高速動(dòng)車組智能測(cè)量設(shè)備研制

李 騫

(中國鐵路沈陽局集團(tuán)有限公司 沈陽動(dòng)車段，遼寧 沈陽 110000 )

高速動(dòng)車組整車落成后多采用傳統(tǒng)測(cè)量工具與輔助人工測(cè)量的方式，需要人工記錄測(cè)量結(jié)果，手動(dòng)輸入高速動(dòng)車組檢修管理信息系統(tǒng)，測(cè)量效率低且存在人為操作誤差。本文采用關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)數(shù)據(jù)智能測(cè)量技術(shù)，利用智能設(shè)備測(cè)量，可大大提高測(cè)量效率，測(cè)量結(jié)果直接利用計(jì)算機(jī)上傳到動(dòng)車組檢修管理信息系統(tǒng)，自動(dòng)生成檢修記錄，不僅減少了人為操作誤差，同時(shí)具備數(shù)字化、信息化和智能化的特點(diǎn)。

1 總體方案

智能測(cè)量設(shè)備采用人工操作或自走行的循跡方式，利用非接觸式測(cè)量技術(shù)對(duì)高速動(dòng)車組相關(guān)部件和部位進(jìn)行尺寸測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算與分析。每個(gè)部件測(cè)量結(jié)束后，提示作業(yè)人員對(duì)部件尺寸進(jìn)行調(diào)整，測(cè)量結(jié)束通過無線網(wǎng)絡(luò)將檢修記錄自動(dòng)上傳至動(dòng)車組檢修管理信息系統(tǒng)。

2 技術(shù)路線

2.1 高精度姿態(tài)補(bǔ)償

運(yùn)用室內(nèi)自導(dǎo)航車載移動(dòng)平臺(tái)，測(cè)得動(dòng)車組的加速度，計(jì)算出動(dòng)車組即時(shí)位置。利用導(dǎo)航誤差不隨時(shí)間積累的外部參數(shù)信號(hào)，定期或不定期地對(duì)平臺(tái)的漂移進(jìn)行校正，進(jìn)行組合導(dǎo)航。通過使用遺傳算法的慣導(dǎo)平臺(tái)自補(bǔ)償方案，在Kalman濾波器池中使用遺傳算法找到最優(yōu)的濾波參數(shù)，改善濾波性能，應(yīng)用于組合導(dǎo)航方案中并仿真研究。結(jié)合加速度計(jì)、重力梯度儀與方位余弦矩陣，將復(fù)雜的動(dòng)態(tài)問題轉(zhuǎn)化成簡單的靜態(tài)問題來處理，優(yōu)化平臺(tái)漂移在線、閉路觀測(cè)與補(bǔ)償方案[1-2]。

2.2 視覺影像特征精準(zhǔn)定位

機(jī)器視覺是將計(jì)算機(jī)的軟件與硬件相結(jié)合，起到觀測(cè)、監(jiān)視等功能。將動(dòng)車組的三維物體影像通過攝像頭等圖像采集設(shè)備轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言，并利用定位軟件根據(jù)特征進(jìn)行分析和提取，最終達(dá)到識(shí)別與定位的目的。

通過圖像的預(yù)處理，使圖像更加清晰，邊緣更加突出，特征更加明顯，并可去除不必要的圖像噪點(diǎn)及特征，提高定位軟件的定位準(zhǔn)確率和定位數(shù)量。利用基于Hexsight軟件的運(yùn)行架構(gòu)，對(duì)比分析數(shù)據(jù)，對(duì)預(yù)處理前后的圖像識(shí)別率給出定量分析。圖像的后處理等結(jié)合基線擬合法和Y型模板擬合法，利用已經(jīng)識(shí)別的特征對(duì)未能有效識(shí)別的蜂窩孔中心位置進(jìn)行擬合預(yù)定位[3]。

2.3 視覺影像非接觸測(cè)量

采用雙相機(jī)的高精度測(cè)量方案，兼具基準(zhǔn)確定和輪廓測(cè)量功能，實(shí)現(xiàn)水平尺寸輪廓的自動(dòng)匹配。在相機(jī)標(biāo)定時(shí)，類比極坐標(biāo)系的原理，應(yīng)用輪廓還原法，運(yùn)用雙目立體視覺測(cè)量原理，制定標(biāo)準(zhǔn)輪廓對(duì)比方案，從而完成從硬件到軟件再到算法的整合。通過精準(zhǔn)提取結(jié)構(gòu)光中心條紋，對(duì)圖像處理算法進(jìn)行研究，排除測(cè)量過程中光照對(duì)于條紋提取的影響，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組水平尺寸輪廓還原與自動(dòng)匹配，完成水平尺寸的非接觸測(cè)量[4]。

2.4 多維傳感數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

經(jīng)過適當(dāng)配準(zhǔn)非接觸測(cè)量的不同視角多傳感器圖像，可以在像素級(jí)直接融合形成融合圖像，然后在此基礎(chǔ)上完成目標(biāo)探測(cè)、特征提取和目標(biāo)識(shí)別。從待配準(zhǔn)的每幅圖像中提取控制結(jié)構(gòu)并匹配，進(jìn)行幾何變換并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，同時(shí)還對(duì)幾種變換的效果進(jìn)行評(píng)估[5]。

