基于三維數(shù)據(jù)的受電弓姿態(tài)檢測方法研究

郭 浩

（中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司，甘肅蘭州 730030）

0 引言

隨著鐵路的高速發(fā)展，當(dāng)前動車運(yùn)營數(shù)量在保持高位的同時還在持續(xù)增多，為列車的安全運(yùn)營提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的單純依靠人工的檢測方式已經(jīng)被人工、設(shè)備相互合作的方式所代替，而基于圖像檢測的設(shè)備更是廣泛應(yīng)用于日常列車檢測的方方面面[1]。

受電弓作為電力列車的供能裝置，對列車的運(yùn)行至關(guān)重要。弓頭姿態(tài)異常若不能及時處理，會造成滑板異常磨損甚至“羊角”斷裂等嚴(yán)重事故[2]。

傳統(tǒng)的圖像檢測方法，主要是采集二維圖像，在二維圖像上利用二維特征實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵故障的檢測[3]?；趫D像處理的弓頭檢測方法，易受自然因素影響，成像質(zhì)量難以保證，系統(tǒng)穩(wěn)定性不足且二維數(shù)據(jù)缺乏深度信息，無法完全反應(yīng)受電弓的實(shí)際姿態(tài)。

線陣結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)，作為一種測量范圍廣、精度高、實(shí)時性強(qiáng)的高精度三維成像方法，被廣泛運(yùn)用于軌道交通檢測中[4]。本文基于線結(jié)構(gòu)光三維成像方法，搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)受電弓姿態(tài)的三維檢測方法，快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了受電弓姿態(tài)的動態(tài)檢測。

1 三維采集系統(tǒng)

1.1 線結(jié)構(gòu)光成像原理

相機(jī)和線激光安裝在同一側(cè)，通過相機(jī)拍攝激光線的二維圖像。激光器投射線激光到被測物體上，被測物體表面的高度對激光線的形狀進(jìn)行調(diào)制，激光線發(fā)生形變。相機(jī)采集形變的線激光條紋，結(jié)合標(biāo)定參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)線激光點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)計(jì)算[5]。

相機(jī)采用小孔成像模型，其像素坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中，M1為相機(jī)內(nèi)測矩陣，M2為相機(jī)外參矩陣：

激光平面方程為：Ax+By+Cz+D=0

通過預(yù)先標(biāo)定，可以計(jì)算得到相機(jī)內(nèi)參、外參以及激光平面方程參數(shù)。在已知激光點(diǎn)像素坐標(biāo)的情況下，即可通過該兩個方程聯(lián)立求得實(shí)際的三維坐標(biāo)。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

由于列車車型復(fù)雜多樣，現(xiàn)場安裝環(huán)境多變且工作距離長，對成像速度和要求較高，因此選擇配置視覺組件設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)。

作為市面上幀率最快的相機(jī)，Ranger3 通過內(nèi)嵌的FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）硬件系統(tǒng)，可以直接在采集前端完成激光線提取、點(diǎn)云重構(gòu)等線陣三維成像功能，特別適合用于動態(tài)的線陣結(jié)構(gòu)光測量應(yīng)用（表1）。

表1 Ranger3 相機(jī)參數(shù)

采用Ranger3 相機(jī)，激光垂直向下照射，相機(jī)傾斜拍攝。由于列車升弓與降弓其受電弓相隔1～2 m，光學(xué)系統(tǒng)無法同時保障兩部分均能清晰成像，因此分別設(shè)定了升弓檢測相機(jī)與降弓檢測相機(jī)（圖1）。

圖1 數(shù)據(jù)采集布局

2 受電弓姿態(tài)檢測原理

受電弓的姿態(tài)是指其翻滾角（或側(cè)翻角）、偏航角、俯仰角。以俯視受電弓為例，y 軸為列車行進(jìn)方向（軌道方向），x 軸為垂直軌道方向，z 軸為高度方向（垂直xoy 平面或水平面）。如此建立坐標(biāo)系則翻滾角表示受電弓的繞y 軸旋轉(zhuǎn)的角度，偏航角為受電弓繞z 軸旋轉(zhuǎn)的角度，俯仰角為受電弓繞x 軸旋轉(zhuǎn)的角度。

