一種基于機器視覺的鐵路輪徑尺自動檢定裝置

摘 要：本文根據(jù)一種基于機器視覺的鐵路輪徑尺自動檢定裝置，以較完善的機器視覺算法HALCON包進行二次開發(fā)，設(shè)計了符合鐵路輪徑尺檢定規(guī)程的自動化檢定裝置。該裝置以單片機作為控制核心，通過伺服電機推動輪徑尺測頭移動，電子磁柵尺同步讀取測頭運動距離，構(gòu)成閉環(huán)控制。測頭上方的高清CCD攝像機對數(shù)顯值變化進行抓拍，送至上位機進行圖像識別處理，得出輪徑尺的測量值。上位機通過串口對單片機進行控制和數(shù)據(jù)交換，再將磁柵尺讀取的同步值進行比對，計算后得出數(shù)據(jù)并自動完成檢定報告。整個檢定過程自動完成，無須人工干預(yù)。測試結(jié)果表明，裝置具有測量準(zhǔn)確、響應(yīng)速度快的特點。

關(guān)鍵詞：單片機；圖像識別；鐵路輪徑尺；檢定裝置

中圖分類號：TP 23" " " " " " " 文獻標(biāo)志碼：A

鐵路輪徑尺是測量鐵路車輪直徑的專用測量器具，在鐵路內(nèi)用量大、面積廣，鐵路車輪直徑測量的準(zhǔn)確性直接關(guān)乎行車安全，因此輪徑尺生產(chǎn)、制造以及檢驗各環(huán)節(jié)都需要遵循相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。鐵路各站段計量部門按《鐵路機車車輛輪徑測量檢定規(guī)程》[1]每隔8個月就要對鐵路輪徑尺進行一次檢定，目前采用較為原始的人工目視，利用量塊、塞尺、游標(biāo)卡尺、彈簧拉力計以及鋼直尺等工具進行手動推、拉，根據(jù)檢定點要求逐個檢定并記錄下相應(yīng)的檢定數(shù)值，操作步驟煩瑣，不僅誤差較大，而且費時費力。一種經(jīng)過機器視覺 Halcon算法包二次開發(fā) [2]的智能識別鐵路輪徑尺，有刻線式或數(shù)顯式兩種輪徑尺示值，能夠代替人工目視方式，利用伺服電機閉環(huán)驅(qū)動并精準(zhǔn)控制，滿足對不同長度檢定的要求，完全可以替代原來人推手拉來完成的檢定過程，具有更快的響應(yīng)速度和更高的精度。整個過程除了需要人工干預(yù)裝夾尺具外，其他動作都能實現(xiàn)自動化，極大程度地提高了效率。

1 檢定裝置整體架構(gòu)

1.1 檢定裝置平臺

基于機器視覺的鐵路輪徑尺自動檢定裝置機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1.1 精密底座

由強度良好的鑄鐵材料精鑄而成，加工前經(jīng)人工去應(yīng)力處理，達(dá)到精密檢具底座加工要求。頂面作為基準(zhǔn)面，由精密磨床精磨而成，可提高檢定裝置的精度。頂部左側(cè)安裝了不同量程的固定測座的限位安裝座，可根據(jù)鐵路輪徑尺的量程將固定測座移動到相應(yīng)的限位安裝座后固定。底部安裝了可調(diào)節(jié)高低腳釘，輪徑尺裝夾上部裝有水平輔助調(diào)節(jié)觀察水泡，檢定前須保持平臺在水平狀態(tài)。

1.1.2 運動部分

由伺服控制的精密滾珠絲桿滑臺、電子磁柵尺以及推力傳感器構(gòu)成。推力傳感器安裝在與鐵路輪徑尺測頭連接處，用于檢測在檢定過程中測量力是否超標(biāo)。

1.1.3 LCD觸摸屏幕

主體采用7寸電容觸摸屏，用戶可通過該屏幕提示完成裝置用校對桿標(biāo)定和推力傳感器標(biāo)定等工作。

1.1.4 被測鐵路輪徑尺

采用快速裝夾方式，保證當(dāng)測頭與滾珠絲桿滑臺連接時可靠且沒有間隙，當(dāng)需要標(biāo)定檢定裝置時，取下鐵路輪徑尺，直接放入校對桿即可。

1.1.5 可升降云臺

上面裝有CCD高清攝像機和LED可調(diào)光源，高度方向采用機械手輪方式調(diào)節(jié)，左右方向用燕尾滑臺固定，再輔以坦克鏈進行導(dǎo)線連接。

