視覺系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是精度和速度，所以需要圖像采集部分及時、準(zhǔn)確地提供清晰的圖像，才能在較短的時間內(nèi)得出正確的圖像處理結(jié)果。由此可知圖像采集部分的性能會直接影響整個機(jī)器視覺系統(tǒng)的性能。其采集過程可簡單描述為由在光源提供照明的條件下，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝受電弓滑板并將其轉(zhuǎn)化為圖像信號，然后通過圖像采集卡傳輸給圖像處理部分。圖像采集部分在機(jī)器視覺系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 圖像采集模塊設(shè)計(jì)

3.1 攝像機(jī)

機(jī)器視覺系統(tǒng)中一般采用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，通過鏡頭將被攝物體的圖像聚焦在光電傳感器上，使圖像信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦盘?，以利于?jì)算機(jī)處理。從掃描的類型來分，有線掃描和面掃描攝像機(jī)。線掃描相機(jī)具有靈敏度高，動態(tài)范圍大，性價比高，運(yùn)動平穩(wěn)，速度跟蹤精度高，拍攝高速運(yùn)動的物體時無需附加復(fù)雜的快門裝置就能實(shí)現(xiàn)無smear輸出等特點(diǎn)。目前，線掃描相機(jī)的分辨率已經(jīng)達(dá)到幾千，檢測速率也達(dá)到60楨/秒甚至更高，而面掃描相機(jī)一次只能拍攝一副圖像。由于面掃描相機(jī)的自身局限性，使其不適于動態(tài)目標(biāo)連續(xù)無遺漏的高精度檢測。因該系統(tǒng)在工作過程中采集對象的是在行駛中的列車受電弓，對采集到的圖像分辨率要求高，同時考慮到性價比，所以在設(shè)計(jì)中采用了數(shù)字式線掃描相機(jī)。

從攝像機(jī)輸出的顏色不同還可分為彩色攝像機(jī)和黑白攝像機(jī)，雖然彩色攝像機(jī)提供了更多的目標(biāo)信息，但正因?yàn)槿绱耍谔幚頃r需要更大的空間和更多的時間，而我們在檢測受電弓滑板時對采集到的色彩信息要求不高，所以使用黑白攝像機(jī)更能提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和高效性。

在選擇攝像機(jī)的型號時，應(yīng)注意根據(jù)受電弓滑板上需要處理的部分確定攝像機(jī)的安裝位置和角度，然后計(jì)算攝像機(jī)的取景范圍。某個方向上取景范圍的計(jì)算方式如下：

FOV=（Dp+Lv）3（1+Pa）

其中FOV是取景范圍，Dp是拍攝受電弓滑板在這個方向上的大小，Lv是在這個方向上滑板可能的移動，Pa是一個百分?jǐn)?shù)或分?jǐn)?shù)，是工程上為保證目標(biāo)圖像不會正好處在邊緣上而取的一個放大系數(shù)，一般取10%。還應(yīng)根據(jù)列車的運(yùn)行速度計(jì)算系統(tǒng)的掃描速度。其公式為：

Ts=Rs/Sp

其中Ts是掃描速度，Rs是空間分辨率，Sp是列車經(jīng)過攝像機(jī)時的速度。通常列車在車輛段內(nèi)以7Km/h的速度運(yùn)行，因此應(yīng)選擇曝光時間短，快門速度高的相機(jī)，盡量防止采集的圖像出現(xiàn)模糊拖尾現(xiàn)象。

3.2 鏡頭

鏡頭的使用會帶來各種信息失真，包括畸變、色差、彌散、照度不均等，要通過合理的選型，將失真程度控制在可接受范圍之內(nèi)。在選擇鏡頭時應(yīng)重點(diǎn)考慮其焦距、放大倍數(shù)、工作距離和景深、光圈調(diào)節(jié)范圍等，應(yīng)按照以下計(jì)算公式進(jìn)行選擇：

