多傳感軌道扣件檢測的數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

，，，

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620)

0 引言

近年來，城市軌道交通行業(yè)在全國各地迅速發(fā)展，許多二線城市正在申請(qǐng)或者建造地鐵，城市軌道交通的安全運(yùn)營越來越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。全國軌道交通安全事故也時(shí)有發(fā)生，其中，軌道扣件的缺失或松動(dòng)將會(huì)帶來非常巨大的安全隱患。軌道扣件是軌道系統(tǒng)中的重要組成部分，起到固定鋼軌、防止鋼軌縱向和橫向移動(dòng)、保持鋼軌間的軌距、保證軌道電路的正常工作等作用。在列車運(yùn)行過程中，軌道系統(tǒng)會(huì)受到強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊，有可能導(dǎo)致軌道扣件螺栓的松動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成扣件彈條的疲勞斷裂。如果軌道扣件失效，將會(huì)使鋼軌難以固定、改變?cè)熊壘?、引起鋼軌縱向和橫向的位移，有可能造成列車脫軌事故。因此，軌道扣件狀態(tài)檢測是保證軌道交通安全運(yùn)營的重中之重。

文獻(xiàn)[1-3]提出了基于線陣和面陣相機(jī)的缺陷狀態(tài)檢測系統(tǒng)，闡述了應(yīng)用線陣相機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)掃描獲取無冗余圖像的驅(qū)動(dòng)控制方法，并推導(dǎo)了采集頻率與圖像分辨率之間的約束關(guān)系；并介紹了基于反饋控制原理的參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)。文獻(xiàn)[4-5]介紹了基于單片機(jī)的線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，完成了CCD驅(qū)動(dòng)、信號(hào)采集以及計(jì)算機(jī)通訊等工作。文獻(xiàn)[6-8]介紹了多傳感數(shù)據(jù)采集技術(shù)，數(shù)據(jù)采集模塊利用 STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)慣性測量單元的數(shù)據(jù)采集; 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊完成了對(duì)多個(gè)慣性測量單元輸出的加速度、角速度和姿態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與自動(dòng)存儲(chǔ)。

然而，軌道扣件檢測的環(huán)境復(fù)雜，相機(jī)在拍攝過程中難免會(huì)因?yàn)榱熊嚨恼駝?dòng)而影響圖像拍攝的質(zhì)量，因此，還需對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行處理。針對(duì)上述問題，本文基于多傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了一種軌道扣件檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要通過線陣相機(jī)對(duì)軌道扣件狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。并采用慣性傳感器來獲取相機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)，通過慣性數(shù)據(jù)對(duì)所拍圖像進(jìn)行修正。實(shí)驗(yàn)證明，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠精確、穩(wěn)定地采集到各傳感器的同步數(shù)據(jù)，保證相機(jī)拍攝扣件圖像的質(zhì)量，為圖像振動(dòng)補(bǔ)償算法以及扣件識(shí)別算法提供原始數(shù)據(jù)，同時(shí)為軌道扣件檢測提供一種方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

軌道扣件檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為測量單元、控制單元和上位機(jī)系統(tǒng)三個(gè)部分。測量單元由多個(gè)傳感器組成：線陣相機(jī)、加速度計(jì)、傾角儀和陀螺儀。采用STM32F103C8T6作為主控芯片，負(fù)責(zé)控制各個(gè)傳感器的同步觸發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)系統(tǒng)由工控機(jī)組成，對(duì)接收的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示并且保存。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

采用線陣相機(jī)對(duì)軌道扣件進(jìn)行拍攝，橫向分辨率高。采用光電編碼器對(duì)相機(jī)和各傳感器進(jìn)行等間隔觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測量單元的同步采集。系統(tǒng)采用SPI總線協(xié)議、TCP/IP總線協(xié)議、以及RS422串口通信等實(shí)現(xiàn)各模塊之間的相互通信。

2 硬件系統(tǒng)

2.1 相機(jī)的選型

工業(yè)上使用的相機(jī)一般分為面陣和線陣相機(jī)，面陣相機(jī)橫向成像范圍較小，難以達(dá)到扣件檢測系統(tǒng)的要求。而且，軌道檢測車的速度一直處在變化中，如果使用固定的頻率進(jìn)行拍攝扣件，會(huì)產(chǎn)生漏拍或者拍攝圖像重復(fù)的情況，不僅檢測不準(zhǔn)而且大大降低了檢測的效率。線陣相機(jī)橫向分辨率高，能夠保證拍攝到鋼軌兩邊的扣件圖像。根據(jù)線陣相機(jī)的工作原理，采用線掃描的方式不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)的扣件圖像，使用相機(jī)的外觸發(fā)模式，保證圖片不會(huì)出現(xiàn)拉伸或壓縮，能夠大大提高采集和處理的效率以及節(jié)省存儲(chǔ)空間，所以本文選用線陣相機(jī)進(jìn)行拍攝。

