吳祿慎,朱 磊,陳華偉

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,南昌 330031)

基于線陣CCD相機(jī)的軌道圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳祿慎,朱 磊,陳華偉

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,南昌 330031)

軌道圖像信息的采集是對(duì)軌道狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的重要手段。設(shè)計(jì)了一種基于線陣CCD相機(jī)的新型圖像采集系統(tǒng),該系統(tǒng)利用線陣CCD相機(jī)連續(xù)快速的記錄軌道信息,整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行速度能達(dá)到10 km/h,鋼軌表面圖像的橫縱分辨率為0.5 mm×0.5 mm,并且圖像不失真,不漏采;同時(shí)解決了信號(hào)觸發(fā)和里程記錄等關(guān)鍵問題,實(shí)現(xiàn)軌道信息的完整采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)不受小車速度變化的影響,并能準(zhǔn)確記錄里程信息,從而為后續(xù)缺陷的檢測與定位奠定基礎(chǔ)。

軌道巡檢;圖像采集;線陣CCD相機(jī);脈沖觸發(fā)

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由于鐵路運(yùn)行速度的提高,為了保障鐵路運(yùn)輸安全與暢通,必須對(duì)關(guān)鍵設(shè)備(軌道)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。而機(jī)器視覺技術(shù)能為軌道檢查提供更有效、更經(jīng)濟(jì)的途徑,大大節(jié)省了人力物力資源,并且提高了檢測速度和精度。國內(nèi)軌道檢測小車主要是對(duì)軌距、超高、水平等幾何狀態(tài)的檢測,針對(duì)軌道部件缺陷的檢測研究相對(duì)較少[1-4]。軌道檢測要求滿足速度和精度的要求,合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將提高圖像采集的效果,降低后續(xù)圖像處理的負(fù)擔(dān)。

圖像失真、漏采和漏存是制約整個(gè)系統(tǒng)的重要因素,圖片的位置信息則制約著系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展。二者主要由相機(jī)的觸發(fā)和里程記錄所決定。本文聚焦于軌道圖像采集硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì),采用基于高速線陣CCD相機(jī)的采集方案,重點(diǎn)解決上述問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由圖像采集模塊和里程記錄模塊構(gòu)成,主要設(shè)備包括:軌道檢測小車、固定架、線陣CCD相機(jī)、LED線陣光源、工控機(jī)、光電編碼器等。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從圖1得知,圖像采集模塊主要工作原理是編碼器觸發(fā)相機(jī)拍攝圖片,可通過工控機(jī)設(shè)置相機(jī)參數(shù)且存儲(chǔ)圖片。里程記錄模塊則主要是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為里程信息,并在工控機(jī)里顯示出來。

2 圖像采集模塊

圖像采集模塊的工作原理是:將光電編碼器與小車的輪子二者保持同軸轉(zhuǎn)動(dòng),由緊定螺釘固定,光電編碼器需要轉(zhuǎn)動(dòng)才產(chǎn)生脈沖信號(hào)。其安裝如圖2所示。其中光電編碼器每旋轉(zhuǎn)一周發(fā)送固定脈沖數(shù)n,將脈沖傳輸至STC增強(qiáng)型單片機(jī)[5]。利用STC增強(qiáng)型單片機(jī)的可編程計(jì)數(shù)器陣列(PCA)模塊的捕獲輸入有效沿的功能,在輸入信號(hào)的上升沿和下降沿均產(chǎn)生中斷,從而完成對(duì)增量式編碼器輸出脈沖的計(jì)數(shù)工作。脈沖信號(hào)通過Cameralink線傳輸給相機(jī),然后觸發(fā)相機(jī)掃描軌道并實(shí)時(shí)拍攝圖片,圖片信息通過千兆網(wǎng)口存儲(chǔ)于工控機(jī),從而完成圖像采集。

圖2 光電編碼器安裝

2.1 硬件選型

(1)線陣CCD相機(jī)

