一種基于機(jī)器視覺檢測受電弓升降弓時(shí)間及弓頭位移曲線的新方法

王俊東，周寧，李艷，張衛(wèi)華

(1. 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2. 中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

0 引言

受電弓作為列車受流的主要部件，其動(dòng)態(tài)特性對列車的安全運(yùn)行有著至關(guān)重要的影響[1]。隨著列車運(yùn)行速度的增加，如何有效地保證弓網(wǎng)間良好的受流質(zhì)量顯得尤為重要。而其中受電弓的升降弓時(shí)間和弓頭位移曲線是反映受電弓狀態(tài)的重要參數(shù)。為適應(yīng)不同線路的接觸網(wǎng)高度，受電弓的升弓高度一般在700 mm～2 400 mm范圍內(nèi)[2]。當(dāng)受電弓在不同高度運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生不同大小的氣動(dòng)抬升力，進(jìn)而影響弓網(wǎng)間的接觸壓力，并影響弓網(wǎng)系統(tǒng)間的受流質(zhì)量[3-5]。受電弓升降弓時(shí)間對于行車安全的影響也是巨大的。當(dāng)受電弓升降弓過快時(shí)會對接觸網(wǎng)和滑板有劇烈的沖擊，將引起滑板的損傷或刮壞接觸網(wǎng)；當(dāng)升弓過慢將可能在行車時(shí)不能及時(shí)升弓受流而影響牽引力的恢復(fù)，也可能因沒有及時(shí)降弓而造成受電弓損壞的事故[6]。YAO Y M等通過建立一種擴(kuò)展的受電弓-接觸網(wǎng)(PAC)接觸碰撞模型，計(jì)算得到當(dāng)受電弓抬升速度超過0.5 m/s時(shí)，弓網(wǎng)的接觸力將超過250 N，必須將受電弓的升弓速度控制在0.4 m/s以下[7]。所以，對受電弓的升降弓時(shí)間和弓頭位移曲線進(jìn)行研究對保證列車安全運(yùn)行有著重要意義。

目前大多數(shù)的弓網(wǎng)檢測手段可以分為接觸式檢測和非接觸式檢測兩種。接觸式檢測大多方式是通過安裝在車頂?shù)膫鞲衅骰蛘邫z測車檢測。例如日本主要將滑板磨耗和弓網(wǎng)離線作為檢測重點(diǎn)，而德國主要利用安裝于受電弓上的力傳感器和加速度傳感器檢測弓網(wǎng)間的接觸壓力[8]。張文浩等基于光纖光柵傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了一種受電弓狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測弓網(wǎng)間的接觸壓力、受電弓運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及滑板應(yīng)力溫度等[9]。譚夢穎等推導(dǎo)出弓頭集中力與應(yīng)變響應(yīng)間的關(guān)系，基于光纖應(yīng)變傳感器測量弓頭滑板的應(yīng)變，進(jìn)而測得接觸力[10]。

近幾年非接觸式弓網(wǎng)測量技術(shù)發(fā)展迅速，其中KARAKOSE E等利用Hough變換檢測出滑板和接觸線位置，利用交叉點(diǎn)特征定位到接觸點(diǎn)位置，進(jìn)而得到弓網(wǎng)導(dǎo)高和拉出值信息，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行中的拉出值超限位置和數(shù)量統(tǒng)計(jì)[11]；NA K M等通過相機(jī)和激光獲取滑板接觸區(qū)域圖像，基于深度學(xué)習(xí)和圖像處理方法測量滑板的磨損量和變形[12]；袁歡等結(jié)合圖像預(yù)處理、邊緣提取、Radon變換和最小二乘法等方法提取視頻圖像中受電弓燃弧發(fā)生的目標(biāo)位置[13]；姜利基于機(jī)器視覺，采用最小二乘法計(jì)算出光伏電池片的位置誤差[14]。

就目前現(xiàn)有的弓網(wǎng)檢測方法來看，針對受電弓升降弓時(shí)間和弓頭位移曲線的非接觸式檢測研究較少，且精度還有待提高。所以本文提出一種基于機(jī)器視覺檢測受電弓升降弓時(shí)間和弓頭位移曲線的方法，并利用地面試驗(yàn)進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。

