黃海波 葉譯 吳學(xué)謙

摘 要：實(shí)時、高精度的軌道自主定位是快速、準(zhǔn)確的確定軌道故障點(diǎn)的前提，安全可靠的故障點(diǎn)定位是確保軌道的正常使用的基礎(chǔ)，故障點(diǎn)定位誤差將直接影響到整體的檢測效率。在現(xiàn)實(shí)中，單獨(dú)使用一個傳感器進(jìn)行軌道定位很難達(dá)到需求的精度和可靠度。通過對各個傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，把多個傳感器在空間和時間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則來進(jìn)行組合，以獲得較高的精度和可靠性。近年來，隨著視覺圖像理論的快速發(fā)展和硬件設(shè)備功能的提高，視覺圖像處理技術(shù)在軌道故障檢測方面的應(yīng)用越來越多，并且取得了豐碩的效果。針對光電編碼器進(jìn)行軌道定位時存在的累積誤差，提出了一種基于嵌入式平臺的利用圖像識別技術(shù)進(jìn)行扣件區(qū)域特征快速識別和定位的校正方法。采用光電編碼器和高速攝像機(jī)組合作為軌道定位系統(tǒng)，該方法具有簡單易行，快速、準(zhǔn)確、定位精度高的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：圖像識別；軌道定位；光電編碼器；扣件；嵌入式

一.背景

軌道是列車行駛的重要載體，而能夠?qū)崟r、高精度定位的軌檢小車是列車能在軌道安全行駛的必要保障。因此，研究一種快速、靈活的軌檢小車對于軌道檢測效率的提高具有重要意義，同時，一套獨(dú)立的軌道輔助定位系統(tǒng)需要被用來應(yīng)用于該軌檢車上，從而保證定位效果的精確性。

二.車載輔助定位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

近年來，圖像識別理論的快速發(fā)展和硬件設(shè)備功能的提高，嵌入式圖像處理系統(tǒng)以其體積小、功耗成本低且集成度高等特點(diǎn)，越來越廣泛地被應(yīng)用于軌道檢測的方方面面。該軌檢車主要采用了嵌入式移植技術(shù)來實(shí)現(xiàn)定位，同時矯正光電編碼器誤差，實(shí)現(xiàn)精確定位。

該系統(tǒng)的硬件部分的主要為了實(shí)現(xiàn)光電編碼里程的采集、軌道圖像的采集、整個系統(tǒng)的用電需求。

其中，基于嵌入式軌道圖像定位的軌檢小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由四部分組成： 傳感部分、采集部分、處理部分，電源管理部分。

傳感部分主要包括 CCD 相機(jī)、 光電編碼器、照明光源、陀螺儀、傾角儀、加速度計(jì)等傳感器設(shè)置。各部分傳感器的電源由電源管理系統(tǒng)提供，將電源的電壓24V進(jìn)行降壓變化得到12V、5V 和 3.3V的電壓，將12V電壓供給CDD相機(jī)，光電編碼器和照明光源，將5V電壓供給陀螺儀、傾角儀、加速度計(jì)等傳感器工作，將3.3V電壓供給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；另外，用于運(yùn)行 OpenCV 與 QT 編寫的軌道定位軟件的嵌入式Linux平臺和用于顯示定位結(jié)果的顯示屏組成的處理部分，同樣用供電系統(tǒng)經(jīng)過降壓處理的12V電壓供電。同時，為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行和軌檢車運(yùn)行的安全問題，電源系統(tǒng)的輸出電流電壓以及各部分用電情況將被實(shí)時監(jiān)測，從而保證系統(tǒng)正常運(yùn)作。采集部分的功能，不僅用于采集傳感器得到的數(shù)據(jù)，并將其打包后發(fā)送至嵌入式平臺，同時，根據(jù)現(xiàn)場的光線情況，控制照面光源輸出功率，給相機(jī)的工作環(huán)境補(bǔ)充光源，提升照片質(zhì)量。

三.嵌入式軌道定位系統(tǒng)原理

3.1基于圖像處理與光電編碼的軌道定位原理研究

在檢測軌道故障的同時，軌檢車自身容易受到輪對的機(jī)械磨損、打滑等故障的傷害，從而對光電編碼器的定位結(jié)果造成一定的影響和偏差。為了減輕這一系統(tǒng)誤差對結(jié)果的影響，決定采用圖像識別技術(shù)與光電編碼相結(jié)合的方法。通過研究光電編碼定位與扣件定位的原理，構(gòu)建軌檢小車的軌道定位模型，并采用卡爾曼濾波算法對兩組定位方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終實(shí)現(xiàn)較為精確的軌道定位。