1.1.6 伺服控制及數(shù)據(jù)處理單元

由伺服電機、伺服驅(qū)動器、MCU單片機控制板卡和電源等構(gòu)成。

1.2 檢定裝置控制傳輸架構(gòu)

基于機器視覺的鐵路輪徑尺自動檢定裝置控制傳輸分為下位機、上位機2個部分，如圖2所示。

1.2.1 下位機

以單片機作為控制核心，通過電子磁柵尺讀取滾珠絲桿滑臺移動距離，其長度值通過解碼電路并行總線傳輸至單片機。當(dāng)進行鐵路輪徑尺檢定時，通過推力傳感器采集測頭的壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)信號調(diào)理后送入AD轉(zhuǎn)換電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過I2C總線發(fā)送給單片機。推動滾珠絲桿滑臺移動的私服電機只需要單片機向其驅(qū)動器發(fā)送PWM波即可，7寸電容觸摸屏幕采用帶串口通信協(xié)議屏，用觸摸屏自帶的第三方界面開發(fā)軟件即可編輯操作界面。

1.2.2 上位機

考慮到對機器視覺算法HALCON包進行了二次開發(fā)，上位機在進行識別運算時需要需要更大的內(nèi)存開銷和運行速度，所以配備8 G以上內(nèi)存CPU需要x86 InterCorei7 8代以上處理器，Windows則需要64位Windows10以上操作系統(tǒng)，CCD高清攝像機通過USB向上位機發(fā)送抓拍圖像，LED可調(diào)光源可根據(jù)電腦屏幕上顯示的抓拍圖像亮度調(diào)節(jié)合適的明暗度。

1.3 檢定裝置檢定數(shù)顯輪徑尺的測量不確定度分析

測量模型： L=L0+l+Δ+δ

L為檢定裝置復(fù)現(xiàn)值；L0為校對量桿的長度；l為磁柵尺的示值誤差；Δ為磁柵尺的讀數(shù)；δ為固定測量面與活動測量面的平行度，單位均為mm。

1.3.1 磁柵尺的示值誤差引入的測量不確定度u1

磁柵尺的示值誤差為±3 μm，服從均勻分布，則 u1=3/≈

1.7 μm=0.001 7 mm。

1.3.2 校對量桿的長度引入的不確定度u2

校對量桿采用常規(guī)測長機測量，測長機的測量誤差δ=

±（0.5+L/100）μm，量桿長L=850 mm，服從均勻分布，則δ=

±（0.5+850/100）=±9 μm=±0.009 mm；u2=0.009/≈0.005 2 mm 。

1.3.3 檢定裝置兩測量面的平行度引入的測量不確定度u3

檢定裝置固定測量面與活動測量面的平行度允許誤差為0.05 mm，服從均勻分布，則 u3=0.05/2/≈0.014 4 mm 。

1.3.4 檢定裝置與被檢輪徑尺的溫度差引入的測量不確定度u4

在進行檢定操作的過程中，檢定裝置與輪徑尺經(jīng)衡溫后，兩者的溫度差一般不超過0.5 ℃，則 u4=930×11.5×10-6×

0.5/≈0.003 1 mm 。

1.3.5 輪徑尺分辨力引入的測量不確定度u5

輪徑尺的分辨力為0.01 mm，服從均勻分布，則u5=

0.01/≈0.002 9 mm。

1.3.6 線脹系數(shù)差引入的測量不確定度u6

檢定裝置與被檢輪徑尺的線膨脹系數(shù)α2=（11.5±1）×10-6/℃，

引入的不確定度服從三角分布，包括因子k=，溫度偏離一般不大于5 ℃，則u6=930×2×10-6×/≈0.003 8 mm。

1.3.7 測量重復(fù)性引入的測量不確定度u7

被檢輪徑尺相同條件下重復(fù)測量5次，測量值為900.02、900.03、900.01、900.02和900.03。樣本標(biāo)準(zhǔn)差S如下。

