王 琰

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2.中國鐵路總公司 鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測中心，北京 100081)

隨著列車速度的提高、行車密度和運(yùn)量的加大，對列車的安全性、舒適性提出了更高的要求，科學(xué)有效地檢測軌道質(zhì)量狀態(tài)是鐵路安全運(yùn)輸?shù)闹匾ＷC[1-5]。

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)[6-9]是當(dāng)前動態(tài)檢測軌道科學(xué)的有效手段，其基于結(jié)構(gòu)光視覺與圖像處理技術(shù)，采用激光攝像非接觸測量方法實(shí)時檢測軌距、高低等重要軌道幾何參數(shù)。然而系統(tǒng)中的激光器開啟后即進(jìn)入點(diǎn)亮狀態(tài)，長時間對外發(fā)射近紅外線形激光，嚴(yán)重縮短了其工作壽命，也造成了能源的流失和浪費(fèi)，同時還存在外射激光的安全隱患[10-11]，降低了軌道檢測系統(tǒng)的可靠性[12-13]和安全性。

先進(jìn)微處理器(Advanced RISC Machines，ARM)是目前主流的嵌入式處理器體系架構(gòu)，具有性能高、成本低和能耗省等特點(diǎn)，目前ARM 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在儀器儀表、航空航天、軍事設(shè)備、制造工業(yè)、過程控制等行業(yè)。

本文基于ARM架構(gòu)設(shè)計激光攝像同步觸發(fā)系統(tǒng)做等頻脈寬變換及同步協(xié)調(diào)控制，設(shè)計光耦隔離電路、反相整形電路、增益放大電路等硬件電路進(jìn)行電信號有效識別，實(shí)現(xiàn)激光頻閃最亮發(fā)光狀態(tài)與高速相機(jī)等距離空間同步，從而采集鋼軌圖像。

1 設(shè)計方案

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)激光攝像組件基于近紅外激光器和高速相機(jī)，采用激光三角法實(shí)現(xiàn)對鋼軌的橫向和垂向幾何位移及其廓形的非接觸測量[14-17]。激光三角法測量鋼軌幾何形位的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光器的軸線、物鏡的光軸以及高速相機(jī)三者位于同一個平面內(nèi)，激光光源通過聚焦透鏡匯聚成1條光線投射在鋼軌表面，光線隨其投射點(diǎn)位置的深度坐標(biāo)變化而沿著激光器的軸向作等距離位移。光線同時又通過物鏡成像在相機(jī)上，成像位置與光線的深度位置有唯一的對應(yīng)關(guān)系，只要測出相機(jī)上所成實(shí)像的中心位置，即可通過幾何光學(xué)的計算方法求出光線此刻的深度坐標(biāo)，從而得到鋼軌被測表面的幾何參數(shù)。

圖1 激光三角法測量鋼軌幾何形位的基本結(jié)構(gòu)

激光攝像同步觸發(fā)方案如圖2所示。方案中，車輪旋轉(zhuǎn)1周速度編碼器產(chǎn)生5 000個脈沖信號，實(shí)時采集處理機(jī)根據(jù)輪徑作250 mm等間距空間采樣處理，激光攝像同步觸發(fā)系統(tǒng)作等頻脈寬變換及同步協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)激光頻閃最亮發(fā)光狀態(tài)與高速相機(jī)等距離空間同步從而采集鋼軌圖像。

圖2 激光攝像同步觸發(fā)方案

激光攝像同步觸發(fā)系統(tǒng)采用ARM-STM32F103RCT6作為主控芯片CPU內(nèi)核[18]，主要包含高速光耦隔離電路、反相整形電路、等頻脈寬變換及同步協(xié)調(diào)控制、增益放大電路，其工作原理如圖3所示。由圖3可見：外部觸發(fā)信號進(jìn)入同步觸發(fā)系統(tǒng)后，先通過高速光耦隔離電路，濾除信號中的噪聲，以適應(yīng)高速采集需要；再經(jīng)反相整形電路進(jìn)入ARM以便內(nèi)部CPU準(zhǔn)確識別；信號經(jīng)過等頻脈寬變換和增益放大電路，輸出TTL電平信號作為激光器觸發(fā)信號，以外部觸發(fā)信號為基準(zhǔn)并兼顧激光器發(fā)光屬性，信號經(jīng)過同步協(xié)調(diào)控制和增益放大電路，輸出TTL電平信號作為相機(jī)觸發(fā)信號，實(shí)現(xiàn)激光頻閃最亮發(fā)光狀態(tài)與相機(jī)同步觸發(fā)采集鋼軌圖像。其中，因觸發(fā)時序控制和電信號有效識別是設(shè)計方案的關(guān)鍵，因此基于ARM的邏輯控制和硬件電路設(shè)計是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