在選擇線陣相機(jī)時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)參數(shù)：

2.1.1 分辨率

線陣相機(jī)的分辨率主要取決于芯片本身的結(jié)構(gòu)，包括像素個(gè)數(shù)、向遠(yuǎn)尺寸、像素密度等。拍攝的視場和圖像的精度要求決定了相機(jī)的分辨率，計(jì)算公式如下：

分辨率=拍攝視野/精度要求

(1)

潘得路扣件兩端距離為350 mm，扣件兩端軌枕預(yù)留150 mm距離，設(shè)計(jì)精度為0.6 mm，則相機(jī)所需要的分辨率為：

(2)

因此，選擇分辨率為2 k及以上的相機(jī)。

2.1.2 線掃描率

相機(jī)的線掃描率即相機(jī)每秒掃了多少行數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)的速度以及圖像的精度有關(guān)。系統(tǒng)的運(yùn)行速度為160 km/h，圖像的要求精度為0.6 mm，則相機(jī)先掃描率為：

(3)

相機(jī)的線掃描率選擇80 kHz及以上。

2.2 傳感器信號(hào)調(diào)理電路

加速度計(jì)與傾角儀輸出的是模擬電壓信號(hào)，模擬信號(hào)是連續(xù)的，必須將其轉(zhuǎn)換成能夠使用的數(shù)字信號(hào)，因此，還需要對(duì)慣性傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。傳感器輸出的電壓信號(hào)一般比較微弱而且與AD轉(zhuǎn)換的輸入范圍不匹配、一般會(huì)混有噪聲信號(hào)，易受到干擾，所以要對(duì)其輸出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。

2.2.1 電平調(diào)整電路

有源電平調(diào)整電路一般有常規(guī)放大電路和差分放大電路兩種形式。相比于常規(guī)的放大電路，差分放大電路的優(yōu)點(diǎn)是能夠抑制溫漂，也就是對(duì)共模信號(hào)的抑制作用，其原理如圖2所示。

圖2 差分放大電路

根據(jù)運(yùn)算放大器的“虛短”、“虛斷”能夠得到該差分放大電路的傳遞函數(shù)：

(4)

一般將R1和R2、R3和R4設(shè)置為相同的阻值，上式可以簡化為：

(5)

該電路能夠有效地放大差分信號(hào)，通過調(diào)節(jié)R1和R2的阻值能夠調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。

2.2.2 抗混疊濾波器設(shè)計(jì)

軌道扣件檢測系統(tǒng)中，慣性傳感器的噪聲信號(hào)一般是高頻信號(hào)，抗混疊濾波器選用巴特沃斯低通濾波器，能夠有效地濾除高頻噪聲。巴特沃斯濾波器在其通帶內(nèi)的幅頻特性曲線下降最為緩慢，且曲線最為平坦，沒有起伏，幅頻特性好，在阻帶內(nèi)逐漸緩慢地下降為零[9]。

根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，計(jì)算巴特沃斯低通濾波器的階數(shù)：

(6)

式中,αs為阻帶衰減幅度；αp為通帶衰減幅度；λs為歸一化后的阻帶起始頻率。

根據(jù)采集系統(tǒng)在鋼軌上的振動(dòng)特性，本文低通濾波器的截止頻率選為100 Hz，選用二階巴特沃斯低通濾波器。通過查表法可以得到二階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)，進(jìn)行反歸一化得：

(7)

式中,Ωc為截止角頻率；p為歸一化系數(shù)。

二階有源低通濾波器的電路結(jié)構(gòu)形式通常使用兩種：一種是壓控電壓源(Voltage Controlled Voltage Source，VCVS)型電路結(jié)構(gòu)，另一種是無限增益多路反饋(Multiple Feedback，MFB)型電路結(jié)構(gòu)。由于設(shè)計(jì)了電平調(diào)整電路，將濾波器的增益設(shè)為1。MFB型電路對(duì)元器件的參數(shù)靈敏度要求比較高，在對(duì)元器件進(jìn)行調(diào)整時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很大的變化，一般用于增益較高的情況。所以本文選用VCVS型電路結(jié)構(gòu)[10]。

