薛　鵬，柴曉冬，鄭樹彬

(上海工程技術(shù)大學(xué)　城市軌道交通學(xué)院，上?！?01620)

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基于視覺的車輛與軌道相對(duì)振動(dòng)狀態(tài)測(cè)量方法研究

薛鵬，柴曉冬，鄭樹彬

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海201620)

車輛與軌道相對(duì)振動(dòng)狀態(tài)對(duì)軌道線形測(cè)量有重要影響；分析了傳統(tǒng)檢測(cè)車輛與軌道相對(duì)振動(dòng)狀態(tài)測(cè)量方法的缺陷，提出一種基于視覺的車軌相對(duì)振動(dòng)狀態(tài)測(cè)量方法，以軌道建立軌道坐標(biāo)系，以車體建立車體坐標(biāo)系;考慮相機(jī)鏡頭畸變，建立相機(jī)非線性模型，基于機(jī)器人手眼方法標(biāo)定相機(jī)與車體，求解相機(jī)內(nèi)外參數(shù);依據(jù)車體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)特征，推導(dǎo)基于雙目機(jī)器視覺的車輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)偏移補(bǔ)償計(jì)算方法；運(yùn)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算所得的車體振動(dòng)位移與真實(shí)值高度吻合，隨著車速增加振動(dòng)位移誤差也隨之增大，驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性；提供一種車輛與軌道相對(duì)振動(dòng)狀態(tài)測(cè)量方法。

機(jī)器視覺；相機(jī)標(biāo)定；軌道檢測(cè)；振動(dòng)補(bǔ)償

0　引言

軌道形位檢測(cè)系統(tǒng)是基于車載傳感設(shè)備對(duì)軌道幾何形位參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。軌道形位變化要求以軌道作為軌道幾何形位參數(shù)的參考坐標(biāo)系，而軌道形位檢測(cè)傳感器以車體作為參考坐標(biāo)系。檢測(cè)作業(yè)時(shí)，受機(jī)車牽引力和線路環(huán)境的影響，車體會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)振動(dòng)[1]，軌道坐標(biāo)系與車體坐標(biāo)系的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化。需要將檢測(cè)車體擺動(dòng)的偏移量，補(bǔ)償給軌道形位檢測(cè)系統(tǒng)，去除對(duì)軌道形位幾何參數(shù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的誤差，提高系統(tǒng)精度。

以往車輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)補(bǔ)償方式主要有拉線式位移傳感器、電容式位移傳感器和激光測(cè)距傳感器。文獻(xiàn)[2]利用電容式傳感器僅僅測(cè)量車體相對(duì)于輪對(duì)的相對(duì)位移；文獻(xiàn)[3]利用位移和加速度傳感器，分別對(duì)車體相對(duì)轉(zhuǎn)向架以及轉(zhuǎn)向架相對(duì)軌面的接觸式測(cè)量，誤差累積造成最終誤差較大；文獻(xiàn)[4]根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法和車體動(dòng)力學(xué)建立模型，推導(dǎo)出拉出值補(bǔ)償算法。但作了很多理想的假設(shè)，與現(xiàn)實(shí)工況相差甚遠(yuǎn)；文獻(xiàn)[5]采用激光雷達(dá)(LMS)測(cè)距定位，進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。但真實(shí)工況下電磁環(huán)境惡劣，激光雷達(dá)易受干擾；文獻(xiàn)[6]利用攝像機(jī)標(biāo)定的方法并與靜態(tài)圖像作比較，計(jì)算車體相對(duì)于軌道的振動(dòng)偏移量。但僅僅用單目相機(jī)提取鋼軌特征點(diǎn)的二維信息，精度受限。

受安裝位置和傳感器精度限制，上述方式都存在局限性?；跈C(jī)器視覺的測(cè)量技術(shù)是當(dāng)前研究熱門的測(cè)量手段 ，已應(yīng)用到軌道檢測(cè)領(lǐng)域。本文將雙目視覺技術(shù)運(yùn)用在軌道幾何線形檢測(cè)系統(tǒng)，補(bǔ)償車體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)偏移。

1　車體振動(dòng)