圖3 激光攝像同步觸發(fā)系統(tǒng)工作原理

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ARM控制設(shè)計

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)的激光器固有屬性1是觸發(fā)頻率條件，即輸入信號頻率不高于1 kHz且低電平有效才可以觸發(fā)點(diǎn)亮激光器，固有屬性2是激光最強(qiáng)亮度條件，即輸入信號低電平持續(xù)80 μs激光才能達(dá)到最強(qiáng)亮度。設(shè)計方案必須滿足激光器的2個固有屬性才可以實(shí)現(xiàn)激光頻閃與相機(jī)同步觸發(fā)。激光攝像圖像處理最高速度500幀·s-1，即系統(tǒng)外部觸發(fā)信號最高頻率為0.5 kHz，滿足激光器固有屬性1的觸發(fā)頻率條件。外部觸發(fā)信號屬性決定其電平持續(xù)時間為2 μs，不能滿足激光器固有屬性2的激光最強(qiáng)亮度條件。ARM控制設(shè)計原理如圖4所示。由圖可見：設(shè)計等頻脈寬變換保持激光觸發(fā)信號與外部觸發(fā)信號頻率相等，變換其脈寬長度為80 μs可使激光達(dá)到最強(qiáng)亮度，兼顧激光器觸發(fā)頻率條件及發(fā)光穩(wěn)定性，等頻脈寬變換電平信號持續(xù)時間0.5 ms以控制激光器點(diǎn)亮頻閃及最亮發(fā)光狀態(tài)；以外部觸發(fā)信號時序?yàn)榛鶞?zhǔn)設(shè)計同步協(xié)調(diào)控制相機(jī)沿觸發(fā)信號，使相機(jī)在激光器頻閃最亮?xí)r(輸入信號低電平持續(xù)80 μs)觸發(fā)采集鋼軌圖像，實(shí)現(xiàn)激光器與相機(jī)最優(yōu)同步觸發(fā)。

圖4 ARM控制設(shè)計原理

ARM控制設(shè)計流程如圖5所示。由圖5可見：激光攝像同步觸發(fā)系統(tǒng)接收到外部觸發(fā)信號，一路信號作等頻脈寬變換，觸發(fā)激光點(diǎn)亮，定時器1計數(shù)達(dá)到發(fā)光時間，則激光頻閃結(jié)束；另一路信號作同步協(xié)調(diào)控制，定時器2計數(shù)達(dá)到發(fā)光延時，激光處于頻閃最強(qiáng)亮度狀態(tài)，觸發(fā)相機(jī)采集圖像，計數(shù)器3計數(shù)達(dá)到發(fā)光時間則相機(jī)控制信號結(jié)束。

圖5 ARM控制設(shè)計流程

2.2 系統(tǒng)硬件電路

1)光耦隔離電路

光耦隔離電路使被隔離的2部分電路之間沒有電的直接連接，防止靜電等對電路系統(tǒng)造成干擾。輸入信號是最高頻率為0.5 kHz的高頻信號，激光攝像同步觸發(fā)系統(tǒng)采用TLP117高速光耦隔離信號輸入。光耦隔離電路如圖6所示。

圖6 光耦隔離電路

2)反相整形電路

圖像最高處理速度為500幀·s-1，即外部輸入信號頻率0.5 kHz，信號輸入到觸發(fā)系統(tǒng)，經(jīng)過光耦隔離電路信號會發(fā)生畸變，CPU很難對畸變信號進(jìn)行正確識別，對畸變信號進(jìn)行整形處理，以便CPU準(zhǔn)確識別，應(yīng)用的反相整形電路如圖7所示。

