基于双目视觉技术的机车出入库受电弓动态检测系统研究.pdf
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1、2023 年 7 月(总第 441 期)30第 51 卷Vol.51第 7 期No.7铁 道 技 术 监 督RAILWAY QUALITY CONTROL检验与认证INSPECTION AND CERTIFICATION收稿日期:2022-12-07作者简介:张文曜,正高级工程师;陈德君,正高级工程师;王雅军,工程师;张 岩,工程师;马培松,助理工程师1概述电力机车在高速运行过程中,受电弓碳滑板与接触网处于接触摩擦状态。机车长时间运行,以及受电弓与接触网压力的变化,会导致碳滑板产生偏磨、拉槽、裂纹、剥离掉块等各种缺陷1。当接触网与受电弓接触压力过大时,会加速受电弓碳滑板的磨耗速率,影响使用寿命
2、;当接触网与受电弓接触压力太小时,会产生拉弧现象,严重影响行车安全。受电弓羊角形态异常会导致机车受电异常,影响机车正常运行。因此,必须定期检测受电弓碳滑板厚度、升弓压力、羊角形态等,以保障行车安全。目前,检测受电弓主要依靠人工方式。通常在机车进入整备厂或检修库后,工作人员登上机车车顶,利用游标卡尺、卷尺等检查,测量受电弓碳滑板状态3。人工检测存在一定局限性:一是车顶环境复杂,检测人员高空作业存在安全隐患;二是测量准确度不高,存在漏查等现象;三是采用纸质形式填报、记录,手段较传统,建档、追溯困难;四是效率低下。因此,研究一种受电弓动态检测系统,在机车出入库时,对受电弓碳滑板磨耗、升弓压力、羊角形
3、态实现非接触式在线检测。2结构设计2.1逻辑结构设计受电弓动态检测系统逻辑结构分为呈现逻辑层、数据处理层、模型控制逻辑层、基础控制逻辑层和接口逻辑层。受电弓动态检测系统逻辑结构如图 1 所示。(1)呈现逻辑层包括受电弓状态呈现逻辑和受电弓品质报告生成逻辑,用于总结数据处理层得到的结果并显示给检测人员。基于双目视觉技术的机车出入库受电弓动态检测系统研究张文曜1,陈德君2,王雅军2,张岩2,马培松2(1.中国铁路南昌局集团有限公司南昌机务段,江西 南昌 330001;2.唐山百川智能机器股份有限公司,河北 唐山 063010)摘要:传统的受电弓检测由人工完成,检测效率和准确度较低。运用双目视觉技术
4、,设计一种受电弓动态检测系统,对受电弓碳滑板磨耗、升弓压力、羊角形态实现非接触式动态检测。受电弓动态检测系统由车号识别装置、压力检测模块、碳滑板检测模块、羊角形态检测模块、分布式工控机和显示工控机组成,突出主体框架及核心硬件构成。详细阐述受电弓动态检测系统逻辑结构和模型算法设计。经现场试验验证,利用该系统可以显著提高受电弓检测效率和检测过程的安全性。关键词:受电弓;双目视觉技术;动态检测;检测系统中图分类号:U264.34文献标识码:B文章编号:1006-9178(2023)07-0030-06Abstract:The traditional pantograph inspection is
5、done manually,and there are drawbacks in both inspection efficiency and inspection accuracy.Using binocular vision technology,a pantograph dynamic inspection system is designed to achieve non-contact dynamic inspection of pantograph carbon skid wear,rising bow pressure,and pantographhorn morphology.
