司徒國強 王慶賢 吳儉民 宋倩寧

(蘭州交通大學電子與信息工程學院1,甘肅 蘭州 730070；蘭州交通大學自動化與電氣工程學院2,甘肅 蘭州 730070)

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隧道限界檢測中車體振動補償問題的研究

司徒國強1王慶賢2吳儉民2宋倩寧2

(蘭州交通大學電子與信息工程學院1,甘肅 蘭州 730070；蘭州交通大學自動化與電氣工程學院2,甘肅 蘭州 730070)

在采用車載式方式進行隧道限界的檢測過程中，必須對車體振動進行補償。針對因車體振動對隧道限界參數(shù)檢測結果的影響，應用計算機視覺技術，考慮攝像機鏡頭畸變的影響，將車體振動分解為同一平面內的平移振動分量和旋轉振動分量，分析各分量可能造成的結果并分別進行補償。給出了基于激光攝像式傳感器的標定計算方法，以及車體振動偏移補償方法。試驗結果表明，采用該補償方法后，檢測結果的精度有明顯上升。

振動補償 限界檢測 車體振動 攝像機標定 機器視覺 LabVIEW 位移傳感器 激光測距

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，在執(zhí)行鐵路運輸任務時，經(jīng)常會遇到一些大型的超限貨物。此類貨物一般關系著國家的經(jīng)濟建設和國防安全，同時具有生產周期長、造價昂貴、體積巨大等特點，并且其運輸過程經(jīng)常選用鐵路運輸?shù)姆绞?。為了保證此類貨物的安全運輸及鐵路的安全運營，必須定期檢測鐵路沿線各隧道的限界參數(shù)，掌握其準確的凈空尺寸[1]。目前對于隧道限界的檢測任務，一般由鐵路隧道限界檢測車完成[2]。檢測系統(tǒng)一般采用車載的激光測距儀對隧道內限界參數(shù)進行測量，在檢測過程中，記錄掃描角度及測距結果值，將這些信息匯總到檢測主機上，通過相應的算法還原出隧道內各設備的位置及輪廓，從而得到隧道內的限界參數(shù)[3]。檢測系統(tǒng)的理論檢測坐標為軌道坐標，但是由于檢測車在檢測過程中振動的影響，實際的檢測坐標為車體參考坐標，檢測結果受車體振動的影響，有一定的誤差，不能精確反映隧道內限界參數(shù)的情況。

傳統(tǒng)的振動補償方式通常為伺服位移系統(tǒng)、拉線式位移傳感器、點式激光測距傳感器[4-5]。但這些傳感器本身存在諸多缺點，如伺服位移補償機構安裝復雜、體積質量較大、工作環(huán)境惡劣；拉線式位移傳感器的工作條件為輪軌緊密接觸，為接觸式測量方式；點式激光測距傳感器無法對接觸點進行跟蹤測量。

近年來，基于機器視覺的測量方法開始被應用于鐵路檢測領域，本文將利用機器視覺的測量方法，對隧道限界檢測過程中由于檢測車振動引起的測量誤差進行補償。通過采用共面標定的辦法、推導出的車體振動補償公式、選擇合適的參考坐標系對攝像機進行標定等方法，解決由于車輛振動所造成的隧道限界參數(shù)檢測數(shù)據(jù)精度不高的難題。

1 隧道限界檢測原理簡介

隧道限界檢測系統(tǒng)的示意圖如圖1所示，其通過安裝在檢測車上的LMS系列激光測距儀獲取隧道凈空信息[2]。圖1中，D為激光測距的距離，(x,y)為被檢測點換算到檢測坐標系中的坐標，(x0,y0)為激光測距傳感器的安裝坐標。檢測結果的精度主要由激光測距的精度和車輛振動幅度決定。本文主要探討檢測過程中的車體振動的補償問題，對檢測過程及原理不作詳細介紹。

圖1 限界檢測原理示意圖

2 隧道限界補償原理簡介

2.1 攝像機標定

對隧道限界檢測過程中補償用的傳感器為激光攝像式傳感器，由面陣式CCD攝像機和線性激光器構成。圖像式傳感器在使用前，首先要對其進行標定[6-7]，標定的目的是建立測量坐標系與圖像像素坐標系的對應關系，標定示意圖如圖2所示。圖2中，Otxtyt為圖像像素坐標系，Osxsyszs為攝像機坐標系，Ocxcyczc為測量坐標系。

