吳立群 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司科研所
隨著國(guó)內(nèi)高速鐵路網(wǎng)逐漸完善,各條高鐵線路大規(guī)模投入使用,高鐵運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)到2.5萬(wàn)km,電氣化率居世界第一。在此背景下,傳統(tǒng)鐵路檢修合一的模式已不適合當(dāng)前鐵路的發(fā)展,由此鐵路總公司提出了各專(zhuān)業(yè)運(yùn)檢修分離的新型鐵路運(yùn)營(yíng)、檢測(cè)、維護(hù)模式。針對(duì)供電專(zhuān)業(yè)檢測(cè)而言,接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的靜態(tài)值及平順度關(guān)系到高速列車(chē)能否安全運(yùn)行,因此相關(guān)管理部門(mén)必須時(shí)刻掌握整條線路的導(dǎo)高、拉出值及磨耗狀況,目前幾何參數(shù)檢測(cè)方式基本僅有1C、4C及傳統(tǒng)手持式激光測(cè)距儀3種方式。
然而,1C系統(tǒng)裝載于總公司綜合檢測(cè)列車(chē)上,無(wú)法對(duì)所有路網(wǎng)進(jìn)行滿足時(shí)效性的全面覆蓋。4C系統(tǒng)裝載于接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)或客車(chē)車(chē)體上,每次檢測(cè)需要調(diào)度車(chē)輛,檢測(cè)周期間隔較長(zhǎng)且無(wú)針對(duì)性。手持式激光測(cè)距儀是點(diǎn)式測(cè)量,作業(yè)效率低,勞動(dòng)強(qiáng)度大,無(wú)法對(duì)整條接觸線的幾何參數(shù)進(jìn)行描繪檢測(cè)。
本文介紹了基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的手推式接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)小車(chē)的研究和應(yīng)用,檢測(cè)參數(shù)主要包含:接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、接觸線底面磨損、小車(chē)精確定位等。該設(shè)備針對(duì)工區(qū)一級(jí)的需求,具有靈活上道檢測(cè)的特點(diǎn),一次檢測(cè)可以描繪出經(jīng)過(guò)區(qū)段的導(dǎo)高、拉出值,更能測(cè)量出目前很少檢測(cè)設(shè)備能夠檢測(cè)的接觸線底面磨耗值,操作簡(jiǎn)單,提高了工區(qū)的檢測(cè)效率。
本文采用投線型激光發(fā)生器配合工業(yè)線陣相機(jī)進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)圖像的采集,通過(guò)對(duì)采集圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像分析處理,得出接觸線分別在2個(gè)相機(jī)CCD中出現(xiàn)的位置,根據(jù)三角測(cè)量原理比對(duì)標(biāo)定映射表可以查詢出當(dāng)前接觸線的導(dǎo)高、拉出值及底面磨損寬度。
其中投線型激光發(fā)生器具有技術(shù)指標(biāo)優(yōu)秀、性能穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。激光器內(nèi)置高低溫半導(dǎo)體溫控模塊,滿足極端溫度(-20℃~50℃)的工作條件,采用最先進(jìn)的光纖勻化技術(shù),使投射出的激光細(xì)膩、能量分布均勻,作為輔助光源很好的保證了相機(jī)圖像采集的質(zhì)量。另外,該激光器內(nèi)部配件均有固化和防震處理,適合車(chē)載使用。
相應(yīng)配置兩臺(tái)分辨率為4000,雙通道模式下最高線掃描頻率為36kHz的高速線陣CCD相機(jī)。相機(jī)配有GigeVision接口,替代了原有CameraLink總線,只需配合一個(gè)英特爾PRO/1000以太網(wǎng)卡就可以進(jìn)行圖像傳輸,省去了幀捕獲器,節(jié)約了成本。
依據(jù)圖像成像距離5000mm~7000mm,在5000mm處相機(jī)試場(chǎng)大小1250mm。鏡頭成像參數(shù)如下:
像素精度=試場(chǎng)/分辨率=1250mm/4000≈0.3mm;
放大率=像元尺寸/像素精度=0.014mm/0.3mm=0.046;