圖3 VCVS型二階低通濾波電路

結(jié)合二階巴特沃斯低通濾波器傳遞函數(shù)和VCVS型電路結(jié)構(gòu)，可得：

(8)

(9)

(10)

(11)

在調(diào)理電路前端加一個(gè)電壓跟隨器，電壓跟隨器在調(diào)理電路中起到匹配阻抗的作用，作為中間級(jí)，它能夠“隔離”前后級(jí)的相互影響，能夠使得后級(jí)電路更好的工作。調(diào)理電路原理如圖4所示。

圖4 傳感器調(diào)理電路

2.3 同步觸發(fā)控制

線陣相機(jī)與面陣相機(jī)不同，線陣相機(jī)每觸發(fā)一次拍攝一行的圖像信息，不能形成一張完整的圖像，因此，線陣相機(jī)與其他傳感器的同步觸發(fā)是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)線陣相機(jī)的成像原理，可以通過設(shè)置其縱向的分辨率來確定線陣相機(jī)曝光N次成一張圖像。因此，可以在成一幀圖像的最后一次觸發(fā)時(shí)同步對(duì)慣性傳感器進(jìn)行同步觸發(fā)，數(shù)據(jù)同步顯示在采集軟件的界面上。

將光電編碼器的輸出接到STM32的TIM口，主控芯片捕獲到脈沖信號(hào)的上升沿對(duì)線陣相機(jī)進(jìn)行觸發(fā)并且計(jì)數(shù)器+1，當(dāng)計(jì)數(shù)器累計(jì)到線陣相機(jī)設(shè)置的分辨率N值時(shí)，控制芯片對(duì)慣性傳感器進(jìn)行觸發(fā)并且清空計(jì)數(shù)器。

圖5 同步觸發(fā)程序流程圖

3 軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)的采集軟件是在Windows系統(tǒng)環(huán)境下，采用Visual Studio 2017開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)保存界面。上位機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：1)參數(shù)的設(shè)置；2)數(shù)據(jù)的接收、解算和動(dòng)態(tài)顯示；3)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)保存。程序流程如圖6所示。

圖6 采集軟件程序流程圖

系統(tǒng)程序代碼的編寫是基于C#語言，它是一款面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，有易維護(hù)、質(zhì)量高、效率高、易擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。由于需要采集相機(jī)以及多個(gè)慣性傳感器的數(shù)據(jù)，所以采用模塊化的編程思想，易于程序的擴(kuò)展及維護(hù)。相機(jī)模塊的采集采用TCP/IP協(xié)議通信，首先要匹配相機(jī)與工控機(jī)的IP地址，相機(jī)廠家提供了Sapera LT開發(fā)者文檔，內(nèi)部提供一套圖像采集、顯示和控制的.Net軟件庫，開發(fā)者可以根據(jù)開發(fā)需要調(diào)用其中的庫函數(shù)。TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式為幀頭+IP數(shù)據(jù)包+幀尾，IP數(shù)據(jù)包包含IP頭部+TCP頭部+實(shí)際數(shù)據(jù)，通過解析數(shù)據(jù)包能夠獲得想要的實(shí)際數(shù)據(jù)。

慣性單元模塊采用串口通信，首先需要進(jìn)行串口的初始化，設(shè)置串口通信的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校檢等。打開串口后需要校檢數(shù)據(jù)包以及數(shù)據(jù)包的解算，解算代碼主要任務(wù)是將收到的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的數(shù)據(jù)。下面給出陀螺儀的解算代碼示例：

GX = (X_MSB * 256 * 256 + X_MB * 256 + X_LSB) / Math.Pow(2, 14);

GY = (Y_MSB * 256 * 256 + Y_MB * 256 + Y_LSB) / Math.Pow(2, 14);

GZ = (Z_MSB * 256 * 256 + Z_MB * 256 + Z_LSB) / Math.Pow(2, 14);

經(jīng)過解算，可以得到陀螺儀三個(gè)方向上的角速度值。將各傳感器解算得到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行動(dòng)態(tài)保存：

if(btnSave.Text == "關(guān)閉保存")

{

datastr = ("[roll:" + Roll + " " + "pitch:" + Pitch + " " + "yaw:" + Yaw + " " + "GX:" + GX + " " +"GY:" + GY + " " + "GZ:" + GZ + " " + "AX:" + AX + " " + "AY:" + AY+ " " + "AZ:" + AZ + " " +"temp:" + Temp + " " + "timestamp:" + Timestamp+ "] ");

byte[] buffer

= Encoding.Default.GetBytes(datastr);

fswrite.Write(buffer,0,buffer.length);

