韋爭(zhēng)亮,黃志斌,古耀達(dá),嚴(yán)杰文

（廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510030）

基于機(jī)器視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)控制的軌距尺檢定器自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)研究

韋爭(zhēng)亮,黃志斌,古耀達(dá),嚴(yán)杰文

（廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510030）

人工操作軌距尺檢定器繁瑣耗時(shí)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制與機(jī)器視覺(jué)兩項(xiàng)技術(shù)集成實(shí)現(xiàn)檢定器的自動(dòng)化改造。由數(shù)顯卡尺長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)、鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)機(jī)構(gòu)及步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成兩個(gè)閉環(huán)定位子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軌距及超高參數(shù)測(cè)點(diǎn)的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制。在顯示表盤(pán)圖像中依據(jù)亮度、幾何形狀結(jié)構(gòu)和擬合特征信息識(shí)別出各類(lèi)示值特征及其相互關(guān)系實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)讀數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：技術(shù)集成后可完成各類(lèi)軌距尺的自動(dòng)化檢測(cè)過(guò)程。

軌距尺檢定器；機(jī)器視覺(jué)；運(yùn)動(dòng)控制；自動(dòng)化改造；示值特征識(shí)別

0 引 言

隨著我國(guó)高速鐵路和城市軌道交通的迅猛發(fā)展，軌道路線的檢測(cè)維護(hù)需求不斷增加，直接關(guān)系著列車(chē)的運(yùn)行安全。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家大多使用智能化軌道檢測(cè)系統(tǒng)，如瑞士PALAS、荷蘭BSM、澳大利亞RAILSCAN等[1]，但該類(lèi)大型自動(dòng)化軌檢車(chē)費(fèi)用昂貴，使用影響運(yùn)輸?shù)恼{(diào)度。我國(guó)普通鐵路線路的日常檢修仍廣泛采用便攜式可直接測(cè)量鐵路線兩股鋼軌間軌距和超高參數(shù)的軌距尺，并按照J(rèn)JG 219-2008《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路軌距尺檢定規(guī)程》[2]的要求，基于國(guó)產(chǎn)軌距尺檢定器執(zhí)行強(qiáng)制檢定來(lái)保障其計(jì)量性能。目前國(guó)內(nèi)涉及鐵路計(jì)量的檢測(cè)機(jī)構(gòu)基本使用沈陽(yáng)鐵路局蘇家屯軌距尺廠、哈爾濱安通測(cè)控等專(zhuān)業(yè)鐵路計(jì)量器具廠家所制造的軌距尺檢定器。該類(lèi)檢定器在

測(cè)量軌距尺時(shí)均采用手動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行多點(diǎn)定位及人工讀數(shù)，檢定過(guò)程繁瑣耗時(shí)。何勝利等[3]改進(jìn)檢定器部分機(jī)械結(jié)構(gòu)，提升了操作簡(jiǎn)易性，但仍為人工檢測(cè)。文旭等[4]增加了電動(dòng)控制部分，但并不具備完全的自動(dòng)檢測(cè)功能。

本文通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在原檢定器基體上有效集成實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動(dòng)化檢定功能，提升了軌距尺檢定的水平及效率。

1 自動(dòng)化改造基本原理及結(jié)構(gòu)

圖1為軌距尺檢定器自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖2為相應(yīng)的元部件組合示意圖[2，5]。

整個(gè)系統(tǒng)由軌距測(cè)量和水平（超高）測(cè)量?jī)刹糠纸M成。圖1上半部采用運(yùn)動(dòng)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、數(shù)顯卡尺組成兩組閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制[6]解決方案，分別實(shí)現(xiàn)超高及軌距檢定時(shí)任意間隔的多點(diǎn)高精度自動(dòng)定位，對(duì)應(yīng)著圖2（1、2、3、4、5、16）及（11、12、13、14、15、16、17）所組成的定位子系統(tǒng)。圖1下半部由工業(yè)攝像機(jī)及計(jì)算機(jī)組成機(jī)器視覺(jué)模塊，依靠圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)軌距尺測(cè)量數(shù)值自動(dòng)讀取。需處理3種示值圖像：對(duì)于機(jī)械軌距尺軌距測(cè)量時(shí)需在指示表盤(pán)圖像中正確識(shí)別指針、刻度線、示值符號(hào)等特征，對(duì)應(yīng)圖2中的（7、6、18）組合；超高測(cè)量時(shí)需在水準(zhǔn)器圖像中有效提取水準(zhǔn)氣泡并定位刻度值，對(duì)應(yīng)圖2中的（8、9、18）組合；數(shù)顯類(lèi)軌距尺對(duì)圖像背景剝離技術(shù)要求較低，主要在于提取數(shù)字形狀特征并識(shí)別。