車載多傳感器進(jìn)行測(cè)量作業(yè)時(shí)，由于受線路環(huán)境和牽引力的影響，且車體為了乘坐舒適性都會(huì)裝備懸掛系統(tǒng)減震設(shè)備，車體會(huì)發(fā)生隨機(jī)振動(dòng)。檢測(cè)傳感器是以車體作為參考坐標(biāo)系。檢測(cè)車在行進(jìn)中，受機(jī)車牽引力和線路環(huán)境的影響，車體會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)振動(dòng)，車體與軌道坐標(biāo)系的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化。車體振動(dòng)形式主要有：上下浮沉、左右橫擺、前后伸縮、搖頭、點(diǎn)頭、側(cè)滾、側(cè)滾振動(dòng)、橫擺振動(dòng)等滾擺振動(dòng)[7-8]。本文主要對(duì)車體滾擺振動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。滾擺振動(dòng)使車體與軌道在橫向和垂向發(fā)生偏移，如圖1所示。

圖1　車體滾擺擺動(dòng)偏移示意圖

2　檢測(cè)原理

將2臺(tái)帶有激光束的攝像機(jī)裝在檢測(cè)車的車體上。采用扇形激光器照射在鋼軌內(nèi)側(cè)，通過(guò)雙目相機(jī)[9-10]拍攝鋼軌半斷面輪廓線，用于跟隨軌道特征點(diǎn)。把視覺傳感器和彈簧以上的車體視為剛體，建立車體坐標(biāo)系O1,2臺(tái)相機(jī)用于建立實(shí)時(shí)在變化的軌道坐標(biāo)系O0。在相機(jī)及其組件安裝前基于機(jī)器人手眼標(biāo)定方法對(duì)車體與車載相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，明確傳感器和車體坐標(biāo)系之間的空間幾何關(guān)系。根據(jù)軌道特征點(diǎn)變化值計(jì)算出車體偏移量。

圖2　車體-相機(jī)-軌道關(guān)系示意圖

3　雙目視覺攝像機(jī)定標(biāo)

3.1攝像機(jī)標(biāo)定

獲得標(biāo)定物軌道坐標(biāo)系坐標(biāo)以及圖像像素坐標(biāo)系坐標(biāo)，通過(guò)標(biāo)定方法求解攝像機(jī)參數(shù)矩陣，建立圖像像素與軌道坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)關(guān)系。在定標(biāo)中，我們用單攝像機(jī)定標(biāo)方法分別得到兩個(gè)攝像機(jī)各自的內(nèi)外參數(shù)，分別用R1T1和R2T2表示C1,C2攝像機(jī)與軌道坐標(biāo)系的相對(duì)位置。對(duì)任意一點(diǎn)P，假設(shè)它在軌道坐標(biāo)，C1,C2坐標(biāo)系下的非齊次坐標(biāo)為xw,xc1,xc2則

xc1=R1xw+T1

(1)

將上式中xw消去后得到

(2)

因此，兩個(gè)攝像機(jī)之間的幾何關(guān)系可用以下R和T表示

(3)

圖3　雙目攝像機(jī)幾何關(guān)系

3.2攝像機(jī)與車體坐標(biāo)系位置確定

基于機(jī)器人手眼標(biāo)定方法分別對(duì)攝像機(jī)和傾角儀進(jìn)行精確標(biāo)定，確定其與車體坐標(biāo)系的相對(duì)位置關(guān)系。設(shè)空間某點(diǎn)P在以上4個(gè)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為Pc1,Pc2,Pd1,Pd2。如圖4所示。

圖4　車載傳感器與車體定標(biāo)關(guān)系圖

利用實(shí)驗(yàn)室運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)完成對(duì)雙目相機(jī)與構(gòu)件的相對(duì)位置的確定。運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡矩陣D人為設(shè)定，是已知條件。攝像機(jī)所測(cè)量的物體相對(duì)于攝像機(jī)坐標(biāo)系的方位就可以轉(zhuǎn)換成相對(duì)于平臺(tái)坐標(biāo)系的方位?；舅悸肥强刂七\(yùn)動(dòng)平臺(tái)在不同位置觀察空間一個(gè)已知的標(biāo)定參考物，從而推導(dǎo)旋轉(zhuǎn)和平移以及多次觀察結(jié)果的關(guān)系。圖4表示運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)從位置Od1移動(dòng)到位置Od2時(shí)的各坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置。設(shè)手眼定標(biāo)參數(shù)為X，點(diǎn)P在Oc1，Oc2，Od1，Od2的坐標(biāo)分別為Pc1，Pc2，Pd1，Pd2，則有如下關(guān)系：

