基于傳感器技術(shù)的軌道交通車輛檢測機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

管春玲 劉婉明

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

0 引言

隨著軌道交通網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大化，軌道交通車輛的維護(hù)保養(yǎng)工作難度及所面臨壓力越來越大。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和輪對作為軌道交通車輛的核心部件，對于軌道交通車輛的安全、穩(wěn)定運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用[1-2]。因此對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和輪對的狀態(tài)進(jìn)行檢測，保證其安全性和穩(wěn)定性，是軌道交通充分發(fā)揮其運(yùn)輸作用的基本前提。現(xiàn)有的檢測設(shè)備功能單一，價格昂貴，不適宜進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用，因此十分有必要研制一種智能化的綜合型軌道交通檢測機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和輪對等核心部件的高效檢測。計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展為智能軌道交通檢測機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)基礎(chǔ)[3]。

1 檢測理論研究

目前對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和輪對的檢測，必須基于無損檢測實(shí)現(xiàn)，必須要保證被試件物理性能不被破壞。無損檢測方式主要包括：視覺技術(shù)、超聲波技術(shù)、電磁技術(shù)、化學(xué)分析技術(shù)等[4]。本文所研究的檢測技術(shù)主要是從視覺技術(shù)和超聲波技術(shù)兩方面展開，視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和輪對的外部檢測，超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和輪對的內(nèi)部檢測[5-6]。

1.1 視覺檢測

隨著圖像采集技術(shù)的不斷發(fā)展，圖像采集技術(shù)已經(jīng)逐步在視覺檢測領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用。圖像采集技術(shù)由照明技術(shù)、攝像技術(shù)、鏡頭技術(shù)、圖像存儲技術(shù)等組成[7]。其中，高效的照明技術(shù)是視覺檢測的重要組成部分，在圖像采集中發(fā)揮重要作用，在進(jìn)行攝像的時候需要通過數(shù)字信號處理器將攝像機(jī)接收到的模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，最終生成圖像信號。光學(xué)鏡頭根據(jù)焦距可以劃分為定焦距鏡頭和變焦距鏡頭，在視覺檢測中主要采用的是定焦距鏡頭。圖像處理技術(shù)是視覺檢測的最核心部分，對軟件和硬件有極高要求，其中使用的圖像處理算法也在不斷完善。在視覺檢測工作中部分涉及運(yùn)動控制技術(shù)，不同的視覺檢測對象對于檢測環(huán)境、檢測速度有著不同的要求，因此需要對視覺檢測設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動控制，以提高視覺檢測的檢測效率。

1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由多層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，是單向前向型結(jié)構(gòu)，神經(jīng)元以多層排布的形式構(gòu)成，一個層級中的神經(jīng)元從上一層級中的神經(jīng)元處接收信息，再輸出給下一層級的神經(jīng)元處，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種誤差反向傳播的算法[8]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，信息從輸入層導(dǎo)入，逐級傳輸?shù)捷敵鰧樱敵鰧由仙傻恼`差再反向傳輸?shù)捷斎雽?。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)采用Sigmoid函數(shù)來描述，即：

由于三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)θ我膺B續(xù)函數(shù)進(jìn)行逼近，隨著網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的增加，輸出的誤差就會越來越小，其最終的輸出結(jié)果能夠越接近實(shí)際值。但是網(wǎng)絡(luò)層數(shù)越多會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化。

1.3 超聲波檢測

超聲波是指由超聲引起的振動在彈性介質(zhì)中的傳播，其本質(zhì)是機(jī)械振動。通過將超聲波短脈沖導(dǎo)入到被檢測物中及利用其傳播，可實(shí)現(xiàn)被檢測物的無損檢測[9]。超聲波在被檢測物件傳播的過程中，當(dāng)遇到物件中聲阻材料密度發(fā)生變化，會返回部分超聲波信號，通過采集、分析超聲波的返回情況，可對被檢測物件的幾何結(jié)構(gòu)、物理性能等進(jìn)行檢測進(jìn)而評價其使用壽命。

超聲波可以通過聲壓、聲強(qiáng)、聲阻抗等參數(shù)來進(jìn)行描述。超聲場中某一位置在某一時間點(diǎn)的有超聲波的壓力與沒有超聲波的壓力之差稱為聲壓，聲壓是隨時間變化的，余弦超聲波可以描述為：

式中，ρ為超聲波傳輸介質(zhì)的密度；M為傳輸介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振幅；ω為質(zhì)點(diǎn)振動角頻率；t為超聲波的傳輸時間；v為超聲波的傳輸速度；x為當(dāng)前位置與發(fā)出點(diǎn)的距離。聲壓的大小與傳輸介質(zhì)密度、質(zhì)點(diǎn)振幅、振動角頻率、傳輸速度都成正比。

