基于機(jī)器視覺(jué)的車門鎖閉狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘭 英，陳建國(guó)，溫愛(ài)紅

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,四川成都 614007)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)外城市化進(jìn)程不斷提速，城市人口逐漸增加，為了解決城市人口出行問(wèn)題，必須大力發(fā)展公共交通[1]。而軌道交通作為公共交通的一種，具有運(yùn)輸能力大、準(zhǔn)時(shí)、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的關(guān)注，軌道交通車門的類型基本都是塞拉門，塞拉門的綜合性能突出，但其關(guān)門性能不穩(wěn)定也是行業(yè)內(nèi)需要解決的主要問(wèn)題之一，需要得到監(jiān)測(cè)和優(yōu)化。傳統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)不能直接檢測(cè)到塞拉門機(jī)械鎖閉機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，因此本文設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺(jué)的車門鎖閉狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其利用圖像傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車門開(kāi)關(guān)門過(guò)程中鎖閉機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)監(jiān)測(cè)絲桿上撞塊的位置判斷門是否處于關(guān)閉的狀態(tài)，具有不干涉塞拉門系統(tǒng)正常運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)能提升軌道車輛的安全性、可靠性以及智能化水平，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值[2-3]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

當(dāng)車門關(guān)閉時(shí)，控制器會(huì)給樹(shù)莓派發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)樹(shù)莓派控制圖像傳感器采集車門鎖閉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，拍攝撞塊和鎖銷的位置信息，通過(guò)圖像算法[4]和人工智能算法[5]的處理得出撞塊與鎖銷之間的角度，以此角度值的大小來(lái)判斷車門是否處于關(guān)緊狀態(tài)。系統(tǒng)將采集到的視頻和圖像信息通過(guò)4G傳輸方式發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，最終在PC端實(shí)現(xiàn)對(duì)車門鎖閉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。除此之外，還可以通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車門的狀態(tài)，長(zhǎng)期記錄車門鎖閉過(guò)程的視頻信息，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)故障規(guī)律，為車門檢修提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?；跈C(jī)器視覺(jué)的車門鎖閉狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板、圖像傳感器、LED光源、4G傳輸模塊以及連接線纜等[6]。樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板Raspberry Pi-3B通過(guò)板載的2個(gè)USB接口，分別驅(qū)動(dòng)圖像傳感器和4G傳輸模塊[7]。當(dāng)樹(shù)莓派接收到來(lái)自控制器的觸發(fā)信號(hào)后，開(kāi)始啟動(dòng)圖像傳感器進(jìn)行拍攝，拍攝完成之后利用內(nèi)置的圖像算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最后將處理結(jié)果和拍攝的視頻信息打包發(fā)送至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，在PC端或手機(jī)APP端實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)結(jié)果和車門鎖閉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)信息。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板Raspberry Pi-3B

綜合考慮各方面因素，系統(tǒng)選用樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板Raspberry Pi-3B作為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心控制器[8]。Raspberry Pi-3B主板采用Broadcom BCM2837芯片組，運(yùn)行頻率為1.2 GHz，64位四核ARM Cortex-A53，802.11 b/g/n無(wú)線局域網(wǎng)。除此之外，系統(tǒng)還具有豐富的外設(shè)，具有1 GB LPDDR2存儲(chǔ)器，MicroUSB連接器以及HDMI視頻/音頻連接器。該型號(hào)樹(shù)莓派的功耗非常低，僅2.5 W；尺寸小，非常適合嵌入到車門鎖閉機(jī)構(gòu)的內(nèi)部，滿足系統(tǒng)的性能和接口要求，樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板實(shí)物圖

2.2 圖像傳感器

由于車門鎖閉機(jī)構(gòu)所處環(huán)境比較陰暗，因此如何高清拍攝鎖閉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)成為研究的重點(diǎn)[9]。系統(tǒng)選用羅技Logitech提供的C270 免驅(qū)動(dòng)高清攝像頭，該款攝像頭自帶LED光源，當(dāng)啟動(dòng)攝像頭拍攝時(shí)，攝像頭周圍的LED光源就會(huì)亮起，該攝像頭模塊是通過(guò)USB接口與樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊[10-11]。視頻拍攝時(shí)分辨率高達(dá)1 280×720，進(jìn)行圖片拍攝時(shí)像素高達(dá)300萬(wàn)，完全滿足系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)要求。

2.3 4G傳輸模塊

4G模塊用于數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)監(jiān)測(cè)裝置收集到車門鎖閉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)視頻和圖像信息后，將其統(tǒng)一打包后一起發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)選用上海移動(dòng)提供的全網(wǎng)通4G傳輸模塊EC20CEFDG，由于該模塊沒(méi)有預(yù)留USB接口，因此需要通過(guò)外接電路的形式重新制作一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的USB接口與樹(shù)莓派連接，此模塊支持Linux系統(tǒng)，可運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的USB2.0協(xié)議棧。EC20CEFDG模塊的工作溫度在0～80 ℃之間，供電電壓采用標(biāo)準(zhǔn)的3.8 V，4G傳輸硬件電路圖如圖4所示。