圖1 軌距尺檢定器自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制方案

分辨率0.01mm的數(shù)顯卡尺示值誤差為±0.02mm，遠(yuǎn)小于軌距尺水平（超高）示值的最大允差±0.30m，可滿足測(cè)量不確定度評(píng)定要求，且通過(guò)專(zhuān)用接口能與計(jì)算機(jī)通信，因此選用數(shù)顯卡尺作為閉環(huán)位移標(biāo)準(zhǔn)。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。計(jì)算機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器輸出高頻率脈沖信號(hào)，經(jīng)由PWM雙極性恒流斬波式驅(qū)動(dòng)器細(xì)分步數(shù)后促成兩相混合式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。最終選用保持轉(zhuǎn)矩為1.0（N·m）的電機(jī)，通過(guò)平穩(wěn)牢固的鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)機(jī)構(gòu)可有效帶動(dòng)數(shù)顯卡尺的活動(dòng)尺身移動(dòng)[7]，位移信號(hào)實(shí)時(shí)反饋回計(jì)算機(jī)與預(yù)設(shè)置比較，依據(jù)差值符號(hào)及大小自適應(yīng)改變脈沖特性，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

圖2 自動(dòng)化改造后的軌距尺檢定器各部件組合示意圖

3 機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)讀數(shù)

3.1 數(shù)顯軌距尺示值圖像處理

該類(lèi)圖像如圖3（a）所示。由于主體僅為暗色背景上的高亮數(shù)學(xué)符號(hào)，識(shí)別難度較小。選取合適閾值二值化圖像（圖3（b）），經(jīng)腐蝕膨脹操作保障數(shù)字區(qū)域的隔離及完整，再提取各個(gè)獨(dú)立連通區(qū)域的輪廓并確定最小包圍矩形。若長(zhǎng)寬比例處于較方正的區(qū)間則視為可能數(shù)字區(qū)域，如圖3（c）所示。

圖3 數(shù)顯表盤(pán)圖像初步處理示例

將統(tǒng)計(jì)和特征方法優(yōu)勢(shì)聯(lián)合進(jìn)行數(shù)字識(shí)別[8]。一是提取各個(gè)數(shù)字子區(qū)域分布統(tǒng)計(jì)比例參數(shù)[9]，將數(shù)字最小包圍矩形按照從上到下的分布劃分為5個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有效象素?cái)?shù)與整體像素?cái)?shù)的比值即為其比例參數(shù)。二是抽取骨架，采用逐次消去邊界點(diǎn)的迭代細(xì)化算法[10]，得到數(shù)字的單像素連接線條。取出骨架線端點(diǎn)和交叉點(diǎn)（3條以上線段的交點(diǎn)）特征，依據(jù)它們?cè)谏现邢?個(gè)區(qū)域內(nèi)的分布數(shù)量及結(jié)構(gòu)信息實(shí)現(xiàn)數(shù)字識(shí)別。從圖3（a）可看到軌距及超高示值均為連續(xù)5個(gè)數(shù)字排列。依據(jù)高度約束對(duì)區(qū)域分類(lèi)，當(dāng)存在5個(gè)同高度連續(xù)排列的數(shù)字區(qū)域組合時(shí)，依據(jù)分布先驗(yàn)知識(shí)及骨架端點(diǎn)特征識(shí)別出“+”“-”號(hào)及小數(shù)點(diǎn)并據(jù)其位置確定數(shù)值，最終結(jié)果見(jiàn)圖4。