通過基于邊緣子集一致性的配準(zhǔn)算法，使用多尺度邊緣探測(cè)技術(shù)恢復(fù)表面邊界邊緣，去掉與當(dāng)前匹配參數(shù)不一致的邊緣，在每次迭代過程中細(xì)化參數(shù)。實(shí)現(xiàn)兩路激光掃描傳感器的數(shù)據(jù)同步采集，以獲得準(zhǔn)確的同一斷面數(shù)據(jù)，通過USB接口將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給便攜式計(jì)算機(jī)，提高目標(biāo)探測(cè)概率，降低虛警率[6]。

3 方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

動(dòng)車組整車落成非接觸式智能尺寸測(cè)量系統(tǒng)主要由服務(wù)終端、數(shù)據(jù)處理中心、室內(nèi)自導(dǎo)航車載移動(dòng)平臺(tái)、信息化檢具幾部分組成，具有極高的柔性和自動(dòng)化程度，可實(shí)現(xiàn)6～8 h檢測(cè)任務(wù)，其中包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、視覺系統(tǒng)圖像采集處理、數(shù)據(jù)處理整合形成報(bào)表等各項(xiàng)檢修數(shù)據(jù)。室內(nèi)自導(dǎo)航車載移動(dòng)平臺(tái)由自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(Automated Guided Vehicle,AGV)和協(xié)作臂組成。AGV通過磁條導(dǎo)航和視覺引導(dǎo)完成平臺(tái)定位，協(xié)作臂搭載視覺系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，保證視覺系統(tǒng)的檢測(cè)精度。智能檢測(cè)裝置需要布置于車組兩側(cè)，同時(shí)對(duì)檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。借助人工將輔助測(cè)量工具固定到項(xiàng)點(diǎn)位置，通過磁性吸附、螺紋連接等對(duì)動(dòng)車組無損傷非接觸測(cè)量；針對(duì)被測(cè)項(xiàng)點(diǎn)，采用無線傳輸式游標(biāo)卡尺、有線數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)徑卡規(guī)、卷尺等，人工觸發(fā)讀數(shù)至數(shù)據(jù)庫中。本文以關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)車鉤高度與掃石器高度測(cè)量為例進(jìn)行分析。

3.1 車鉤高度

車鉤高度測(cè)量過程如下：在鉤頭伸出后，協(xié)作臂對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行精定位，帶動(dòng)攝像機(jī)采集鉤舌中心線與軌道上表面投影圖像，分析計(jì)算出車鉤高度、1/2車鉤高度，二者相減，計(jì)算出車鉤高度差，如圖1所示。

圖1 車鉤高度測(cè)量

本文采用CRH5型動(dòng)車組進(jìn)行車鉤高度測(cè)量試驗(yàn)。CRH5型動(dòng)車組車鉤高度為(750±1) mm，1/2車鉤高度為(375±1) mm，標(biāo)準(zhǔn)高度差為375 mm。圖2為車鉤高度測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

圖2 車鉤高度測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

表1 車鉤高度測(cè)量結(jié)果 mm

由表1可知，手動(dòng)測(cè)量誤差平均值為2.68 mm，智能自動(dòng)測(cè)量設(shè)備測(cè)量誤差平均值為0.29 mm，自動(dòng)測(cè)量設(shè)備測(cè)量平均誤差減小了89.18%?？梢?，自動(dòng)測(cè)量誤差值減小效果十分明顯，測(cè)試效果良好。

3.2 掃石器高度

掃石器高度測(cè)量過程如下：由協(xié)作臂帶動(dòng)攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)采集圖像，視覺算法識(shí)別出掃石器最低點(diǎn)與軌面，計(jì)算差值，如圖3所示。

圖3 掃石器高度測(cè)量

采用CRH5型動(dòng)車組和CRH380型動(dòng)車組進(jìn)行掃石器高度測(cè)量試驗(yàn)。CRH5型動(dòng)車組掃石器距軌面高度約150～180 mm；CRH380型動(dòng)車組掃石器距軌面高度約230～270 mm。圖4為掃石器高度測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)量結(jié)果如表2、表3所示。

圖4 掃石器高度測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

對(duì)比表2的CRH5型動(dòng)車組測(cè)量數(shù)據(jù)可知，智能自動(dòng)測(cè)量設(shè)備測(cè)量平均誤差減小了63.87%；對(duì)比表3的CRH380型動(dòng)車組測(cè)量數(shù)據(jù)可知，智能自動(dòng)測(cè)量設(shè)備測(cè)量平均誤差減小了76.74%。

表2 CRH5型動(dòng)車組掃石器高度測(cè)量結(jié)果 mm

4 結(jié)束語

通過對(duì)3組數(shù)據(jù)分析可知，智能自動(dòng)測(cè)量設(shè)備誤差分別減小了89.18%、63.87%、76.74%，平均誤差減小了76.60%，驗(yàn)證了非接觸式智能尺寸測(cè)量設(shè)備的優(yōu)越性。

動(dòng)車組水平非接觸測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，不但解決了人工接觸測(cè)量的短板，還給整個(gè)動(dòng)車管理體系打下了集成化、統(tǒng)一化的管理基礎(chǔ)，能夠積極推動(dòng)我國高速動(dòng)車組的發(fā)展。