基于線陣相機的接觸軌幾何參數動態檢測系統

占 棟，陳唐龍，于 龍，鄭 銳

0 引言

在地鐵供電方式中，接觸軌供電因其單位電阻小、節省能耗、安裝方便、耐腐蝕性等優點，運用越來越廣泛。為使接觸軌供電能夠長期高效運行，對接觸軌檢測提出了嚴格的要求。接觸軌幾何參數指接觸軌受流面至相鄰走行軌頂面的垂直距離、接觸軌中心與軌道中心的水平距離，這2個參數是衡量集電靴與接觸軌受流特性的重要指標[4]。目前國內多條線路采用接觸軌受流方式，接觸軌幾何參數檢測主要依靠手工測量，效率極低。因此，研究接觸軌動態檢測方法，研制接觸軌動態檢測系統，定期對接觸軌幾何參數進行檢測，是保證牽引供電系統正常運行的重要手段。

1 檢測原理

1.1 雙目成像原理

如圖1所示，雙目成像原理采用裝有2塊CCD芯片的雙目相機，基礎是機器視覺技術。設AC為1#相機 CCD芯片，DF為 2#相機 CCD芯片，AN為1#相機主光軸，DJ為2#相機主光軸，M為被測目標，AH、DI分別為1#相機焦距、2#相機焦距，MB、ME為目標到CCD芯片的入射線，OK為1#相機和2#相機的中心線，MK、OK為目標到2個相機中心線的垂直距離和水平距離。在檢測過程中，MK、OK即為目標位置信息。

圖1 雙目成像原理示意圖

已知量：DE、AB為相機測量目標值，AD為1#相機CCD中心到2#相機CCD中心的垂直距離，采用相同的 CCD芯片和相同焦距的鏡頭，故AH=DI，JI=NH；由相似三角形原理可知：

求解：

目標與雙目相機中心位置的垂直距離和水平距離：

1.2 雙目成像原理在接觸軌檢測中的應用

如圖2接觸軌檢測原理圖所示，將檢測梁安裝于檢測車軸箱蓋下方，距離左右走行軌一定距離安裝車體偏移測量裝置，分別為1#傳感器、2#傳感器，將雙目相機分別安裝于檢測梁左右外側，h1，h3分別為1#相機、2#相機中心位置到相鄰走行軌軌面的垂直高度；h0、h2分別為1#相機、2#相機中心位置到接觸軌受流面的垂直距離。

車體在運行過程中會發生偏移，若要準確測量接觸軌中心到軌道中心位置的水平距離，需要準確計算相機中心到軌道中心的水平距離、相機中心到軌道中心的垂直距離、相機中心到接觸軌受流面的垂直距離、相機中心到接觸軌中心的水平距離，1#傳感器和 2#傳感器分別用來測量相機中心到軌道中心的水平距離和垂直距離[1]。

設檢測車在運行的過程中，左側、右側接觸軌中心到軌道中心位置的水平距離分別為x0、x1；設軌道中心到 1#相機、2#相機中心的水平距離為 r0和 r1（見圖 2）。利用雙目成像檢測原理，對接觸軌進行測量，設L0、L1為1#相機、2#相機檢測接觸軌外側到相機中心的水平距離，標準接觸軌受流面外側到接觸軌中心的水平距離為46 mm[2]，所以：

圖2 接觸軌檢測原理示意圖

1#相機、2#相機中心位置到相鄰走行軌面的距離為h1、h3；1#相機、2#相機中心位置距離接觸軌受流面的垂直距離為h0、h2，設接觸軌受流面到相鄰走形軌的垂直距離為y0、y1，故接觸軌與相鄰走行軌面高度：

