司徒國(guó)強(qiáng) 王慶賢 吳儉民 宋倩寧

(蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1,甘肅 蘭州 730070；蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院2,甘肅 蘭州 730070)

?

隧道限界檢測(cè)中車體振動(dòng)補(bǔ)償問(wèn)題的研究

司徒國(guó)強(qiáng)1王慶賢2吳儉民2宋倩寧2

(蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院1,甘肅 蘭州 730070；蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院2,甘肅 蘭州 730070)

在采用車載式方式進(jìn)行隧道限界的檢測(cè)過(guò)程中，必須對(duì)車體振動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。針對(duì)因車體振動(dòng)對(duì)隧道限界參數(shù)檢測(cè)結(jié)果的影響，應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，考慮攝像機(jī)鏡頭畸變的影響，將車體振動(dòng)分解為同一平面內(nèi)的平移振動(dòng)分量和旋轉(zhuǎn)振動(dòng)分量，分析各分量可能造成的結(jié)果并分別進(jìn)行補(bǔ)償。給出了基于激光攝像式傳感器的標(biāo)定計(jì)算方法，以及車體振動(dòng)偏移補(bǔ)償方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該補(bǔ)償方法后，檢測(cè)結(jié)果的精度有明顯上升。

振動(dòng)補(bǔ)償 限界檢測(cè) 車體振動(dòng) 攝像機(jī)標(biāo)定 機(jī)器視覺(jué) LabVIEW 位移傳感器 激光測(cè)距

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在執(zhí)行鐵路運(yùn)輸任務(wù)時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到一些大型的超限貨物。此類貨物一般關(guān)系著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防安全，同時(shí)具有生產(chǎn)周期長(zhǎng)、造價(jià)昂貴、體積巨大等特點(diǎn)，并且其運(yùn)輸過(guò)程經(jīng)常選用鐵路運(yùn)輸?shù)姆绞?。為了保證此類貨物的安全運(yùn)輸及鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，必須定期檢測(cè)鐵路沿線各隧道的限界參數(shù)，掌握其準(zhǔn)確的凈空尺寸[1]。目前對(duì)于隧道限界的檢測(cè)任務(wù)，一般由鐵路隧道限界檢測(cè)車完成[2]。檢測(cè)系統(tǒng)一般采用車載的激光測(cè)距儀對(duì)隧道內(nèi)限界參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，在檢測(cè)過(guò)程中，記錄掃描角度及測(cè)距結(jié)果值，將這些信息匯總到檢測(cè)主機(jī)上，通過(guò)相應(yīng)的算法還原出隧道內(nèi)各設(shè)備的位置及輪廓，從而得到隧道內(nèi)的限界參數(shù)[3]。檢測(cè)系統(tǒng)的理論檢測(cè)坐標(biāo)為軌道坐標(biāo)，但是由于檢測(cè)車在檢測(cè)過(guò)程中振動(dòng)的影響，實(shí)際的檢測(cè)坐標(biāo)為車體參考坐標(biāo)，檢測(cè)結(jié)果受車體振動(dòng)的影響，有一定的誤差，不能精確反映隧道內(nèi)限界參數(shù)的情況。

傳統(tǒng)的振動(dòng)補(bǔ)償方式通常為伺服位移系統(tǒng)、拉線式位移傳感器、點(diǎn)式激光測(cè)距傳感器[4-5]。但這些傳感器本身存在諸多缺點(diǎn)，如伺服位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)安裝復(fù)雜、體積質(zhì)量較大、工作環(huán)境惡劣；拉線式位移傳感器的工作條件為輪軌緊密接觸，為接觸式測(cè)量方式；點(diǎn)式激光測(cè)距傳感器無(wú)法對(duì)接觸點(diǎn)進(jìn)行跟蹤測(cè)量。