焦距=工作距離×放大率/(放大率+1)=5000mm×0.046/(0.046+1)≈220mm;
CCD靶面直徑=4000×0.01mm=40mm。
由于拍攝物體有2000mm景深,因此需要計(jì)算光圈大小以保證在景深范圍內(nèi)圖像清晰,可由公式ΔL=2f2FδL2/(f4-F2δ2L2) 其中:ΔL—景深,f—焦距,F(xiàn)—光圈數(shù)值,L—工作距離,δ—容許彌散圓直徑推導(dǎo)得出,實(shí)際運(yùn)用時(shí)根據(jù)數(shù)值進(jìn)行微調(diào)。
圖1 相機(jī)曝光模式
圖1羅列了相機(jī)7種可供選擇的曝光模式,結(jié)合GPIO連接器,用于接收和控制外部信號(hào),例如接收EXSYNC、PRIN和方向信號(hào)。
在此系統(tǒng)中,選擇曝光模式6作為相機(jī)的工作模式,在該模式下,相機(jī)具有外部觸發(fā)線率和內(nèi)部可編程曝光時(shí)間的特性,既實(shí)現(xiàn)了相機(jī)通過(guò)連接在走行輪上的編碼器等距觸發(fā)采樣的功能,又確保了在不同應(yīng)用場(chǎng)合下,通過(guò)調(diào)整曝光時(shí)間得到灰度值合適的采集圖像。圖2為模式6的時(shí)序圖。
圖2 相機(jī)模式6時(shí)序圖
該控制器模塊主要包含高速度高精度模數(shù)轉(zhuǎn)化、開(kāi)關(guān)量計(jì)數(shù)、千兆以太網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)同步以及與上位PC通訊等主要功能。該模塊體積小、集成程度高、功耗低,并做了防水防塵模塊化封裝,適用于野外及惡劣環(huán)境。
如圖3所示,模塊主要由數(shù)字端與模擬端構(gòu)成,兩者之間進(jìn)行了光電隔離,防止由于操作不當(dāng)引起電壓擊穿元器件,該光藕器件最高隔離電壓可達(dá)到2500V。其中,復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD是整個(gè)采集硬件的核心,負(fù)責(zé)邏輯控制與定時(shí)控制。當(dāng)上位機(jī)PC通過(guò)USB將采集通道數(shù)及采樣頻率等參數(shù)傳送給復(fù)雜可編程邏輯單元,并啟動(dòng)采集命令后,復(fù)雜可編程邏輯單元會(huì)立即接收各模擬通道數(shù)值及數(shù)字通道數(shù)值,對(duì)各數(shù)值進(jìn)行同步鎖存處理,定時(shí)將數(shù)據(jù)傳送至高速緩存區(qū)FIFO中,再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理,通過(guò)USB接口傳送至上位機(jī)PC內(nèi)存中去,等待程序讀取。
在本項(xiàng)目中,該控制器模塊實(shí)時(shí)接收并同步鎖存軌距測(cè)距儀、側(cè)面限界測(cè)距儀、傾角儀、編碼器等傳感器值,并依靠編碼器TTL信號(hào)對(duì)幾何參數(shù)采樣相機(jī)進(jìn)行外觸發(fā)采集,保證了幾何參數(shù)的等距采集及各輔助參數(shù)對(duì)幾何參數(shù)的同步補(bǔ)償。
圖3 控制模塊原理框圖
配置一個(gè)里程編碼器,主要作用于兩方面:其一、用于相機(jī)采樣等距觸發(fā),保證采集的圖像等距、連續(xù);其二、用于在兩根定位桿號(hào)之間距離計(jì)數(shù),使系統(tǒng)所檢測(cè)的各參數(shù)能實(shí)現(xiàn)精確定位。
根據(jù)走行輪直徑120mm,編碼器每轉(zhuǎn)256個(gè)脈沖,可得:
采樣間隔=PI×D/I=3.1415×120mm/256=1.47mm
采用VisualC++作為應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)工具,并使用i-PORTC++作為圖像采集和處理的主要類(lèi)庫(kù)來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。類(lèi)庫(kù)主要分為基礎(chǔ)類(lèi)和圖形用戶接口類(lèi)?;A(chǔ)類(lèi)是iPORTC++的核心類(lèi),包括管理類(lèi)、通用硬件控制類(lèi)等。圖形用戶接口類(lèi)是一組以MFC對(duì)話框類(lèi)為基礎(chǔ)的類(lèi),它們實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序通常要實(shí)現(xiàn)的一些基礎(chǔ)功能,為編程提供了一些基礎(chǔ)工作。
