列車輪對(duì)內(nèi)側(cè)距光學(xué)快速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

肖立明,方 宇,胡定玉,黃建坊

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海 201620；2.廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361021)

0 引言

隨著軌道交通的蓬勃發(fā)展，城市的運(yùn)營列車數(shù)量迅速增加。這明顯加劇了列車的維護(hù)任務(wù)，使列車輪對(duì)內(nèi)側(cè)距的測(cè)量投入的人工成本日益增加、對(duì)測(cè)量設(shè)備的便攜性及測(cè)量速度要求也有所提高[1-2]。

對(duì)列車輪對(duì)系統(tǒng)的各種尺寸及時(shí)測(cè)量是列車日常檢修的必要工作。目前，對(duì)輪對(duì)內(nèi)側(cè)距的測(cè)量方法主要有3種：人工卡尺測(cè)量、人工非接觸激光設(shè)備測(cè)量、安裝在地面的自動(dòng)測(cè)量儀器測(cè)量。人工卡尺測(cè)量是基本的測(cè)量方式，測(cè)量操作比較繁瑣，需要人工記錄。這種測(cè)量方法效率低，需要大量人力。

激光測(cè)量方法隨著測(cè)量精度的提高及設(shè)備的小型化發(fā)展，越來越多地應(yīng)用到輪對(duì)測(cè)量儀器中。國外的輪對(duì)非接觸式激光測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用以及發(fā)展較為成熟[3]。目前，有部分地鐵公司采用了相關(guān)設(shè)備，但設(shè)備價(jià)格昂貴，設(shè)備本身維護(hù)成本高，并不適合在國內(nèi)批量使用[4]。國內(nèi)也有學(xué)者作了相關(guān)研究。孫幅慶等人研制了一種便攜式軌道車輛輪對(duì)內(nèi)側(cè)距測(cè)量系統(tǒng)[5]，相對(duì)國外設(shè)備具有一定優(yōu)勢(shì)；但是該系統(tǒng)采用了三個(gè)集成式激光測(cè)距傳感器，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

對(duì)于安裝在地面的自動(dòng)測(cè)量方法相關(guān)研究國外要早于國內(nèi)，國外已經(jīng)具有成熟的測(cè)量體系[6]，國內(nèi)也有相關(guān)研究。如馮其波等人研究的輪對(duì)幾何參數(shù)動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)[7]，采用多個(gè)激光位移傳感器和渦流位移傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輪直徑、踏面擦傷、輪對(duì)內(nèi)側(cè)距等多參數(shù)測(cè)量。自動(dòng)測(cè)量方法雖然節(jié)省人力，但其設(shè)備復(fù)雜，調(diào)試參數(shù)難度極大，價(jià)格昂貴，后期維護(hù)投入大，在地鐵公司中并沒有普遍應(yīng)用。

國內(nèi)較多地鐵公司還是采用機(jī)械測(cè)量卡尺進(jìn)行輪對(duì)內(nèi)側(cè)距測(cè)量，操作繁瑣，需要人工記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。針對(duì)以上問題，利用點(diǎn)式激光和攝像頭組成三角測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量輪對(duì)內(nèi)側(cè)距，設(shè)計(jì)低成本手持式輪對(duì)內(nèi)側(cè)距測(cè)量儀，對(duì)輪對(duì)內(nèi)側(cè)距進(jìn)行快速測(cè)量。

1 輪對(duì)內(nèi)側(cè)距測(cè)量儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架

測(cè)量系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)組成圖Fig.1 Diagram of measurement system composition

系統(tǒng)主要包括嵌入式主控模塊、點(diǎn)式激光器、攝像機(jī)、交互觸摸屏、校準(zhǔn)模塊接口。采用嵌入式處理器采集攝像機(jī)圖像，利用圖像處理技術(shù)提取圖像中光斑中心點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算出輪對(duì)內(nèi)側(cè)距。

根據(jù)輪對(duì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)帶有磁性接觸點(diǎn)的工裝。測(cè)量時(shí)，設(shè)備利用三個(gè)磁性接觸點(diǎn)靠在一側(cè)車輪內(nèi)側(cè)，兩個(gè)輪緣基準(zhǔn)點(diǎn)抵住輪緣。點(diǎn)式激光投射到另外側(cè)車輪內(nèi)側(cè)，點(diǎn)擊測(cè)量后，主控采集攝像機(jī)圖像，計(jì)算出輪對(duì)內(nèi)側(cè)距后，存儲(chǔ)并顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。測(cè)量示意圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量示意圖Fig.2 Measurement diagram

