基于多視覺傳感器的受電弓滑板磨耗檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伍川輝，任繼煒，廖 家，李恒奎，楊 崗

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266111)

0 引言

近年來我國(guó)軌道交通領(lǐng)域快速發(fā)展，鐵路里程數(shù)增長(zhǎng)迅速，高速發(fā)展的同時(shí)也給列車運(yùn)行帶來了更大的壓力和挑戰(zhàn)。當(dāng)前主流運(yùn)行機(jī)車為電力機(jī)車，受電弓作為車輛運(yùn)行時(shí)的受流裝置對(duì)列車的行車安全至關(guān)重要。當(dāng)機(jī)車運(yùn)行時(shí)，受電弓碳滑板和接觸網(wǎng)導(dǎo)線之間會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，從而使碳滑板產(chǎn)生磨損。如果產(chǎn)生非正常磨耗，則會(huì)顯著降低滑板使用壽命，當(dāng)碳滑板磨損到極限時(shí)，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)將會(huì)造成碳滑板與接觸線脫離，會(huì)給列車的行車安全帶來巨大的安全隱患，從而引發(fā)列車安全事故。因此為確保行車安全、便捷指導(dǎo)滑板維護(hù)，需要對(duì)受電弓滑板狀態(tài)進(jìn)行更加全面及時(shí)的檢測(cè)[1]。

受電弓滑板磨耗檢測(cè)方法分為2種：人工靜態(tài)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)測(cè)量。人工檢測(cè)效率低、安全隱患較大，不符合電氣化鐵路發(fā)展要求。動(dòng)態(tài)檢測(cè)從測(cè)量手段上看可分為3類：超聲檢測(cè)、圖像法檢測(cè)、結(jié)構(gòu)光檢測(cè)。東日本公司率先采用超聲檢測(cè)，此種檢測(cè)方式精度較高但其設(shè)備安裝復(fù)雜且費(fèi)用昂貴，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。西南交通大學(xué)張輝采用雙目視覺對(duì)受電弓滑板磨耗進(jìn)行檢測(cè)，但在曝光較高的情況下會(huì)產(chǎn)生誤檢[2]。南京理工大學(xué)胡雪冰提出基于圖像處理的受電弓故障在線檢測(cè)系統(tǒng)，在現(xiàn)場(chǎng)光照條件變化和背景復(fù)雜時(shí)，算法影響較大[3]。石家莊鐵道大學(xué)張新龍?zhí)岢鲆环N基于單目視覺的結(jié)構(gòu)光掃描成像測(cè)量系統(tǒng)，但該方法存在一定的局限性。第一，成像平面必須在激光面上；第二，攝像機(jī)與激光器的安裝角度也有較高要求，當(dāng)設(shè)備夾角超過60°后，計(jì)算碳滑板的世界坐標(biāo)時(shí)將會(huì)出現(xiàn)偏差[4]。線結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量技術(shù)具有非接觸式、測(cè)量速度快、精度高、受環(huán)境干擾小等特點(diǎn)，已逐步應(yīng)用于軌道交通測(cè)量領(lǐng)域，采用視覺測(cè)量技術(shù)對(duì)受電弓滑板輪廓進(jìn)行掃描，可以快速獲取受電弓碳滑板表面輪廓結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確掌握受電弓質(zhì)量狀態(tài)。

本文針對(duì)滑板磨耗提出一種基于線結(jié)構(gòu)光的多視覺傳感器檢測(cè)系統(tǒng)。通過受電弓弓頂上方的3臺(tái)視覺傳感器實(shí)現(xiàn)受電弓滑板斷面的輪廓獲取。通過多視覺傳感器的組合標(biāo)定將多段滑板數(shù)據(jù)拼接到統(tǒng)一坐標(biāo)系下。在拼接好的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，采用基于包圍盒的體素柵格進(jìn)行下采樣，并通過聚類思想分割得到滑板表面輪廓與托板平面，計(jì)算兩平面間的距離得到滑板的最小剩余量，換算即可得出滑板的最大磨耗值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)光視覺傳感器