本文以滑板作為受電弓的模型框架，通過計(jì)算滑板上未磨耗區(qū)域的端點(diǎn)，來擬合出滑板所在的三維連線，從而構(gòu)建受電弓的三維幾何狀態(tài)，并計(jì)算其具體的姿態(tài)角度。

2.1 翻滾角計(jì)算

翻滾角表示受電弓繞Y 軸旋轉(zhuǎn)翻角，計(jì)算方法為：①尋找滑板兩端沒有磨耗的區(qū)域；②尋找沒有磨耗區(qū)域的中線；③取左右區(qū)域上的端點(diǎn)，并以端點(diǎn)擬合直線，計(jì)算其斜率；④如果找到的兩條直線斜率相等，則以兩條直線的端點(diǎn)擬合直線，并計(jì)算斜率；⑤用上一步驟中得到的斜率計(jì)算對應(yīng)的角度，即為受電弓的翻滾角（圖2）。

圖2 翻滾角計(jì)算流程

2.2 偏航角計(jì)算

偏航角為受電弓繞Z 軸旋轉(zhuǎn)的角度，計(jì)算思路包括：①尋找滑板的中線；②存儲中線上所有點(diǎn)對應(yīng)的X、Y 坐標(biāo)；③用上一步驟中的所有點(diǎn)擬合直線，計(jì)算直線斜率；④計(jì)算斜率對應(yīng)的夾角即為偏航角（圖3）。

圖3 偏航角計(jì)算流程

2.3 俯仰角計(jì)算

俯仰角為受電弓繞X 軸旋轉(zhuǎn)的角度，計(jì)算思路主要有6個：①尋找滑板兩端沒有磨耗的區(qū)域；②尋找沒有磨耗區(qū)域的中線；③取左右區(qū)域上的端點(diǎn)，并以端點(diǎn)擬合直線，計(jì)算其斜率；④如果找到的兩條直線斜率相等，則存儲兩條直線的端點(diǎn)；⑤用步一步驟中得到的點(diǎn)計(jì)算平均高度，然后計(jì)算前后滑板的高度差；⑥計(jì)算高度差與滑板間距的比值，然后該值的反正切，得到的角度即為俯仰角（圖4）。

圖4 俯仰角計(jì)算流程

3 現(xiàn)場測試

本系統(tǒng)設(shè)備安裝在現(xiàn)場，當(dāng)列車通過時自動觸發(fā)采集，并實(shí)時計(jì)算出滑板姿態(tài)結(jié)果（圖5）。

圖5 受電弓采集數(shù)據(jù)（深度圖）

總計(jì)采集22 組受電弓數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如表2 所示，測試數(shù)據(jù)曲線統(tǒng)計(jì)見圖6～圖8。

圖6 受電弓滑板翻滾角

表2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試結(jié)果

（1）從圖6 可以看出，前后滑板的翻滾角大部分在2°左右、最大不超過3°，最小只有0.815 854°。

（2）從圖7 可以看出，大部分在0°～0.5°，滑板的偏航角最大為1.083 99°，最小為0.07°。

圖7 受電弓滑板偏航角

（3）從圖8 可以看出，滑板的俯仰角很小，最大的只有0.016°。從以上數(shù)據(jù)測試可以看出，本系統(tǒng)在現(xiàn)場運(yùn)用可以實(shí)現(xiàn)自動實(shí)時姿態(tài)檢測，并取得了較好的驗(yàn)證效果。

圖8 受電弓滑板俯仰角

4 總結(jié)

基于線陣結(jié)構(gòu)的三維采集系統(tǒng)，可以在列車通過檢測設(shè)備時，動態(tài)地實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，可以保證高效、快速的高精度三維數(shù)據(jù)獲取。本文基于高精度三維數(shù)據(jù)，對受電弓滑板的姿態(tài)檢測進(jìn)行研究并在現(xiàn)場運(yùn)用，驗(yàn)證效果較好，為受電弓滑板姿態(tài)檢測提供了新的檢測方法。