LE=Di-F=Mi·F

其中，Mi是放大倍數(shù)，F(xiàn)是焦距，LE是鏡頭范圍，Hi是像高，H0是物高，Di是像距，D0是物距。

3.3 照明光源

好的光源和打光方式可以突顯攝像機(jī)獲得的信息中包含的有效特征，降低進(jìn)入鏡頭的雜散光（噪聲）。光線的過明或過暗都會對有效信息的采集造成影響。由于要突顯的特征和工件與材料對光線吸收的不同，不同的應(yīng)用場合對光源及其顏色都有不同的要求。照明光源的選擇主要考慮光源種類和打光方式。

3.3.1 光源種類

目前機(jī)器視覺系統(tǒng)中，常見的光源種類有：LED光源，熒光燈，鹵素光源（鹵素?zé)?光纖傳輸）。三者的對比如表1所示。

目前機(jī)器視覺系統(tǒng)中普遍采用光源為LED光源。熒光燈由于亮度和穩(wěn)定性較LED光源差而逐漸被LED光源所替代。鹵素光源由鹵素?zé)艉凸饫w傳輸制成，由于亮度特別高，應(yīng)用于特定的場合。

3.3.2 打光方式

按攝像機(jī)和光源位置的不同，打光方式可分為前景光照射，背景光照射和同軸光照射。前景光照射是光源和攝像機(jī)位于被測對象的同側(cè)，可細(xì)分為頂部漫射和呈角度照射的方式。前景光照射的方式便于安裝，在應(yīng)用中多被采用。背景光照射是光源和攝像機(jī)位于被測對象的異側(cè)，可細(xì)分為背景光漫射和背景光平行照射。背光照射的方式有利于增強(qiáng)待測目標(biāo)邊緣的清晰度。同軸光照射屬于特殊的前景光照射，其方法是通過半透半反鏡形成垂直照射，適于具有高反及代反交替出現(xiàn)的平坦表面檢測。根據(jù)跨座式單軌車特點(diǎn)及車輛限界等因素，該套設(shè)備系統(tǒng)安裝于用于列車行駛的特制鋼軌道梁內(nèi)，使得光源位置的選擇具有很大的局限性，在設(shè)計(jì)中選擇了前景光照射的打光方式。

3.4 圖像采集卡

圖像采集卡是圖像采集部分和圖像處理部分的接口。由于圖像信號的傳輸需要很高的傳輸速度，通用的傳輸接口不能滿足要求，這是需要圖像采集卡的主要原因。在選擇圖像采集卡時，應(yīng)充分考慮攝像機(jī)的輸出信號格式、數(shù)據(jù)傳輸率以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。

由于受電弓檢測系統(tǒng)采集圖像數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)選用基于PXI-e總線的高傳輸速率1394B接口總線圖像采集卡。PXI-e總線是基于PCI-e總線技術(shù)發(fā)展起來的，PCI-e總線是一種點(diǎn)對點(diǎn)串行連接的設(shè)備連接方式，每一個PCI-e設(shè)備都擁有自己獨(dú)立的數(shù)據(jù)連接，各個設(shè)備之間并發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸互不影響。而1394B接口總線也比1394A接口總線的傳輸速率提高1倍，因此，采用PXI-e總線和1394B接口總線可有效解決檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸問題。

4 結(jié)語

隨著城市軌道交通迅猛發(fā)展及獨(dú)特的跨座式單軌車輛國產(chǎn)化技術(shù)的成熟，跨座式單軌已得到中國及其它國家部分城市的青睞，隨著跨座式單軌技術(shù)的推廣，提高單軌車輛的檢修技術(shù)有著不可否認(rèn)的必要性。研究受電弓滑板的無接觸式自動監(jiān)測不但能大大縮短單軌列車日常檢修時間，還能通過軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理，通過對受電弓滑板狀態(tài)變化進(jìn)行歷史分析，可以準(zhǔn)確把握受電弓滑板的更換時間，節(jié)省相應(yīng)的材料和人工支出，同時對列車安全運(yùn)行也起著重要的預(yù)警作用。該系統(tǒng)是基于機(jī)器視覺的自動監(jiān)測裝置，基于以上設(shè)計(jì)的其圖像采集模塊是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、高效性的前提。

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