本文所用到視覺傳感器，由攝像機(jī)和線結(jié)構(gòu)光組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光發(fā)生器產(chǎn)生激光束，經(jīng)過特殊透鏡形成激光面，激光面照射到滑板表面時(shí)會(huì)形成一條調(diào)制光帶，該激光光帶攜帶有目標(biāo)物體表面的三維深度信息。通過攝像機(jī)拍攝光條紋圖像，可以將三維空間的深度信息轉(zhuǎn)換到二維圖像中；之后，通過物體與攝像機(jī)空間幾何關(guān)系和深度提取算法，可以將物體表面深度變化信息提取出來，得到滑板三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)[5]。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，列車以一定速度通過檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)備掃描滑板輪廓獲取其三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 視覺傳感器測(cè)量原理圖

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該檢測(cè)系統(tǒng)主要完成對(duì)受電弓碳滑板磨耗的檢測(cè)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由視覺傳感器、信號(hào)觸發(fā)裝置、圖像處理設(shè)備組成。視覺傳感器作為圖像采集設(shè)備，由固定安裝角度的攝像機(jī)和線激光光源構(gòu)成，負(fù)責(zé)獲取受電弓碳滑板表面輪廓數(shù)據(jù)。受電弓滑板橫向空間尺度大，而單臺(tái)視覺傳感器的測(cè)量范圍較小，無法完全覆蓋全部滑板，因此本系統(tǒng)采用組合多視覺傳感器進(jìn)行弓頂滑板輪廓掃描，設(shè)備布局如圖2所示。該系統(tǒng)由3組視覺傳感器，即3臺(tái)攝像機(jī)和結(jié)構(gòu)光源組成，在水平橫梁上垂直向下安裝于受電弓正上方，車輛入庫(kù)時(shí)駛過檢測(cè)系統(tǒng)下方，觸發(fā)激光傳感器開機(jī)完成受電弓滑板輪廓掃描。測(cè)量過程中激光器向滑板射出光平面，經(jīng)過受電弓滑板弓頂輪廓調(diào)制，在其表面形成一條高亮度的激光光條，與激光器成一定角度的攝像機(jī)拍攝激光光條圖像，并將其傳輸?shù)接?jì)算機(jī)圖像處理設(shè)備，進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算處理。

圖2 滑板輪廓測(cè)量系統(tǒng)

信號(hào)觸發(fā)裝置由磁鋼和光電開關(guān)組成，磁鋼布置于系統(tǒng)前端。當(dāng)列車經(jīng)過磁鋼時(shí)，產(chǎn)生電壓信號(hào)，觸發(fā)系統(tǒng)開機(jī)；當(dāng)受電弓到達(dá)檢測(cè)位置時(shí)，遮擋光電開關(guān)，產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)控制采集設(shè)備開始工作。采集完畢后，機(jī)車駛離采集區(qū)域，觸發(fā)關(guān)機(jī)光電開關(guān)，控制采集設(shè)備停止運(yùn)行。通過這種方式使得設(shè)備只在有機(jī)車經(jīng)過時(shí)開機(jī)檢測(cè)，車走即關(guān)，極大提高了設(shè)備的使用壽命。圖像處理設(shè)備主要用于對(duì)視覺傳感器采集的圖像進(jìn)行處理，提取滑板輪廓圖像中的激光光條中心線。計(jì)算機(jī)結(jié)合多視覺傳感器組合標(biāo)定模型實(shí)現(xiàn)不同視覺傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)空間同步，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后輸出最終三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過相關(guān)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，得出滑板磨耗值。系統(tǒng)總體工作流程如圖3所示。

圖3 受電弓滑板磨耗檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 檢測(cè)系統(tǒng)原理