6、The pantograph dynamic inspection system consists of a car number identification device,a pressuredetection module,a carbon skid plate detection module,a horn morphology detection module,a distributed IPC and adisplay IPC,highlighting the main framework and the core hardware composition.The logical
7、structure and model algorithm design of the pantograph dynamic detection system are elaborated.Through field tests,it is verified that the system can significantly improve the efficiency of pantograph inspection and the safety of the inspection process.Keywords:Pantograph;Binocular Vision Technology
8、;Dynamic Inspection;Inspection Systm31铁道技术监督第 51 卷第 7 期(2)数据处理层包括基础数据处理和智能数据处理。基础数据处理用于对得到的数据进行运算,生成机车车号信息、碳滑板磨耗程度、升弓压力大小、羊角状态详细图片等基本信息;智能数据处理,结合受电弓历史情况数据,采用深度学习算法,完成受电弓生命周期预测,并能预测受电弓可能产生的病害。(3)模型控制逻辑层用于在机车进入检测棚后,启动动态检测系统。(4)基础控制逻辑层包括车号识别装置控制逻辑、碳滑板磨耗检测控制逻辑、升弓压力检测控制逻辑、羊角形态检测控制逻辑。车号识别装置控制逻辑用于控制车号识别装置,
9、采集机车车号图像信息;碳滑板磨耗检测控制逻辑用于操作 2 组双目相机,采集碳滑板图像信息;升弓压力检测控制逻辑用于操作 2 个面阵相机,采集接触网图像信息;羊角形态检测控制逻辑用于控制 2 个面阵相机,采集羊角图像信息。依靠单片机,基础控制逻辑层可以精准控制所有检测装置的工作时序。当被检测机车接近检测区域时,轨道上的车轮传感器先接收到信号。单片机接收到车轮传感器传来的信号后,通知系统处于待命状态。当受电弓分别进入各个功能检测区域时,单片机控制相应的检测模块抓拍受电弓数据。(5)接口逻辑层包含车牌识别装置接口逻辑和双目视觉相机接口逻辑,用于驱动车号识别装置和所有双目视觉相机工作,以及交换数据。在
10、受电弓进入检测区域前,上位机通过接口逻辑层,驱动车号识别装置和双目相机进入待命状态。当受电弓通过检测区域后,上位机通过接口逻辑层取回检测数据。2.2物理架构设计受电弓动态检测系统物理架构设计的目标是,通过选择、组合和关联合适硬件,构建物理装置、模块或子系统,实现受电弓动态检测系统功能需求。物理架构突出主体框架及核心硬件构成逻辑,不专门描述单一独立的硬件。总体上,物理架构主要由升弓压力检测模块、碳滑板磨耗检测模块、羊角形态检测模块、分布式工控机、车号识别装置和显示工控机组成。受电弓动态检测系统物理架构如图 2 所示。车号识别装置显示工控机分布式工控机升弓压力检测模块(面阵相机和背光板)碳滑板磨耗
11、检测模块(双目相机和高速结构光闪光灯)羊角形态检测模块(面阵相机和闪光灯)D 型数据接口连接器控制信息碳滑板图像信息羊角图像信息控制信息接触网图像信息车号图像信息控制信息控制信息图 2受电弓动态检测系统物理架构物理架构各部分组成及功能如下。(1)升弓压力检测模块由 2 个面阵相机和背光板组成。受电弓经过检测区域时,面阵相机采集接触网与受电弓接触部分变形和抬升的背光图像信息,并将图像传输到分布式工控机,为计算接触网压力提供数据。(2)碳滑板磨耗检测模块由 2 个检测单元组成。每个检测单元由 1 组双目相机和 1 个高速结构光闪光灯组成。每组双目相机包括 2 个面阵相机。2 个检测单元分别安装在受
12、电弓升弓位置的上方和下方,用来采集受电弓碳滑板上部和底部图像。高受电弓状态呈现逻辑受电弓品质报告生成逻辑呈现逻辑层基础数据处理智能数据处理数据处理层模型控制逻辑模型控制逻辑层双目视觉相机接口逻辑车号识别装置接口逻辑接口逻辑层升弓压力检测控制逻辑车号识别装置控制逻辑碳滑板磨耗检测控制逻辑羊角形态检测控制逻辑基础控制逻辑层图 1受电弓动态检测系统逻辑结构32基于双目视觉技术的机车出入库受电弓动态检测系统研究检验与认证速结构光闪光灯为双目相机拍摄图像提供特征信息,双目相机将图像处理为深度图,为计算碳滑板剩余厚度算法提供数据。双目相机和高速结构光闪光灯如图 3 所示。(a)双目相机(b)高速结构光闪光
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