在超聲波的傳播方向上，單位面積單位時間內(nèi)的聲音能量稱為聲強(qiáng)，假定超聲波是在均勻介質(zhì)中傳播：

聲強(qiáng)與傳輸介質(zhì)密度、傳輸速度、質(zhì)點(diǎn)的振幅平方、振動角頻率的平方都成正比。

某位置的聲壓與對應(yīng)的振動速度比為聲阻抗：

式中，V為超聲波的振動速度。聲阻抗用于描述超聲波傳輸時介質(zhì)對超聲波振動的阻礙作用，超聲波的折射與反射均是由聲阻抗引起[10-11]。

最常規(guī)的無損檢測方法是超聲脈沖回波反射法，在超聲波注入到被試物件中后，當(dāng)超聲波在傳輸過程中遇到兩種不同聲阻介質(zhì)形成的表面時，會形成反射，反射波的聲壓振幅與入射波的聲壓振幅不同。通過數(shù)字方法將入射波和反射波進(jìn)行顯示，對入射波和反射波的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，來判斷被試物件內(nèi)部的損傷性質(zhì)、損傷程度。當(dāng)被試物件不存在損傷時，只會顯示出入射波和最終反射波；當(dāng)被試物件存在損傷時，在顯示入射波和最終反射波的同時還會顯示缺陷反射波[12]。超聲脈沖回波反射法的實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2 超聲脈沖回波反射法實(shí)現(xiàn)原理

2 軌道交通檢測機(jī)器人檢測實(shí)現(xiàn)原理

2.1 基于視覺技術(shù)的外部檢測實(shí)現(xiàn)原理

對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和輪對的外部檢測，通過視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其中圖像硬件采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)通信，在圖像數(shù)據(jù)得到采集后最核心的部分就是圖像的處理及模式的識別。外部檢測實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 外部檢測實(shí)現(xiàn)流程

圖像處理方法和技術(shù)是實(shí)現(xiàn)外部檢測的關(guān)鍵，在圖像處理中采用圖像復(fù)原技術(shù)減少圖像的模糊程度，并且在對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪的同時采用圖像增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行光照補(bǔ)償，完成圖像處理，最后再對圖像進(jìn)行紋理提取，得到最終的紋理特征數(shù)據(jù)，為模式識別提供學(xué)習(xí)和檢測樣本。

2.2 基于超聲波的內(nèi)部檢測實(shí)現(xiàn)原理

超聲發(fā)射的核心功能是從處理器接收激勵信號，并將激勵信號施加到激勵電路中，通過激勵電路產(chǎn)生經(jīng)過直流高壓觸發(fā)的脈沖信號，在高壓作用下激勵電路能在短時間內(nèi)產(chǎn)生超聲脈沖信號。

通過脈沖發(fā)射電路能夠控制超聲脈沖信號的幅值、超聲脈沖信號上升速度和超聲脈沖信號的寬度。超聲脈沖信號的頻率越高則頻帶越寬，超聲脈沖信號的脈沖寬度越小、檢測的覆蓋面越廣，分辨率則越高。脈沖發(fā)射電路在單位時間內(nèi)發(fā)出的超聲脈沖信號個數(shù)稱為重復(fù)率，高重復(fù)率對于提高檢測速度和檢測覆蓋度有重要意義，但是重復(fù)率也要控制在合理的范圍內(nèi)，重復(fù)率過高會導(dǎo)致返回超聲波的失真。超聲波發(fā)射電路如圖4所示。

圖4 超聲波發(fā)射電路原理

超聲波返回信號的接收電路由信號調(diào)理電路和信號采集電路構(gòu)成：信號調(diào)理電路的主要作用是將被試物件的超聲波返回信號進(jìn)行放大、濾波，再傳送給信號采集電路；信號采集電路由差分電路和模擬量—數(shù)字量轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。

2.3 數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)原理

由于需要進(jìn)行傷損定位，所以需要進(jìn)行檢測機(jī)器人的實(shí)時定位，并將位置信息傳送給主控中心，當(dāng)檢測機(jī)器人檢測到損傷時，需要將損傷位置、損傷時間、損傷類型等基本信息上傳，同時上傳損傷圖像信息，由主控中心對檢測信號、檢測定位等信息進(jìn)行綜合分析與處理，最終實(shí)現(xiàn)自動化和智能化。其中數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)基于圖像分層編解碼的窄帶寬、超高清圖像傳輸技術(shù)；機(jī)器人實(shí)時定位基于UWB室內(nèi)定位技術(shù)；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和輪對等核心部件與機(jī)器人的相對定位基于機(jī)器人末端視覺傳感器信息融合技術(shù)。

3 結(jié)束語

本文通過對軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和輪對的檢測方法進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了基于視覺和超聲波檢測相結(jié)合的綜合型軌道交通檢測機(jī)器人。該機(jī)器人的檢測關(guān)鍵技術(shù)是視覺檢測技術(shù)和超聲波檢測技術(shù)，主要從理論上分析了檢測技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理。該軌道交通檢測機(jī)器人不需要作業(yè)人員全程跟隨，能夠自主完成軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和輪對等核心部件的檢測工作，具有操作簡單方便、檢測精度高、檢測覆蓋面廣的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足軌道交通車輛的檢測需求，具備推廣應(yīng)用的價值。