應(yīng)用程序啟動(dòng)控制模塊工作,控制模塊采集里程編碼器TTL信號(hào)及各位移傳感器、激光測(cè)距儀信號(hào),本系統(tǒng)中,主要考慮的是編碼器的速率和采樣頻率的問(wèn)題,通過(guò)每通道的采樣頻率大于編碼器的最高脈沖頻率5倍以上,準(zhǔn)確捕捉編碼器的每個(gè)脈沖,實(shí)現(xiàn)各一次儀表信號(hào)與相機(jī)觸發(fā)的同步功能。
控制模塊一方面將同步觸發(fā)信號(hào)傳給相機(jī)GPIO接口,驅(qū)動(dòng)相機(jī)進(jìn)行外觸發(fā)等距采樣,一方面將各通道數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)用程序,鎖存在由應(yīng)用程序建立的臨時(shí)緩存中,待相機(jī)傳回的圖幀經(jīng)過(guò)分析處理,其幾何參數(shù)數(shù)據(jù)伙同臨時(shí)緩存中的數(shù)據(jù)及傾角儀數(shù)據(jù)一并作為一條記錄保存于本地磁盤(pán)中。整個(gè)工作流程如圖4所示。
圖4 硬件架構(gòu)圖
本程序使用ADO作為數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)的接口。ADO是針對(duì)微軟數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)及維護(hù)的接口,封裝了數(shù)據(jù)庫(kù)操作的各種函數(shù)功能,使用戶能夠編寫(xiě)個(gè)性化訪問(wèn)和操作數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)。
一般用戶主要使用的ADO對(duì)象為連接對(duì)象Connection,記錄集對(duì)象Recordset,命令對(duì)象Command。為了能夠更方便的在程序中使用ADO建立數(shù)據(jù)庫(kù)連接與數(shù)據(jù)庫(kù)表的操作,本程序中設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)庫(kù)公共類(lèi)。主要有CADOCommand、CADODatabase、CADORecordset等類(lèi)。這些類(lèi)對(duì)原本的ADO操作做了相應(yīng)的封裝。
檢測(cè)軟件中,使用VisualC++軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的AppWizard向?qū)С绦?,生成用戶軟件的基本框架。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析處理及結(jié)果的顯示保存,故建立基于對(duì)話框的應(yīng)用程序,將相關(guān)后臺(tái)數(shù)據(jù)處理等過(guò)程封裝起來(lái),這樣使用戶界面簡(jiǎn)潔友好,更有利于用戶的操作。在用戶軟件的基本框架中,自動(dòng)生成MFC程序框架中的2個(gè)基本類(lèi)及1個(gè)自己創(chuàng)建的圖像處理類(lèi):
CCatenaryDetcetTrollyApp:接觸線檢測(cè)主應(yīng)用程序類(lèi);
CCatenaryDetcetTrollyDlg:接觸網(wǎng)檢測(cè)對(duì)話框類(lèi);
Process:接觸網(wǎng)檢測(cè)圖像處理類(lèi)。
在3個(gè)類(lèi)中,又采用多進(jìn)程、多線程編程技術(shù)、設(shè)立臨界區(qū)進(jìn)行線程同步技術(shù)等等,以滿足接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè),復(fù)雜的圖像采集、圖像處理、一次儀表數(shù)據(jù)采集、定位、同步、接觸網(wǎng)參數(shù)動(dòng)畫(huà)顯示、存儲(chǔ)等功能要求。主要流程見(jiàn)圖5,分別有圖像采集流程、圖像解析流程、動(dòng)畫(huà)顯示流程。
該研制小車(chē)在推行過(guò)程中始終根據(jù)鋼軌軌距、高差變化進(jìn)行隨動(dòng)跟隨,檢測(cè)基準(zhǔn)面始終是鋼軌平面,排除了車(chē)輛姿態(tài)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的精度影響,檢測(cè)出的靜態(tài)參數(shù)值可以仿真出曲線,使用戶能夠直觀了解現(xiàn)場(chǎng)狀況。該成果不但適用于鐵路,也可用于城市軌道交通,具有較高的實(shí)用性。
圖5 軟件流程圖