近年來(lái)，基于機(jī)器視覺(jué)的測(cè)量方法開(kāi)始被應(yīng)用于鐵路檢測(cè)領(lǐng)域，本文將利用機(jī)器視覺(jué)的測(cè)量方法，對(duì)隧道限界檢測(cè)過(guò)程中由于檢測(cè)車振動(dòng)引起的測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)采用共面標(biāo)定的辦法、推導(dǎo)出的車體振動(dòng)補(bǔ)償公式、選擇合適的參考坐標(biāo)系對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定等方法，解決由于車輛振動(dòng)所造成的隧道限界參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)精度不高的難題。

1 隧道限界檢測(cè)原理簡(jiǎn)介

隧道限界檢測(cè)系統(tǒng)的示意圖如圖1所示，其通過(guò)安裝在檢測(cè)車上的LMS系列激光測(cè)距儀獲取隧道凈空信息[2]。圖1中，D為激光測(cè)距的距離，(x,y)為被檢測(cè)點(diǎn)換算到檢測(cè)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，(x0,y0)為激光測(cè)距傳感器的安裝坐標(biāo)。檢測(cè)結(jié)果的精度主要由激光測(cè)距的精度和車輛振動(dòng)幅度決定。本文主要探討檢測(cè)過(guò)程中的車體振動(dòng)的補(bǔ)償問(wèn)題，對(duì)檢測(cè)過(guò)程及原理不作詳細(xì)介紹。

圖1 限界檢測(cè)原理示意圖

2 隧道限界補(bǔ)償原理簡(jiǎn)介

2.1 攝像機(jī)標(biāo)定

對(duì)隧道限界檢測(cè)過(guò)程中補(bǔ)償用的傳感器為激光攝像式傳感器，由面陣式CCD攝像機(jī)和線性激光器構(gòu)成。圖像式傳感器在使用前，首先要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定[6-7]，標(biāo)定的目的是建立測(cè)量坐標(biāo)系與圖像像素坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系，標(biāo)定示意圖如圖2所示。圖2中，Otxtyt為圖像像素坐標(biāo)系，Osxsyszs為攝像機(jī)坐標(biāo)系，Ocxcyczc為測(cè)量坐標(biāo)系。

圖2 激光攝像式傳感器標(biāo)定示意圖

假設(shè)攝像機(jī)的外部參數(shù)矩陣為R、T，R和T分別表示攝像機(jī)坐標(biāo)系Osxsyszs到測(cè)量坐標(biāo)系Ocxcyczc的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣；攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣為(α,β,λ,u0,v0)，則攝像機(jī)視野范圍內(nèi)任意一點(diǎn)(xc,yc,zc)在圖像像素坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為(xt,yt)。根據(jù)攝像機(jī)的標(biāo)定理論及投影投射定理可得：

(1)

設(shè)激光所在平面為測(cè)量坐標(biāo)系中的zc=0的平面，則式(1)可簡(jiǎn)化為：

(2)

(3)

在使用CCD攝像機(jī)時(shí)，必須考慮鏡頭存在的不同類型畸變，鏡頭畸變因子如式(4)所示：

(4)

考慮攝像機(jī)鏡頭畸變后，圖像像素畸變計(jì)算公式如式(5)所示：

(5)

將式(4)、式(5)代入式(3)，可得最后的標(biāo)定計(jì)算公式：

(6)

式(6)為攝像機(jī)標(biāo)定時(shí)的計(jì)算公式，為保證標(biāo)定的準(zhǔn)確性，標(biāo)定點(diǎn)的個(gè)數(shù)需要大于待求參數(shù)的個(gè)數(shù)。式(6)中參數(shù)(a1,…,a2,k1,s1,s2)的求法，參考文獻(xiàn)[8]～[9]中有詳細(xì)論述。

2.2 車體振動(dòng)與補(bǔ)償原理

隧道限界檢測(cè)車車體是一個(gè)具有彈簧懸掛裝置的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中，由于線路不平整等原因，都可能會(huì)引起檢測(cè)車體的振動(dòng)。檢測(cè)車體振動(dòng)的表現(xiàn)形式有上下浮沉、左右橫擺、前后伸縮、搖頭、點(diǎn)頭、側(cè)滾，共6個(gè)自由度。但在隧道限界檢測(cè)時(shí)，只需考慮某截面內(nèi)的情況，則為上下垂直振動(dòng)、水平左右擺動(dòng)及側(cè)滾，車體振動(dòng)示意圖如圖3所示。在檢測(cè)過(guò)程中，由車體振動(dòng)引起的車體變形相對(duì)于車輛振動(dòng)的幅度很小，所以可將車體看作一個(gè)剛體。圖4為檢測(cè)過(guò)程中，由于車體振動(dòng)造成的檢測(cè)坐標(biāo)系的偏移示意圖。由圖4可以看出，車體的振動(dòng)會(huì)給檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)一定的誤差。

