王獻偉,汪同慶

(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院,重慶 400044)

一種接觸網(wǎng)磨損的線結(jié)構(gòu)光三維檢測系統(tǒng)

王獻偉,汪同慶

(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院,重慶 400044)

接觸網(wǎng)的磨損量是跨座式單軌交通維護中需要掌握的一個十分重要的參數(shù)．針對跨座式單軌交通接觸網(wǎng)的特殊構(gòu)造和對檢測設(shè)備的要求,研究了一種基于線結(jié)構(gòu)光的接觸網(wǎng)磨損三維檢測系統(tǒng)．該系統(tǒng)通過激光器與接觸網(wǎng)之間的相對運動獲取接觸網(wǎng)的表面輪廓數(shù)據(jù),利用光電編碼器保持數(shù)據(jù)同步,最后對接觸網(wǎng)三維重建并把測量結(jié)果實時顯示．實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)精度為±0.5 mm,速度可達20 km/h,可以有效實現(xiàn)對跨座式單軌交通接觸網(wǎng)磨損的實時測量．

接觸網(wǎng)磨損;結(jié)構(gòu)光;三維檢測;單軌交通;光條中心

近年來,隨著城市交通壓力的增大,跨座式單軌交通因其成本低、噪聲小、環(huán)境污染少等優(yōu)點得到迅速發(fā)展．接觸網(wǎng)是跨座式單軌交通的重要組成部分,它承擔著連續(xù)向列車供電和傳輸電能兩大重要功能[1]．及時掌握接觸網(wǎng)的磨損量對保障列車安全、穩(wěn)定運行,保護人們的生命和財產(chǎn)安全具有十分重要的意義．目前國內(nèi)對接觸網(wǎng)磨損的研究都是針對一般鐵路和地鐵,由于跨座式單軌交通及其接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特殊性,一般鐵路和地鐵的接觸網(wǎng)磨損檢測設(shè)備很難滿足跨座式單軌交通接觸網(wǎng)磨損檢測的要求,因此,本研究具有重要的意義和實用價值．

普通鐵路和地鐵的接觸網(wǎng)是柔性懸掛在列車上方,接觸網(wǎng)和列車間空間較大．跨座式單軌交通的接觸網(wǎng)剛性懸掛在軌道梁的兩側(cè),并且被車體完全包住,接觸網(wǎng)和車體之間空間較小,背景反光干擾較大．因而,對檢測裝置的體積、安裝精度和抗干擾能力等有較高的要求．

接觸網(wǎng)磨損的檢測方法可以分為接觸式和非接觸式2種．接觸式檢測在檢測過程中需要檢測設(shè)備與接觸網(wǎng)接觸,對設(shè)備絕緣性要求較高且檢測速度較慢,具有很大的局限性．常見的非接觸式檢測方法有:(1) 圖像法[2],該方法一般采用照明-攝像檢測的原理．用光源照明接觸網(wǎng)的磨損面,用高速攝像機進行圖像的采集,通過對采集圖像的處理得到接觸網(wǎng)的磨損量．(2)激光法[3],激光法根據(jù)原理的不同又可以分為激光掃描法和殘高測量法．激光掃描法用激光束通過旋轉(zhuǎn)反射鏡反復(fù)掃描接觸網(wǎng)可能的范圍,通過光電轉(zhuǎn)換器接收接觸網(wǎng)反射回來的激光,根據(jù)反射的激光的持續(xù)時間和掃描速度就可以計算出接觸網(wǎng)磨損面的寬度．此外還有紅外法[4]、超聲波法[5]以及日本JR東海公司研制的接觸導(dǎo)線磨損檢測系統(tǒng)[6]．非接觸式檢測方法結(jié)構(gòu)簡單,易于維護,檢測精度高,可以實現(xiàn)接觸網(wǎng)的帶電在線檢測[7],因此,實際中大多采用非接觸式測量的方法．