圖2 激光攝像式傳感器標定示意圖

假設攝像機的外部參數(shù)矩陣為R、T，R和T分別表示攝像機坐標系Osxsyszs到測量坐標系Ocxcyczc的旋轉矩陣和平移矩陣；攝像機的內部參數(shù)矩陣為(α,β,λ,u0,v0)，則攝像機視野范圍內任意一點(xc,yc,zc)在圖像像素坐標系中對應的坐標為(xt,yt)。根據(jù)攝像機的標定理論及投影投射定理可得：

(1)

設激光所在平面為測量坐標系中的zc=0的平面，則式(1)可簡化為：

(2)

(3)

在使用CCD攝像機時，必須考慮鏡頭存在的不同類型畸變，鏡頭畸變因子如式(4)所示：

(4)

考慮攝像機鏡頭畸變后，圖像像素畸變計算公式如式(5)所示：

(5)

將式(4)、式(5)代入式(3)，可得最后的標定計算公式：

(6)

式(6)為攝像機標定時的計算公式，為保證標定的準確性，標定點的個數(shù)需要大于待求參數(shù)的個數(shù)。式(6)中參數(shù)(a1,…,a2,k1,s1,s2)的求法，參考文獻[8]～[9]中有詳細論述。

2.2 車體振動與補償原理

隧道限界檢測車車體是一個具有彈簧懸掛裝置的多自由度振動系統(tǒng)，在運行過程中，由于線路不平整等原因，都可能會引起檢測車體的振動。檢測車體振動的表現(xiàn)形式有上下浮沉、左右橫擺、前后伸縮、搖頭、點頭、側滾，共6個自由度。但在隧道限界檢測時，只需考慮某截面內的情況，則為上下垂直振動、水平左右擺動及側滾，車體振動示意圖如圖3所示。在檢測過程中，由車體振動引起的車體變形相對于車輛振動的幅度很小，所以可將車體看作一個剛體。圖4為檢測過程中，由于車體振動造成的檢測坐標系的偏移示意圖。由圖4可以看出，車體的振動會給檢測結果帶來一定的誤差。

圖3 車體振動示意圖

圖4 檢測坐標偏移示意圖

對檢測過程中車體的補償，應該以檢測車靜止時為基準，此時可認為檢測坐標系與軌道坐標系相重合。在檢測過程中，通過隨車體一起振動的激光攝像式傳感器測量車體的變化量，并將變化量統(tǒng)一轉換到測量坐標系中，最后對測量誤差進行實時的補償，從而得到精確的檢測結果。

在安裝傳感器時，考慮到轉向架的結構與空間，傳感器安裝與檢測原理如圖5所示。將4個激光攝像式傳感器安裝在檢測車的檢測梁，檢測梁直接與檢測車體相連，為車體的一部分。在車輛靜止的情況下，如圖5中實線所示，可設激光攝像式傳感器的安裝坐標為Oc10xc10yc10、Oc20xc20yc20，檢測梁的中點坐標為Oc00xc00yc00；在車輛運行的情況下，如圖5中虛線所示，可設激光攝像式傳感器的坐標為Oc11xc11yc11、Oc21xc21yc21，檢測梁的中點坐標為Oc01xc01yc01，與Oc00xc00yc00重合。

圖5 振動補償原理示意圖

假設(xc1,yc1)、(xc2,yc2)為1#、2#激光攝像式傳感器的測量坐標系坐標，(x,y)為對應的圖像坐標系坐標。采用前文所述的標定方法，可建立1#、2#激光攝像式傳感器的模型，如式(7)、式(8)所示：

(7)

(8)

將圖5中代表左右軌道輪廓的虛實線的圖像像素坐標(x,y)代入傳感器測量模型，即可得到車輪的走形信息。對鋼軌輪廓數(shù)據(jù)中的軌距點進行提取，從而可得出車體的傾擺角度。假設靜態(tài)時，車體坐標系相對于測量坐標系的傾斜角度為θ0，則：

(9)

