唐家運，張 磊

(1.合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通學(xué)院，安徽 合肥 230011； 2.合肥哈工鄰泰自動化科技有限公司，安徽 合肥 230011)

接觸線磨損檢測是鐵路運維系統(tǒng)中重要檢測項目之一，傳統(tǒng)人工的檢測方法多是采用游標(biāo)卡尺巡檢方式，這種方式效率低、且有安全隱患[1]。近幾年研究應(yīng)用較多的視覺檢測技術(shù)，在檢測效率上有了較大的提高[2]。非接觸式檢測系統(tǒng)的架構(gòu)多是基于鐵路行駛的小車設(shè)計的，例如基于軌道巡檢車車頂安裝的接觸線磨耗檢測系統(tǒng)，或者軌上手動推行式的接觸線磨耗檢測系統(tǒng)等。這種設(shè)計方式雖然提高了檢測效率，但因接觸線距離鐵軌面較高，標(biāo)準(zhǔn)范圍在5 330～6 500 mm之間，而且因接觸線相對于弓頭縱向中心線呈“之”形布置，對于非接觸視覺檢測方式來說，接觸線在視場范圍內(nèi)變化幅度大，少量的相機(jī)很難滿足檢測視場和精度的要求。為提高檢測精度，就需要增加相機(jī)的數(shù)量，提高相機(jī)的性能，因此提高了成本和開發(fā)難度。

本文提出的爬線式接觸線磨耗動態(tài)檢測技術(shù)是以接觸式爬線機(jī)構(gòu)為本體，沿接觸線滾動運行，檢測部分采用激光雷達(dá)+視覺相機(jī)的多傳感器復(fù)合檢測方式，通過平板電腦，遠(yuǎn)程實時監(jiān)控裝置的運行及檢測狀態(tài)。該設(shè)計方式下，傳感器和接觸線的相對距離固定且很近，僅有200 mm左右，提高了傳感器的檢測精度和利用率，降低了成本。

1 整體設(shè)計方案

爬線機(jī)構(gòu)本體沿接觸線滾動行駛，在磨損檢測過程中，通過視覺相機(jī)拍攝和激光雷達(dá)掃描獲取接觸線表面輪廓信息并實時反饋到工控機(jī)。姿態(tài)傳感器安裝在爬線機(jī)構(gòu)上，實時采集姿態(tài)參數(shù)并反饋到單片機(jī)控制板(PCBA)。平板電腦作為人機(jī)交互界面，控制爬線機(jī)構(gòu)運動、磨損檢測及數(shù)據(jù)交互等。驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用直流無刷電機(jī)驅(qū)動，由鋰電池供電。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 總體框圖

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

爬線式行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計中，其可靠性是實現(xiàn)近距離動態(tài)檢測的前提，解決其機(jī)構(gòu)沿線爬行、自動越障、輕量化是本次設(shè)計的關(guān)鍵點?；谝陨蠁栴}，本文設(shè)計的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由機(jī)構(gòu)主體、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、走行越障機(jī)構(gòu)、激光視覺檢測機(jī)構(gòu)(激光雷達(dá)、視覺檢測)、供電單元、主控單元(PCBA、工控機(jī))幾部分組成。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)模型

1) 機(jī)構(gòu)主體。為降低接觸線的質(zhì)量和成本，機(jī)構(gòu)本體采用輕量化鋁合金材質(zhì)，均載對稱設(shè)計，在保證剛度和應(yīng)力的匹配性基礎(chǔ)上，適當(dāng)切除本體材料，減少了不必要的部分，整體質(zhì)量僅為3.2 kg左右。

2) 驅(qū)動機(jī)構(gòu)。驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計需要考慮滿足驅(qū)動力的前提下，具有輕量化特性。故采用四驅(qū)動直流無刷空心杯電機(jī)為主體構(gòu)成，由驅(qū)動電機(jī)、減速機(jī)、電機(jī)編碼器、調(diào)速器、尼龍輪5部分組成。單輪所需驅(qū)動力M為