圖4 4G傳輸電路圖

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的必要組成部分之一，系統(tǒng)程序利用C語(yǔ)言編寫(xiě)，編譯環(huán)境為Eclipse。系統(tǒng)運(yùn)行的是Linux內(nèi)核，運(yùn)用程序段主要編寫(xiě)了圖像傳感器驅(qū)動(dòng)程序、4G模塊傳輸程序、圖像算法程序等。系統(tǒng)接收到控制器發(fā)送的關(guān)門觸發(fā)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始驅(qū)動(dòng)圖像傳感器進(jìn)行拍攝，當(dāng)拍攝完成后，把拍攝的數(shù)據(jù)在樹(shù)莓派內(nèi)部運(yùn)用圖像算法進(jìn)行比對(duì)，最終得出車門鎖閉機(jī)構(gòu)是否關(guān)到位，再將視頻信息和數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)送到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于在PC端和手機(jī)APP端訪問(wèn)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，利用實(shí)際的軌道車門臺(tái)架作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用圖像傳感器實(shí)時(shí)采集車門鎖閉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)的圖像信息。測(cè)量示意圖如圖6所示。為了更加準(zhǔn)確地得到撞塊的位置信息，事先需要在撞塊和鎖銷上作上紅色標(biāo)記，并將角度尺貼在撞塊上，便于測(cè)量撞塊和鎖銷的角度值，示意圖如圖7所示。

圖6 測(cè)量示意圖

圖7 撞塊角度測(cè)量示意圖

當(dāng)系統(tǒng)接收到關(guān)門觸發(fā)信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)圖像傳感器對(duì)車門鎖閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行拍攝，當(dāng)車門處于關(guān)閉的狀態(tài)時(shí)，圖中兩個(gè)紅色標(biāo)記點(diǎn)處于同一位置。系統(tǒng)就是通過(guò)圖像算法比對(duì)兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位置來(lái)判斷車門是否處于關(guān)閉的狀態(tài)，首先在算法內(nèi)部設(shè)定一定的偏離閾值，當(dāng)兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)偏離的角度大于設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，車門未關(guān)緊。在設(shè)定好系統(tǒng)之后，分別人為制造幾種故障狀態(tài)，驗(yàn)證系統(tǒng)是否能及時(shí)檢測(cè)出故障。分別做如下測(cè)試：進(jìn)行正常開(kāi)關(guān)門操作，采集到的撞塊旋轉(zhuǎn)角度信息如圖8所示；人為用力關(guān)門，使撞塊回彈，此時(shí)采集到的撞塊旋轉(zhuǎn)角度信息如圖9所示；人為松動(dòng)撞塊，此時(shí)采集到的撞塊旋轉(zhuǎn)角度信息如圖10所示。

圖8 正常關(guān)門時(shí)，采集撞塊旋轉(zhuǎn)角度信息

圖9 關(guān)門力過(guò)大時(shí)，采集撞塊旋轉(zhuǎn)角度信息

圖10 撞塊松動(dòng)時(shí)，采集撞塊旋轉(zhuǎn)角度信息

由圖8可得，當(dāng)正常關(guān)門時(shí)，撞塊旋轉(zhuǎn)的角度為一個(gè)正常值，其在標(biāo)準(zhǔn)值上下波動(dòng)，且波動(dòng)幅度非常小，均沒(méi)有超過(guò)最大和最小閾值。

由圖9可得，當(dāng)關(guān)門力過(guò)大時(shí)，撞塊會(huì)出現(xiàn)回彈，此刻采集到的撞塊旋轉(zhuǎn)角度均小于標(biāo)準(zhǔn)值，在標(biāo)準(zhǔn)值和最小極值之間運(yùn)行。若超過(guò)設(shè)定的最小閾值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警提示車門沒(méi)有被關(guān)緊。

由圖10可得，當(dāng)撞塊被松動(dòng)后，采集到的撞塊旋轉(zhuǎn)角度都大于標(biāo)準(zhǔn)值，在標(biāo)準(zhǔn)值和最大極值之間運(yùn)行。若進(jìn)一步松動(dòng)撞塊，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，提示撞塊松動(dòng)，需要維修。

由上述3個(gè)實(shí)驗(yàn)可以得出，本文設(shè)計(jì)的基于機(jī)器視覺(jué)的車門鎖閉狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)車門鎖閉機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鎖閉機(jī)構(gòu)上撞塊的位置來(lái)判斷車門的狀態(tài)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，可推廣運(yùn)用到軌道車門的狀態(tài)監(jiān)測(cè)上。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于視覺(jué)技術(shù)的車門鎖閉狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其是將圖形處理技術(shù)和人工智能技術(shù)運(yùn)用到軌道交通車門監(jiān)測(cè)上。從視覺(jué)的角度實(shí)時(shí)觀察車門鎖閉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，利用人工智能算法處理鎖閉機(jī)構(gòu)上撞塊的位置信息，通過(guò)撞塊的位置信息來(lái)判斷車門是否處于關(guān)到位的狀態(tài)?；谝曈X(jué)技術(shù)的車門鎖閉狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有不直接與車門鎖閉機(jī)構(gòu)直接接觸，通過(guò)圖像信息等間接手段判斷車門的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，具有可靠性高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。