線陣CCD相機(jī)是該圖像采集系統(tǒng)的核心元件,每次只掃描一條線,由于拍攝物體和CCD之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),因此通過連續(xù)掃描則可形成二維圖像。當(dāng)掃描速率足夠高時(shí),就可以消除運(yùn)動(dòng)模糊。由于圖像信息的質(zhì)量(完整性、分辨率等)完全取決于線陣CCD相機(jī)。所以線陣CCD相機(jī)的選擇是整個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

CCD(Charged Coupled Device)從開始的數(shù)萬像素,經(jīng)過50多年的發(fā)展,現(xiàn)在可達(dá)到數(shù)千萬像素。CCD相機(jī)實(shí)際上是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置,它將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能處理的電信號(hào)。其具有解析度高、靈敏度高、環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)、質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)[6]。此外,由于線陣CCD相機(jī)像元尺寸靈活、幀率較高。同時(shí)其圖像采集視場較大,并能實(shí)時(shí)傳輸光電轉(zhuǎn)換信號(hào),因此可在動(dòng)態(tài)下保證采集圖像幀率。所以,在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下通常選用線陣CCD相機(jī)以滿足幀率及拍攝視場較大的要求,在選擇線陣CCD相機(jī)時(shí),需要考慮如下幾點(diǎn)[7-9]。

①圖像分辨率。圖像分辨率由相機(jī)本身的圖像傳感器決定,主要體現(xiàn)在行和列的像素。根據(jù)待拍攝的軌面和兩旁的扣件,其寬度為400 mm。圖像要求其橫向分辨率為0.25 mm,總像元數(shù)則為N=400/ 0.25=1 600。

②顏色的選擇。CCD相機(jī)分為黑白和彩色。相比彩色相機(jī),黑白相機(jī)具有更高的分辨率、靈敏度、圖像對(duì)比度,更快的采集處理速度等優(yōu)點(diǎn)。因此,黑白相機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)在線檢測。

③輸出接口形式。一般的輸出接口形式有RS422、RS644、Cameralink、USB等。

此外,在選擇線陣CCD相機(jī)時(shí),除了保證以上所提到的幾點(diǎn)要求外,還需考慮客戶需求、鐵路的現(xiàn)場環(huán)境以及線陣CCD相機(jī)本身的綜合性能,因此本套系統(tǒng)選擇線陣CCD相機(jī)。

(2)鏡頭

與線陣CCD相機(jī)配套的另外一個(gè)重要器件是鏡頭,合理選擇并安裝光學(xué)鏡頭是保證清晰成像的基礎(chǔ)。相機(jī)鏡頭主要是將物體反射光線聚集到CCD線陣相機(jī)上,形成清晰的圖像投影。鏡頭是一組光學(xué)器皿的組合體,大多由凹、凸透鏡按照一定規(guī)律組合而成。選擇光學(xué)鏡頭應(yīng)注意:第一要保證鏡頭和線陣CCD相機(jī)相匹配;第二應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作距離或預(yù)留空間計(jì)算確定焦距,一般可以通過相應(yīng)的公式確定。

式中,Hi和H0表示像高和物高;Di和D0表示相距和物距;Mi表示放大倍數(shù);L表示視野,F是鏡頭焦距。

鏡頭的其他物理參數(shù)包括光圈、景深、視角等,對(duì)于本套系統(tǒng)而言,景深是需要重點(diǎn)考察的一個(gè)因素。因?yàn)檐壍辣砻娴娇奂?二者的成像面不在一個(gè)平面。為了使二者同時(shí)清晰滿足精度要求并顯示在一張圖片上,所以景深必須大于鋼軌軌面到扣件的距離。光圈、焦距的大小直接影響到景深。光圈、焦距越小,景深越長。