(1)

式中：m為整機(jī)質(zhì)量；g為重力加速度；u為動摩擦因數(shù)，取0.34；r為為尼龍輪半徑，取0.043 m。

驅(qū)動機(jī)構(gòu)的編碼器檢測實時轉(zhuǎn)速，結(jié)合調(diào)速器實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速控制。驅(qū)動輪選用尼龍輪，具有接觸線絕緣特性和防止工作時損傷接觸線的重要作用。

3) 走行越障機(jī)構(gòu)。接觸線上的障礙物主要是懸掛定位器，起固定接觸線作用。走行越障機(jī)構(gòu)主要功能是跨越懸掛定位器，保證機(jī)構(gòu)沿接觸線穩(wěn)定運行。該避障機(jī)構(gòu)由尼龍輪、越障扇葉、彈性輪臂等部件組成。尼龍輪中間有凹槽，兩端突起，卡在接觸線上。越障扇葉由偏心三角扇葉構(gòu)成，其中1片扇葉尺寸偏大，其質(zhì)量最重，正常狀態(tài)下，由于重力關(guān)系，垂直朝下。彈性輪臂有連桿和彈簧機(jī)構(gòu)組成。當(dāng)遇到懸掛定位器時，3個機(jī)構(gòu)緊密配合，完成被動越障功能。

4) 激光視覺檢測機(jī)構(gòu)。激光視覺檢測系統(tǒng)由視覺檢測部分和激光雷達(dá)檢測部分組成，車體姿態(tài)傳感器實時采集姿態(tài)角，融合計算，得到最終的接觸線磨耗值。

5) 供電系統(tǒng)。系統(tǒng)采用蓄電池供電方式，選擇能量密度更高的三元鋰電池供電，供電電壓為低壓直流24 V。

6) 主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)作為爬線檢測機(jī)構(gòu)控制核心，控制機(jī)器運動、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)交互等功能。系統(tǒng)由迷你工控機(jī)及以STM32F103芯片為控制核心的單片機(jī)板卡組成，外圍接口電路由PS2401光耦輸出電路、SP3485串口通訊電路、CC2541藍(lán)牙通訊模塊等部分組成。

1.2 硬件電路設(shè)計

本文中的硬件電路是以STM32F103ret6芯片為核心組成，外圍接口電路包括調(diào)速輸出的ps2801光耦隔離電路、SP3485芯片組成的串口通訊電路、藍(lán)牙轉(zhuǎn)TTL模塊構(gòu)成的藍(lán)牙通訊電路等。TTL通訊電路和SP3485通訊電路如圖3～4所示。

圖3 TTL隔離通訊電路

圖4 SP3485電路

TTL通訊電路采用三極管和二極管進(jìn)行隔離輸出，提高了通訊的穩(wěn)定性。SP3485電路采用硬件自動收發(fā)方式設(shè)計，不需要額外增加片選接口，減少了單片機(jī)的外圍接口。

2 磨耗檢測算法

接觸線上的磨損檢測部分如圖5所示：尺寸A是接觸線磨損后剩余厚度；尺寸n是接觸線磨損截面寬度；尺寸m是接觸線磨損厚度。磨損檢測主要就是檢測m、n的值，從而判斷接觸線的剩余壽命。

磨損檢測采用激光雷達(dá)和視覺2種不同的檢測方式單獨檢測，結(jié)合檢測中心點從O'晃動到O''位置的傾角值進(jìn)行耦合計算，得到單獨的磨耗值，2組磨耗值結(jié)果數(shù)據(jù)融合，得到最終的磨耗值。

圖5 接觸線磨損示意

2.1 激光雷達(dá)檢測方法

激光雷達(dá)檢測是基于三角測距原理，系統(tǒng)選用18 000 Hz的測距頻率、0.1°的角度分辨率、360度高速旋轉(zhuǎn)的二維激光雷達(dá)，實時掃描接觸線的輪廓，不斷獲取距離信息和角度信息，通過usb接口，輸出距離和角度的點云數(shù)據(jù)至工控機(jī)。工控機(jī)對接收的點云數(shù)據(jù)計算處理流程如圖6所示。

