雙激光器火車側(cè)滾角圖像檢測方法

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(石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院, 河北石家莊050043)

隨著高鐵線路的不斷開通和列車行車速度的不斷提高，行車安全性與舒適性已經(jīng)成為人們關(guān)注的重點。列車行車過程中蛇形運動使得側(cè)擺幅度過大導致側(cè)滾角超標，不僅導致輪軌接觸點偏移，而且會造成輪對掉道和脫軌，因此實時監(jiān)測行車狀態(tài)保證輪軌間的密貼成為必不可少的要求。

Bosso等[1]就滾動輪對與軌道之間的接觸狀態(tài)進行研究，通過建立數(shù)值模型證明滾動圓半徑邊緣點的曲率對接觸點位移的影響關(guān)系；Sebesan等[2]為了研究側(cè)向位移、滾動等列車典型的蛇行運動，在考慮軌道踏面不規(guī)則因素的基礎(chǔ)上，建立了一種描述蛇行運動的數(shù)學模型，提出了一種失穩(wěn)臨界速度的計算方法；張聰敏[3]分析了側(cè)滾角、車輛橫向振動對車輛重心的影響， 用側(cè)滾角計算出車輛重心位置并判斷重心高度是否超標；任利惠等[4]就浮心高度和柔性系數(shù)對跨坐式單軌車傾覆能力的影響問題，利用車輛側(cè)傾方程推導出臨界側(cè)滾角并判斷側(cè)滾角與預(yù)設(shè)壓力之間的對應(yīng)關(guān)系，通過得到的臨界側(cè)滾角限制單軌車輛速度；王開云等[5]為了得到蛇形失穩(wěn)狀態(tài)下的輪軌接觸特性，研究了車輛處于非線性臨界速度時，輪軌接觸點、橫向位移和搖頭角量的變化；畢鑫等[6]采用動力仿真建立模型來討論關(guān)于抗側(cè)滾桿裝置的工作機理，分析了裝置對車體側(cè)滾剛度的影響，通過柔性系數(shù)和脫軌系數(shù)證明裝置的效度。上述文獻研究了列車側(cè)滾姿態(tài)對行車的影響，以及臨界側(cè)滾角的計算，但并沒有涉及實時監(jiān)測側(cè)滾角的應(yīng)用方法，然而鐵路網(wǎng)密集的分布使得在線檢測列車側(cè)滾角和車輛橫向移動成為巨大挑戰(zhàn)。

本文中提出一種實時監(jiān)測列車橫向位移狀態(tài)和側(cè)滾程度的檢測方法，研究目的主要是對輪對側(cè)滾角大小進行檢測，2組相機和激光器組合作為測量工具，通過圖像檢測2條軌道上激光點相對軌道邊緣位置移動來計算輪對滾動角的大小[7]。為了驗證該方法的可行性，本文中在轉(zhuǎn)向架上模擬車輛蛇形運動并收集數(shù)據(jù)，為防止車輛蛇形運動過程中因側(cè)滾過于嚴重而導致車輛脫軌或者輪對掉道提供了參考數(shù)據(jù)，對保證列車行車安全和提高行車質(zhì)量具有重大意義。

1 檢測系統(tǒng)的設(shè)計原理

列車在運行過程中，車輛制動、道岔通過不順利等原因使車輛產(chǎn)生蛇形運動，從而導致輪軌接觸點發(fā)生移動。車輛輪對踏面為錐形踏面，正常輪軌接觸點位置如圖1所示，a、b點為列車正常行駛狀態(tài)下滾動圓邊緣與鋼軌的接觸點。當轉(zhuǎn)向架存在蛇形運動時，左、右輪之間的接觸點也會同時移動，根據(jù)振動幅度不同將輪軌接觸狀態(tài)分為2種： 一種是橫擺振動幅度較小時， 輪對與軌面之間只是橫向滑動一定位移， 如圖1中從黑色正常輪軌接觸狀態(tài)移動至藍色狀態(tài)， 但輪對并沒有抬升一定角度； 另一種狀態(tài)是， 當輪軌間橫擺過于嚴重時， 就會產(chǎn)生圖中紅色輪對狀態(tài)， 輪軌間的接觸點就會由圖中左輪a點移動至a′點， 右輪向上抬升， 并且由b點移動至b′點。