(4)

得到：

(5)

其依據(jù)就是運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)移動(dòng)前后平臺(tái)與攝像機(jī)的相對(duì)位置X不變。X是帶求參數(shù)，C由兩次攝像機(jī)定標(biāo)的外參數(shù)得到，D有控制平臺(tái)給出。將式寫成相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量形式：

展開得：

RcRx=RxRd

(6)

式中，Rc,Rd,Tc,Td已知，需求解的是Rx和Tx。

至此，雙目攝像機(jī)的標(biāo)定和攝像機(jī)與檢測(cè)梁的相對(duì)位置標(biāo)定全部完成。在實(shí)時(shí)測(cè)量時(shí)，已知圖像像素坐標(biāo)求解出在軌道坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，然后將軌道坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的車體坐標(biāo)系下。就可確定鋼軌特征點(diǎn)在車體坐標(biāo)系平面中的坐標(biāo)值。

4　靜態(tài)初始位置標(biāo)定及補(bǔ)償計(jì)算

圖5　靜態(tài)初始位置標(biāo)定

由上可知，攝像機(jī)與車體坐標(biāo)系間的位置關(guān)系(Rx和Tx)已確定，而軌道坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系的位置關(guān)系可以通過(guò)拍攝激光束照射鋼軌輪廓得到。選取鋼軌平面軌距方向連線為軌道坐標(biāo)系o0X0Y0Z0的Y軸，o0點(diǎn)取連線中心位置為軌道中心，即實(shí)時(shí)變化的軌道參考坐標(biāo)系。建立車體靜態(tài)參考坐標(biāo)系o1X1Y1Z1，設(shè)靜態(tài)時(shí)o0Z0直線與o1Z1直線重合，且o1點(diǎn)在o0點(diǎn)正上方。如圖5所示，準(zhǔn)確測(cè)量靜態(tài)時(shí)刻鋼軌軌頭下端特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系的物理坐標(biāo)值。設(shè)攝像機(jī)所測(cè)特征點(diǎn)坐標(biāo)值為(0,y′,z′)，則鋼軌特征點(diǎn)P在車體參考坐標(biāo)系O1X1Y1Z1中的坐標(biāo)為:

(7)

其中：L為軌距。動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中，鋼軌特征點(diǎn)P在車體參考坐標(biāo)系O2X′Y′Z′中的坐標(biāo)為(0,y1,z1)。車體相對(duì)于當(dāng)前軌道參考坐標(biāo)系偏移量為(Δy,Δz),軌距L始終不變據(jù)坐標(biāo)系變換關(guān)系，Rinl為車體偏移時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)矩陣，傾斜角度由傾角儀獲得?？傻密圀w振動(dòng)導(dǎo)致的沿軌面垂直于軌道方向和垂直于軌面方向的偏移值。

圖6　車體坐標(biāo)偏移示意圖

(8)

將(Δy,Δz)作為補(bǔ)償值加到以車體為參考系的軌道形位檢測(cè)系統(tǒng)中即得到以軌道中心為參考系的軌道形位幾何特征參數(shù)。

5　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成，平臺(tái)包括三維移動(dòng)平臺(tái)和檢測(cè)平臺(tái)，三維移動(dòng)平臺(tái)由X向固定座和Y向支座及Z向支架組成，所述Y向支座設(shè)置在X向固定座的上表面并能作左右移動(dòng)， Z向支架設(shè)置在Y向支座的上表面并能作前后移動(dòng)；檢測(cè)平臺(tái)與Z向支架連接并能作繞A、B、C三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；在檢測(cè)平臺(tái)上固設(shè)有相機(jī)、慣性傳感器和傾角傳感器；且控制三維移動(dòng)平臺(tái)作X、Y、Z三向移動(dòng)的3個(gè)移動(dòng)電機(jī)、及控制檢測(cè)平臺(tái)繞A、B、C三軸轉(zhuǎn)動(dòng)的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)、及所述的相機(jī)、慣性傳感器和傾角傳感器均與工控機(jī)通過(guò)相應(yīng)的硬件連接。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案正確性是設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)在Y正方向和Z正方向分別運(yùn)動(dòng)30 mm，然后進(jìn)行采集圖像數(shù)據(jù)，分別運(yùn)動(dòng)3次。經(jīng)過(guò)圖像處理，數(shù)據(jù)計(jì)算，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到圖7如下。由此可得，該系統(tǒng)在靜態(tài)能夠捕捉到車體姿態(tài)變換，應(yīng)用該方法來(lái)振動(dòng)補(bǔ)償是可行的。