本文將結(jié)構(gòu)光三維重建技術(shù)應(yīng)用于接觸網(wǎng)的磨損測量,利用結(jié)構(gòu)光三角測量原理,將線結(jié)構(gòu)光投射到接觸網(wǎng)上,通過攝像機獲取變形后的光條圖像,然后利用激光器、結(jié)構(gòu)光光條和攝像機的三角關(guān)系來計算接觸網(wǎng)的殘高,最后,根據(jù)獲取的點云數(shù)據(jù)重建出接觸網(wǎng)的三維模型．

1 線結(jié)構(gòu)光三角測量原理

線結(jié)構(gòu)光三角測量的基本思想是:利用激光投影器將線結(jié)構(gòu)光投射到被測物體表面,并通過相機來獲取結(jié)構(gòu)光的投影圖像,利用激光器、相機和被測物體之間的幾何關(guān)系就可以計算出物體表面的三維信息[8]．線結(jié)構(gòu)光三角測量的原理見圖1．

圖1 線結(jié)構(gòu)光三角測量原理

Fig.1 The principle of line structured light triangular measure-ment

其中:α是光平面和相機光軸的夾角．

Ow-xwywzw為世界坐標系;

Oc-xcyczc是相機坐標系;

Ot-rc是圖像坐標系.

由于物體表面輪廓高低不同,相機得到的激光線的輪廓和位置也隨之變化．假設(shè)Pw=(xw,yw,zw)是投射在接觸網(wǎng)表面激光線上任意一點,Pc=(xc,yc,zc) 是Pw轉(zhuǎn)換到相機平面內(nèi)的坐標,Pi(u,v)是Pw經(jīng)過相機鏡片的光學(xué)中心投射到圖像平面上的點．取相機光軸和結(jié)構(gòu)光平面的交點為世界坐標系的原點,Ow與Oc距離為l,則世界坐標系與相機坐標系的關(guān)系可以表示為

(1)

用R表示旋轉(zhuǎn)向量,T表示平移向量,則式(1)寫成齊次坐標系形式為

(2)

在圖像上定義直角坐標系Oi-rc,每一像素的坐標即該像素在圖像數(shù)組中的行數(shù)和列數(shù)．設(shè)(u,v)是Oi-rc中以像素為單位的坐標,(u0,v0)為相機光軸和圖像平面的交點,以(u0,v0)為原點建立用物理單位表示的直角坐標系O-xy,該坐標系x、y軸分別和圖像坐標系的r、c軸平行．設(shè)每一像素在x軸和y軸方向的物理尺寸分別為sx和sy,則圖像中任意像素在這2個坐標系中的關(guān)系可以表示為

(3)

(4)

在世界坐標系中,OwPi的方程為

(5)

結(jié)構(gòu)光平面的方程為

xw=zwtanα.

(6)

由式(2)、(4)、(5)、(6)即可以得到像素點和世界坐標點之間的對應(yīng)關(guān)系為

(7)

由此,便可以得到光平面和接觸網(wǎng)交線上的點在世界坐標系中的坐標,從而得到接觸網(wǎng)的高度值．當光平面沿著接觸網(wǎng)(即世界坐標系xw軸)平行移動時,就可以得到完整的接觸網(wǎng)的高度值．

2 圖像處理

2.1 圖像濾波

圖像濾波的目的是在盡量保持圖像細節(jié)特征的條件下,對圖像噪聲進行抑制[9]．雙邊濾波是結(jié)合圖像的空間鄰近度和像素值相似度的一種折中處理的一種非線性的濾波方法,它通過同時考慮空域信息和灰度相似性,來保邊去噪．雙邊濾波器由2個函數(shù)構(gòu)成,一個函數(shù)是由幾何空間距離決定濾波器系數(shù),另外一個由像素值差決定濾波器系數(shù)．這樣可以得到濾波后像素點的灰度值表達式為

hx(x)=k-1?f(ξ)c(ξ-x)s(f(ξ)-f(x))dξ. (8)

其中：k為歸一化系數(shù),其表達式為

k(x)=?c(ξ-x)s(f(ξ)-f(x))dξ.

