李 鑫,彭樂樂,鐘倩文,鄭樹彬

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,上海 201620)

線陣相機(jī)是軌道視覺檢測系統(tǒng)中獲取軌道扣件信息的重要技術(shù)手段，受車輛運(yùn)行變速和振動(dòng)影響，線陣相機(jī)拍攝的軌道扣件圖像會(huì)出現(xiàn)拉伸、壓縮和失真等現(xiàn)象[1-4]。因此，如何在車輛行駛時(shí)獲得清晰完整的軌道扣件圖像，是實(shí)現(xiàn)軌道視覺檢測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[5-7]。

目前，軌道扣件檢測系統(tǒng)研究在智能算法方面已經(jīng)非常成熟了，但軌道扣件信息獲取技術(shù)還不夠完善[8-9]?，F(xiàn)有的軌道扣件信息獲取是通過單片機(jī)讀取編碼器脈沖信號(hào)并輸出脈沖信號(hào)觸發(fā)控制線陣相機(jī)工作拍攝圖像；利用脈沖計(jì)數(shù)同步獲取慣性單元傳感器信息[10-12]。然而，該類采集軌道信息方法受車輛運(yùn)行時(shí)發(fā)生打滑和空轉(zhuǎn)影響，導(dǎo)致拍攝的軌道扣件圖像出現(xiàn)拉伸和壓縮現(xiàn)象；且在高速狀態(tài)中，產(chǎn)生脈沖計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確和采樣頻率過高等問題，導(dǎo)致采集的慣性信息數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差及重復(fù)等問題[13-14]，這進(jìn)一步影響到采集軌道扣件信息的精度。

為了實(shí)現(xiàn)變速下軌道扣件信息的同步獲取，本文設(shè)計(jì)了一種基于車載的軌道扣件同步采集系統(tǒng)?；谲囕d速度脈沖建立了線陣相機(jī)等距觸發(fā)控制關(guān)系和傳感器同步采集模型，利用FPGA實(shí)現(xiàn)車載速度脈沖信號(hào)倍頻變換及各傳感器同步觸發(fā)控制。實(shí)驗(yàn)表明，該軌道扣件同步采集系統(tǒng)能夠穩(wěn)定觸發(fā)采集各傳感器信息，采集到的軌道扣件圖像不失真變形。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及原理

圖1給出了基于車載的軌道扣件同步采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由2臺(tái)線陣CCD相機(jī)、陀螺儀、加速度計(jì)和傾角儀組成的慣性單元、FPGA和工控機(jī)組成。為了獲取高清晰的軌道扣件圖像，實(shí)現(xiàn)軌道扣件圖像及相機(jī)慣性信息同步采集，利用車載速度脈沖信號(hào)建立速度測量及補(bǔ)償模型，通過車載脈沖頻率得到車輛瞬時(shí)速度和行駛距離；建立等間距變換關(guān)系得出車載速度脈沖頻率與線陣相機(jī)等距拍攝軌道扣件圖像的線掃描速率對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)線陣相機(jī)等間距觸發(fā)控制；通過建立傳感器同步觸發(fā)模型來實(shí)現(xiàn)傳感器信息同步采集。選擇合適的線陣相機(jī)，利用FPGA實(shí)現(xiàn)線陣相機(jī)的等距觸發(fā)控制和傳感器信號(hào)的同步采集，從而得到符合檢測要求的軌道扣件圖像，實(shí)現(xiàn)軌道扣件的同步采集。

圖1 軌道扣件檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 基于車載速度脈沖與距離的變換關(guān)系及模型

2.1 基于車載速度脈沖的測速及補(bǔ)償模型

基于車載速度脈沖建立測速和速度補(bǔ)償模型，建立車載速度脈沖信號(hào)頻率數(shù)據(jù)與車輛行駛速度數(shù)據(jù)的相互關(guān)系，從而通過測量的車載速度脈沖頻率得到車輛行駛速度；通過補(bǔ)償模型對(duì)速度進(jìn)行補(bǔ)償處理，使測量得到的速度趨近車輛實(shí)際速度；得到精準(zhǔn)的車輛行駛距離。

2.1.1 速度模型

該軌道扣件同步采集系統(tǒng)獲取車載速度脈沖信號(hào)得到速度與脈沖信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；車載速度脈沖通過車載上安裝的光電式速度傳感器產(chǎn)生的，其頻率大小隨車輛運(yùn)行速度變化而變化。兩者關(guān)系為

(1)

式中，Vo為車輛運(yùn)行速度；R為車輛車輪半徑；m為光電式速度傳感器內(nèi)部光柵數(shù)；fm為光電式速度傳感器輸出信號(hào)的頻率值。通過測量車載速度脈沖的頻率信號(hào)便可獲知車輛的速度大小。