(3)光源

系統(tǒng)需要在天窗時(shí)間作業(yè),我國鐵路運(yùn)營線路的天窗分為施工天窗和維修天窗。目前,高速鐵路采用狀態(tài)修和定期修相結(jié)合,以狀態(tài)修為主的維修方式。因高速鐵路的技術(shù)裝備和運(yùn)輸組織要求不同,其天窗設(shè)置也不盡相同[10]。為了保證行車安全,高速鐵路運(yùn)行圖一般在夜間設(shè)置5～6 h綜合維修天窗,所以需要照明光源。光源的好壞對(duì)系統(tǒng)最終測量的精度有很大的影響。線光源在特定的檢測線上能使待檢缺陷以可能高的分辨率得以復(fù)現(xiàn)。要獲取更好的圖像質(zhì)量,光源的均勻性和照度必須達(dá)到很高的標(biāo)準(zhǔn)。

為實(shí)現(xiàn)這一目的,選擇了線性LED光源,該光源能迅速達(dá)到穩(wěn)定照明狀態(tài),并且可高亮度輸出,具有高均勻性,壽命長(100 000 h)等特點(diǎn)。因此,線陣光源可在軌道表面及周邊區(qū)域形成一道狹細(xì)的均勻照明亮帶。

2.2 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需和國內(nèi)已有的軌道檢測小車相結(jié)合,并且運(yùn)行速度需達(dá)到10 km/h,結(jié)合現(xiàn)實(shí)鐵路上的實(shí)時(shí)條件,考慮到天窗時(shí)間、安全因素,解決了以下問題。

(1)硬件選型之后,將相機(jī)和軌道檢測小車結(jié)合在一起。由于小車的側(cè)壁、車的輪子和軌道并不是在同一平面。所以相機(jī)與小車的連接部分,將其設(shè)置為偏置機(jī)構(gòu)(圖3),以保證其整個(gè)裝置的對(duì)稱性,并使相機(jī)對(duì)準(zhǔn)軌道表面。

(2)由于系統(tǒng)需要在天窗時(shí)間作業(yè),其時(shí)間相對(duì)并不寬裕?？紤]到上下道的人身安全,還需對(duì)整個(gè)裝置減重。通過對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行受力分析和運(yùn)動(dòng)仿真,最后確定用鋁作為我們的材料。既能減輕整個(gè)裝置的質(zhì)量,也能夠滿足軌道的現(xiàn)場條件要求。

(3)在小車的運(yùn)行過程中,由于軌道上的復(fù)雜環(huán)境,會(huì)有較大的振動(dòng),對(duì)于工控機(jī)是個(gè)大的考驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)振動(dòng)可導(dǎo)致工控機(jī)會(huì)大量丟失圖片信息。為解決該問題,本套系統(tǒng)將工控機(jī)里的物理硬盤更換為接口相對(duì)應(yīng)的固態(tài)硬盤,從而避免圖片丟失。

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

最后通過對(duì)相機(jī)和鏡頭的理論參數(shù)計(jì)算,包括拍攝視野和景深,考慮相機(jī)和鏡頭的兼容性,比如其接口,設(shè)計(jì)了一款基于軌道檢測小車硬件結(jié)構(gòu)的支撐架,如圖3所示。

2.3 相機(jī)觸發(fā)方案

(1)線陣CCD相機(jī)觸發(fā)方式

線陣CCD相機(jī)按照觸發(fā)方式分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)。內(nèi)觸發(fā)方式就是相機(jī)自己控制掃描的時(shí)間;外觸發(fā)方式是由外部條件來控制圖像的采集。而按照其掃描方式又可以分為自掃描方式和設(shè)置頻率掃描方式[11]。

對(duì)于自掃描方式,就是我們事先設(shè)定好相機(jī)的掃描頻率來進(jìn)行掃描圖像。這種掃描方式需準(zhǔn)確控制拍攝物體和相機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度,否則會(huì)造成圖像的失真或者掃描重復(fù)。線陣CCD相機(jī)在自掃描時(shí)采用行掃描的方式采集圖像信息。假設(shè)軌道檢測小車運(yùn)行速度為10 km/h,CCD線陣相機(jī)的圖像采集頻率f一定。所以,相機(jī)在采集圖像過程中,其相鄰兩行之間的采集時(shí)間相隔為1/f,則相機(jī)采集圖像信息兩行的距離ΔS

