基于激光位移傳感器的城軌列車受電弓滑板磨耗檢測方法

朱俊霖，姚小文，邢宗義

（南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210094）

隨著城市軌道交通（簡稱：城軌）的快速發(fā)展，城軌列車在線運行的安全問題也愈加受到關(guān)注。受電弓滑板是城軌列車的重要電氣部件，用于收集接觸線上的電流，為城軌列車提供動力。在城軌列車運行過程中，受電弓滑板與接觸線直接接觸，二者間的相互作用導(dǎo)致受電弓滑板的持續(xù)磨耗，其磨耗狀態(tài)對城軌列車的安全運營有著較大影響。因此，對受電弓滑板磨耗狀態(tài)進行及時監(jiān)測是保障城軌列車運營安全的一項重要措施[1]。

人工檢測法因其操作便捷、靈活性強的特點，仍是當(dāng)前受電弓滑板磨耗檢測的主要方法，但該方法需要人工登頂對受電弓滑板磨耗進行檢測，檢測效率低、安全性差，且檢測結(jié)果受人為因素影響較大[2]。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，城軌車輛關(guān)鍵部件的自動化智能檢測已成為趨勢。近年來，自動化檢測設(shè)備在弓網(wǎng)領(lǐng)域取得了較大進展，計算機視覺及激光等技術(shù)被用于弓網(wǎng)系統(tǒng)的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測。Karakose等人[3]提出一種基于圖像處理的受電弓故障診斷方法，對受電弓滑板與接觸線的接觸點進行監(jiān)測，并根據(jù)接觸點數(shù)量將受電弓滑板分為安全、危險、故障3個區(qū)域，但該方法未對滑板磨耗的具體數(shù)值進行計算；朱曉恒等人[4]和黃艷紅等人[5]使用邊緣檢測算法檢測受電弓滑板的剩余磨耗，但所用方法對磨耗檢測的準(zhǔn)確性有待改進；魏秀琨等人[6]提出一種基于圖像處理技術(shù)和深度學(xué)習(xí)的智能檢測方法，用于受電弓滑板的在線監(jiān)測，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來檢測受電弓滑板的故障類別，再基于亞像素等圖像處理技術(shù)對受電弓滑板的磨耗進行定量分析，但該方法的檢測精度仍有待提高；路繩方等人[7]提出一種基于多視圖分析的滑板磨耗測量系統(tǒng)，采用亞像素邊緣檢測和3D重構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)滑板磨耗量的檢測，但滑板磨耗曲線的重構(gòu)精度受滑板復(fù)雜的背景環(huán)境影響較大。上述研究都是基于圖像處理對受電弓滑板的狀態(tài)進行分析，但受電弓弓頭附近照明亮度和復(fù)雜的背景環(huán)境會增加算法處理的難度，不可避免地影響受電弓滑板檢測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

隨著激光位移傳感器（簡稱：激光傳感器）技術(shù)的快速發(fā)展，激光傳感器在鐵路領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。滕云等人[8]設(shè)計一種基于二維激光傳感器的鋼軌波紋精確測量系統(tǒng)，通過二維傳感器對鋼軌數(shù)據(jù)進行采樣，再采用數(shù)據(jù)拼接方法完成對鋼軌波紋的精確還原；程曉卿等人[9]將激光位感器運用到列車輪對尺寸的檢測中，通過多組激光傳感器的配合，實現(xiàn)列車車輪輪緣尺寸和輪徑的測量。但采用激光傳感器對受電弓滑板的狀態(tài)進行分析的研究尚少。

本文提出一種基于激光傳感器的城軌列車受電弓滑板磨耗檢測方法。采用2組激光傳感器采集受電弓滑板上表面輪廓線，通過數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)融合、滑板校正等方法獲取受電弓滑板的實際輪廓線，再將滑板實際輪廓線與標(biāo)準(zhǔn)輪廓線進行曲線配準(zhǔn)，獲得滑板的磨耗曲線，從而實現(xiàn)受電弓滑板磨耗的非接觸式在線檢測。