當輪對橫向移動過于嚴重，出現(xiàn)單側(cè)輪對抬升時，輪對左、右接觸點處的滾動圓半徑會有所變化，輪對的軸線相對水平線會有一定角度的偏移，這個角度就是需要檢測的滾動角[8]，即圖中的側(cè)滾角φ。

a、b—左、右輪標準輪軌接觸點；a′、b′—左、右輪抬升后輪軌接觸點；φ—側(cè)滾角。圖1 橫移狀態(tài)下輪軌接觸點位置變化示意圖

轉(zhuǎn)向架和輪對之間是相對靜止的，將2個激光源安裝在轉(zhuǎn)向架的對稱位置， 且2個激光器之間的距離大小為軌距和單個軌腰寬度之和。為了保證激光器垂直照射軌道平面中心位置，2臺相機分別置于激光器同一平面的后方且鏡頭方向向激光器照射位置偏斜，具體安裝示意圖如圖2所示。

圖2 激光源和相機的安裝示意圖

要判別當前情況只是橫向移動還是存在側(cè)滾角，需要對比左右鋼軌激光點位移量是否相等，若相等則可以確定是整體橫移，反之為側(cè)滾姿態(tài)。分別將2種情況說明如下：

1)輪對相對軌道發(fā)生橫向移動時，轉(zhuǎn)向架、激光源和相機都是相對靜止的，以拍攝時刻軌道作為參照物，2個激光點在軌面的位置也會同時移動，如圖3所示，其中l(wèi)是標準狀態(tài)下激光點到軌頭邊緣的距離，即軌頭寬度的1/2，實驗中的60型鋼軌(60軌)軌頭寬度為73 mm，則l=36.5 mm。由于軌頭內(nèi)側(cè)邊緣存在磨耗，不足以作為參照邊，因此分別檢測激光點到左、右軌頭外側(cè)邊緣的距離ll與lr，且ll

l—軌頭寬度的1/2；ll、lr—左、右側(cè)激光點與外側(cè)軌邊的距離。圖3 車輛橫移激光點變化俯視示意圖

與lr的實際測量范圍不超過軌頭寬度73 mm，當左、右激光點位移量Δl近似相等時車輛存在橫向位移，且橫移大小Δl=ll-l≈lr-l。

2)當橫擺振動幅度較大時，左、右輪對的接觸點會發(fā)生移動，導致一側(cè)相對另一側(cè)有所抬升而產(chǎn)生側(cè)滾角，以右側(cè)抬升為例，如圖4(a)中所示。當右側(cè)抬升后激光點位置向右偏移，由于右側(cè)激光器抬升的弧度相對較大，因此右側(cè)激光點位移量大于左側(cè)位移量。為了得到更精確的側(cè)滾角，需要對比ll-l和lr-l的大小，數(shù)值大的一側(cè)抬升幅度較大，參與側(cè)滾角的計算準確性也較高，因此當左側(cè)抬升幅度較大時，激光點距軌面外側(cè)邊緣li取ll的值，反之右側(cè)時li取lr的值。通過相似三角形得到激光點位于軌面的側(cè)滾角φ的通用公式為

(1)

式中：h表示激光器的出射點距離軌面的高度；r表示2個激光點之間的距離(r=軌距+軌腰厚度，一般列車軌距為1 435 mm，不同型號鋼軌軌腰厚度不同，實驗中的60軌軌腰厚度為16.5 mm)。

3)當橫擺過大導致側(cè)滾角過大時， 激光點的位置也會從軌面移動至軌底坡位置， 如圖4(b)中右側(cè)激光點位置。 由于軌底邊緣不存在輪軌磨耗，因此在激光點照射位置改變后， 可以以同側(cè)軌底邊緣作為參考線檢測位移量。 左側(cè)軌面激光點到軌底邊緣的水平距離為Ll， 右側(cè)照射到軌底的激光點到軌底邊緣的距離為Lr，L為軌底寬度的1/2， 即L=75 mm；對比左、右位移量L-Ll和L-Lr，當L-Ll>L-Lr時，激光點距離軌底邊緣的水平距離Li=Ll；當L-Ll

(a)2個激光點同位于軌道平面

(b)1個激光點位于軌面、1個位于軌底坡l—軌頭寬度的1/2；ll、lr—左、右側(cè)激光點與外側(cè)軌邊的距離；r—2個激光點間的距離；φ—側(cè)滾角；h—激光器距軌面高度；H—激光器距軌底距離；hd—激光點距軌底距離；Ll、Lr—左、右側(cè)激光點距軌底邊水平距離；L—軌底寬度的1/2。圖4 車輛存在側(cè)滾角的2種狀態(tài)示意圖

(2)

式中：hd為軌底坡激光點到軌底的垂直距離；H為激光發(fā)射點到軌枕的垂向距離。以hd所在的水平線為測量基準線，照射到軌底坡的激光點距離出射點的垂直高度為H-hd。

