基于三維數據的受電弓姿態檢測方法研究

2023-10-26 11:35:42郭浩

設備管理與維修 2023年17期

關鍵詞：檢測

郭浩

（中國鐵路蘭州局集團有限公司，甘肅蘭州 730030）

0 引言

隨著鐵路的高速發展，當前動車運營數量在保持高位的同時還在持續增多，為列車的安全運營提出了挑戰。傳統的單純依靠人工的檢測方式已經被人工、設備相互合作的方式所代替，而基于圖像檢測的設備更是廣泛應用于日常列車檢測的方方面面[1]。

受電弓作為電力列車的供能裝置，對列車的運行至關重要。弓頭姿態異常若不能及時處理，會造成滑板異常磨損甚至“羊角”斷裂等嚴重事故[2]。

傳統的圖像檢測方法，主要是采集二維圖像，在二維圖像上利用二維特征實現關鍵故障的檢測[3]。基于圖像處理的弓頭檢測方法，易受自然因素影響，成像質量難以保證，系統穩定性不足且二維數據缺乏深度信息，無法完全反應受電弓的實際姿態。

線陣結構光三維測量技術，作為一種測量范圍廣、精度高、實時性強的高精度三維成像方法，被廣泛運用于軌道交通檢測中[4]。本文基于線結構光三維成像方法，搭建數據采集系統，并設計受電弓姿態的三維檢測方法，快速、準確地實現了受電弓姿態的動態檢測。

1 三維采集系統

1.1 線結構光成像原理

相機和線激光安裝在同一側，通過相機拍攝激光線的二維圖像。激光器投射線激光到被測物體上，被測物體表面的高度對激光線的形狀進行調制，激光線發生形變。相機采集形變的線激光條紋，結合標定參數，可以實現線激光點的三維數據計算[5]。

相機采用小孔成像模型，其像素坐標系與世界坐標系轉換關系為：

其中，M1為相機內測矩陣，M2為相機外參矩陣：

激光平面方程為：Ax+By+Cz+D=0

通過預先標定，可以計算得到相機內參、外參以及激光平面方程參數。在已知激光點像素坐標的情況下，即可通過該兩個方程聯立求得實際的三維坐標。

1.2 數據采集系統

由于列車車型復雜多樣，現場安裝環境多變且工作距離長，對成像速度和要求較高，因此選擇配置視覺組件設計采集系統。

作為市面上幀率最快的相機，Ranger3 通過內嵌的FPGA（Field Programmable Gate Array，現場可編程門陣列）硬件系統，可以直接在采集前端完成激光線提取、點云重構等線陣三維成像功能，特別適合用于動態的線陣結構光測量應用（表1）。

表1 Ranger3 相機參數

采用Ranger3 相機，激光垂直向下照射，相機傾斜拍攝。由于列車升弓與降弓其受電弓相隔1～2 m，光學系統無法同時保障兩部分均能清晰成像，因此分別設定了升弓檢測相機與降弓檢測相機（圖1）。

圖1 數據采集布局

2 受電弓姿態檢測原理

受電弓的姿態是指其翻滾角（或側翻角）、偏航角、俯仰角。以俯視受電弓為例，y 軸為列車行進方向（軌道方向），x 軸為垂直軌道方向，z 軸為高度方向（垂直xoy 平面或水平面）。如此建立坐標系則翻滾角表示受電弓的繞y 軸旋轉的角度，偏航角為受電弓繞z 軸旋轉的角度，俯仰角為受電弓繞x 軸旋轉的角度。

本文以滑板作為受電弓的模型框架，通過計算滑板上未磨耗區域的端點，來擬合出滑板所在的三維連線，從而構建受電弓的三維幾何狀態，并計算其具體的姿態角度。

2.1 翻滾角計算

翻滾角表示受電弓繞Y 軸旋轉翻角，計算方法為：①尋找滑板兩端沒有磨耗的區域；②尋找沒有磨耗區域的中線；③取左右區域上的端點，并以端點擬合直線，計算其斜率；④如果找到的兩條直線斜率相等，則以兩條直線的端點擬合直線，并計算斜率；⑤用上一步驟中得到的斜率計算對應的角度，即為受電弓的翻滾角（圖2）。

圖2 翻滾角計算流程

2.2 偏航角計算

偏航角為受電弓繞Z 軸旋轉的角度，計算思路包括：①尋找滑板的中線；②存儲中線上所有點對應的X、Y 坐標；③用上一步驟中的所有點擬合直線，計算直線斜率；④計算斜率對應的夾角即為偏航角（圖3）。

圖3 偏航角計算流程

2.3 俯仰角計算

俯仰角為受電弓繞X 軸旋轉的角度，計算思路主要有6個：①尋找滑板兩端沒有磨耗的區域；②尋找沒有磨耗區域的中線；③取左右區域上的端點，并以端點擬合直線，計算其斜率；④如果找到的兩條直線斜率相等，則存儲兩條直線的端點；⑤用步一步驟中得到的點計算平均高度，然后計算前后滑板的高度差；⑥計算高度差與滑板間距的比值，然后該值的反正切，得到的角度即為俯仰角（圖4）。