1 硬件設(shè)計

由于激光測量具有速度快、精度高的特點，本文基于激光傳感器設(shè)計了受電弓滑板磨耗檢測裝置（簡稱：檢測裝置）。檢測裝置由2組激光傳感器組成，安裝于受電弓滑板上方，垂直向下安裝，對受電弓滑板表面輪廓數(shù)據(jù)進行采集。2組激光傳感器的相對空間位置關(guān)系對受電弓滑板磨耗的檢測結(jié)果至關(guān)重要，檢測裝置的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為：（1）2組激光傳感器的激光平面位于同一平面上；（2）2組激光傳感器自身坐標(biāo)系的x軸要相互平行，y軸也要相互平行；（3）受電弓滑板位于激光傳感器的有效量程范圍內(nèi)，在滑板水平方向上，2組激光傳感器協(xié)同配合完成完整受電弓滑板數(shù)據(jù)的采集，且2條激光線存在交疊區(qū)，便于后期的數(shù)據(jù)融合處理；（4）2組激光傳感器關(guān)于軌道中心線鏡面對稱。

受電弓滑板磨耗檢測裝置組成如圖1所示，2組激光傳感器固定安裝在同一機械支架上，激光垂直往下照射，激光源點距滑板上表面的垂直距離為H，2個激光源點之間的水平距離為L。結(jié)合滑板長度及激光傳感器的有效量程，可對參數(shù)H和L進行設(shè)計，本文設(shè)計值為L=680 mm、H=1330 mm。圖中，梯形區(qū)域代表激光傳感器的有效量程，在滑板水平方向，2組激光傳感器發(fā)射的激光線能夠覆蓋完整的受電弓滑板且存在交疊區(qū)。

圖1 受電弓滑板磨耗檢測裝置組成

2 受電弓滑板磨耗檢測算法

本文設(shè)計的受電弓滑板磨耗檢測算法主要包括數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)融合、傾斜校正、曲線配準(zhǔn)和磨耗計算等5個步驟。

2.1 數(shù)據(jù)篩選

城軌列車通過檢測裝置時，激光傳感器進行連續(xù)采樣，當(dāng)受電弓滑板在激光傳感器有效量程范圍外時，激光傳感器無有效數(shù)據(jù)輸出；當(dāng)其在測量范圍內(nèi)時，激光傳感器輸出有效數(shù)據(jù)。受電弓滑板進入與離開檢測區(qū)域時，激光傳感器輸出點數(shù)有明顯的上升和下降現(xiàn)象，因此，可通過判斷激光傳感器輸出數(shù)據(jù)點數(shù)是否大于固定閾值，來進行受電弓滑板有效數(shù)據(jù)段的篩選。

2.2 數(shù)據(jù)融合

篩選出有效數(shù)據(jù)段后，需要將2組傳感器在同一時刻采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，得到受電弓滑板的完整輪廓，但受現(xiàn)場安裝條件和支架加工精度的影響，2組激光傳感器實際安裝的位置和角度都不是理想的設(shè)計值，無法簡單根據(jù)設(shè)計參數(shù)進行數(shù)據(jù)拼接。為保證2組激光傳感器融合后的曲線能夠符合滑板曲線實際情況，需要對激光傳感器坐標(biāo)系進行旋轉(zhuǎn)變換和平移操作，將2組激光傳感器采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系中。

2.2.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

激光傳感器數(shù)據(jù)融合坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意如圖2所示。激光傳感器坐標(biāo)系以激光源為原點，激光發(fā)射面的角平分線為y軸，x軸在二維激光平面內(nèi)垂直于y軸，激光傳感器1、2的坐標(biāo)系分別為x(1)o(1)y(1)和x(2)o(2)y(2)。本文以激光傳感器2的坐標(biāo)系為目標(biāo)坐標(biāo)系，將激光傳感器1的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)平移到激光傳感器2的坐標(biāo)系，具體轉(zhuǎn)換公式為

圖2 激光傳感器數(shù)據(jù)融合坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意

式中，(xn(1),yn(1))、(xn(2),yn(2))分別為坐標(biāo)系x(1)o(1)y(1)、x(2)o(2)y(2)上的點，α為x(1)軸和x(2)軸間的夾角，DX、DY分別為2個坐標(biāo)系原點的空間距離。

2.2.2 參數(shù)求解

數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵在于參數(shù)α、DX和DY的求解，本文采用基于標(biāo)定塊的融合參數(shù)計算方法，借助精加工的標(biāo)定塊，實現(xiàn)對這3個參數(shù)的計算。假設(shè)標(biāo)定塊寬度為W，標(biāo)定過程中2個激光傳感器需要照射在同一條直線上，將多次標(biāo)定的均值作為最終的標(biāo)定結(jié)果。