2.1.2 速度補(bǔ)償模型

車載光電式速度傳感器受車輛在運(yùn)行過程中發(fā)生空轉(zhuǎn)和打滑影響，導(dǎo)致測量計(jì)算的速度與車輛實(shí)際速度存在較大誤差，需對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償處理。這里提出了一種基于光電速度傳感器輸出的前n個(gè)時(shí)刻的脈沖信號(hào)頻率值來修正最新時(shí)刻脈沖頻率值的方法，建立速度補(bǔ)償模型，得出補(bǔ)償后車輛速度與車載速度脈沖頻率之間的關(guān)系。通過計(jì)算前n個(gè)脈沖信號(hào)頻率的平均值作為最新時(shí)刻脈沖信號(hào)的頻率值，來計(jì)算車輛速度。

如圖2所示，通過前n個(gè)脈沖信號(hào)的頻率值實(shí)時(shí)補(bǔ)償修正光電速度傳感器輸出最新時(shí)刻的脈沖頻率值，然后以補(bǔ)償后的脈沖頻率值作為輸入，建立速度補(bǔ)償模型，得到車輛運(yùn)行速度和車載速度脈沖頻率值間的關(guān)系

圖2 脈沖脈寬變化示意

(3)

式中，Lo為補(bǔ)償處理計(jì)算得到的車輛行駛距離；fm為實(shí)時(shí)車載速度脈沖的頻率。通過式(3)，可知車載速度脈沖頻率對(duì)應(yīng)周期內(nèi)車輛行駛的距離。

2.2 等距變換關(guān)系

該軌道扣件同步采集系統(tǒng)通過2臺(tái)線陣相機(jī)獲取左右2條軌道的扣件圖像信息，線陣相機(jī)每次只掃描一條線，通過連續(xù)掃描后拼接形成二維圖像。通過建立等距變換關(guān)系，得出車載速度脈沖頻率與線陣相機(jī)等距拍攝軌道扣件圖像的線掃描速率對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)線陣相機(jī)等間距拍攝軌道扣件圖像的觸發(fā)。根據(jù)線陣相機(jī)拍攝的軌道扣件圖像不出現(xiàn)拉伸和壓縮現(xiàn)象要求，需要保證圖像的橫向和縱向分辨率相同。線陣相機(jī)拍攝軌道扣件圖像時(shí)，其橫向分辨率由線陣相機(jī)自身的像素和拍攝目標(biāo)物軌道扣件的寬幅決定，縱向分辨率由車輛行駛距離和線掃描速率決定。其橫向分辨率為

(4)

其中，Lc為線陣相機(jī)拍攝的軌道扣件圖像寬幅，Hc為線陣相機(jī)的每線像素?cái)?shù)?？v向分辨率為

圖3 FPGA控制框圖

其中，Lo為車載速度脈沖對(duì)應(yīng)的車輛行駛距離；Vo為線陣相機(jī)線掃描速率；Tm為車載脈沖信號(hào)周期。由式(3)、式(4)和式(5)可得到線陣相機(jī)等間距拍攝軌道扣件圖像的線掃描速率與車載速度脈沖之間的關(guān)系為

(6)

利用式(6)的變換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)線陣相機(jī)等距拍攝軌道扣件圖像控制。

2.3 傳感器同步觸發(fā)采集模型

該軌道扣件同步采集系統(tǒng)通過陀螺儀、加速度計(jì)和傾角儀來獲取系統(tǒng)運(yùn)行的角速度、加速度和角度等慣性信息。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，其角速度、加速度和角度等慣性信息在一定距離內(nèi)是相同的，并不需要線陣相機(jī)線掃描速率那么高的采用頻率采集傳感器信息。通過設(shè)定車輛每運(yùn)行l(wèi)距離采集一次傳感器信息，得到該同步采集系統(tǒng)的慣性信息同步采集頻率和車載速度脈沖頻率之間的關(guān)系。由式(3)可知車輛運(yùn)行距離與車載速度脈沖信號(hào)頻率的關(guān)系，在距離l確定的條件下，通過倍頻變化得到傳感器同步觸發(fā)采集頻率和車載速度脈沖頻率之間的變換關(guān)系。

(7)

其中，F(xiàn)為傳感器同步觸發(fā)采集頻率；l為設(shè)定的采集距離。通過式(7)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)每運(yùn)行l(wèi)距離時(shí)同步觸發(fā)控制采集傳感器信息。

3 基于FPGA實(shí)現(xiàn)線陣相機(jī)等距觸發(fā)和傳感器同步采集控制

如圖3所示，該軌道扣件同步采集系統(tǒng)采用Kintex-7 FPGA系列芯片作為中央處理芯片，利用FPGA硬件并行優(yōu)勢，使系統(tǒng)在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)完成多個(gè)處理任務(wù)[15]。FPGA芯片實(shí)時(shí)控制數(shù)字輸入輸出電路讀取車載速度脈沖信號(hào)的頻率，根據(jù)測速與補(bǔ)償模型和等距變換關(guān)系計(jì)算得到相機(jī)等距拍攝的線掃描頻率，然后通過定時(shí)翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)觸發(fā)線陣相機(jī)工作[16-18]。該系統(tǒng)通過串口獲取陀螺儀信號(hào)，F(xiàn)PGA芯片通過DMA傳輸方式從PC端獲取串口接收的陀螺儀傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)DAC電路將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出；輸出的模擬信號(hào)同加速度計(jì)和傾角儀等模擬傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)經(jīng)ADC電路傳輸給FPGA芯片，然后FPGA芯片根據(jù)傳感器同步觸發(fā)采集模型計(jì)算得出的同步采集頻率對(duì)多個(gè)通道的模擬信號(hào)進(jìn)行同步采樣采集[19-20]；最后將采集到的信息傳輸至上位機(jī)。

