基于機(jī)器視覺的鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安小雪 周燕瓊

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620；2.上海工程技術(shù)大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心，上海 201620）

鐵路運(yùn)輸是國(guó)家交通運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，承擔(dān)著大量的客運(yùn)和貨運(yùn)任務(wù)，它的發(fā)展直接影響中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。隨著鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，高速、重載列車運(yùn)行量的增加，鋼軌的磨損也越來越嚴(yán)重，鋼軌磨損造成鋼軌輪廓尺寸變化，加速了機(jī)車車輪的磨損，增加輪軌接觸面積，增大運(yùn)行阻力，加大列車運(yùn)行過程中事故發(fā)生的可能性，減少鋼軌和機(jī)車的使用壽命。隨著現(xiàn)代傳感、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用非接觸式無損測(cè)量方法已成為鋼軌廓形檢測(cè)的主流[1]。本文研究設(shè)計(jì)一種基于機(jī)器視覺的鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)，通過硬件外觸發(fā)和軟件多線程并行處理實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)采集，然后基于單孔校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)拼接方法實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)拼接。

1 檢測(cè)原理

實(shí)際的測(cè)量過程中，鋼軌外觀形狀比較復(fù)雜，激光傳感器在一個(gè)視角下不能直接檢測(cè)得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[2]。因此，該系統(tǒng)對(duì)稱使用兩個(gè)激光傳感器，如圖1所示。檢測(cè)時(shí)兩傳感器發(fā)出的激光光束在軌頂部分盡可能地重合，以保證可以完全覆蓋整個(gè)軌頭和軌腰部分，采集到完整的鋼軌輪廓。

由于采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)集位于兩個(gè)不同的傳感器坐標(biāo)系下，為了保證數(shù)據(jù)的完整性，需要對(duì)兩組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理。拼接思路是獲得傳感器1坐標(biāo)系O1和傳感器2坐標(biāo)系O2分別到標(biāo)定塊坐標(biāo)系O的轉(zhuǎn)換關(guān)系，之后將兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)變換到坐標(biāo)系O中，即可完成拼接，如圖2所示。

圖2 雙傳感器校準(zhǔn)原理

圖1 鋼軌廓形檢測(cè)原理

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為：

其中，（X1，Y1）為鋼軌上某個(gè)點(diǎn)在傳感器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；（X，Y）為該點(diǎn)在標(biāo)定塊坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

由式（1）可知，要完成線激光傳感器的坐標(biāo)系向標(biāo)定塊坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，必須確定傳感器坐標(biāo)系與標(biāo)定塊坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)之間的偏移量（t1，t2）和傳感器坐標(biāo)系繞標(biāo)定塊坐標(biāo)系的偏轉(zhuǎn)角度θ。

2 硬件設(shè)計(jì)

由于鋼軌磨耗值不可能在很短一段距離內(nèi)發(fā)生很大變化，因此每隔一定間距采樣一次數(shù)據(jù)即可。相機(jī)在采集圖像時(shí)可以處于內(nèi)部控制模式或外部觸發(fā)模式。內(nèi)部控制模式下，如果列車行駛速度變化，會(huì)造成拍攝的間距發(fā)生變化[3]。軌道測(cè)量以空間分布，需要實(shí)現(xiàn)等空間距離的采樣，故采用外部觸發(fā)模式。

歐姆龍E6B2-CWZ3X增量式傳感器能根據(jù)軸的旋轉(zhuǎn)位移量，輸出脈沖列。其方式是通過其他計(jì)數(shù)器，計(jì)算輸出脈沖數(shù)，通過計(jì)數(shù)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)量。

外觸發(fā)控制模塊將一個(gè)增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器安裝于車輛輪對(duì)的輪軸上，光電編碼器隨著輪軸旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)過脈沖記數(shù)，可計(jì)算出列車運(yùn)行的相對(duì)距離和車速。考慮到列車有正反2個(gè)運(yùn)行方向，這要求光電編碼器需具備A、B兩相輸出功能。利用單片機(jī)STC89C52的2個(gè)外部中斷源，分別采集編碼器的A、B兩相電平脈沖，通過檢查A、B相脈沖的發(fā)生時(shí)間可以判斷列車的運(yùn)行方向，觸發(fā)流程圖如圖3所示。

