鐵路接觸網巡檢無人車自動定位系統研究

朱家誠，吳 彬，吳焱明，馬開峰

（合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

鐵路接觸網沿鐵路線上空布置，為電力機車提供動力，對鐵路正常運行起著關鍵作用。隨著我國電氣化鐵路的快速發展，鐵路接觸網系統可靠性，穩定性顯得尤為重要[1]。所以鐵路接觸網的定期檢測維護工作也必不可少，目前國內主要檢測方式有兩種。

（1）人力車梯檢修，需配置七至八人，攜帶檢測設備，沿著鐵路線對鐵路接觸網逐一檢測。耗時又費力，惡劣的環境下檢修，作業人員也存在安全隱患。

（2）使用燃油大型檢修作業車來完成接觸網的檢測，燃油檢修車必須從車站出發，不能從鐵路中段上鐵軌，緊急故障處理不便利，且不符合可持續發展理念[2]。

我們受上海鐵路局合肥供電段委托，已經研制了一種自行式電氣化鐵路接觸網檢修車梯[3]。使用該車梯作業效率較大提高，可減少多名檢修作業人員，同時能夠減輕作業人員的勞動強度，目前已經有多臺在試用。

考慮到自行式車梯巡檢過程單調，重復性強，檢測設備也是專業設備。所以原有的自行式車梯的基礎上研制一臺具備自動定位功能的無人車，在接觸網立柱位置自動停車，利用車上搭載的檢測設備，實現接觸網檢測。很大程度上節約了勞動力，對鐵路接觸網檢測和維護作業的發展有著重要的發展意義和經濟意義。

2 系統組成

無人車基本組成包括機械結構系統和控制系統。其機械結構主要組成是底盤，車身機構和工作平臺，其整體機械結構可拆卸，易組裝。其控制系統以工控機為上位機，PLC為下位機，上位機及下位機軟件程序都采用模塊化設計。控制系統結構，如圖1所示。硬件主要包括嵌入式工控機[4]、PLC、直流伺服電機及其驅動器、無線遙控器以及接收器、工業相機等。

圖1 控制系統結構Fig.1 Structure Diagram of Control System

無人車的動力源為一個48V30Ah的可充電鋰電池。從性能要求以及工作環境選擇直流伺服電機作為無人車的執行機構，選擇ARK-1550嵌入式工控機作為控制系統上位機。從輸入輸出I/O點數，性能要求，成本，可靠性以及或留有富余量等角度考慮，選擇歐姆龍CP1H系列PLC[5]。選擇海康威視的工業相機，其用戶開發環境開放，其性能也滿足需求。以PLC為下位機的主要內容包括：

（1）伺服驅動模塊。可以手動控制電機按設定速度和設定位置運動。在手動調整過程中可以檢測執行機構精度，對機械部件進行調整。

（2）通訊模塊。包括發送和接收兩個功能塊，主要是將運動部件的動作信息發送到上位機，接收上位機傳送過來的運動指令，從而實現上位機對下位機的控制。

（3）故障報警及處理模塊。無人車在鐵軌出現遇到故障致使電機異常時，報警信號由PLC傳至上位機。上位機通過GPS模塊將無人車的位置信息通過短信功能發送到工作人員。工作人員及時前去處理。

（4）無線遙控器模塊。無線遙控器接收器信號直接接到PLC的輸入，無線遙控器可以直接通過PLC向電機發送指令，實現電機的快進、快退、點進、點退等。

以工控機為上位機的控制系統主要內容包括：

①人機界面模塊。主要包括手動調整界面和自動運行界面。人機界面可以對無人車的運行狀態進行實時監控，有利于調試和實驗。

②串口通訊模塊。選擇通訊方式，按照定制的通訊協議，實現上位機和下位機間命令、狀態和信息的傳遞[6]。在系統運行過程中，上位機與下位機之間的數據交換頻率高，所以通訊逾時對系統運行效率有著重要影響，在保證正常通訊的條件下，提高通訊波特率，可減小通訊逾時。

③拍照模塊。實現上位機對工業相機的控制。可通過上位機命令設置相機拍照模式，包括初始化、連續拍照、拍照間隔時間、停止拍照、自動存儲圖片、自動打開圖片等。

④圖像識別模塊。研制了一套圖像識別系統，該系統集成了灰度化、二值化、邊緣檢測、Hough變換等多種算法。對工業相機采集的圖片進行圖像特處理，并將圖像處理結果的信號轉換為上位機命令。

3 圖像識別

無人車的自動定位是以圖像識別模塊來實現的。圖像識別系統主要是對工業相機采集的照片做圖像處理。圖像識別系統目的就是要識別出來接觸網立柱的特征。

鐵路接觸網立柱的直線特征明顯，針對直線特征的檢測，可利用Hough變換原理來實現接觸網立柱特征識別。

Hough變換的基本原理：就是平面坐標系和參數坐標系的一個轉換。Hough變換原理[7]，如圖2所示。

圖2 Hough變換原理圖Fig.2 Principium Chart of Hough Transform

假設在x-y平面坐標系上有直線方程：

該直線上有點：

所以平面坐標系的三個點對應著參數坐標系里的三條曲線。在ρ-θ參數坐標系中，曲線②③④都過點（ρ，θ），且直線①上的每一個點對應的曲線都經過該點。因此對邊緣檢測后的圖像，對其每一個非零像素點，在參數坐標下變換成一條曲線，那么平面坐標系中屬于同一條直線上的點在參數坐標系中形成多條曲線并相交于一點。因此可用Hough變換原理進行直線檢測[8]。