3.2嵌入式軌道扣件快速檢測算法的研究

圖像識別系統(tǒng)識別到的扣件位置信息是本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)精確定位重要因素。在國內(nèi)，有很多人早就開始了對扣件檢測技術(shù)的研究，其發(fā)展也比較快，并已取得了很大進(jìn)步?？奂目焖贆z測算法是實(shí)現(xiàn)基于圖像識別的軌道定位算法的關(guān)鍵，扣件的識別需要經(jīng)過圖像濾波去噪、模板匹配等步驟，且常規(guī)的扣件識別算法往往因處理速度較慢、運(yùn)算量大等因素難易滿足嵌入式系統(tǒng)需求。為了實(shí)現(xiàn)軌道扣件快速的識別定位，通過對軌道圖像預(yù)處理算法及基于模板匹配的扣件檢測算法的研究，優(yōu)化算法因子，最終達(dá)到適應(yīng)于嵌入式系統(tǒng)的軌道扣件快速檢測的目的。

3.2.1圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理過程主要是對采集到的樣本圖像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換、圖像增強(qiáng)，二值化以及去噪處理，消除了無關(guān)聯(lián)的噪聲信息，增強(qiáng)了對目標(biāo)區(qū)域的提取，從而達(dá)到提高算法整體的抗干擾性的目的。圖像預(yù)處理過程主要是按照圖像的獲取、灰度化、圖像增強(qiáng)、二值化和去噪五個步驟進(jìn)行的。

3.2.2 扣件區(qū)域定位

通過對扣件位置的觀察研究，我們以鋼軌和軌枕作為參照物，來快速定位扣件區(qū)域的位置。用“橫向”的鋼軌和“豎向”的枕木所確定的“十字”來加以確定扣件的位置。即“十字交叉”法，對應(yīng)于扣件定位問題，鋼軌就代表“橫”，軌枕就代表“豎”。根據(jù)這個特征找出鋼軌和軌枕邊緣，再根據(jù)先驗(yàn)信息提取出扣件。通過邊緣檢測可以提取圖像中一些重要信息，剔除不相關(guān)信息，減少圖像的信息量

3.2.3光電編碼器和攝像機(jī)測距原理及數(shù)據(jù)融合

編碼脈沖，即在特制的碼盤上按一定規(guī)律編排光柵圖案，將這些圖案用光電頭讀取，再編碼為高低有序排列的電平信號。安裝在車輪軸頭的光電編碼器隨著車輪的滾動生成一系列脈沖信號，經(jīng)嵌入式中計(jì)數(shù)模塊對這些脈沖信號計(jì)數(shù)。

根據(jù)對光電編碼器與扣件位置定位方法的分析，可以看出基于光電編碼器與軌道扣件的方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)軌道定位，但是均存在一定的檢測誤差。卡爾曼濾波方法恰是通過利用觀測值來修正模型狀態(tài)參數(shù)實(shí)現(xiàn)測量的最優(yōu)估計(jì)，可以將扣件位置定位作 為卡爾曼濾波的觀測值，將光電編碼器定位模型作為系統(tǒng)的狀態(tài)方程，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)估計(jì)。

（3）軌道定位算法的嵌入式設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括嵌入式操作系統(tǒng)的選型、軟件編寫的環(huán)境配置、以及編寫 算法軟件的流程、系統(tǒng)軟件的工作流程。針對硬件平臺選擇合適的操作系統(tǒng)選型；編程環(huán)境配置是編寫算法軟件的前提和基礎(chǔ)；算法軟件的編寫流程是 OpenCV 實(shí)現(xiàn)算法的過程；系統(tǒng)軟件的工作流程主要介紹了軟件在嵌入式平臺上的程序調(diào)用流程。 軌道定位算法的嵌入式設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)軌道定位的硬件基礎(chǔ)，在對軌道定位算法的研 究基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)嵌入式定位系統(tǒng)方案，搭建硬件系統(tǒng)平臺，并采用基于嵌入式操 作系統(tǒng)，最終在嵌入式平臺下實(shí)現(xiàn)基于圖像識別的軌道定位。

結(jié)語

本文經(jīng)過對軌檢小車定位需求的分析，從系統(tǒng)對故障點(diǎn)定位精度的高要求等角度綜合考慮，選擇了基于圖像識別技術(shù)和光電編碼器的組合定位方案，對車載軌道定位在線處理系統(tǒng)進(jìn)行了初期研究與設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上通過搭建硬件平臺驗(yàn)證了算法的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔罡， 崔嘯晨. 中國鐵路史研究綜述及展望[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版）， 2016， 17（5）：8-21.

[2]麥婉華. 中國高鐵：運(yùn)營總里程世界第一[J]. 小康旬刊， 2017（23）.

[3]夏炎. UIC《高速鐵路系統(tǒng)實(shí)施手冊》內(nèi)容研究及其與中國高速鐵路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對比分析[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2017， 61（2）：136-140.