2.1 多視覺傳感器組合標(biāo)定

受電弓滑板磨耗檢測(cè)系統(tǒng)中，由于單視覺傳感器的測(cè)量范圍無法覆蓋空間尺度較大的滑板，因此為增大測(cè)量范圍，需要對(duì)多視覺傳感器進(jìn)行組合標(biāo)定。多視覺傳感器標(biāo)定過程即為建立數(shù)學(xué)模型求解各攝像機(jī)之間位姿關(guān)系的過程[6]。該過程主要分為3部分：?jiǎn)螖z像機(jī)內(nèi)參標(biāo)定、結(jié)構(gòu)光平面方程參數(shù)標(biāo)定、攝像機(jī)外部參數(shù)標(biāo)定。

圖4 視覺傳感器標(biāo)定原理圖

完成單個(gè)視覺傳感器的標(biāo)定后，需要對(duì)滑板輪廓檢測(cè)系統(tǒng)中多視覺傳感器外部參數(shù)標(biāo)定，即確定每臺(tái)視覺傳感器之間的相對(duì)位置關(guān)系。先進(jìn)行其中2臺(tái)攝像機(jī)的位置關(guān)系求解，然后將左右兩臺(tái)攝像機(jī)的位置統(tǒng)一于中間攝像機(jī)的坐標(biāo)系下。利用三維靶標(biāo)作為公共標(biāo)定靶進(jìn)行位置標(biāo)定，將尺寸已知的高精度三維靶標(biāo)放置于視覺傳感器交疊區(qū)域，在相鄰的傳感器視場(chǎng)下分別獲取激光光條圖像，計(jì)算靶標(biāo)特征點(diǎn)在各自攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。通過坐標(biāo)映射關(guān)系計(jì)算左右兩臺(tái)攝像機(jī)坐標(biāo)系到全局坐標(biāo)系的映射矩陣，求解得出攝像機(jī)之間的位置關(guān)系。

假設(shè)三維空間中一點(diǎn)P(Xw,Yw,Zw)在相鄰兩攝像機(jī)視角下的坐標(biāo)分別為Pc1(xc1,yc1，zc1)、Pc2(xc2,yc2,zc2)，由內(nèi)參標(biāo)定可知空間三維坐標(biāo)到兩臺(tái)攝像機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)平移矩陣分別為[R1t1]、[R2t2]，根據(jù)坐標(biāo)系間剛體變換模型可建立如下關(guān)系：

(1)

融合式(1)可得兩視覺傳感器攝像機(jī)機(jī)坐標(biāo)系下兩坐標(biāo)點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系：

(2)

整理可得下式：

Pc2=R21Pc1+t21

(3)

式中R21、t21分別為相鄰兩攝像機(jī)之間的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。

因此，在完成攝像機(jī)內(nèi)參及光平面方程標(biāo)定的基礎(chǔ)上，從左攝像機(jī)到右攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量分別為：

(4)

將3臺(tái)視覺傳感器的位置統(tǒng)一于以中間視覺傳感器為基準(zhǔn)的全局坐標(biāo)系下，建立多視覺傳感器組合標(biāo)定模型。利用此模型采集數(shù)據(jù)，完成滑板三維點(diǎn)云的拼接，得到完整的受電弓滑板輪廓。

“用文化管理，統(tǒng)一理念；用制度管理，規(guī)范行為；而以人為核心管理，方能立足根本。”中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院（以下簡(jiǎn)稱“盛京醫(yī)院”）黨委書記趙玉虹一語(yǔ)道中管理玄機(jī)。

2.2 滑板點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

通常得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于激光傳感器本身的影響，或者環(huán)境因素及異物遮擋的影響，會(huì)在采集過程中產(chǎn)生一系列噪聲點(diǎn)，影響后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理。因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)先進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波預(yù)處理，去除尖銳噪聲及較大的離群噪聲。同時(shí)由于設(shè)備采集到海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如果全部計(jì)算會(huì)增加系統(tǒng)的時(shí)間復(fù)雜度，同時(shí)也會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源造成極大消耗，影響計(jì)算效率，因此還需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)。基于包圍盒的體素格柵法可以在精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)不破壞點(diǎn)云幾何結(jié)構(gòu)，因此本文采用以體素柵格為基礎(chǔ)的下采樣算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀疏化[9]。