Hough變換算法測試的結果，如圖3所示。原圖中直線m，n，h和一個圓，按照圖像識別流程，最后經過Hough變換處理得到其變換矩陣以及其變換結果。變換矩陣所展示的參數坐標系中有a，b，c三個累加點分別對應m，n，h三條直線。變換結果則是成功提取出三條直線特征。

圖3 直線檢測結果Fig.3 Result of Straight Line Detection

在進行直線檢測過程中，可先對原始圖像進行灰度化、二值化的處理，然后對二值圖像做圖像腐蝕處理，圖像腐蝕后進行邊緣檢測，最后Hough變換的過程則是將邊緣檢測后的圖像上的直線特征提取出來。圖像識別系統里圖像處理的主要流程，如圖4所示。

圖4 圖像識別流程圖Fig．4 Picture of Image Recognition Process

由工業相機直接采集的圖片為彩色圖像，像素為寬度1920*高度1080。其圖像格式為RGB，其每一個像素點的區間為（0，0，0）～（255，255，255）。經過灰度化處理以后，彩色圖像變成8位的灰度圖像，即黑白圖像，由黑到白，其顏色深度由灰度值決定，其灰度值范圍是（0～255）。灰度圖像經過二值化處理，則變成一個二值灰度圖像，只有黑和白，其像素值為0或1。對二值圖像進行圖像腐蝕處理不僅可以消除沒有意義的邊界點，還可以收縮邊界，有利于對圖像中直線特征的分析與識別。

4 自動定位方法研究

自動定位的關鍵在于：如何通過從圖像中接觸網立柱的位置信息來判斷無人車實際與接觸網立柱之間的距離。為此，設計實驗研究定位算法。實驗中工業相機采集接觸網立柱特征的圖像模型，如圖5所示。

圖5 拍照模型Fig．5 Model of Taking Photo

工業照相機安裝在無人車底盤上，相機安裝角度β可以調整，以接觸網立柱Q為目標位置，d是鐵路距離立柱的橫向垂直距離，可以測得d等于3050mm。S則是相機距離接觸網立柱的縱向直線距離。實驗過程中，選定一個角度β，沿鐵軌推動底盤改變S進行圖像采集拍照。將獲得的多組照片，通過軟件測量出圖像中接觸網立柱位置的橫坐標x，其單位為像素，記錄距離S和橫坐標x。依次設置角度β等于30°，45°，60°，獲得多組數據。

統計實驗數據，繪制出x-S曲線圖，如圖6所示。

圖6 橫坐標-距離曲線Fig．6 Abscissa-Distance Curve

通過擬合的曲線方程，得到數學方程式為：

式中：S0，A1，x0—常數。

由圖6可發現角度發生改變以后，曲線基本特征不變，所以對應的數學方程式不變，只是方程參數發生變化。

自動定位流程設計，如圖7所示。自動運行啟動后，無人車開始加速直至勻速前行，拍照系統啟動，工業相機開始間隔采集圖像，圖像識別系統進行圖像處理，識別特征。當檢測到接觸網立柱特征，無人車開始減速，并通過提取圖像中接觸網立柱的位置信息，由上位機算法計算接觸網立柱與無人車的實際距離S。逐漸靠近接觸網立柱位置，速度越來越小，誤差逐漸減小，S逐漸也減小，直至S小于設定誤差δ，無人車停車。

圖7 自動運行流程圖Fig．7 Automatic Location Flowchart

5 定位測試

在鐵路天窗期，對無人車進行了定位測試，工業相機安裝角度為45°，因此軟件設計中使用的橫坐標-距離數學關系式為：

鐵路接觸網立柱之間的距離大約為50m，在自動運行過程中，當系統檢測到立柱特征時，減速信號來臨，無人車開始減速，其減速曲線，如圖8所示。由圖8可知，當S=10m位置，按S型曲線減速行駛。當S＜5m時，其運動規律則是減速（A）和勻速相間（B），直至 S＜0．6m，保持 v=20mm/s低速前行，直至 S＜=30mm，無人車停車。

圖8 減速曲線Fig．8 Deceleration Curve

圖9 圖像識別手調界面Fig．9 Manual Operation Interface of Image Recognition

圖像識別系統手調界面，如圖9所示。圖9中A為接觸網立柱原圖，該圖是在鐵路現場定位測試過程中所采集的一張照片。圖9中B則是經過圖像處理之后的結果，能夠提取出其直線特征。現場定位測試結果表明：圖像識別能夠提取接觸網立柱直線特征，實驗得到的橫坐標-距離關系式可靠，無人車自動減速至停車的過程平穩，且能夠定位到接觸網立柱位置，基本符合預期要求。

6 結語

通過上位機的軟件設計，以及PLC程序設計，鐵路接觸網巡檢無人車自動定位系統已初步研究完成，其控制系統以工控機為核心，利用工業相機采集接觸網立柱的照片，利用圖像識別檢測接觸網立柱特征，并實現定位至接觸網立柱位置。目前鐵路接觸網巡檢無人車現場的初步調試已完成。

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［3］朱家誠，安坤，馬開峰.自行式電氣化鐵路接觸網檢修車梯的研制［J］.機械設計與制造，2016（3）：146-149.（Zhu Jia-cheng，An Kun，Ma Kai-feng.Development of self-propelled electrified railway catena maintenance of vehicle ladder［J］.Machinery Design&Manufacture，2016（3）：146-149.）

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