（1）旋轉(zhuǎn)角α求解

根據(jù)2條激光線照射在標(biāo)定塊上同一條直線的特征，實現(xiàn)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角的計算。對2組激光傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行線性擬合，擬合的直線分別為l1、l2，直線斜率分別為k1、k2，傾斜角分別為θ1、θ2，則旋轉(zhuǎn)角α計算公式為

（2）平移參數(shù)DX、DY的求解

將2組激光傳感器的激光照射在標(biāo)定塊的同一條直線上，激光傳感器1和2各檢測到標(biāo)定塊的1個邊界點，邊界點在各自激光傳感器坐標(biāo)系的坐標(biāo)分別為(x1,y1)、(x2,y2)。傳感器1的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角為α，則點(x1,y1)旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)為(x′1,y′1)，轉(zhuǎn)換公式為

激光傳感器1的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)后，其坐標(biāo)軸與傳感器2的坐標(biāo)軸相互平行，但坐標(biāo)原點存在一定的空間位置差。根據(jù)標(biāo)定塊固定長度的特征，對坐標(biāo)原點在x軸方向上的平移距離DX和y軸方向上的平移距離DY進行計算，公式為

2.3 傾斜校正

受傳感器安裝角度、受電弓運行姿態(tài)等因素的影響，激光線并不能垂直照射在受電弓滑板的上表面，因此，需要對融合的數(shù)據(jù)進行傾斜校正，以保證受電弓滑板磨耗曲線的準(zhǔn)確性，融合數(shù)據(jù)的校正公式為

式中，(xn(2),yn(2))為融合后的數(shù)據(jù)點；(un,vn)為校正后的數(shù)據(jù)點；β為傾斜校正角。

由公式（5）可知，校正的關(guān)鍵在于校正角β的求解，校正角求解過程主要分為數(shù)據(jù)分段和傾斜角計算2部分。

2.3.1 數(shù)據(jù)分段

受電弓滑板的裝配結(jié)構(gòu)（局部）如圖3所示。根據(jù)受電弓滑板裝配結(jié)構(gòu)特征，將融合后的數(shù)據(jù)分為5段，依次為左羊角數(shù)據(jù)、左空隙數(shù)據(jù)、滑板數(shù)據(jù)、右空隙數(shù)據(jù)和右羊角數(shù)據(jù)。激光傳感器垂直向下安裝，空隙數(shù)據(jù)在y軸方向上的值相比于其他位置數(shù)據(jù)具有一定幅值的突變，基于這一特征，本文采用連續(xù)邊緣提?。⊿EF，Successive Edge Following）算法，對數(shù)據(jù)點進行分段。從起點(x1(2),y1(2))開始，按照順序進行搜索，計算相鄰兩點{(xn(2),yn(2)) , (xn+1(2),yn+1(2))}的歐式距離d，與閾值 Δd進行比較，若d< Δd，則把后續(xù)點(xn+1(2),yn+1(2))加入到同一點集Rc={(x1(2),y1(2)) ,···, (xn(2),yn(2)) , (xn+1(2),yn+1(2))}中；若d≥ Δd，則以點(xn(2),yn(2))為分割點，下一個點集Rc+1以(xn+1(2),yn+1(2))為起點繼續(xù)搜索。數(shù)據(jù)分段完成后，統(tǒng)計各個點集的數(shù)據(jù)點數(shù)量Nc，并與閾值Δn進行比較，若Nc≤ Δn，則將該數(shù)據(jù)點集濾除，該點集內(nèi)的數(shù)據(jù)點被認(rèn)為是無效數(shù)據(jù)。

圖3 受電弓滑板裝配結(jié)構(gòu)（局部）

2.3.2 傾斜角計算

數(shù)據(jù)分段完成后，通過閾值Δn的設(shè)置，可將非滑板數(shù)據(jù)點集濾除，只保留滑板數(shù)據(jù)點集。根據(jù)滑板的結(jié)構(gòu)特征和磨耗位置，將滑板數(shù)據(jù)分為左斜邊、水平和右斜邊3個區(qū)域，如圖4所示。除去水平區(qū)域，其余2個區(qū)域在正常情況下都不會與接觸網(wǎng)接觸并發(fā)生磨耗，本文基于左、右斜坡區(qū)域的角度特征實現(xiàn)受電弓滑板傾斜角的計算，公式為

圖4 滑板磨耗區(qū)域劃分

式中，δ1、δ2分別是左斜坡區(qū)域、右斜坡區(qū)域的數(shù)據(jù)點進行一階線性擬合后，在受電弓滑板水平方向上的傾斜角。

2.4 曲線配準(zhǔn)