由公式可知,當(dāng)采用自掃描方式時(shí),其f是一定的,而速度V并不是恒定的。所以,當(dāng)軌道檢測小車運(yùn)行速度提高時(shí),其圖像采集相鄰兩行的距離會(huì)變大,采集的圖像被拉長而失真;相反,如果軌道檢測小車運(yùn)行速度變慢,其圖像采集相鄰兩行的距離會(huì)變小。采集圖像會(huì)出現(xiàn)疊加。即線陣相機(jī)在采集圖像信息時(shí),會(huì)對(duì)同一圖像區(qū)域曝光2次,圖像信息會(huì)出現(xiàn)疊影。其示意如圖4所示。

所以,需要對(duì)CCD線陣相機(jī)采用外部觸發(fā)模式,并確保在不同的速度條件下,其觸發(fā)相機(jī)的脈沖也不同,也就是說使相機(jī)能夠按照分辨率要求,每隔固定的距離進(jìn)行行掃描,從而消除因軌道檢測小車運(yùn)行速度的不同帶來的圖像采集失真或模糊。

(2)觸發(fā)信號(hào)的處理

脈沖信號(hào)通過Cameralink線傳送給線陣相機(jī),其觸發(fā)信號(hào)的處理流程如圖5所示。

圖4 不同速度圖像信息采集示意

圖5 觸發(fā)信號(hào)的處理流程

由圖5可知,觸發(fā)信號(hào)的極性有2種,為行觸發(fā)信號(hào)和幀觸發(fā)信號(hào)。一般選擇行觸發(fā)信號(hào)的上升沿觸發(fā)。觸發(fā)信號(hào)同時(shí)有TTL和光耦2種輸入方式,選擇其中一種作為觸發(fā)信號(hào)的輸入源,選擇TTL觸發(fā)。整個(gè)觸發(fā)信號(hào)的處理過程都在FPGA里面完成,此外FPGA對(duì)信號(hào)的毛刺非常敏感,因此,需要進(jìn)行去抖處理。去抖處理完成之后,信號(hào)輸送給相機(jī)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)模塊。隨后,相機(jī)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)相機(jī)掃描目標(biāo)區(qū)域,完成拍攝。

3 里程記錄模塊

為了準(zhǔn)確定位圖片的位置信息,里程的記錄變?yōu)橄到y(tǒng)必不可少的一部分。通過在小車車輪安裝光電編碼器獲得里程脈沖,然后通過對(duì)脈沖信息的處理獲得里程信息。

3.1 工作原理

本系統(tǒng)主要是利用光電編碼器的方波信號(hào)和單片機(jī)的計(jì)數(shù)器完成里程信息的獲取。其工作原理是:假設(shè)軌道檢測小車車輪的直徑為D,經(jīng)過時(shí)間T后,其車輪運(yùn)動(dòng)圈數(shù)為M,則可以計(jì)算出軌道檢測小車運(yùn)行的距離為

其中,N為軌道檢測小車運(yùn)行過程中所獲得的脈沖數(shù)總數(shù),n為光電編碼器每轉(zhuǎn)動(dòng)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)。將式(6)代入式(7)可得小車的運(yùn)行距離為

因此,可以通過對(duì)脈沖信號(hào)的獲得,計(jì)算出軌道檢測小車運(yùn)行的里程信息。

3.2 程序流程

里程模塊的主要程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程

首先小車運(yùn)行,光電編碼器會(huì)開始旋轉(zhuǎn)觸發(fā)脈沖。初始化程序,然后單片機(jī)PCA0/P3.7引腳沿上升沿觸發(fā),然后將里程計(jì)數(shù)的結(jié)果顯示到數(shù)碼管上。實(shí)現(xiàn)里程計(jì)數(shù),主要就是對(duì)脈沖計(jì)數(shù),為了實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù),單片機(jī)必須對(duì)上升沿和下降沿都產(chǎn)生中斷,以保證對(duì)信號(hào)的正負(fù)邊沿的拾取,同時(shí),還需要判斷編碼器的正反轉(zhuǎn)[12-14]。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