采用矩形包圍盒將濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整體包絡(luò)，獲取邊界框在XYZ三個(gè)維度上的最大值與最小值，計(jì)算得出各邊長(zhǎng)，假設(shè)包圍盒的各邊長(zhǎng)分別為L(zhǎng)x、Ly、Lz。根據(jù)包圍盒邊長(zhǎng)設(shè)置立方體網(wǎng)格邊長(zhǎng)：

(5)

式中：N為包圍盒中點(diǎn)云總數(shù)；α為調(diào)節(jié)因子；θ為比例系數(shù)。

通過取整函數(shù)ceiling進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割,將滑板點(diǎn)云數(shù)據(jù)分配到各單位立方體柵格中：

ceiling(Li/d)(i=x,y,z)

(6)

由下式計(jì)算所劃分的每個(gè)單位立方格內(nèi)所有點(diǎn)集的重心坐標(biāo)，即：

(7)

式中：s為單位柵格內(nèi)所包含的點(diǎn)云數(shù)量；(xj,yj,zj)為每個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)云坐標(biāo)；(xp,yp,zp)為每個(gè)單位柵格內(nèi)重心坐標(biāo)。

通過下式分別計(jì)算單位體素格內(nèi)各點(diǎn)坐標(biāo)與重心點(diǎn)坐標(biāo)之間的距離，即

(8)

根據(jù)所劃分柵格內(nèi)每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與柵格內(nèi)點(diǎn)集重心的距離大小，有選擇地保留單位體素柵格內(nèi)各點(diǎn)與重心點(diǎn)距離集合中的最小值Dmin所對(duì)應(yīng)點(diǎn)云或格柵重心點(diǎn)，其余點(diǎn)進(jìn)行刪除實(shí)現(xiàn)滑板點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)過程。圖5、圖6為部分滑板點(diǎn)云數(shù)據(jù)未精簡(jiǎn)及精簡(jiǎn)之后的細(xì)節(jié)圖。

圖5 左滑板原始圖像及局部細(xì)節(jié)圖

圖6 左滑板下采樣圖像及局部細(xì)節(jié)圖

受電弓滑板安裝于金屬托板上，因此可以通過提取滑板及托板點(diǎn)云數(shù)據(jù)，擬合滑板輪廓及托板平面，用滑板平面所在的高度減去托板平面所在的高度，即可計(jì)算得到滑板最小剩余磨耗量，將其與滑板標(biāo)準(zhǔn)厚度對(duì)比可計(jì)算出最大磨耗值。

因此滑板數(shù)據(jù)經(jīng)過降采樣精簡(jiǎn)后，需要進(jìn)行區(qū)域分割，將滑板輪廓及受電弓安裝滑板的托板輪廓分割出來，便于后續(xù)計(jì)算磨耗量。由于本文所采集到的數(shù)據(jù)具有密度集中的特點(diǎn)，除部分離群噪聲外，大部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)集中在滑板輪廓和金屬托板附近，因此利用聚類的思想對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域分割。DBSCAN算法不需要在一開始去定義聚類的簇?cái)?shù)，便可將具有足夠高密度的區(qū)域劃分為目標(biāo)簇，并且不會(huì)有基于距離聚類算法僅能發(fā)現(xiàn)類圓形簇的缺點(diǎn)，可以識(shí)別任意形狀和大小的點(diǎn)云簇[10]。在本文滑板點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理中，由于噪聲的數(shù)目、分布均未知，所以DBSCAN算法能夠較好地應(yīng)用在此類問題中。在滑板點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割中根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)形狀等設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，獲取最佳聚類結(jié)果，有效提取滑板主體數(shù)據(jù)及托板數(shù)據(jù)。