本文采用迭代局部特征段（ILFS ，Iterative Local Feature Segment）算法進行受電弓滑板實際磨耗輪廓與標(biāo)準(zhǔn)輪廓匹配的配準(zhǔn)工作，具體過程如下。

2.4.1 輪廓特征點檢測

曲線配準(zhǔn)的前提是對受電弓滑板實際磨耗輪廓和標(biāo)準(zhǔn)輪廓進行特征點檢測工作，本文以滑板實際磨耗輪廓為例進行特征點檢測說明。選取受電弓滑板實際輪廓線上的任意一點Pi(xi,yi)，其前后兩點為Pi-k(xi-k,yi-k)，Pi+k(xi+k,yi+k)，將Pi、Pi-k、Pi+k這3個點進行圓弧擬合，記擬合后的圓弧所在圓的半徑為r，Pi點的曲率為ρi，Ω (Pi) ={Pi-k, ···,Pi-1,Pi,Pi+1, ···,Pi+k} 為點Pi(xi,yi) 的覆蓋區(qū)域，在覆蓋區(qū)域內(nèi)，Pi處的曲率公式為

2.4.2 搜索初始匹配點

計算受電弓滑板實際磨耗輪廓和標(biāo)準(zhǔn)輪廓各點的曲率，根據(jù)上述特征點判定規(guī)則，分別得到2條輪廓的特征點集。假定受電弓滑板實際磨耗輪廓特征點集記為h1={h11,h12,···,h1n}，相對應(yīng)曲率記為O1={O11,O12,···,O1n}，標(biāo)準(zhǔn)輪廓特征點集記為h0={h01,h02,···,h0m}，相對應(yīng)的曲率記為O0={O01,O02,···,O0m}，n、m分別為受電弓滑板實際輪廓和標(biāo)準(zhǔn)輪廓上的特征點個數(shù)。搜索受電弓滑板實際磨耗輪廓和標(biāo)準(zhǔn)輪廓的特征點，如果滿足公式（8），則受電弓滑板實際輪廓的第s1、s2個特征點和標(biāo)準(zhǔn)輪廓的第t1、t2個特征點初始匹配。

式中，N為誤差度量。

2.4.3 確定候選匹配點

分別計算候選匹配曲線段2個特征點間的弦長L1、L2。如果滿足L1-L2<ε，ε為最大允許誤差，則2個弦長在誤差允許的范圍內(nèi)，判定兩段曲線匹配；否則，返回2.4.2中的步驟，重新搜索。

2.4.4 確定匹配數(shù)據(jù)段

由于標(biāo)準(zhǔn)輪廓曲線是未磨耗的受電弓滑板輪廓線，而目標(biāo)輪廓曲線為磨耗后的受電弓滑板輪廓線，二者不可能完整匹配，已知受電弓滑板受到的磨耗只有水平區(qū)域，兩端的斜坡區(qū)域是不被磨耗的，因此，對兩端不被磨耗的部分進行匹配即可完成輪廓線的配準(zhǔn)。

選擇滑板實際磨耗輪廓的第s1、s2個特征點的左右各30個點作為未磨耗部分輪廓，相對應(yīng)的數(shù)據(jù)點集分別記為同理，選擇標(biāo)準(zhǔn)輪廓的第t1、t2個特征點的左右各30個點，相對應(yīng)的數(shù)據(jù)點集分別記為。對滑板兩側(cè)不被磨耗的部分進行匹配即可完成輪廓線的配準(zhǔn)，即進行s1特征點段曲線和t1特征點段曲線匹配，s2特征點段曲線和t2特征點段曲線匹配。計算A1、B1和A2、B2之間的Hausdorff距離為 D ( A1, B1) 和 D ( A2, B2)[10]，如果D(A1,B1) 和D(A2,B2)小于設(shè)置的誤差閾值，則表示輪廓匹配成功；否則，重新搜索匹配數(shù)據(jù)段。

2.5 滑板磨耗計算

曲線配準(zhǔn)完成后，需將實際輪廓與標(biāo)準(zhǔn)輪廓做減操作，以獲取受電弓滑板的磨耗值。但兩者數(shù)據(jù)點的間距不同，無法直接進行減操作。本文以實際磨耗輪廓的數(shù)據(jù)點橫向坐標(biāo)為基準(zhǔn)，對標(biāo)準(zhǔn)輪廓進行局部多項式曲線擬合，再進行減操作，獲得受電弓滑板的實際磨耗值。