1 檢測原理

1.1 圖像檢測方法

本文主要是根據(jù)識別標(biāo)記點(diǎn)的方式來檢測受電弓的升降弓時(shí)間和弓頭位移曲線，檢測流程圖如圖1所示。根據(jù)受電弓結(jié)構(gòu)特性，分別在受電弓的上下臂桿鉸接處和上框架頂桿處打上標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)形狀如圖2所示。接下來利用圖像處理技術(shù)檢測受電弓在升降弓過程中的標(biāo)記點(diǎn)位置。首先，基于標(biāo)記點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域進(jìn)行粗定位，減少計(jì)算時(shí)間，提高定位精度；然后利用模板匹配方法(template matching)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤和特征提取，精確定位到每一幀圖像中標(biāo)記點(diǎn)的位置；最后經(jīng)數(shù)據(jù)分析得到受電弓的弓頭位移曲線和升降弓時(shí)間。

圖1 圖像檢測方法圖

圖2 受電弓標(biāo)記點(diǎn)位置示意圖

1.2 升降弓位移曲線計(jì)算原理

相機(jī)安裝位置如圖3所示，安裝于受電弓的正前方或者正后方均可(根據(jù)相機(jī)安裝位置選擇標(biāo)記點(diǎn)的方向)。

圖3 相機(jī)安裝位置

升降弓弓頭位移曲線的計(jì)算方法原理如圖4所示。圖像的檢測對象是受電弓滑板下的頂桿和轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)處的標(biāo)記點(diǎn)，通過圖像處理技術(shù)檢測每一時(shí)刻標(biāo)記點(diǎn)的垂向位置信息a、e，然后基于已知的上框架長度c和下框架長度d，就可以計(jì)算得到兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位置信息，從而可以得到受電弓的升降弓弓頭位移曲線；其次，根據(jù)圖像檢測到的受電弓頂桿標(biāo)記點(diǎn)的位置變化數(shù)據(jù)信息，通過升弓和降弓的閾值判定，即可得到受電弓的升降弓時(shí)間。

圖4 計(jì)算原理圖

2 升降弓地面驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)簡介

為驗(yàn)證方法的可行性，本文進(jìn)行了多組受電弓的升降弓地面試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)布置如圖5所示。試驗(yàn)所采用的受電弓為單滑板受電弓，標(biāo)記點(diǎn)打在上框架頂桿和轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)處。在受電弓滑板水平位置處布置一個(gè)CCD高速工業(yè)相機(jī)(分辨率：1 920×1 080，采樣頻率：50 FPS)采集升降弓視頻，受電弓下方左右兩側(cè)的LED補(bǔ)光燈用于提高拍攝圖片的質(zhì)量。

圖5 受電弓升降弓試驗(yàn)

2.2 相機(jī)標(biāo)定

由于在本次實(shí)驗(yàn)中標(biāo)記點(diǎn)的相對位移測量僅限于垂向方向的位移測量，所以可以簡化相機(jī)標(biāo)定方法，使用尺度因子相機(jī)標(biāo)定法[15]。如圖6所示，當(dāng)相機(jī)光軸與結(jié)構(gòu)平面法線在一條直線上時(shí)，尺度因子k的計(jì)算式為

圖6 尺度因子計(jì)算圖

(1)

或者

(2)

式中：D為標(biāo)記點(diǎn)的實(shí)際長度；d為標(biāo)記點(diǎn)在圖像中對應(yīng)的像素?cái)?shù)；f為鏡頭焦距；Z為相機(jī)到標(biāo)記點(diǎn)的距離；dpixel為像素尺寸。

2.3 目標(biāo)跟蹤與特征提取

根據(jù)采集的圖片數(shù)據(jù)和標(biāo)記點(diǎn)尺度不變的特征，采用最高效的模板匹配方法(match template)識別標(biāo)記點(diǎn)位移。模板匹配的算法思想如圖7所示，將搜索模板T(m×n個(gè)像素)疊放在被搜索的圖像S(W×H個(gè)像素)上平移，搜索圖像上被模板圖像覆蓋的那塊區(qū)域叫子圖Sij。i，j為子圖左上角在被搜索圖S上的坐標(biāo)，搜索范圍是：1≤i≤W-m，1≤j≤H-n。

圖7 模板匹配算法思想

通過比較T和Sij的相似性，完成模板匹配過程。衡量模板T和子圖Sij的匹配程度,可用下列測度:

(3)

從公式中可以看出，中間第二項(xiàng)是一個(gè)常數(shù)，也就是只和模板有關(guān)系；第一項(xiàng)是模板覆蓋下那塊子圖像的能量,它隨(i,j)位置而緩慢改變。第三項(xiàng)是子圖像和模板的互相關(guān)函數(shù),隨(i,j)變化而迅速改變。模板T和子圖Sij匹配時(shí)這一項(xiàng)的值最大,因此可以用下列相關(guān)函數(shù)來反映匹配程度:

(4)

或者歸一化為

R(i,j)=

(5)

但是這種原始的模板匹配算法計(jì)算時(shí)間較長，所以本文提出了一個(gè)粗精匹配結(jié)合的優(yōu)化算法。首先，根據(jù)標(biāo)記點(diǎn)的垂向運(yùn)動(dòng)趨勢結(jié)合算法迅速鎖定標(biāo)記點(diǎn)的大致區(qū)域(圖8)，然后根據(jù)大致框定的匹配區(qū)域在附近逐一檢索獲得最佳匹配點(diǎn)，具體模板匹配過程在圖9中給出。這樣可大大降低整體匹配次數(shù)，且目標(biāo)提取效果很好。通過數(shù)據(jù)對比(表1)，采用粗精匹配結(jié)合的算法與直接采用模板匹配算法相比計(jì)算速度有大幅度提升，匹配時(shí)間由每張9.851 s縮減到每張1.385 s，計(jì)算效率提升了7倍。

圖8 原圖像和粗定位圖像

圖9 標(biāo)記點(diǎn)特征定位方法圖

表1 標(biāo)記點(diǎn)特征定位計(jì)算時(shí)間

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 升降弓弓頭位移曲線識別結(jié)果

本文進(jìn)行了多組動(dòng)態(tài)地面試驗(yàn)，通過圖像處理技術(shù)檢測出的升降弓弓頭位移曲線如圖10所示(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問請咨詢作者)。且根據(jù)文獻(xiàn)[16],通過動(dòng)力學(xué)軟件建立受電弓數(shù)學(xué)模型，得到弓頭位移曲線的理論值，兩者進(jìn)行對比。從圖中可以看出，通過圖像處理技術(shù)完整地識別出了升降弓弓頭的位移曲線，并且與數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的理論值吻合度較好。

圖10 升降弓弓頭位移曲線對比

3.2 升降弓時(shí)間識別結(jié)果

受電弓開始升弓至升弓后保持平穩(wěn)狀態(tài)為一個(gè)完整的升弓過程，受電弓開始降弓至落弓后保持平穩(wěn)狀態(tài)為一個(gè)完整的降弓過程。根據(jù)識別出的弓頭位置信息可識別出受電弓升弓和降弓過程，再利用相機(jī)采樣頻率可得到受電弓升降弓時(shí)間。根據(jù)計(jì)算出的升降弓時(shí)間與試驗(yàn)實(shí)測的參考值進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 升降弓時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：s

由表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，本文方法識別出的受電弓升降弓時(shí)間與參考值比較接近，識別誤差可控制在1 s以內(nèi)。由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以說明采用非接觸式的圖像處理技術(shù)檢測受電弓升降弓時(shí)間和升降弓弓頭位移曲線的方法是有效的，能準(zhǔn)確識別出升降弓狀態(tài)。

由于試驗(yàn)場地限制的原因，試驗(yàn)時(shí)受電弓的升弓高度僅有600 mm，再去除由于受電弓轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)處的標(biāo)記點(diǎn)被遮擋的220 mm，故本次試驗(yàn)有效的升弓高度為380 mm，但這并不影響判定此非接觸式檢測方法的有效性。

4 結(jié)語

本文提出了一種非接觸式的基于機(jī)器視覺和圖像處理技術(shù)檢測受電弓升降弓時(shí)間和弓頭位移曲線的新方法。與傳統(tǒng)的檢測手段相比，此方法智能化程度更高，安裝方便，檢測安全性高；而且不需要額外加傳感器，避免影響受電弓的動(dòng)力學(xué)性能。通過多組的地面動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了此方法的有效性和準(zhǔn)確性。檢測得到的升降弓弓頭位移曲線和升降弓時(shí)間較準(zhǔn)確，進(jìn)一步豐富了目前非接觸式檢測弓網(wǎng)狀態(tài)的研究，同時(shí)可為受電弓部件檢測和弓網(wǎng)間實(shí)時(shí)故障的監(jiān)測提供數(shù)據(jù)參考。

考慮到目前受電弓組成部件的復(fù)雜性和前期由于標(biāo)記點(diǎn)遮擋而無法識別的局限性，如何更加準(zhǔn)確地識別復(fù)雜背景下的升降弓時(shí)間和弓頭位移曲線，如何避免標(biāo)記點(diǎn)被遮擋的干擾，將是后續(xù)工作研究的重點(diǎn)。