3.2 機(jī)械軌距尺超高示值圖像處理

圖4 數(shù)顯自動(dòng)讀數(shù)結(jié)果

該類(lèi)圖像如圖5（a）所示。由于示值部件為黑色邊框中的狹長(zhǎng)水準(zhǔn)器，圖像二值化提取出橫跨圖像中部較亮的長(zhǎng)矩形區(qū)域作為有效區(qū)域（圖5（b）），以排除不必要的干擾和提高處理效率。圖5（c）為尺面局部放大圖像。示值重要特征包括標(biāo)尺刻線、長(zhǎng)度數(shù)字和水準(zhǔn)泡邊緣及其端點(diǎn)。標(biāo)尺刻線存在一個(gè)不易受光照影響的穩(wěn)定特征，即其中心像素點(diǎn)位于水平掃描線的亮度低谷，據(jù)此可提取出所有可能的刻線中心像素點(diǎn)（圖5（d））。保留細(xì)長(zhǎng)的連通中心像素點(diǎn)集合視為可能的刻線區(qū)域。處于同一高度上數(shù)量最多的區(qū)域組合視為有效標(biāo)尺刻線排列。依據(jù)刻線高度區(qū)分并保留長(zhǎng)、中兩組刻線子集合，刻線識(shí)別及分組結(jié)果如圖5（e）所示。雖然非均勻光照和圖像分辨率限制造成極少數(shù)的刻線識(shí)別缺失，但已識(shí)別刻線信息足夠支持正確讀數(shù)。在有效長(zhǎng)刻線的底端提取出數(shù)字目標(biāo)矩形，按照“3.1”所述方法識(shí)別數(shù)字。若連續(xù)長(zhǎng)刻線識(shí)別出的長(zhǎng)度值呈現(xiàn)逐次加1的規(guī)律，則可基本確定為正確刻線組合。由長(zhǎng)刻線的間距及示值差得到圖像像素間距與標(biāo)尺分度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并基此修正錯(cuò)誤識(shí)別的示值。由中等長(zhǎng)度刻線與其最鄰近長(zhǎng)刻線的距離推算其相應(yīng)長(zhǎng)度示值，圖5（f）給出了完整標(biāo)尺刻線及其對(duì)應(yīng)示值的最終識(shí)別結(jié)果。

水準(zhǔn)泡的定位直接關(guān)系讀數(shù)準(zhǔn)確性。相比直接受到刻線干擾的左右邊緣，水準(zhǔn)泡上邊緣特征在圖像中更加明確。若某個(gè)像素低于其上方像素灰度值一定閾值，則視為可能的水準(zhǔn)泡上邊緣點(diǎn)（圖5（g）），具備足夠高度和寬度的連通集合視為水準(zhǔn)泡上邊緣的有效區(qū)域（圖5（f）的上端矩形框標(biāo)示）。此后自最高邊緣點(diǎn)開(kāi)始逐步下移提取出有效的水準(zhǔn)泡邊緣點(diǎn)。

用光滑曲線擬合上邊緣數(shù)據(jù)及其鏡像下邊緣數(shù)據(jù)，其與刻線中點(diǎn)連線的交點(diǎn)即為水準(zhǔn)泡讀數(shù)端點(diǎn)。如圖5（g）所示，對(duì)四種曲線形式進(jìn)行最小二乘擬合實(shí)驗(yàn)。1為水準(zhǔn)泡最高點(diǎn)之右的上下半邊緣反余弦曲線擬合（式1）結(jié)果。2為最小誤差橢圓擬合（式2）結(jié)果。3為上下對(duì)稱(chēng)半邊緣開(kāi)口朝左拋物線擬合（式3）結(jié)果，4為上部全體水準(zhǔn)泡邊緣開(kāi)口朝下拋物線擬合（式4）結(jié)果。a、b、c為待擬合曲線參數(shù)，ymid為刻線中點(diǎn)連線高度坐標(biāo)，xh、yh為水準(zhǔn)泡上邊緣最高點(diǎn)的

水平和高度坐標(biāo)。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)求證，式（1）反余弦曲線擬合結(jié)果與實(shí)際水準(zhǔn)泡形狀最為相符。獲取端點(diǎn)可靠初定位后，可依據(jù)周邊邊緣分布進(jìn)一步精定位水準(zhǔn)泡端點(diǎn)。圖5（h）給出了最終讀數(shù)結(jié)果。

圖5 機(jī)械軌距尺超高示值圖像識(shí)別過(guò)程及結(jié)果

3.3 機(jī)械軌距尺軌距示值圖像處理

圖6 機(jī)械軌距尺軌距示值圖像處理過(guò)程及結(jié)果

該類(lèi)圖像如圖6（a）所示。對(duì)圖像進(jìn)行二值化，依據(jù)表盤(pán)上部高亮白條確定有效示值區(qū)域（圖6（b））。刻線可能區(qū)域的提取方法與“3.2”超高示值刻線提取類(lèi)似，但相反的是刻線中心點(diǎn)亮度為其水平掃描

線峰值。在圖像上下部基于同一高度約束確定個(gè)體數(shù)量最多的刻線區(qū)域組合作為有效刻線集，同樣對(duì)刻線進(jìn)行長(zhǎng)短分類(lèi)，上下組有效刻線識(shí)別結(jié)果見(jiàn)圖6（c）。在識(shí)別出的長(zhǎng)刻線端部依據(jù)表盤(pán)示值元素排布先驗(yàn)知識(shí)確定數(shù)字符號(hào)區(qū)域，按照“3.1”數(shù)字識(shí)別方法確定長(zhǎng)刻線長(zhǎng)度值，依據(jù)刻線間位置關(guān)系確定出短刻線對(duì)應(yīng)示值。頂端和底部的單條長(zhǎng)中心點(diǎn)豎直連線為指示刻線，由其與最近識(shí)別刻線的位置關(guān)系確定最終讀數(shù)。圖6（d）為刻線示值及指示線識(shí)別結(jié)果，圖6（e）為讀數(shù)結(jié)果。