圖3 外觸發(fā)控制模塊

3 軟件設(shè)計(jì)

鋼軌廓形檢測(cè)軟件主要包括上位機(jī)與傳感器通訊模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊以及數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模塊。Window操作系統(tǒng)是搶占式多任務(wù)系統(tǒng)，不是實(shí)時(shí)系統(tǒng)。因此，人們可以采用多線程并行處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)多傳感鋼軌廓形的同步采集。結(jié)合數(shù)據(jù)采集單元要實(shí)現(xiàn)的功能，鋼軌廓形檢測(cè)軟件可以分為主線程和數(shù)據(jù)采集線程設(shè)計(jì)[4-5]，其設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 鋼軌廓形檢測(cè)程序的流程

3.1 傳感器通信模塊設(shè)計(jì)

Gocator傳感器具有豐富的I/O接口，可與現(xiàn)有的控制系統(tǒng)直接通信。本系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議以及Windows Socket技術(shù)開發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)Gocator傳感器數(shù)據(jù)傳輸和命令控制，TCP/IP協(xié)議是一種面向連接的傳輸層協(xié)議，它可以提供可靠性高的服務(wù)。

系統(tǒng)采用C/S（客戶機(jī)/服務(wù)器）模式建立通信。上位機(jī)作為服務(wù)器用來響應(yīng)并為客戶提供固定的服務(wù)。各傳感器作為客戶機(jī)向服務(wù)器提出請(qǐng)求或要求某種服務(wù)。PC機(jī)初始化后，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)連接，查看網(wǎng)絡(luò)是否正常，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，通過調(diào)用函數(shù)socket建立套接字。一旦服務(wù)器和客戶機(jī)連接建立，PC機(jī)就可以向釆集終端傳感器發(fā)送指令，傳感器接收到該指令后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給PC機(jī)，PC機(jī)讀取并顯示接收到的數(shù)據(jù)，查看數(shù)據(jù)是否接收完，若接收完，再次等待接收網(wǎng)絡(luò)傳輸來的數(shù)據(jù)，如此循環(huán)地接收并顯示數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊包括數(shù)據(jù)均勻采集、濾波等參數(shù)設(shè)置功能。

3.2.1 均勻采集

在激光三角測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用中，由于鏡頭視角原因，相機(jī)會(huì)產(chǎn)生梯形的視野范圍。因此，激光點(diǎn)之間的距離在近距離處比在遠(yuǎn)距離處更近，相機(jī)直接采集的鋼軌輪廓數(shù)據(jù)為不均勻分布，不均勻性會(huì)降低分辨率和精度[6]。本文通過插值重采樣技術(shù)可獲得均勻的鋼軌輪廓。

3.2.2 濾波

在允許誤差范圍內(nèi)，對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)整，避免擬合曲線出現(xiàn)“粗糙毛刺”的不良效果，是獲得到品質(zhì)良好的輪廓線的前提。程序設(shè)計(jì)了中值濾波、抽取、插值等濾波功能，用于處理外界干擾噪聲，輸出平滑的鋼軌廓形數(shù)據(jù)。

（1）中值濾波：基本原理是把數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)鄰域內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)的中值代替。設(shè)一組數(shù)據(jù)y1，y2，…，yn，取窗口長(zhǎng)度m（m為奇數(shù)），對(duì)此序列進(jìn)行中值濾波，就是從輸入序列中相繼抽出m個(gè)數(shù)，再將這m個(gè)點(diǎn)按其數(shù)值大小排列，取其序號(hào)為正中間的作為輸出。用數(shù)學(xué)公式表示為：