圖7　實(shí)驗(yàn)靜態(tài)列車姿態(tài)變化圖

動(dòng)態(tài)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，控制平臺(tái)在Y正方向運(yùn)動(dòng)400 mm，同時(shí)在在z正方向運(yùn)動(dòng)200 mm。然后進(jìn)行采集圖像數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)圖像處理，數(shù)據(jù)計(jì)算，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到圖8如下。由此可得，該系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)也能夠捕捉到車體姿態(tài)變換。

圖8　實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)列車姿態(tài)變化圖

由圖7圖8可知，在靜態(tài)狀態(tài)下該系統(tǒng)計(jì)算精度很高，誤差能到達(dá)6 mm。在動(dòng)態(tài)狀態(tài)下，由于拍攝圖像不清晰，提取特征誤差累積，在400 mm長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)后誤差增大，驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性。根據(jù)城市軌道車輛限界規(guī)范，橫向擺動(dòng)位移差在60 mm以內(nèi)，垂向振動(dòng)位移差在90 mm以內(nèi)[11]，由此在短距離位移時(shí)誤差在允許范圍內(nèi)。

6　結(jié)語(yǔ)

受線路環(huán)境和牽引力的作用影響，車體會(huì)發(fā)生隨機(jī)振動(dòng)，車體參考坐標(biāo)系與軌道參考坐標(biāo)系的相對(duì)位置時(shí)刻在發(fā)生變化著，而軌檢設(shè)備全是安裝在車體上，所測(cè)線形是車體的直接運(yùn)動(dòng)線性，并不能準(zhǔn)確反映軌道實(shí)際線形。研究車體與軌道之間相對(duì)振動(dòng)狀態(tài)，給予軌道線形檢測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)補(bǔ)償，使最終數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映軌道實(shí)際線形。車軌相對(duì)振動(dòng)狀態(tài)具有高魯棒性，精度要求較高，因此對(duì)傳感器的檢測(cè)精度要求也相應(yīng)提高。

將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用在車輛與軌道振動(dòng)狀態(tài)測(cè)量方法中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式檢測(cè)方式，能夠?qū)︿撥壧卣鼽c(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤并測(cè)量，提高了傳感器的檢測(cè)精度，實(shí)時(shí)計(jì)算車體相對(duì)與鋼軌偏移量，減少振動(dòng)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)造成的誤差。

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Research on Relative Vibration State Measurement Method of Vehicle and Rail Based on Vision

Xue Peng，Chai Xiaodong，Zheng Shubin

(School of Urban Railway Transportation, Shanghai University of Engineering Science,Shanghai201620,China)

The relative vibration state of vehicle and rail has an important influence on the measurement of the track geometry. The defects of the traditional method of measuring the relative vibration state of vehicle and rail are analyzed. A method for measuring the relative vibration state of vehicle and rail based on vision is proposed. The world coordinate system was constructed with tracks, and the vehicle coordinate system was constructed with body. Taking into consideration lens distortion, the non-linear model of cameras was set up. Calibrating the camera and body based on robot hand-eye calibrations, and acquire the internal and external parameters of the cameras. According to the characteristic of the vehicle body vibration, a calculation method of vehicle vibration displacement was deduced based on binocular machine vision. Using experiment platform design verification experiment, the vibration displacement of the vehicle body is in agreement with the real value. As the speed increases, the vibration displacement error increases. The correctness and feasibility of the proposed method are verified. It provides a method for measuring relative vibration state of vehicle and rail.

machine vision; hand-eye calibration; rail inspection; vibration measurement

2015-07-02；

2015-09-16。

國(guó)家自然科學(xué)基金(51405287)；上海工程技術(shù)大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(14KY1009)。

薛鵬(1990-)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事機(jī)器視覺與軌道交通檢測(cè)技術(shù)方向的研究。

柴曉冬(1962-)，男，安徽人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事智能信息處理方向的研究。

1671-4598(2016)01-0039-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.010

TB114.3

A