3 試驗與分析

3.1 磨耗試驗過程

為驗證本文設(shè)計的基于激光傳感器的受電弓滑板磨耗檢測方法，搭建的受電弓滑板磨耗檢測裝置如圖5所示，2組激光傳感器固定安裝在同一機械支架上，激光垂直向下照射受電弓滑板的上表面。

圖5 受電弓滑板磨耗檢測裝置

2組激光傳感器檢測得到的受電弓滑板輪廓數(shù)據(jù)如圖6所示，經(jīng)數(shù)據(jù)融合、傾斜校正后得到的完整受電弓滑板輪廓曲線，如圖7所示。圖6、圖7中橫縱坐標(biāo)表示受電弓滑板輪廓數(shù)據(jù)在自建坐標(biāo)系中的位置信息。

圖6 傳感器測量滑板輪廓

圖7 完整的受電弓滑板輪廓

將受電弓滑板實際輪廓與標(biāo)準(zhǔn)輪廓進行曲線配準(zhǔn)，特征點檢測結(jié)果如圖8所示。選取受電弓滑板左右未磨耗區(qū)域的特征點進行曲線匹配，匹配結(jié)果如圖9（a）所示，圖中藍(lán)色曲線為標(biāo)準(zhǔn)輪廓，紅色曲線為受電弓滑板實際磨耗輪廓。圖8、圖9中橫縱坐標(biāo)表示受電弓滑板輪廓數(shù)據(jù)在自建坐標(biāo)系中的位置信息。

圖8 特征點檢測

圖9 不同算法曲線配準(zhǔn)結(jié)果

ILFS算法的曲線配準(zhǔn)結(jié)果如圖9（a）所示。為驗證本文所用ILFS算法的曲線配準(zhǔn)性能，選擇最近點迭代（ICP ，Iterative Closest Point）算法[11]和點對加權(quán)ICP算法[12]進行對比，2者的曲線匹配結(jié)果如圖9（b）、圖9（c）所示。由圖9可知，ILFS算法和點對加權(quán)ICP算法的配準(zhǔn)結(jié)果比較準(zhǔn)確，而傳統(tǒng)ICP算法配準(zhǔn)結(jié)果不佳。

由于ICP算法配準(zhǔn)效果較差，本文僅將ILFS算法和點對加權(quán)ICP算法的配準(zhǔn)效果進行進一步對比。以2條輪廓線匹配點對間的歐式距離的平均值作為曲線配準(zhǔn)的精度，ILFS算法的配準(zhǔn)精度為0.22 mm，點對加權(quán)ICP算法的配準(zhǔn)精度為1.85 mm，ILFS算法具有顯著優(yōu)勢。

曲線配準(zhǔn)完成后，將標(biāo)準(zhǔn)輪廓與實際輪廓做減操作，獲得受電弓滑板的磨耗曲線，如圖10所示，橫坐標(biāo)表示滑板的磨耗位置。

圖10 受電弓滑板磨耗曲線

3.2 檢測結(jié)果的驗證與分析

由圖10可知，受電弓滑板最大磨耗值為22.07 mm，該滑板人工測量最大磨耗值為22.4 mm，誤差為0.33 mm。為進一步驗證激光檢測方案的精度，選取10組滑板進行測量，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 滑板磨耗測量結(jié)果

由表1可知，10根滑板的磨耗誤差均在0.5 mm以內(nèi)，平均檢測誤差為0.34 mm。文獻[13]提出的基于圖像處理的受電弓滑板磨耗檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了0.8 mm的滑板磨耗檢測精度。因此，本文提出的基于激光傳感器的受電弓滑板磨耗檢測方法，相較于文獻[13]一類傳統(tǒng)的基于圖像處理的磨耗檢測方法，剔除了大量無用背景信息的干擾，提升了滑板磨耗檢測精度，誤差控制在0.5 mm以內(nèi)，能夠滿足受電弓滑板檢測的需求。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于激光傳感器的受電弓滑板磨耗檢測方法，給出了基于激光傳感器的受電弓滑板磨耗硬件設(shè)計方案，闡明了檢測算法中數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)融合、傾斜校正、曲線配準(zhǔn)和磨耗計算等5個步驟的具體過程，并通過試驗驗證了所提方法的可靠性。試驗結(jié)果表明，本文提出的受電弓滑板磨耗檢測方法具有較高的檢測精度，能夠滿足受電弓滑板磨耗檢測的精度需求。