伍川輝，任繼煒，廖 家，李恒奎，楊 崗

(1.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都 610031；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111)

0 引言

近年來我國軌道交通領(lǐng)域快速發(fā)展，鐵路里程數(shù)增長迅速，高速發(fā)展的同時也給列車運行帶來了更大的壓力和挑戰(zhàn)。當前主流運行機車為電力機車，受電弓作為車輛運行時的受流裝置對列車的行車安全至關(guān)重要。當機車運行時，受電弓碳滑板和接觸網(wǎng)導(dǎo)線之間會產(chǎn)生滑動摩擦，從而使碳滑板產(chǎn)生磨損。如果產(chǎn)生非正常磨耗，則會顯著降低滑板使用壽命，當碳滑板磨損到極限時，如果不能及時發(fā)現(xiàn)將會造成碳滑板與接觸線脫離，會給列車的行車安全帶來巨大的安全隱患，從而引發(fā)列車安全事故。因此為確保行車安全、便捷指導(dǎo)滑板維護，需要對受電弓滑板狀態(tài)進行更加全面及時的檢測[1]。

受電弓滑板磨耗檢測方法分為2種：人工靜態(tài)檢測、動態(tài)測量。人工檢測效率低、安全隱患較大，不符合電氣化鐵路發(fā)展要求。動態(tài)檢測從測量手段上看可分為3類：超聲檢測、圖像法檢測、結(jié)構(gòu)光檢測。東日本公司率先采用超聲檢測，此種檢測方式精度較高但其設(shè)備安裝復(fù)雜且費用昂貴，難以實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。西南交通大學(xué)張輝采用雙目視覺對受電弓滑板磨耗進行檢測，但在曝光較高的情況下會產(chǎn)生誤檢[2]。南京理工大學(xué)胡雪冰提出基于圖像處理的受電弓故障在線檢測系統(tǒng)，在現(xiàn)場光照條件變化和背景復(fù)雜時，算法影響較大[3]。石家莊鐵道大學(xué)張新龍?zhí)岢鲆环N基于單目視覺的結(jié)構(gòu)光掃描成像測量系統(tǒng)，但該方法存在一定的局限性。第一，成像平面必須在激光面上；第二，攝像機與激光器的安裝角度也有較高要求，當設(shè)備夾角超過60°后，計算碳滑板的世界坐標時將會出現(xiàn)偏差[4]。線結(jié)構(gòu)光視覺測量技術(shù)具有非接觸式、測量速度快、精度高、受環(huán)境干擾小等特點，已逐步應(yīng)用于軌道交通測量領(lǐng)域，采用視覺測量技術(shù)對受電弓滑板輪廓進行掃描，可以快速獲取受電弓碳滑板表面輪廓結(jié)構(gòu)，準確掌握受電弓質(zhì)量狀態(tài)。

本文針對滑板磨耗提出一種基于線結(jié)構(gòu)光的多視覺傳感器檢測系統(tǒng)。通過受電弓弓頂上方的3臺視覺傳感器實現(xiàn)受電弓滑板斷面的輪廓獲取。通過多視覺傳感器的組合標定將多段滑板數(shù)據(jù)拼接到統(tǒng)一坐標系下。在拼接好的完整點云數(shù)據(jù)中，采用基于包圍盒的體素柵格進行下采樣，并通過聚類思想分割得到滑板表面輪廓與托板平面，計算兩平面間的距離得到滑板的最小剩余量，換算即可得出滑板的最大磨耗值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)光視覺傳感器

本文所用到視覺傳感器，由攝像機和線結(jié)構(gòu)光組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光發(fā)生器產(chǎn)生激光束，經(jīng)過特殊透鏡形成激光面，激光面照射到滑板表面時會形成一條調(diào)制光帶，該激光光帶攜帶有目標物體表面的三維深度信息。通過攝像機拍攝光條紋圖像，可以將三維空間的深度信息轉(zhuǎn)換到二維圖像中；之后，通過物體與攝像機空間幾何關(guān)系和深度提取算法，可以將物體表面深度變化信息提取出來，得到滑板三維點云數(shù)據(jù)[5]。當設(shè)備運行時，列車以一定速度通過檢測系統(tǒng)，設(shè)備掃描滑板輪廓獲取其三維點云數(shù)據(jù)。