當(dāng)軌道小車和鋼軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),光電編碼器會(huì)產(chǎn)生脈沖,并將其傳輸至線陣CCD相機(jī),相機(jī)能夠自動(dòng)檢測外來脈沖,線陣相機(jī)采用行掃描方式進(jìn)行拍照,一個(gè)脈沖掃描一行。在相機(jī)控制軟件中,設(shè)置好行頻,曝光量,存儲(chǔ)格式等,通過網(wǎng)線可將圖片信息傳送并存儲(chǔ)至工控機(jī),同時(shí)在液晶屏幕上顯示拍攝的動(dòng)態(tài)圖片,并將圖片存儲(chǔ)至指定文件夾。

為了驗(yàn)證基于線陣CCD的軌道部件采集系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性,對(duì)某鐵路進(jìn)行圖像信息采集實(shí)驗(yàn)。采集范圍為包括軌道表面,扣件以及部分軌枕,總長度共約500 mm。通過實(shí)驗(yàn),本系統(tǒng)能夠隨著小車運(yùn)動(dòng)速度的變化,實(shí)時(shí)觸發(fā),且軌面和扣件拍攝圖像效果較好,如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場圖片

圖7 中(a),(b),(c)三圖分別為軌道檢測小車以3、5、8 km/h 3種不同速度時(shí),相機(jī)對(duì)同一線路段的鐵路拍攝的圖像信息。以上3張圖片信息均完整清晰(圖片信息未丟失,圖片未失真)。由此可知,軌道檢測小車的運(yùn)行速度的改變,不會(huì)造成圖片的失真或者模糊,且里程信息準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

本套系統(tǒng)利用國內(nèi)現(xiàn)有的軌道檢測小車的結(jié)構(gòu)和線陣CCD相機(jī)連續(xù)快速的記錄軌道圖像信息,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在不同速度條件下,該系統(tǒng)能保證圖像不失真、不漏采、不漏存,并準(zhǔn)確記錄相應(yīng)的里程信息,從而確保通過線陣圖像即可獲取軌道表面裂紋,扣件的缺損與丟失等缺陷。此外,系統(tǒng)的軟硬件采用模塊化設(shè)計(jì),為未來高速狀態(tài)下圖像采集系統(tǒng)的搭建奠定了基礎(chǔ)。

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Design of Track Image Acquisition System Based on Linear-array CCD Camera

WU Lu-shen,ZHU Lei,CHEN Hua-wei
(School of Mechanical and Electrical Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

Information collection of track image is an important means for monitoring track conditions in real time.In order to obtain the complete picture of railway track,a new-type image information acquisition system based on linear array CCD camera was developed in this design.The system can record the track information in quick succession by the use of linear array CCD camera,the running speed of the whole system can reach 10 km/h,and the horizontal and transverse resolution ratio of the rail surface is 0.5 mm×0.5 mm without any image distortion and missing.In addition,the key issues such as signal triggering,mileage recording and so on were solved in this design,so the complete collection of track information can be achieved.The experimental results indicate:the system can be independent of speed change of track inspection car and be capable of recording the mileage information accurately,laying the foundation for the next work of defect detection and localization.

inspection tour of railway track;image acquisition;linear-array CCD camera;pulse triggering

TP23

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.013改進(jìn)。

1004-2954(2014)08-0055-05

2013-11-07;

2013-11-22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NO.51065021)

吳祿慎(1953—),男,教授,博士生導(dǎo)師,E-mail:wulushen@ 163.com。

嵌入式組合高錳鋼轍叉結(jié)構(gòu)緊湊,質(zhì)量穩(wěn)定可靠,磨耗均勻,具有高強(qiáng)度、高韌性、無明顯剝落掉塊和不易壓潰的特點(diǎn),相對(duì)既有固定型轍叉,使用壽命明顯提高,養(yǎng)護(hù)維修工作量較小,綜合性價(jià)比較高,必將在重載鐵路市場得到廣泛應(yīng)用。