4 自動(dòng)檢定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

軟件系統(tǒng)調(diào)用了OpenCV[11-12]跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)。表1為機(jī)械和數(shù)顯兩類(lèi)軌距尺軌距示值誤差自動(dòng)檢定結(jié)果。在1391mm位置反復(fù)定位5次測(cè)量，以量值的最大最小值之差作為重復(fù)性。表2為兩類(lèi)軌距尺超高示值誤差自動(dòng)檢定結(jié)果，重復(fù)性是在100mm位置處反復(fù)定位測(cè)量5次所得。按照J(rèn)JG 219-2008的要求：軌距示值的最大允許誤差為±0.20mm，示值重復(fù)性應(yīng)小于0.05mm，超高示值的最大允許誤差1級(jí)為±0.45mm，示值重復(fù)性≤0.15 mm，2級(jí)為±1.3 mm，示值重復(fù)性≤0.4mm。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看到被檢的機(jī)械及數(shù)顯軌距尺軌距示值誤差均符合要求，兩者的重復(fù)性都稍偏大。超高方面機(jī)械式軌距尺在50mm處超過(guò)了2級(jí)超高示值的最大允差要求，其重復(fù)性同樣超過(guò)2級(jí)要求。數(shù)顯式軌距尺在150mm超過(guò)了1級(jí)最大允差要求，但滿足2級(jí)要求，重復(fù)性滿足1級(jí)要求。

表1 軌距尺軌距示值誤差自動(dòng)檢定結(jié)果 單位：mm

表2 軌距尺超高示值誤差自動(dòng)檢定結(jié)果 單位：mm

軌距參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)耗時(shí)30s之內(nèi)。超高參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)耗時(shí)1min 30s之內(nèi)。重復(fù)性檢測(cè)耗時(shí)1min之內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

論文通過(guò)數(shù)顯卡尺長(zhǎng)度反饋標(biāo)準(zhǔn)、脈沖序列驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力元件與鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的組合實(shí)現(xiàn)了軌距及超高參數(shù)測(cè)量點(diǎn)的閉環(huán)自動(dòng)定位系統(tǒng)。在3類(lèi)示值圖像中基于灰度和邊緣特征分割出可能特征區(qū)域，再依據(jù)目標(biāo)像素集合的形狀結(jié)構(gòu)、統(tǒng)計(jì)特性及特征點(diǎn)幾何分布識(shí)別出該類(lèi)示值特征，結(jié)合示值表盤(pán)先驗(yàn)讀數(shù)規(guī)則進(jìn)一步排除錯(cuò)誤識(shí)別結(jié)果，選擇最佳函數(shù)擬合關(guān)鍵端點(diǎn)，解析各類(lèi)示值特征的空間位置排列信息，由于綜合運(yùn)用了多種特征識(shí)別信息，保證了正確的示值自動(dòng)判讀。自動(dòng)檢定實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的集成運(yùn)用有效提升了軌距尺檢定的可靠性和效率。

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Research on automatic testing technique of calibrator for railway track gage based on machine vision and motion control

WEI Zheng-liang，HUANG Zhi-bin，GU Yao-da，YAN Jie-wen
（Guangzhou Institute of Measuring and Testing Technology，Guangzhou 510030，China）

As manual operation of calibrator for railway track gage is complicated and time consuming，the renovation of calibrator is realized by the technique integration of motion control and machine vision.Two closed-loop-location subsystems constructed by length standard of digital caliper，chain drive mechanism and stepped motor realize automatic motion control of railway track distance and level parameter measurement point.Recognizing all kinds of indication value features and their relations in display dial plate image based on intensity，geometrical shape，structure and fitting feature information realizes machine vision reading.Experimental results prove that the automatic testing process of railway track gage in different type can be completed after technique integration.

calibrator for railway track gage；machine vision；motion control；automatic renovation；recognition of indication value feature

TP216；TB921；TP242.6+2；TN911.7

：A

：1674-5124（2014)03-0023-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.007

2013-11-25；

：2014-01-21

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011QK318）

韋爭(zhēng)亮（1982-），男，廣西河池市人，工程師，博士，主要從事機(jī)器視覺(jué)及幾何量計(jì)量研究。