2 軌面圖像激光點位移檢測

2.1 圖像校正

設(shè)備安裝過程中，將2個激光器安裝在的軌道正上方，形成的激光束正好垂直于軌道平面，2臺相機安裝在沿軌道方向2個激光器后方且相機鏡頭向激光器方向偏移，使得激光點能在任何位移波動情況下相機都能采集到激光點圖像，而鏡頭偏移使得圖像也相對產(chǎn)生梯形畸變，要檢測激光點的位移就需要對采集到的圖像進行畸變校正[9]，要求校正后的圖像軌面邊緣直線處于垂直狀態(tài)，畸形校正的具體流程如圖5所示。

圖5 圖像梯形校正流程

在校正的過程中先對原始圖像(圖6(a))進行灰度變換和直方圖均衡化處理，提高圖像對比度和清晰度，再利用Sobel算子對軌面進行水平和垂直方向的邊緣檢測， 從而降低邊緣的模糊程度[10]。 為了得到需要校正的直線， 則對圖像中的直線進行Radon直線檢測， 檢測角度范圍設(shè)置為0 ～179°， 經(jīng)過邊緣檢測的二維矩陣如圖6(b)所示， 其中的交叉點為峰值， 通過峰值得到圖像中的直線位置信息， 最后對圖像中的四連接點進行校正， 校正結(jié)果如圖6(c)所示。

為了進一步確定軌道邊緣直線在圖像中的位置信息， 需要對校正后的圖像進行直線檢測和邊緣細化， 最后檢測圖像中的激光點位置信息， 通過線與點的位置信息確定當前激光點相對軌道中心的位移量。

2.2 軌面圖像直線檢測

以軌道邊緣為參照直線，計算激光點相對該參照線的位移，先對圖像中的直線進行檢測。車載式的動態(tài)檢測使得拍攝環(huán)境更加復(fù)雜，由于采集的軌道圖像會存在較多噪聲點，因此為了減小噪聲對檢測結(jié)果的影響，本文中使用Hough變換進行軌道邊緣的直線檢測[11]，降噪的同時不易產(chǎn)生間斷線，最后對檢測出的直線進行細化以達到精確定位的目的。

采集的圖像中不僅存在軌道邊緣線，還有軌枕邊緣和扣件橫向短邊緣線，為了得到垂直方向的軌道邊緣，將直線檢測中的斜率進行相應(yīng)的范圍限制，以避免不必要的直線干擾激光點位移的檢測。Hough變換控制閾值檢測出軌道的直線有軌面2條邊緣線和軌底2條邊緣線[12]，檢測結(jié)果如圖7所示，其中軌面內(nèi)側(cè)邊緣線與輪對接觸產(chǎn)生摩擦消耗而不參與位置測量。

(a)原始圖像

(b)Radon算法直線檢測圖

(c)校正后的圖像圖6 圖像校正過程及結(jié)果

2.3 激光點測距

檢測出邊緣線后， 檢測圖像中的目標點到直線的距離，2個輪均以外側(cè)邊緣線為參考測量，當激光點在軌面時，只需要檢測激光點到軌面外邊緣的距離；當激光點移動到軌底坡時，檢測激光點到軌底邊緣的距離。校正后圖像是實物按照一定的比例縮小后的二維平面，要得到激光點到邊緣線的實際距離，首先要已知實驗中的軌頭寬度實際值，測量軌頭寬度在圖像中的距離[13]，軌頭寬度測量結(jié)果如圖8(a)所示。軌頭寬度實際值與測量值的比值固定，將激光點橫坐標與目標直線橫坐標做差得到測量距離，如圖8(b)中激光點坐標為(293，315)，像素為206，外側(cè)邊緣線x=302，檢測的激光點到軌道邊緣圖像距離為13，參照實際值與測量值的比例關(guān)系計算出實際位移量，再用以計算側(cè)滾角大小。

圖7 軌道邊緣直線檢測

實驗中通過測量60軌軌底坡的幾組數(shù)據(jù)擬合出軌底坡曲線[14]，具體擬合曲線如圖9所示(擬合得到的曲線方程為hd=-0.001 7x4+0.077 7x3-1.990 2x2+26.397 5x-111.249 4)， 再將檢測到的距離代入曲線方程得到軌底坡上激光點到軌底的垂直距離hd， 將求得的數(shù)據(jù)代入式(2)算出側(cè)滾角。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