1.2 三角測(cè)距數(shù)學(xué)模型

激光三角測(cè)距模型如圖3所示。

圖3 激光三角測(cè)距模型Fig.3 Laser triangulation model

激光三角測(cè)距模型由攝像機(jī)和點(diǎn)式激光發(fā)射器按照β角安裝組成。Q為待測(cè)物體所在平面，Qmin和Qmax分別為待測(cè)物體在量程中最近和最遠(yuǎn)位置，o點(diǎn)為攝像機(jī)鏡片中心，o′點(diǎn)為攝像機(jī)像素平面的中心，P′為激光光斑在攝像機(jī)拍攝圖像中的點(diǎn)，直線A′O與激光線條平行，則三角形AOP與三角形A′P′O相似，得出三角測(cè)距公式為:

(1)

式中：AP為激光器鏡頭中心到被測(cè)量目標(biāo)距離；f攝像機(jī)焦距、攝像機(jī)鏡頭與激光器鏡頭中心距離為s;A′P′為像素平面內(nèi)光斑中心P′到過攝像機(jī)鏡頭中心點(diǎn)O且與激光線條平行直線交于像素平面的點(diǎn)A′的距離。

(2)

式中:O′P′為圖像中激光光斑中心點(diǎn)距離圖像中心的距離。

在相同攝像機(jī)分辨率情況下，增大s距離，所測(cè)得距離精度就越高[8]。在輪對(duì)內(nèi)側(cè)距測(cè)量中，我國地鐵車輪輪對(duì)，內(nèi)側(cè)距標(biāo)準(zhǔn)為(1 353±2)mm。其特征在于測(cè)量量程要求短，合理選擇攝像機(jī)焦距f及s和角度β的值，得到小量程和高精度的三角測(cè)量系統(tǒng)。

2 激光光斑中心提取算法

在便攜式手持測(cè)量設(shè)備中，受體積和電池限制，處理器選擇低功耗嵌入式ARM處理器。其計(jì)算能力非常有限，在算法處理中必須高效快速。

現(xiàn)有激光點(diǎn)中心提取算法，都需要對(duì)整幅圖像所有像素進(jìn)行處理，其計(jì)算量過大，在嵌入式處理器中計(jì)算時(shí)間較久。根據(jù)三角測(cè)距原理分析，測(cè)量目標(biāo)在測(cè)量量程內(nèi)移動(dòng)時(shí)，攝像機(jī)采集到的激光點(diǎn)在攝像機(jī)像素平面上接近直線運(yùn)動(dòng)。光斑隨距離變化結(jié)果如圖4所示。

圖4 光斑隨距離變化結(jié)果圖Fig.4 Spot change effect with distance

根據(jù)三角測(cè)量原理可知，不同距離的目標(biāo)，光斑在圖像坐標(biāo)中落在一條直線上。根據(jù)該特征，提出沿激光點(diǎn)所在直線快速搜索激光位置算法；像素平面上激光光斑所在線條方程為：

y=131 369.57-118.36x

(3)

式中:x、y為像素平面坐標(biāo)軸。

每次測(cè)量中，首先在該直線上快速確定激光點(diǎn)的初步位置，將該直線上像素點(diǎn)提取出來，進(jìn)行灰度處理，查找出灰度值最高像素點(diǎn)所在位置為激光點(diǎn)大概位置。軌跡直線上像素點(diǎn)灰度值如圖5所示，最大灰度值為140。

圖5 軌跡直線上像素點(diǎn)灰度值Fig.5 Grayscale value of the pixel on the trajectory line

光斑中心精確提取圖如圖6所示。

圖6 光斑中心精確提取圖Fig.6 Accurate extraction of spot center

根據(jù)直線上初步提取的激光點(diǎn)位置，定位到原圖坐標(biāo)。以該坐標(biāo)為中心，取出200×200像素圖像，并對(duì)該局部圖像作精確激光點(diǎn)中心提取。

在低成本的激光發(fā)射器中，其發(fā)射的激光并不是準(zhǔn)確的圓形，并且光斑面積比較大，定位到光斑中心點(diǎn)的準(zhǔn)確度，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。光學(xué)設(shè)備測(cè)量過程中，環(huán)境光線對(duì)圖像影響較大，區(qū)分背景的閾值選擇對(duì)結(jié)果影響非常大。每次測(cè)量時(shí)，根據(jù)圖5所示的光斑所在直線的灰度圖動(dòng)態(tài)確定一個(gè)閾值，能夠有效避免環(huán)境光線對(duì)光斑中心提取的影響。

采用灰度重心法求光斑中心位置，如式(4)和式(5)[9-11]所示：

(4)

(5)

式中：W(i,j)為點(diǎn)(i，j)的像素灰度值；(x0，y0)為所求光斑中心坐標(biāo)。

3 參數(shù)標(biāo)定及校準(zhǔn)