圖1 視覺傳感器測量原理圖

1.2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

該檢測系統(tǒng)主要完成對受電弓碳滑板磨耗的檢測。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由視覺傳感器、信號觸發(fā)裝置、圖像處理設(shè)備組成。視覺傳感器作為圖像采集設(shè)備，由固定安裝角度的攝像機和線激光光源構(gòu)成，負責(zé)獲取受電弓碳滑板表面輪廓數(shù)據(jù)。受電弓滑板橫向空間尺度大，而單臺視覺傳感器的測量范圍較小，無法完全覆蓋全部滑板，因此本系統(tǒng)采用組合多視覺傳感器進行弓頂滑板輪廓掃描，設(shè)備布局如圖2所示。該系統(tǒng)由3組視覺傳感器，即3臺攝像機和結(jié)構(gòu)光源組成，在水平橫梁上垂直向下安裝于受電弓正上方，車輛入庫時駛過檢測系統(tǒng)下方，觸發(fā)激光傳感器開機完成受電弓滑板輪廓掃描。測量過程中激光器向滑板射出光平面，經(jīng)過受電弓滑板弓頂輪廓調(diào)制，在其表面形成一條高亮度的激光光條，與激光器成一定角度的攝像機拍攝激光光條圖像，并將其傳輸?shù)接嬎銠C圖像處理設(shè)備，進行后續(xù)的計算處理。

圖2 滑板輪廓測量系統(tǒng)

信號觸發(fā)裝置由磁鋼和光電開關(guān)組成，磁鋼布置于系統(tǒng)前端。當列車經(jīng)過磁鋼時，產(chǎn)生電壓信號，觸發(fā)系統(tǒng)開機；當受電弓到達檢測位置時，遮擋光電開關(guān)，產(chǎn)生一個觸發(fā)信號控制采集設(shè)備開始工作。采集完畢后，機車駛離采集區(qū)域，觸發(fā)關(guān)機光電開關(guān)，控制采集設(shè)備停止運行。通過這種方式使得設(shè)備只在有機車經(jīng)過時開機檢測，車走即關(guān)，極大提高了設(shè)備的使用壽命。圖像處理設(shè)備主要用于對視覺傳感器采集的圖像進行處理，提取滑板輪廓圖像中的激光光條中心線。計算機結(jié)合多視覺傳感器組合標定模型實現(xiàn)不同視覺傳感器測量數(shù)據(jù)空間同步，進行坐標轉(zhuǎn)換后輸出最終三維點云數(shù)據(jù)。通過相關(guān)算法進行數(shù)據(jù)解析，得出滑板磨耗值。系統(tǒng)總體工作流程如圖3所示。

圖3 受電弓滑板磨耗檢測系統(tǒng)設(shè)計

2 檢測系統(tǒng)原理

2.1 多視覺傳感器組合標定

受電弓滑板磨耗檢測系統(tǒng)中，由于單視覺傳感器的測量范圍無法覆蓋空間尺度較大的滑板，因此為增大測量范圍，需要對多視覺傳感器進行組合標定。多視覺傳感器標定過程即為建立數(shù)學(xué)模型求解各攝像機之間位姿關(guān)系的過程[6]。該過程主要分為3部分：單攝像機內(nèi)參標定、結(jié)構(gòu)光平面方程參數(shù)標定、攝像機外部參數(shù)標定。

圖4 視覺傳感器標定原理圖

完成單個視覺傳感器的標定后，需要對滑板輪廓檢測系統(tǒng)中多視覺傳感器外部參數(shù)標定，即確定每臺視覺傳感器之間的相對位置關(guān)系。先進行其中2臺攝像機的位置關(guān)系求解，然后將左右兩臺攝像機的位置統(tǒng)一于中間攝像機的坐標系下。利用三維靶標作為公共標定靶進行位置標定，將尺寸已知的高精度三維靶標放置于視覺傳感器交疊區(qū)域，在相鄰的傳感器視場下分別獲取激光光條圖像，計算靶標特征點在各自攝像機坐標系下的坐標。通過坐標映射關(guān)系計算左右兩臺攝像機坐標系到全局坐標系的映射矩陣，求解得出攝像機之間的位置關(guān)系。

假設(shè)三維空間中一點P(Xw,Yw,Zw)在相鄰兩攝像機視角下的坐標分別為Pc1(xc1,yc1，zc1)、Pc2(xc2,yc2,zc2)，由內(nèi)參標定可知空間三維坐標到兩臺攝像機坐標系的旋轉(zhuǎn)平移矩陣分別為[R1t1]、[R2t2]，根據(jù)坐標系間剛體變換模型可建立如下關(guān)系：