受電弓滑板和托板如圖7所示，經(jīng)過聚類分割之后，滑板主體及托板被有效提取出來，并去除了噪點(diǎn)的影響，達(dá)到后續(xù)處理標(biāo)準(zhǔn)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在列車受電弓滑板磨耗量的實(shí)際檢測(cè)中要求檢測(cè)系統(tǒng)精度達(dá)到±0.5 mm。受電弓滑板隨著運(yùn)行時(shí)間增加，會(huì)有不同程度的磨耗，為驗(yàn)證滑板磨耗檢測(cè)系統(tǒng)的工作性能，對(duì)實(shí)際使用的受電弓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的試驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中采用定制三維視覺測(cè)量傳感器，采樣頻率為5 kHz，弓頂3臺(tái)視覺傳感器安裝在龍門架上，使激光平面垂直向下射出。為避免同波段激光互相干擾，中間激光器選用不同頻率的激光。實(shí)驗(yàn)過程中，受電弓勻速通過檢測(cè)系統(tǒng)，視覺傳感器采集滑板三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。經(jīng)過全局標(biāo)定后的3臺(tái)視覺傳感器將3段滑板點(diǎn)云拼接于以中間傳感器為基準(zhǔn)的全局坐標(biāo)系下,經(jīng)過圖像處理設(shè)備重采樣稀疏點(diǎn)云并基于密度聚類進(jìn)行區(qū)域分割，得到滑板和托板廓體。

將分割出來的托板輪廓進(jìn)行平面擬合，擬合結(jié)果如圖8所示，黑色平面即為所擬合托板平面。根據(jù)磨耗定義，滑板平面與托板平面之間的距離均值即為滑板磨耗后的剩余量，用滑板原始厚度減去其磨耗剩余量即可得到滑板的磨耗量。比較最大磨耗量與規(guī)定磨耗量的大小可判斷最大磨耗量是否超限。

圖7 滑板、托板點(diǎn)云數(shù)據(jù)聚類分割圖

圖8 托板點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合平面

對(duì)同一滑板進(jìn)行多次測(cè)量，通過比較檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量均值和人工測(cè)量均值驗(yàn)證算法的精確性，選取5條滑板，每條滑板進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)量，由表1、表2可知其系統(tǒng)測(cè)量值與人工測(cè)量值的均值誤差分別為0.24、0.36、0.43、0.47、0.55 mm，均小于1 mm,在合理誤差范圍內(nèi)，精確性較高。根據(jù)系統(tǒng)自身多次測(cè)量數(shù)據(jù)，采用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差作為檢測(cè)系統(tǒng)重復(fù)性評(píng)價(jià)的指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，重復(fù)測(cè)量多次得出的標(biāo)準(zhǔn)差分別為：0.46、0.39、0.40、0.43、0.45 mm，均小于0.5 mm，故該系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際應(yīng)用與工程測(cè)量要求。

表1 滑板系統(tǒng)測(cè)量及誤差 mm

表2 滑板人工測(cè)量及誤差 mm

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種基于多視覺傳感器的受電弓滑板磨耗檢測(cè)系統(tǒng)，利用線結(jié)構(gòu)光掃描受電弓滑板，攝像機(jī)拍攝結(jié)構(gòu)光光條圖像，獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過建立多視覺傳感器組合標(biāo)定模型完成多段滑板輪廓的拼接，采用基于體素柵格的原理對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行下采樣，基于密度聚類的方法，分割目標(biāo)區(qū)域，提取滑板主體及托板輪廓，擬合滑板平面和托板平面，通過兩平面高度差計(jì)算滑板最大磨耗量。經(jīng)過對(duì)本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證證明，該系統(tǒng)具有較高精度和較好的實(shí)用性，能夠滿足工程應(yīng)用的需要。