3.1 相機(jī)與激光器參數(shù)標(biāo)定

在攝像機(jī)測(cè)量設(shè)備中，對(duì)攝像機(jī)和激光器位置的標(biāo)定極為重要，攝像機(jī)鏡頭都會(huì)有不同程度的畸變，激光器角度在結(jié)構(gòu)安裝上也難以保證高精度。對(duì)攝像機(jī)的標(biāo)定，已經(jīng)有非常成熟的算法。根據(jù)張氏標(biāo)定方法[12-13]，利用平面棋盤格標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)，標(biāo)定結(jié)果為：

攝像機(jī)鏡像畸變參數(shù)為k1=-0.166 37，k2=-0.20。激光發(fā)射器的安裝角度β=75.2° ，三角測(cè)量系統(tǒng)中激光器與攝像機(jī)的距離AO=468 mm。

3.2 測(cè)量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

在測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定后，還需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，采用精密絲桿滑臺(tái)帶動(dòng)靶標(biāo)進(jìn)行測(cè)量設(shè)備的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。測(cè)量設(shè)備設(shè)計(jì)有校準(zhǔn)臺(tái)接口，連接后由測(cè)量儀主控芯片驅(qū)動(dòng)絲桿精確運(yùn)動(dòng)。在校準(zhǔn)試驗(yàn)中，控制移動(dòng)靶標(biāo)以0.5 mm為間距移動(dòng)，并連續(xù)采集1 280～1 400 mm之間的240個(gè)距離點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

M=(d測(cè)量-d實(shí)際)×10+d實(shí)際

(6)

C=(d校準(zhǔn)-d實(shí)際)×10+d實(shí)際

(7)

式中：d實(shí)際為靶標(biāo)精確移動(dòng)距離;d測(cè)量為未校準(zhǔn)的測(cè)量值;d校準(zhǔn)為測(cè)量值校準(zhǔn)后數(shù)值;M為測(cè)量值與實(shí)際值誤差放大十倍后數(shù)值;C為校準(zhǔn)值與實(shí)際值誤差放大十倍后數(shù)值。

測(cè)量與校準(zhǔn)曲線如圖7所示。

圖7 測(cè)量與校準(zhǔn)曲線Fig.7 Measurement and calibration curve

由圖7可知，測(cè)量曲線存在明顯失真。表現(xiàn)為非線性失真，用固定長度的區(qū)間對(duì)測(cè)量曲線進(jìn)行分割，在區(qū)間中用直線段代替曲線段，將區(qū)間分得足夠小，則修正后的校準(zhǔn)值就越逼近實(shí)際值。在程序中，采用查表法快速根據(jù)二次標(biāo)定的結(jié)果修正測(cè)量值。

4 試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)測(cè)量輪對(duì)為標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)，輪對(duì)內(nèi)側(cè)距測(cè)量儀試驗(yàn)系統(tǒng)攝像機(jī)采用索尼IMX179芯片，分辨率為3 264×2 448。點(diǎn)式激光器采用普通5 mW激光器。程序設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.8 Programming flow chart

在連接校準(zhǔn)臺(tái)情況下，系統(tǒng)可以進(jìn)入自動(dòng)校準(zhǔn)模式。在測(cè)量模式中，按下測(cè)量按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)重復(fù)測(cè)量5次數(shù)據(jù)取平均值作為最后數(shù)據(jù)。每次按下測(cè)量鍵到測(cè)量完成的時(shí)間在2.9 s左右。輪對(duì)內(nèi)側(cè)距測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 輪對(duì)內(nèi)側(cè)距測(cè)量結(jié)果Tab.1 Wheel pair inner distance measurement results

在測(cè)量精度上，與機(jī)械測(cè)量尺相比，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差增大了0.116 31，但是在測(cè)量時(shí)間上，測(cè)量一個(gè)輪對(duì)內(nèi)側(cè)距的時(shí)間由機(jī)械尺的30 s縮短至3 s。輪對(duì)內(nèi)側(cè)距快速測(cè)量系統(tǒng)基本滿足輪對(duì)內(nèi)側(cè)距測(cè)量使用要求，并且測(cè)量只需一個(gè)人操作，數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器無需紙質(zhì)記錄，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的價(jià)值。

5 結(jié)論

基于激光三角測(cè)距原理，設(shè)計(jì)輪對(duì)內(nèi)側(cè)距測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車輪對(duì)內(nèi)側(cè)距快速測(cè)量。在算法上，先快速定位局部光斑位置，再采用閾值濾除背景噪聲，對(duì)光斑區(qū)域進(jìn)行灰度重心法精確求光斑中心點(diǎn)。試驗(yàn)證明，該方法能夠有效、穩(wěn)定地提取光斑中心坐標(biāo)，是一種低成本列車輪對(duì)內(nèi)側(cè)距測(cè)量解決方法。