(9)

h和x分別是濾波前后的灰度值;

c表示中心點與其鄰域內(nèi)點的空間相似度;

s表示中心點與其鄰域內(nèi)點的灰度相似度.

實際中,c和s函數(shù)可以通過高斯函數(shù)來實現(xiàn),即

(10)

(11)

線結(jié)構(gòu)光光條圖像濾波效果見圖2．

圖2 圖像處理

2.2 光條中心提取

光條中心提取是結(jié)構(gòu)光三維測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)．光條中心提取的速度和質(zhì)量直接影響檢測的速度和精度．傳統(tǒng)的光條中心提取方法有極值法、閾值法、重心法、曲線擬合法、邊緣法、幾何中心法等[11-13]．這些方法易于實現(xiàn),但是精度不高．此外,光滑的接觸網(wǎng)表面通常會引起強烈的反光干擾對結(jié)構(gòu)光光條的提取造成困難．將灰度最大值法與Hessian矩陣相結(jié)合[14],首先初步提取光條中心,然后選取適當?shù)臑V波模板消除接觸網(wǎng)反光造成的假光條中心[15],可以得到比較精確的光條中心圖像,如圖2(d)．

3 三維檢測流程

在開始采集圖像之前,需要對攝像機的參數(shù)進行標定．系統(tǒng)標定之后,開始圖像的采集和數(shù)據(jù)處理．程序的流程圖如圖3.

圖3 程序流程

4 實驗結(jié)果與誤差分析

4.1 實驗結(jié)果

為了提高系統(tǒng)速度,在對圖像數(shù)據(jù)進行處理時,只選擇感興趣的接觸網(wǎng)區(qū)域進行處理和三維重建,結(jié)果如圖4．

圖4 接觸網(wǎng)及三維重建結(jié)果

為了檢驗系統(tǒng)的測量精度,用高度10 mm的標準塊作為測量對象,并選取5個不同位置進行多次重復(fù)測量．得到的測量結(jié)果和誤差見表1．綜合多次實驗結(jié)果可以看出,本系統(tǒng)的測量精度能夠控制在0.5 mm以內(nèi),檢測速度可達20 km/h,能夠滿足跨座式軌道交通的檢修要求．

4.2 誤差分析

本系統(tǒng)測量誤差的來源主要有3個:相機傳感器精度引起的誤差、測量車振動引起的誤差[16]和結(jié)構(gòu)光光線彎曲造成的誤差．

表1 實驗結(jié)果

4.2.1 相機傳感器精度引起的測量誤差 由于相機傳感器自身精度的限制,會對測量造成一定的系統(tǒng)誤差．這種誤差通?？梢酝ㄟ^已知的相機傳感器參數(shù)和測量范圍計算出來．

4.2.2 測量車車體振動引起的誤差 由于測量車車體和相機支架之間并不是嚴格的剛性連接,在測量車運動過程中,由于車體的振動,會使測量車車體和相機支架產(chǎn)生相對移動,影響相機的姿態(tài),從而造成測量誤差．

4.2.3 結(jié)構(gòu)光光線彎曲造成的誤差 理想情況下,激光器發(fā)出的線結(jié)構(gòu)光應(yīng)該是一條直線,但由于激光器加工精度的限制,線結(jié)構(gòu)光光線并不是嚴格的直線,而會有一定程度的彎曲,從而影響測量精度．

5 結(jié) 論

本文研究了基于線結(jié)構(gòu)光的跨座式單軌交通接觸網(wǎng)磨損檢測系統(tǒng)．該系統(tǒng)利用線結(jié)構(gòu)光三角測量原理,對接觸網(wǎng)的高度進行測量,獲取接觸網(wǎng)的點云數(shù)據(jù),并對接觸網(wǎng)進行三維重構(gòu)和實時顯示,結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜．實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)檢測速度為20 km/h,精度控制在±0.5 mm以內(nèi),可以較準確地檢測接觸網(wǎng)的磨損量,用于指導(dǎo)跨座式單軌交通接觸網(wǎng)的維護．此外,本系統(tǒng)通過提高激光器的精度,采用更高性能的攝像機和計算機,優(yōu)化光條提取算法,可以使系統(tǒng)精度和速度進一步提升．

[1] 謝風華. 跨座式單軌接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通, 2005,4: 12-14.