由式（4）、式（5）可求得左側、右側接觸軌的幾何參數 x0，y0，x1，y1。

2 系統設計

2.1 系統總體設計

系統總體設計框圖如圖3所示。

2.2 系統硬件設計

系統硬件設計框圖如圖4所示。

圖像采集裝置，采用德國高速線陣相機，最大采集速度為 1 000 Hz，能夠滿足高速圖像信息采集。

圖3 系統設計框圖

車體偏移補償裝置采用慣性包和激光測距傳感器，在檢測過程中的車體振動和偏移，通過慣性包數據和激光測距傳感器數據達到實時測量軌距和車體偏移數據。

信息定位系統采用德國進口脈沖傳感器，具有光電脈沖計數功能，將其安裝在軸箱蓋上，檢測車運行過程中，通過輪軸旋轉帶動光電編碼器發送脈沖數據，通過脈沖計數計算車輛行走里程，同時結合上位機數據庫技術，對車輛運行過程中的累積誤差進行修正，達到準確定位的目的。

圖4 系統硬件框圖

綜合信息處理采用工業控制計算機，通過現場總線，對多個傳感器信號實時采集，同時在上位機上實現多路信號的同步、濾波和綜合處理。

2.3 系統軟件設計

上位機綜合數據處理軟件采用 Visual Studio 2008作為開發工具，C++作為開發語言。對多個傳感器數據進行綜合處理，保存接觸軌幾何參數、公里標、檢測速度、接觸軌離去角和接近角等信息，同時實時顯示檢測波形曲線、實時打印、檢測數據事后回放等功能[5]。

系統軟件流程圖及軟件運行界面分別如圖5、圖6所示。

2.4 圖像處理算法

對雙目線陣相機目標點的準確提取直接影響檢測精度，主要采用的圖像處理算法包括圖像增強、圖像分割、邊緣提取等[4]，達到準確快速提取邊緣點的目的。

相機數據量大，同時需要滿足檢測實時性，因此，線陣相機圖像高速處理是該系統一個難點。

3 試驗數據

該系統在廣州地鐵四號線正線、四號線新造車輛段試車線連續試驗 3個月，通過現場的數據分析，該系統達到設計要求，效果良好。

圖5 軟件流程圖

圖6 綜合信息處理系統界面

測量精度：將人工測量數據作為基準數據，隨機抽取20個檢測數據來驗證接觸軌檢測系統檢測精度（見圖7、圖8）。

由圖7、圖8可以看出，接觸軌檢測系統垂直方向和水平方向的檢測精度控制在±2 mm。

由圖 9、圖 10可知，接觸軌檢測系統分別檢測上行數據、下行數據在垂直方向和水平方向有較好的重復性，達到了預期的設計效果。

圖7 垂直精度驗證曲線圖

圖8 水平精度驗證曲線圖

圖9 垂直上下行數據重復性驗證曲線圖

圖10 水平數據重復性驗證曲線圖

4 結束語

由于接觸軌供電方式不同于接觸網，接觸軌幾何參數特性也不同于接觸網，而標準要求接觸軌正常偏差范圍為±5 mm[2，3]，對接觸軌動態檢測系統檢測精度要求較高，屬于精密檢測系統，檢測車輛在運行過程中，振動較大，而現場數據檢測誤差要控制在±2 mm，整個系統在運行過程中需要克服振動對檢測帶來的誤差。通過分析現場試驗數據，反映效果良好，但整個系統的使用壽命、穩定性、可靠性還有待進一步驗證。

[1]陳唐龍，于滌，陳耀坤. 接觸網檢測車振動補償研究[J].成都：西南交通大學學報[J].1999，34，（4）：461-465.

[2]CJJ96-200，地鐵限界標準[S].

[3]于松偉.我國地鐵接觸軌技術發展綜述與研發建議[J].北京：都市快軌交通，2004，17（2）：6-11.

[4]阮秋琦，阮宇智. 數字圖像處理[M]. 北京：電子工業出版社，2009.

[5]孫鑫，余安萍. VC++深入詳解[M]. 北京：電子工業出版社，2009.