(1)

融合式(1)可得兩視覺傳感器攝像機機坐標系下兩坐標點之間對應(yīng)關(guān)系：

(2)

整理可得下式：

Pc2=R21Pc1+t21

(3)

式中R21、t21分別為相鄰兩攝像機之間的坐標旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。

因此，在完成攝像機內(nèi)參及光平面方程標定的基礎(chǔ)上，從左攝像機到右攝像機旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量分別為：

(4)

將3臺視覺傳感器的位置統(tǒng)一于以中間視覺傳感器為基準的全局坐標系下，建立多視覺傳感器組合標定模型。利用此模型采集數(shù)據(jù)，完成滑板三維點云的拼接，得到完整的受電弓滑板輪廓。

“用文化管理，統(tǒng)一理念；用制度管理，規(guī)范行為；而以人為核心管理，方能立足根本?！敝袊t(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院（以下簡稱“盛京醫(yī)院”）黨委書記趙玉虹一語道中管理玄機。

2.2 滑板點云數(shù)據(jù)處理

通常得到的點云數(shù)據(jù)，由于激光傳感器本身的影響，或者環(huán)境因素及異物遮擋的影響，會在采集過程中產(chǎn)生一系列噪聲點，影響后續(xù)點云數(shù)據(jù)的處理。因此需要對點云數(shù)據(jù)先進行簡單濾波預(yù)處理，去除尖銳噪聲及較大的離群噪聲。同時由于設(shè)備采集到海量點云數(shù)據(jù)，如果全部計算會增加系統(tǒng)的時間復(fù)雜度，同時也會對計算機內(nèi)存資源造成極大消耗，影響計算效率，因此還需要對點云數(shù)據(jù)進行精簡。基于包圍盒的體素格柵法可以在精簡點云數(shù)據(jù)的同時不破壞點云幾何結(jié)構(gòu)，因此本文采用以體素柵格為基礎(chǔ)的下采樣算法對點云數(shù)據(jù)稀疏化[9]。

采用矩形包圍盒將濾波后的點云數(shù)據(jù)進行整體包絡(luò)，獲取邊界框在XYZ三個維度上的最大值與最小值，計算得出各邊長，假設(shè)包圍盒的各邊長分別為Lx、Ly、Lz。根據(jù)包圍盒邊長設(shè)置立方體網(wǎng)格邊長：

(5)

式中：N為包圍盒中點云總數(shù)；α為調(diào)節(jié)因子；θ為比例系數(shù)。

通過取整函數(shù)ceiling進行點云數(shù)據(jù)分割,將滑板點云數(shù)據(jù)分配到各單位立方體柵格中：

ceiling(Li/d)(i=x,y,z)

(6)

由下式計算所劃分的每個單位立方格內(nèi)所有點集的重心坐標，即：

(7)

式中：s為單位柵格內(nèi)所包含的點云數(shù)量；(xj,yj,zj)為每個點的點云坐標；(xp,yp,zp)為每個單位柵格內(nèi)重心坐標。

通過下式分別計算單位體素格內(nèi)各點坐標與重心點坐標之間的距離，即

(8)

根據(jù)所劃分柵格內(nèi)每一個數(shù)據(jù)點與柵格內(nèi)點集重心的距離大小，有選擇地保留單位體素柵格內(nèi)各點與重心點距離集合中的最小值Dmin所對應(yīng)點云或格柵重心點，其余點進行刪除實現(xiàn)滑板點云數(shù)據(jù)的精簡過程。圖5、圖6為部分滑板點云數(shù)據(jù)未精簡及精簡之后的細節(jié)圖。

圖5 左滑板原始圖像及局部細節(jié)圖

圖6 左滑板下采樣圖像及局部細節(jié)圖

受電弓滑板安裝于金屬托板上，因此可以通過提取滑板及托板點云數(shù)據(jù)，擬合滑板輪廓及托板平面，用滑板平面所在的高度減去托板平面所在的高度，即可計算得到滑板最小剩余磨耗量，將其與滑板標準厚度對比可計算出最大磨耗值。