本文中將提取橫向位移數(shù)據(jù)和側(cè)滾角的檢測數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)進行對比，當存在橫向位移時左、右輪對位移量近似相等；當存在側(cè)滾角時，2個位移量不同且用位移量較大的一側(cè)數(shù)據(jù)參與側(cè)滾角計算，因此本文中同時提取同一時刻2個輪對檢測數(shù)據(jù)，利用圖像檢測數(shù)據(jù)的大小與實際數(shù)據(jù)呈一定的比例這一特點進行計算。

3.1 存在橫向移動的數(shù)據(jù)檢測

判斷某一狀態(tài)是否存在橫向位移，首先將數(shù)據(jù)中的左、右鋼軌激光點距軌面邊緣的距離與軌面中心點到軌面邊緣的距離做差，li為左、右鋼軌激光點距離軌頭外緣線的距離，左、右輪差值近似相等表明該狀態(tài)下轉(zhuǎn)向架存在橫向位移，再將該狀態(tài)時刻的位移量用卡尺進行手動測量得到實測位移量，檢測位移與實測位移量的差值就是檢測誤差，提取某時間段內(nèi)6組的數(shù)據(jù)如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可知，由于輪軸之間是采用過盈配合的方式進行裝配，左、右輪對間的橫移量近似相等， 實驗條件下的鋼軌為60軌，軌頭長度為73 mm，檢測位移量為左、右輪位移量的平均值，其中“+”表示移動方向為右，“-”表示向左移動，橫向位移中激光點的位移量不超過軌面邊緣距離的1/2，檢測誤差控制在0.5 mm范圍內(nèi)，相對誤差控制在8%以內(nèi)。結(jié)果表明，該方法檢測車輛的橫向移動準確率較高，實用性能強。

(a)軌頭寬度圖像檢測距離

(b)軌底坡激光點距軌底邊緣距離圖8 軌面邊緣圖像距離檢測

hd—軌底坡激光點到軌底的垂直距離。圖9 軌底坡擬合曲線

表1 橫向位移圖像檢測誤差

3.2 側(cè)滾角數(shù)據(jù)檢測

側(cè)滾角檢測中車輛側(cè)滾導致左、 右軌面激光點位移量不同， 對比左、 右軌道激光點位移量的大小， 若兩者之差不近似等于0， 將較大值的一側(cè)激光點位移量用于檢測側(cè)滾角大小。 隨著側(cè)滾程度的加大， 激光點的位置會從軌面移動至軌底坡位置， 一旦越過軌底坡邊緣線將發(fā)出警報， 車輛將面臨掉道的危險。 實驗以60軌和右輪抬升造成的側(cè)滾角監(jiān)測數(shù)據(jù)為例， 經(jīng)過圖像檢測后的側(cè)滾角數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 側(cè)滾角圖像檢測數(shù)據(jù)

由表中數(shù)據(jù)可知， 激光點只有照射在軌底坡時才會存在hd的數(shù)值， 圖像檢測激光點與邊緣距離后， 將位移量帶入擬合方程得到hd。 由于鋼軌軌頭的存在， 使得激光線在照射到軌底坡內(nèi)側(cè)時會受到軌頭的影響， 因此激光點照射到軌面和軌底坡時存在一個過渡點， 該點處為軌面邊緣， 同時也是在軌底坡距軌底邊緣29.2 mm處， 該位置的側(cè)滾角為3.728°。經(jīng)試驗驗證，雙激光器檢測車輛的側(cè)滾角φ<6°，并與角度測量儀所測數(shù)據(jù)進行對比，誤差控制在0.2°的范圍內(nèi)，實驗結(jié)果證明本方法檢測車輛橫移和側(cè)滾狀態(tài)檢測精度高，魯棒性好，為今后測量計算車輛側(cè)滾角提供了參考。

4 結(jié)論

針對機車蛇形運動造成的車輛橫向移動和輪對單側(cè)提升的問題， 本文中提出了一種基于雙激光器的火車側(cè)滾角圖像檢測方法， 該方法將2個激光器分別垂直分布在軌道上方一定距離處， 通過2臺相機分別采集激光點鋼軌位置信息， 將車輛橫向移動和側(cè)滾角檢測轉(zhuǎn)化為2個激光點位置檢測， 并且用模擬轉(zhuǎn)向架實驗平臺模擬車輛的蛇形運動和部分圓周運動， 驗證了該方法的可行性。 實驗結(jié)果表明， 該方法在檢測車輛橫向位移和側(cè)滾角具有較高的精確度， 檢測設(shè)備成本低， 且可以有效防止輪軌接觸點偏移而導致車輛脫軌， 為列車安全運行提供可靠的保障。