3)增益放大電路

激光器和相機(jī)觸發(fā)信號電平為5 V，ARM輸出的信號電平為3.3 V，帶載能力低，增益放大電路將ARM輸出的3.3 V電壓信號轉(zhuǎn)變成5 V，應(yīng)用的增益放大電路如圖8所示。

圖7 反相整形電路

圖8 增益放大電路

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)室驗(yàn)證

在試驗(yàn)室搭建GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)，采用本設(shè)計方案測量0.2 m長度的60 kg·m-1鋼軌，鋼軌采集圖像如圖9所示。靜態(tài)驗(yàn)證激光攝像同步觸發(fā)后軌道檢測系統(tǒng)軌距幾何參數(shù)測量的分辨力及精度。采用參考軌給出測量標(biāo)準(zhǔn)值作為軌距變化量的輸入，使參考軌軌距值達(dá)到1 420～1 485 mm范圍內(nèi)任意值，同時利用兩側(cè)參考軌對軌距進(jìn)行調(diào)整，每次增加0.2 mm，測量檢測系統(tǒng)軌距輸出值，軌距輸出值與輸入標(biāo)準(zhǔn)值之差作為示值誤差。試驗(yàn)結(jié)果表明，激光攝像同步觸發(fā)后軌距分辨力仍為0.2 mm，示值誤差不大于0.8 mm，滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)[19-20]。

圖9 激光攝像同步觸發(fā)采集鋼軌圖像

3.2 現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證

2017年7月，加載同步觸發(fā)系統(tǒng)的軌道檢查車在某線路進(jìn)行動態(tài)重復(fù)性驗(yàn)證，試驗(yàn)過程中系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，選取同時涵蓋直、緩、圓3種線路線型，并以實(shí)際運(yùn)行速度等級為120 km·h-1對檢測的線路區(qū)段進(jìn)行動態(tài)比對驗(yàn)證，并對測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。如圖10所示，軌道檢測系統(tǒng)250 mm等距離空間采樣，隨機(jī)選取1 km數(shù)據(jù)的400個采樣點(diǎn)作為分析點(diǎn)，統(tǒng)計同一分析點(diǎn)處重復(fù)性軌距示值誤差。經(jīng)統(tǒng)計后軌距幾何參數(shù)測量示值誤差小于允許誤差的點(diǎn)數(shù)占總數(shù)的百分比均大于96%，滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求[19-20]。

圖10 軌距幾何參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

3.3 激光器能耗比對

2017年7月，以實(shí)際運(yùn)行速度等級120 km·h-1進(jìn)行檢測試驗(yàn)，激光攝像實(shí)時圖像處理速度為132幀·s-1，即系統(tǒng)外部觸發(fā)信號頻率為0.132 kHz，本設(shè)計方案中的激光器外觸發(fā)同步頻閃工作模式與原有軌道檢測系統(tǒng)開啟后激光器即進(jìn)入長時間點(diǎn)亮的單一工作模式相比，激光器的能耗降低了約94%。激光器外觸發(fā)同步頻閃工作模式能耗分析如圖11所示。由圖11可見：本設(shè)計方案下的激光攝像同步外觸發(fā)頻閃模式大大降低了激光器的能耗，延長了激光器的工作壽命，同時也避免了非工作時段外射激光的安全隱患。

圖11 激光器外觸發(fā)同步頻閃工作模式能耗

4 結(jié) 語

本方案設(shè)計考慮了激光光源自身的特性，以外部觸發(fā)信號時序?yàn)榛鶞?zhǔn)，基于ARM中斷設(shè)計等頻脈寬變換及同步協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)激光器頻閃最亮發(fā)光狀態(tài)與相機(jī)空間同步協(xié)調(diào)控制觸發(fā)采集鋼軌圖像。經(jīng)試驗(yàn)測試及驗(yàn)證，激光器與高速相機(jī)空間同步觸發(fā)穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，避免了非工作時段外射激光的安全隱患，節(jié)約能源的同時延長了激光器的工作壽命，大大提高了GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)的可靠性和安全性。