[2] 張忠杰.接觸線磨耗微機圖像檢測[D]. 成都:西南交通大學(xué),1995.

[3] 彭朝勇,高曉蓉.國外接觸網(wǎng)導(dǎo)線磨耗檢測系統(tǒng)[J].中國鐵路,2007,4:66-68.

[4] Fletehe G E. Automatic measurement of the position of the overhead contact wire [J].IEE Conference Publication,1989(312):119-123.

[5] 張忠杰,于萬聚. 接觸線磨耗圖像檢測研究[J].鐵道學(xué)報,1995,17:118-122.

[6] 岸田光央. 采用光纖的接觸導(dǎo)線磨損檢測系統(tǒng)[J]. 國外機車車輛工藝, 2006, 2:43-45.

[7] 張韜. 基于圖像處理的接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)研究與改進[J]. 鐵道機車車輛,2008,28(6):68-71.

[8] 楊安康,劉京南.物體表面形狀三角檢測方法的改進[J].儀器儀表用戶,2004,11(4):66-68.

[9] Rafael C G, Richard E woods. Digital Image Processing Second Edition[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2009.

[10] 李瑩瑩,張志毅,袁林. 線結(jié)構(gòu)光光條中心提取綜述[J]. 激光與光電子學(xué)進展,2013,50:1-4.

[11] 崔希君,楊川,劉保華,等. 線性結(jié)構(gòu)光心的自適應(yīng)迭代提取法[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報,2007,41(1):73-76.

[12] 楊佳,賈書海. 一種新的三維輪廓測量方法[J]. 光子學(xué)報, 2006,36(6): 972-975.

[13] 楊雪嬌,池海紅. 一種改進的光條中心提取方法[J].應(yīng)用科技,2009,36(12):41-44.

[14] 孫軍華,王恒,劉震,等. 鋼軌磨耗動態(tài)測量中激光光條中心的快速提取[J]. 光學(xué)精密工程,2011,19(3): 690-695.

[15] 賀俊吉,張廣軍. 結(jié)構(gòu)光三維視覺檢測中光條圖像處理方法研究[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2003,29(7): 593-597.

[16] 史紅梅,張繼科. 基于激光三角測量原理的軌距檢測系統(tǒng)研究[J]. 儀器儀表學(xué)報,2013,34(9):1934-1940.

(責任編輯 蘇曉東)

3D Measurement System of Catenary Wear UsingLinear Structured Light Technology

WANG Xian-wei, WANG Tong-qing

(College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

The wear of catenary is a very important parameter in the maintenance of straddle type monorail traffic. A 3D measurement system of catenary wear of straddle type monorail traffic based on technology of linear structured light is proposed in this paper for special structure of catenary and the detection equipment requirements of straddle type monorail traffic. The surface profile data of catenary is got by relative motion between the laser and the catenary, and an optical encoder is used to make the system work synchronously. Finally, the system can reconstruct the catenary and display measurement results in real time. The experimental results show that the measurement accuracy of the system is±0.5 mm, and the speed can reach 20 km/h. Thus, it can realize real-time measurement of catenary wear effectively

catenary wear; structured light; 3D measurement; monorail traffic; light center

1004-8820(2015)04-0273-04

10.13951/j.cnki.37-1213/n.2015.04.008

2014-12-13

中央高?；究蒲谢鹳Y助項目(106112013CDJZR120014).

王獻偉(1989- )，男，河南商丘人，碩士.

汪同慶(ocr@cgu.edu.cn)，教授，博導(dǎo)，主要研究方向：計算機視覺、模式識別、光電技術(shù)及系統(tǒng).

TP29

A