因此滑板數(shù)據(jù)經(jīng)過降采樣精簡后，需要進行區(qū)域分割，將滑板輪廓及受電弓安裝滑板的托板輪廓分割出來，便于后續(xù)計算磨耗量。由于本文所采集到的數(shù)據(jù)具有密度集中的特點，除部分離群噪聲外，大部分點云數(shù)據(jù)集中在滑板輪廓和金屬托板附近，因此利用聚類的思想對檢測系統(tǒng)獲取到的點云數(shù)據(jù)進行目標區(qū)域分割。DBSCAN算法不需要在一開始去定義聚類的簇數(shù)，便可將具有足夠高密度的區(qū)域劃分為目標簇，并且不會有基于距離聚類算法僅能發(fā)現(xiàn)類圓形簇的缺點，可以識別任意形狀和大小的點云簇[10]。在本文滑板點云數(shù)據(jù)的處理中，由于噪聲的數(shù)目、分布均未知，所以DBSCAN算法能夠較好地應(yīng)用在此類問題中。在滑板點云數(shù)據(jù)分割中根據(jù)實際數(shù)據(jù)形狀等設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，獲取最佳聚類結(jié)果，有效提取滑板主體數(shù)據(jù)及托板數(shù)據(jù)。

受電弓滑板和托板如圖7所示，經(jīng)過聚類分割之后，滑板主體及托板被有效提取出來，并去除了噪點的影響，達到后續(xù)處理標準。

3 試驗驗證

在列車受電弓滑板磨耗量的實際檢測中要求檢測系統(tǒng)精度達到±0.5 mm。受電弓滑板隨著運行時間增加，會有不同程度的磨耗，為驗證滑板磨耗檢測系統(tǒng)的工作性能，對實際使用的受電弓進行實驗室環(huán)境下的試驗驗證。實驗中采用定制三維視覺測量傳感器，采樣頻率為5 kHz，弓頂3臺視覺傳感器安裝在龍門架上，使激光平面垂直向下射出。為避免同波段激光互相干擾，中間激光器選用不同頻率的激光。實驗過程中，受電弓勻速通過檢測系統(tǒng)，視覺傳感器采集滑板三維點云數(shù)據(jù)。經(jīng)過全局標定后的3臺視覺傳感器將3段滑板點云拼接于以中間傳感器為基準的全局坐標系下,經(jīng)過圖像處理設(shè)備重采樣稀疏點云并基于密度聚類進行區(qū)域分割，得到滑板和托板廓體。

將分割出來的托板輪廓進行平面擬合，擬合結(jié)果如圖8所示，黑色平面即為所擬合托板平面。根據(jù)磨耗定義，滑板平面與托板平面之間的距離均值即為滑板磨耗后的剩余量，用滑板原始厚度減去其磨耗剩余量即可得到滑板的磨耗量。比較最大磨耗量與規(guī)定磨耗量的大小可判斷最大磨耗量是否超限。

圖7 滑板、托板點云數(shù)據(jù)聚類分割圖

圖8 托板點云數(shù)據(jù)擬合平面

對同一滑板進行多次測量，通過比較檢測系統(tǒng)測量均值和人工測量均值驗證算法的精確性，選取5條滑板，每條滑板進行3次重復(fù)測量，由表1、表2可知其系統(tǒng)測量值與人工測量值的均值誤差分別為0.24、0.36、0.43、0.47、0.55 mm，均小于1 mm,在合理誤差范圍內(nèi)，精確性較高。根據(jù)系統(tǒng)自身多次測量數(shù)據(jù)，采用測量標準差作為檢測系統(tǒng)重復(fù)性評價的指標。試驗結(jié)果表明，重復(fù)測量多次得出的標準差分別為：0.46、0.39、0.40、0.43、0.45 mm，均小于0.5 mm，故該系統(tǒng)能夠滿足實際應(yīng)用與工程測量要求。

表1 滑板系統(tǒng)測量及誤差 mm

表2 滑板人工測量及誤差 mm

4 結(jié)束語

本文設(shè)計一種基于多視覺傳感器的受電弓滑板磨耗檢測系統(tǒng)，利用線結(jié)構(gòu)光掃描受電弓滑板，攝像機拍攝結(jié)構(gòu)光光條圖像，獲取激光點云數(shù)據(jù)。通過建立多視覺傳感器組合標定模型完成多段滑板輪廓的拼接，采用基于體素柵格的原理對海量點云數(shù)據(jù)進行下采樣，基于密度聚類的方法，分割目標區(qū)域，提取滑板主體及托板輪廓，擬合滑板平面和托板平面，通過兩平面高度差計算滑板最大磨耗量。經(jīng)過對本文所設(shè)計系統(tǒng)進行試驗驗證證明，該系統(tǒng)具有較高精度和較好的實用性，能夠滿足工程應(yīng)用的需要。