}

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行電平調(diào)整、濾除噪聲信號(hào)，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集起到重要的作用。通過信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦波模擬傳感器的輸出接到電路板的輸入端，電平調(diào)整模塊能夠?qū)㈦妷悍秶{(diào)整至預(yù)設(shè)的范圍，并通過低通濾波器的衰減后，能夠輸出連續(xù)、穩(wěn)定的信號(hào)。將輸入信號(hào)頻率設(shè)置為1000 Hz時(shí)，通過低通濾波器后，幾乎將高頻信號(hào)完全濾除。測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 調(diào)理電路板測試波形圖

由圖可知，該電路能夠準(zhǔn)確地對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行電平調(diào)整，通過低通濾波器濾除高頻噪聲，提高了傳感器輸出信號(hào)的信噪比和抗干擾能力，使系統(tǒng)能夠更加有效、穩(wěn)定地工作。

圖8為在實(shí)驗(yàn)室搭建的軌道扣件檢測系統(tǒng)硬件平臺(tái)，采集設(shè)備封裝于箱體中。推動(dòng)軌檢小車，光電編碼器同軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生脈沖信號(hào)觸發(fā)相機(jī)以及慣性傳感器采集數(shù)據(jù)。

圖8 數(shù)據(jù)采集設(shè)備系統(tǒng)

其中，STM32和陀螺儀采用串口通信的方式將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，通過串口轉(zhuǎn)USB接口連接到上位機(jī)，線陣相機(jī)通過千兆網(wǎng)接口與上位機(jī)連接。對(duì)連接好的系統(tǒng)進(jìn)行上電，打開數(shù)據(jù)采集上位機(jī)軟件，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行初始化。配置相機(jī)的參數(shù)，設(shè)置線陣相機(jī)的分辨率、曝光時(shí)間、行頻以及觸發(fā)方式等；設(shè)置串口通信的波特率、停止位、數(shù)據(jù)位等。設(shè)置好參數(shù)后，打開串口以及開啟相機(jī)的抓取模式，系統(tǒng)處于采集狀態(tài)。推動(dòng)檢測車，光電編碼器與車輪同軸旋轉(zhuǎn)，光電編碼器產(chǎn)生脈沖，觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行同步采集。圖片與慣性單元的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地顯示到采集軟件的界面上。點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)保存。線陣相機(jī)的圖片實(shí)時(shí)顯示在界面的上方；傾角儀的數(shù)據(jù)顯示在“數(shù)據(jù)顯示”欄的第一列，能夠得到滾轉(zhuǎn)角、俯仰角以及偏航角的數(shù)據(jù)；陀螺儀的數(shù)據(jù)顯示在第二列，顯示X、Y、Z三個(gè)方向的角速度；加速度計(jì)的數(shù)據(jù)顯示在第三列，顯示三個(gè)方向的加速度值。經(jīng)過測試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)時(shí)地顯示同步數(shù)據(jù)，為之后相機(jī)的振動(dòng)補(bǔ)償以及扣件狀態(tài)檢測打下了基礎(chǔ)。

陀螺儀的數(shù)據(jù)波形如圖9所示。

圖9 陀螺儀數(shù)據(jù)

圖中慣性傳感器的數(shù)據(jù)能夠反映出車體的振動(dòng)情況，對(duì)相機(jī)進(jìn)行的振動(dòng)補(bǔ)償分為平移補(bǔ)償和旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償，使得拍攝的圖像不產(chǎn)生畸變，提高獲取的圖像質(zhì)量。

圖10為上位機(jī)軟件，能夠進(jìn)行串口設(shè)置和相機(jī)相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，同步獲取、顯示相機(jī)拍攝的圖像以及慣性傳感器的數(shù)據(jù)。

圖10 數(shù)據(jù)采集軟件界面

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠同步獲取到相機(jī)和慣性傳感器的數(shù)據(jù)，獲得高質(zhì)量的扣件圖像，具有較強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種軌道扣件檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠精確采集到相機(jī)和慣性傳感器的同步數(shù)據(jù)。分析了線陣相機(jī)的成像原理，對(duì)相機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了選擇。設(shè)計(jì)了傳感器的抗混疊濾波器，研究了巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了傳感器的信號(hào)調(diào)理電路。編寫了上位機(jī)的采集軟件，實(shí)現(xiàn)了各傳感器的同步采集。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)能夠有效工作，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性。能夠精確地采集到各傳感器的同步數(shù)據(jù)，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。