圖6 激光雷達(dá)算法流程

預(yù)處理部分是指將原始點云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)定，得到接觸線位置處的目標(biāo)點云數(shù)據(jù)，再采用條件濾波、統(tǒng)計濾波方式，濾除噪聲和光線干擾。并通過區(qū)域分割、提取磨損區(qū)域的特征，設(shè)定及比對2個掃描點的變化閾值，使用Harris角點算法[7]確定角點的位置，從而判斷出磨損直線區(qū)域的邊界點，采用最小二乘法擬合出磨損位置的直線方程，結(jié)合車體傾角傳感器的姿態(tài)補償，與標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對，計算得到磨耗值。其中Harris算法用作角點判斷，數(shù)學(xué)模型為

I(x,y)]2，

(2)

式中：I(x,y)為像素的灰度值；w(x,y)為窗口函數(shù)；I(x+u,y+v)為平移后的圖像灰度。

將圖像窗口平移[u,v]產(chǎn)生較大的灰度變化E(u,v)，那么就判斷在小窗口內(nèi)遇到了角點，由于移動量[u,v]很小，近似為

(3)

2.2 視覺檢測方法

視覺檢測系統(tǒng)由視覺相機(jī)、濾光片、一字激光器組成。一字激光器按照一定角度固定在支架上，一字激光線射在接觸線上，并反射進(jìn)入窄帶通濾光片，過濾掉其余波長的光線，僅一字激光線進(jìn)入工業(yè)相機(jī)成像。工業(yè)相機(jī)將圖像信號傳輸至工控機(jī)，工控機(jī)進(jìn)行圖像處理，得到接觸線的磨耗值。視覺磨耗檢測算法流程如圖7所示。

圖7 視覺磨耗檢測算法流程

圖像數(shù)據(jù)采集后，為便于計算，采用二值化預(yù)處理，將圖像上的像素點的灰度值設(shè)置成只有0和255的視覺效果。再選取多邊形頂點，制作掩膜mask并位與操作，得到ROI區(qū)域的圖像。再采用高斯濾波方法[8]，對圖像進(jìn)行加權(quán)平均濾波處理，濾除環(huán)境噪聲干擾。角點識別也采用Harris算法，再用最小二乘法擬合出磨損處的線性方程，與本體傾角耦合，和標(biāo)準(zhǔn)值比對，得到磨損值。其中，高斯濾波函數(shù)為

(4)

式中：δ為標(biāo)準(zhǔn)方差。

2.3 多傳感器數(shù)據(jù)融合

多傳感器數(shù)據(jù)融合是彌補單一檢測方式數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差、精度低的常用方式。本系統(tǒng)將激光雷達(dá)檢測結(jié)果和視覺檢測結(jié)果進(jìn)行融合計算，設(shè)定允許閾值，互相彌補，將偏差較大的結(jié)果剔除，偏差較小的按照設(shè)定權(quán)重進(jìn)行融合，得到最終磨耗值。

3 試驗驗證

搭建試驗環(huán)境，測試系統(tǒng)在接觸線上接觸動態(tài)監(jiān)測的動態(tài)性能及磨耗監(jiān)測情況，測試結(jié)果如圖8～9所示，測試結(jié)果與游標(biāo)卡尺測量結(jié)果接近。

圖8 測試環(huán)境

圖9 測試結(jié)果

4 結(jié)語

本文提出的爬線式接觸線磨耗動態(tài)監(jiān)測技術(shù)優(yōu)化了傳統(tǒng)人工磨耗效率監(jiān)測低下的弊端，也改進(jìn)了基于軌道視覺監(jiān)測技術(shù)成本高昂、穩(wěn)定性差的不足，從本質(zhì)上縮短了監(jiān)測距離，提高了傳感器的利用效率，具有更深研究意義。