車體在軌道上運行時，檢測梁測量中心坐標系相對于軌面傾擺角為θ1。

(10)

則車體的補償角度為：

θ=θ1-θ0

(11)

將此振動量分為同一平面內的平移振動量和旋轉振動量兩部分,分別進行補償。由于1#、2#激傳感器安裝在同一檢測梁，所以旋轉分量相同，都為θ。對左右鋼軌輪廓檢測數(shù)據(jù)分別進行平移和旋轉，將測量的鋼軌輪廓數(shù)據(jù)轉換到靜態(tài)時的同一標準，消除了車體振動帶來的鋼軌輪廓測量誤差。分解后的平移振動量分別為：

(12)

(13)

3 實驗驗證

鐵路線路經(jīng)長時間運行沖擊及線路大修，都會引起線路中心線的變化，從而導致隧道內限界參數(shù)的變化。采用接觸式的隧道限界檢測方法，不用封閉鐵路區(qū)間，不會影響鐵路的正常運行。將該車體振動補償方法引入到基于激光測距的限界檢測系統(tǒng)中，通過人工測量未補償、補償后的檢測數(shù)據(jù)并進行比較，從而驗證提車振動補償可以提高隧道限界參數(shù)的檢測精度，進而得出在隧道限界檢測時，引入此方法的必要性。

隧道限界檢測系統(tǒng)采用LabVIEW語言編寫程序。利用增加車體補償后的檢測系統(tǒng)對某隧道在不同工況下進行檢測，并與通過全站儀實測的數(shù)據(jù)作為精確數(shù)據(jù)相比較，得到以下結果。首先通過讀取4個傳感器的測量值，繪制出的補償曲線如圖6所示。

圖6 補償曲線

由圖6分析可知，在鐵路隧道限界進行檢測時，水平方向的補償值在±5 mm以內，垂直方向的誤差在0～-10 mm之間。如果檢測系統(tǒng)中不增加車體振動補償?shù)乃惴?，會造成檢測結果產生較大誤差；增加補償算法后，檢測結果更精確，有利于鐵路運輸?shù)陌踩M行。表1為某隧道限界檢測結果的部分數(shù)據(jù)，通過檢測結果可以得出，該隧道內無超限設備。

表1 限界檢測結果的部分數(shù)據(jù)

4 結束語

準確地掌握隧道限界參數(shù)，有助于保障鐵路的安全的運營，而傳統(tǒng)的接觸式檢測方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實的需要，因此，必須研制出準確的非接觸式隧道限界檢測方法。在利用激光測距對隧道限界參數(shù)進行檢測的方法中，對因車輛振動引起的誤差進行補償是該檢測方法的關鍵，高精度的測距傳感器與良好的補償算法是保證準確檢測的基礎。本文主要針對補償算法進行一定研究。本文中將圖像技術應用在隧道限界檢測中，以替代傳統(tǒng)的接觸式檢測方法。在檢測過程中，將車輛振動分解為同一個平面內的平移振動分量和旋轉振動分量兩部分，分別進行補償。實驗結果表明，增加補償后的檢測結果優(yōu)于未增加補償?shù)臋z測結果。

Study on the Vehicle Vibration Compensation for Tunnel Threshold Detection

In tunnel detection process using vehicle-mounted mode,it is necessary to compensate the vibration of vehicle body.In accordance with the influence caused by the vibration of vehicle body on tunnel parameters,by applying computer vision technology and considering the impact of distortion of camera lens,the vibration of vehicle is decomposed into two vibration components in the same plane,i.e.,the translational vibration component and the rotational vibration component,the influencing results caused by each component are analyzed,and compensated respectively.The calibration and calculation methods based on laser image pickup sensors,and the compensation method for vehicle vibration offset are given.The test results show that the accuracy of detection results is significantly increased with this compensation method.

Vibration compensation Threshold detection Vehicle vibration Camera calibration Machine vision LabVIEW Displacement sensor Laser range finder

司徒國強(1965-)，男，1987年畢業(yè)于蘭州鐵道學院信號與自動控制專業(yè)，獲學士學位，副教授;主要研究方向為網(wǎng)絡工程與嵌入式系統(tǒng)。

TH82;TP399

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601008

修改稿收到日期：2014-08-28。