圖3 車體振動(dòng)示意圖

圖4 檢測(cè)坐標(biāo)偏移示意圖

對(duì)檢測(cè)過(guò)程中車體的補(bǔ)償，應(yīng)該以檢測(cè)車靜止時(shí)為基準(zhǔn)，此時(shí)可認(rèn)為檢測(cè)坐標(biāo)系與軌道坐標(biāo)系相重合。在檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)隨車體一起振動(dòng)的激光攝像式傳感器測(cè)量車體的變化量，并將變化量統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到測(cè)量坐標(biāo)系中，最后對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)償，從而得到精確的檢測(cè)結(jié)果。

在安裝傳感器時(shí)，考慮到轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)與空間，傳感器安裝與檢測(cè)原理如圖5所示。將4個(gè)激光攝像式傳感器安裝在檢測(cè)車的檢測(cè)梁，檢測(cè)梁直接與檢測(cè)車體相連，為車體的一部分。在車輛靜止的情況下，如圖5中實(shí)線所示，可設(shè)激光攝像式傳感器的安裝坐標(biāo)為Oc10xc10yc10、Oc20xc20yc20，檢測(cè)梁的中點(diǎn)坐標(biāo)為Oc00xc00yc00；在車輛運(yùn)行的情況下，如圖5中虛線所示，可設(shè)激光攝像式傳感器的坐標(biāo)為Oc11xc11yc11、Oc21xc21yc21，檢測(cè)梁的中點(diǎn)坐標(biāo)為Oc01xc01yc01，與Oc00xc00yc00重合。

圖5 振動(dòng)補(bǔ)償原理示意圖

假設(shè)(xc1,yc1)、(xc2,yc2)為1#、2#激光攝像式傳感器的測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)，(x,y)為對(duì)應(yīng)的圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)。采用前文所述的標(biāo)定方法，可建立1#、2#激光攝像式傳感器的模型，如式(7)、式(8)所示：

(7)

(8)

將圖5中代表左右軌道輪廓的虛實(shí)線的圖像像素坐標(biāo)(x,y)代入傳感器測(cè)量模型，即可得到車輪的走形信息。對(duì)鋼軌輪廓數(shù)據(jù)中的軌距點(diǎn)進(jìn)行提取，從而可得出車體的傾擺角度。假設(shè)靜態(tài)時(shí)，車體坐標(biāo)系相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系的傾斜角度為θ0，則：

(9)

車體在軌道上運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)梁測(cè)量中心坐標(biāo)系相對(duì)于軌面傾擺角為θ1。

(10)

則車體的補(bǔ)償角度為：

θ=θ1-θ0

(11)

將此振動(dòng)量分為同一平面內(nèi)的平移振動(dòng)量和旋轉(zhuǎn)振動(dòng)量?jī)刹糠?分別進(jìn)行補(bǔ)償。由于1#、2#激傳感器安裝在同一檢測(cè)梁，所以旋轉(zhuǎn)分量相同，都為θ。對(duì)左右鋼軌輪廓檢測(cè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，將測(cè)量的鋼軌輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到靜態(tài)時(shí)的同一標(biāo)準(zhǔn)，消除了車體振動(dòng)帶來(lái)的鋼軌輪廓測(cè)量誤差。分解后的平移振動(dòng)量分別為：

(12)