（2）插值：使用鄰近的數(shù)據(jù)線性插值填充由遮擋引起的缺失數(shù)據(jù)，即在序列的相鄰抽樣點(diǎn)之間等間隔插入M-1個(gè)，將原始采樣頻率增加M倍。

其中，f為新采樣頻率，fs為原抽樣頻率。

（3）抽取：當(dāng)信號(hào)數(shù)據(jù)量太大時(shí)，可以每間隔M-1個(gè)點(diǎn)抽取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，組成新的數(shù)據(jù)，以減少采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量，原始采樣頻率也相應(yīng)的減小M倍。

其中，f為新采樣頻率，fs為原抽樣頻率。

3.3 數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模塊

本文借助一個(gè)平面度為00級(jí)的單孔圓盤標(biāo)定塊，保證兩傳感器都能看到標(biāo)定塊上的圓孔，通過校準(zhǔn)尺面和孔的位置將傳感器校準(zhǔn)到同一個(gè)坐標(biāo)空間下，實(shí)現(xiàn)多斷面數(shù)據(jù)的拼接，如圖5所示。

圖5 單孔校準(zhǔn)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由三部分組成：自制的鋼軌檢測(cè)小車、NI工控機(jī)、視覺模塊。實(shí)驗(yàn)選用的Gocator 2340型號(hào)3D智能激光傳感器，采用工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，易于集成，內(nèi)置多種工具，能夠滿足戶外惡劣條件下的檢測(cè)作業(yè)，最大掃描速率5000Hz，同時(shí)，單色激光亮度圖像可以有效地檢測(cè)缺陷，視野從47mm到1.26m，通過1Gb以太網(wǎng)接口通訊與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)通信。

實(shí)驗(yàn)選用是60kg/m標(biāo)準(zhǔn)軌作為試驗(yàn)對(duì)象，用自制的軌檢小車對(duì)鋼軌選取20個(gè)不同位置的點(diǎn)進(jìn)行全斷面輪廓重復(fù)性檢測(cè)。鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件整體界面，如圖6所示。左側(cè)為兩個(gè)傳感器采集的原始數(shù)據(jù)與拼接后的鋼軌廓形的顯示單元。右側(cè)包括傳感器參數(shù)設(shè)置單元、傳感器校準(zhǔn)單元。

在實(shí)驗(yàn)過程中，軟件運(yùn)行穩(wěn)定，可根據(jù)設(shè)置的參數(shù)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。每采集一個(gè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)更新顯示，采集的原始鋼軌廓形和拼接后完整鋼軌廓形分別如圖7、圖8所示。

圖6 鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)

圖7 傳感器原始采集數(shù)據(jù)

圖8 傳感器拼接后的數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)選用的是未經(jīng)使用過的60kg/m標(biāo)準(zhǔn)軌進(jìn)行測(cè)量，因此其輪廓尺寸應(yīng)與理論尺寸一致，但由于加工的過程中存在一定的誤差，根據(jù)鋼軌制造誤差的規(guī)定，60軌軌頭的高度允許±0.5mm的偏差。將拼接好的鋼軌廓形與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌進(jìn)行對(duì)比分析，將兩個(gè)輪廓對(duì)齊，發(fā)現(xiàn)軌頭頂部出現(xiàn)間隙，對(duì)間隙進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其間隙尺寸比較穩(wěn)定，為0.1～0.2mm，在允許偏差范圍內(nèi)，所以筆者認(rèn)為其輪廓已經(jīng)拼好。

5 結(jié)語

本文采用非接觸式線結(jié)構(gòu)光技術(shù)進(jìn)行鋼軌輪廓全斷面檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的鋼軌廓形檢測(cè)系統(tǒng)，通過硬件外觸發(fā)和軟件多線程并行處理實(shí)現(xiàn)了多傳感器數(shù)據(jù)采集。該設(shè)計(jì)具有應(yīng)用的便攜性和測(cè)量的穩(wěn)定性，因此具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值，可以為軌道幾何參數(shù)測(cè)量奠定良好的基礎(chǔ)。

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