S=

則u7=S=0.008 4 mm

分辨力與測量重復(fù)性進行比較，取用較大者。

1.3.8 電子磁柵尺分辨力引入的測量不確定度u8

電子磁柵尺分辨力為0.001 mm，服從均勻分布，則u8=0.001/2/≈0.00029 mm。

1.3.9 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度與擴展不確定度

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc計算過程如下。

= {0.001 72+0.005 22+

0.014 42+0.003 12+0.002 92+0.003 82+0.007 2 }1/2≈0.017 9 mm

擴展不確定度U，計算過程如下。

U=k·uc=2×0.017 9≈0.036 mm （包含因子 k =2） 滿足JJG 1081.1—2013《鐵路機車車輛輪徑測量檢定規(guī)程》要求。2 檢定裝置硬件設(shè)計

2.1 主控制器選擇

本系統(tǒng)包括1路以太網(wǎng)、2路串口、1路I2C總線、8位控制總線以及16位數(shù)據(jù)總線，分別用于與電子磁柵尺、伺服電機驅(qū)動器、推力傳感器以及LCD觸摸屏幕的通信和連接，因此系統(tǒng)的主控制器部分芯片選擇STM32F107VC[3]，它是一款基于ARM?的32位微控制器。其內(nèi)部集成了豐富的外設(shè)接口，包括3路UARST、2路UART、2路I2C、80個GPIO以及支持工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE1588的Ethernet MAC Interface接口。系統(tǒng)充分利用這些集成的外設(shè)單元，設(shè)計相應(yīng)的外圍接口電路，可以滿足系統(tǒng)的功能需求。

2.2 數(shù)據(jù)的主要采集控制芯片選擇

為高效快速讀取輪徑尺測頭移動距離，及時反饋給MCU 單片控制板卡，同時又能快速響應(yīng)由主控制器STM32F107VC發(fā)起的數(shù)據(jù)交換命令，采用安華高（Avago）公司生產(chǎn)的CMOS專用正交解碼集成電路HCTL-2032[4]芯片。其工作時鐘頻率達(dá)33 MHz，提高了測量精度和處理數(shù)據(jù)的速度，能將電子磁柵尺編碼快速、準(zhǔn)確解出，又集噪聲濾波、總線接口于一體，極大地提升了測量系統(tǒng)的性能。另外，芯片與STM32單片機接口方法非常簡單甚至可以直連，所以本文沒有給出具體電路圖。

2.3 檢定裝置推力電路及程序設(shè)計

輪徑尺測頭推力通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換獲取，本裝置中采用具有高達(dá)16位精度的AD1115集成芯片[5]，實現(xiàn)推力與電信號的精確轉(zhuǎn)換，2點推力標(biāo)定如公式（1）、公式（2）所示。

XK=（VAL0-VAL1）/（AD0-AD1） （1）

XB=（（AD0·VAL1）-（AD1·VAL0））/（AD0-AD1） （2）

式中：AD0、AD1 為標(biāo)定啟止點AD1115的AD機器內(nèi)碼值，AD0、AD1 不能等于0；VAL0、VAL1為標(biāo)定啟止點外部推力值。