該軌道扣件同步采集系統(tǒng)程序控制部分主要用于完成PC端數(shù)字信號(hào)的采集與發(fā)送、車載速度脈沖信息的獲取、倍頻計(jì)算及脈沖信號(hào)輸出和多通道模擬信號(hào)的采集及上傳等動(dòng)作。本設(shè)計(jì)采用NI LabVIEW軟件進(jìn)行FPGA編程，完成系統(tǒng)功能開發(fā)。系統(tǒng)上電后芯片的主程序首先進(jìn)行初始化，然后系統(tǒng)實(shí)時(shí)從PC端獲取采集到的陀螺儀數(shù)據(jù)然后將其發(fā)送；系統(tǒng)通過識(shí)別脈沖信號(hào)的上升沿時(shí)間間隔判定脈沖的頻率并進(jìn)行倍頻變化輸出，用于線陣相機(jī)觸發(fā)和傳感器信號(hào)的同步采集，最后將采集到的傳感器數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。程序流程如圖4所示。

圖6 各傳感器數(shù)據(jù)

圖4 軟件主程序流程

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的效果，搭建了軌道檢測小車測試平臺(tái)(圖5)，該軌道檢測小車上安裝有線陣相機(jī)、慣性傳感器、光電編碼器和NI采集設(shè)備，其中線陣相機(jī)安裝在小車前方。推動(dòng)小車在軌道上以不同速度來回運(yùn)動(dòng)，并在變速的過程中增加急加速和急減速來產(chǎn)生空轉(zhuǎn)和打滑等狀態(tài)；連續(xù)運(yùn)行1 000 m測試采集系統(tǒng)的性能。

圖5 軌道檢測小車測試平臺(tái)

表1給出了選用線陣相機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，保證線陣相機(jī)拍攝的軌道扣件圖像滿足鐵路檢測要求為0.5 mm的精度要求。表2給出了慣性傳感器各傳感器具體型號(hào)。

表1 線陣相機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

表2 各慣性傳感器型號(hào)

圖6給出了實(shí)驗(yàn)過程中同步采集的各傳感器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過設(shè)置傳感器同步采集模型參數(shù)l的值為1 m，實(shí)驗(yàn)總共測試距離為1 000 m，系統(tǒng)準(zhǔn)確的同步采集到1 000組傳感器數(shù)據(jù)。圖6中傳感器信息能夠反映線陣相機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)情況，可用于扣件圖像補(bǔ)償處理。

圖7為圖像采集上位機(jī)軟件，線陣相機(jī)通過千兆網(wǎng)線和主機(jī)系統(tǒng)連接，上位機(jī)軟件通過識(shí)別、配置和控制兩個(gè)線陣相機(jī)完成軌道扣件圖像采集存儲(chǔ)和顯示。該系統(tǒng)能夠隨速度變化根據(jù)等距觸發(fā)模型實(shí)時(shí)觸發(fā)線陣相機(jī)工作，等距拍攝的扣件圖像效果較好，如圖8所示。圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)三圖為基于車載脈沖等距觸發(fā)采集的方法在實(shí)驗(yàn)過程中不同速度下獲取的軌道扣件圖像，圖片信息完整清晰，未出現(xiàn)失真現(xiàn)象；系統(tǒng)能夠完成變速下圖像的準(zhǔn)確采集。

圖7 扣件采集軟件界面

圖8 不同速度下采集的扣件圖像

圖9為基于常規(guī)光電編碼器直接觸發(fā)采集方法獲取的軌道扣件圖像；因變速運(yùn)行過程中發(fā)生空轉(zhuǎn)、打滑等狀況，導(dǎo)致采集的圖像在軌道扣件區(qū)域出現(xiàn)了較為明顯的失真現(xiàn)象。

圖9 軌道失真圖像

通過圖8、圖9對(duì)比可知，相比常規(guī)光電編碼器直接觸發(fā)采集的方式，本文基于車載脈沖等距觸發(fā)采集的方法，可以解決變速中產(chǎn)生空轉(zhuǎn)和打滑等狀況導(dǎo)致采集的軌道扣件圖像失真問題。

5 結(jié)語

針對(duì)線陣相機(jī)拍攝軌道扣件時(shí)受變速和振動(dòng)的影響導(dǎo)致拍攝的軌道扣件圖像失真問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于車載的軌道扣件同步采集系統(tǒng)。通過搭建軌道檢測小車進(jìn)行軌道信息采集實(shí)驗(yàn)測試本系統(tǒng)性能，結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠根據(jù)建立的等距關(guān)系和同步采集模型，實(shí)現(xiàn)線陣相機(jī)的等距拍照和傳感器信息的同步采集，且獲取的圖像不失真。