(13)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

鐵路線路經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行沖擊及線路大修，都會(huì)引起線路中心線的變化，從而導(dǎo)致隧道內(nèi)限界參數(shù)的變化。采用接觸式的隧道限界檢測(cè)方法，不用封閉鐵路區(qū)間，不會(huì)影響鐵路的正常運(yùn)行。將該車體振動(dòng)補(bǔ)償方法引入到基于激光測(cè)距的限界檢測(cè)系統(tǒng)中，通過(guò)人工測(cè)量未補(bǔ)償、補(bǔ)償后的檢測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證提車振動(dòng)補(bǔ)償可以提高隧道限界參數(shù)的檢測(cè)精度，進(jìn)而得出在隧道限界檢測(cè)時(shí)，引入此方法的必要性。

隧道限界檢測(cè)系統(tǒng)采用LabVIEW語(yǔ)言編寫(xiě)程序。利用增加車體補(bǔ)償后的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)某隧道在不同工況下進(jìn)行檢測(cè)，并與通過(guò)全站儀實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)作為精確數(shù)據(jù)相比較，得到以下結(jié)果。首先通過(guò)讀取4個(gè)傳感器的測(cè)量值，繪制出的補(bǔ)償曲線如圖6所示。

圖6 補(bǔ)償曲線

由圖6分析可知，在鐵路隧道限界進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，水平方向的補(bǔ)償值在±5 mm以內(nèi)，垂直方向的誤差在0～-10 mm之間。如果檢測(cè)系統(tǒng)中不增加車體振動(dòng)補(bǔ)償?shù)乃惴?，?huì)造成檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大誤差；增加補(bǔ)償算法后，檢測(cè)結(jié)果更精確，有利于鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩M(jìn)行。表1為某隧道限界檢測(cè)結(jié)果的部分?jǐn)?shù)據(jù)，通過(guò)檢測(cè)結(jié)果可以得出，該隧道內(nèi)無(wú)超限設(shè)備。

表1 限界檢測(cè)結(jié)果的部分?jǐn)?shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

準(zhǔn)確地掌握隧道限界參數(shù)，有助于保障鐵路的安全的運(yùn)營(yíng)，而傳統(tǒng)的接觸式檢測(cè)方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實(shí)的需要，因此，必須研制出準(zhǔn)確的非接觸式隧道限界檢測(cè)方法。在利用激光測(cè)距對(duì)隧道限界參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的方法中，對(duì)因車輛振動(dòng)引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償是該檢測(cè)方法的關(guān)鍵，高精度的測(cè)距傳感器與良好的補(bǔ)償算法是保證準(zhǔn)確檢測(cè)的基礎(chǔ)。本文主要針對(duì)補(bǔ)償算法進(jìn)行一定研究。本文中將圖像技術(shù)應(yīng)用在隧道限界檢測(cè)中，以替代傳統(tǒng)的接觸式檢測(cè)方法。在檢測(cè)過(guò)程中，將車輛振動(dòng)分解為同一個(gè)平面內(nèi)的平移振動(dòng)分量和旋轉(zhuǎn)振動(dòng)分量?jī)刹糠?，分別進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加補(bǔ)償后的檢測(cè)結(jié)果優(yōu)于未增加補(bǔ)償?shù)臋z測(cè)結(jié)果。

Study on the Vehicle Vibration Compensation for Tunnel Threshold Detection

In tunnel detection process using vehicle-mounted mode,it is necessary to compensate the vibration of vehicle body.In accordance with the influence caused by the vibration of vehicle body on tunnel parameters,by applying computer vision technology and considering the impact of distortion of camera lens,the vibration of vehicle is decomposed into two vibration components in the same plane,i.e.,the translational vibration component and the rotational vibration component,the influencing results caused by each component are analyzed,and compensated respectively.The calibration and calculation methods based on laser image pickup sensors,and the compensation method for vehicle vibration offset are given.The test results show that the accuracy of detection results is significantly increased with this compensation method.

Vibration compensation Threshold detection Vehicle vibration Camera calibration Machine vision LabVIEW Displacement sensor Laser range finder

司徒國(guó)強(qiáng)(1965-)，男，1987年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院信號(hào)與自動(dòng)控制專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，副教授;主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)工程與嵌入式系統(tǒng)。

TH82;TP399

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601008

修改稿收到日期：2014-08-28。