由公式（1）、公式（2） 求出XK、XB計算因子，其計算過程如公式（3）所示。

ADResult = ADx · XK + XB （3）

經(jīng)標(biāo)定計算獲取XK、XB計算因子后，將任意點的內(nèi)部機器值A(chǔ)Dx代入公式（3）得到推力值A(chǔ)DResult。

3 檢定裝置上位機軟件設(shè)計

3.1 上位機

主界面有CCD攝像機傳輸?shù)妮啅匠邷y頭實時圖像，還有測頭當(dāng)前位置以及與私服電機之間的推力等實時數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶裝夾好輪徑尺后，調(diào)節(jié)CCD攝像頭焦距，使輪徑尺測頭圖像清晰，如果對比度不夠，還可以適當(dāng)調(diào)節(jié)LED光源。按下檢定按鈕，主程序可按檢定規(guī)程需要的檢定點向私服電機發(fā)出前進指令，經(jīng)下位機精密閉環(huán)調(diào)節(jié)后到達(dá)檢定點，CCD攝像機將抓拍圖像傳給上位機，經(jīng)過機器視覺算法HALCON包識別處理得出輪徑讀數(shù)，經(jīng)比對計算得出檢定結(jié)果。程序編寫流程如圖3所示。

3.2 鐵路輪徑尺圖像識別

以HDevelop為軟件開發(fā)平臺，視覺算法HALCON包為算子工具，通過設(shè)定識別區(qū)域，利用算法包對應(yīng)的算法因子提取識別目標(biāo)上的線紋特征和字符特征，結(jié)合邊緣檢測的圖像識別方法對高清CCD攝像機拍下的刻度尺部分或數(shù)字顯示屏部分的圖片進行圖像識別，從而獲取主副尺上的有效刻度值或數(shù)字顯示值，刻度尺使用游標(biāo)尺的換算方法計算出當(dāng)前鐵路輪徑的測量讀數(shù)值。此時，1個檢定目標(biāo)品類的圖像識別模型建立成功，后期對相同規(guī)格的產(chǎn)品進行檢定時，只需調(diào)用系統(tǒng)中已經(jīng)建立好的模

型即可快速進行檢定作業(yè)，數(shù)顯類測量尺的圖像識別特征因子提取應(yīng)用模型測試過程如圖4所示。

4 應(yīng)用

2023年5月，這套基于機器視覺的鐵路輪徑尺自動檢定裝置成功在某單位投入試用，每1.5" min即可自動完成一次鐵路輪徑尺檢定。經(jīng)過一段時間的試用證明，該裝置與人工檢定相比，具有更高效、快速和穩(wěn)定的特點，操作人員使用體驗良好，獲得了用戶的認(rèn)可和肯定。

5 結(jié)語

本文主要介紹了一種基于機器視覺的鐵路輪徑尺自動檢定裝置的構(gòu)成和誤差分析、主要硬件原理以及接口軟件實現(xiàn)方法。裝置包括5個部分，即下位單片機微控部分、CCD圖像采集傳輸部分、機器視覺Halcon開發(fā)包圖像進行識別處理部分、上位機主控調(diào)度部分和測量裝置部分。

該裝置的設(shè)計和成功應(yīng)用為鐵路計量檢定打下數(shù)字化檢測的基礎(chǔ)，滿足了國鐵集團裝備部提出的裝備保質(zhì)量的要求，提高了鐵路車輛運輸?shù)陌踩裕瑸殍F路車輛優(yōu)質(zhì)、高效檢修提供了技術(shù)支撐。未來，筆者將繼續(xù)走訪更多客戶，進行更充分的技術(shù)市場調(diào)研，不斷改進，使其得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻

[1]全國鐵路專用計量器具計量技術(shù)委員會鐵路專用長度分技術(shù)委員會.中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程 鐵路機車車輛輪徑量具檢具 第1部分：輪徑尺檢具：JJG 1082.1—2013[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2013：1-3.

[2]林輝，蔡秉華，張藝彬，等. 基于HALCON的車牌識別技術(shù)研究[J].機電工程技術(shù)， 2019，48（11）：8-10.

[3]關(guān)麗敏，李思慧，李偉剛.STM32F107VC的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控終端設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014（6）：72-75.

[4]候同強，劉和平.FPGA與CPLD器件的特點和應(yīng)用[J].電子與自動化，2000（2）：8-11.

[5]馬天驥，劉巍，廖武，等.基于CPLD的多路核脈沖信號采集處理與顯示技術(shù)研究[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2018（5）：725-729.