基于三维数据的受电弓姿态检测方法研究

郭 浩

（中国铁路兰州局集团有限公司，甘肃兰州 730030）

0 引言

随着铁路的高速发展，当前动车运营数量在保持高位的同时还在持续增多，为列车的安全运营提出了挑战。传统的单纯依靠人工的检测方式已经被人工、设备相互合作的方式所代替，而基于图像检测的设备更是广泛应用于日常列车检测的方方面面[1]。

受电弓作为电力列车的供能装置，对列车的运行至关重要。弓头姿态异常若不能及时处理，会造成滑板异常磨损甚至“羊角”断裂等严重事故[2]。

传统的图像检测方法，主要是采集二维图像，在二维图像上利用二维特征实现关键故障的检测[3]。基于图像处理的弓头检测方法，易受自然因素影响，成像质量难以保证，系统稳定性不足且二维数据缺乏深度信息，无法完全反应受电弓的实际姿态。

线阵结构光三维测量技术，作为一种测量范围广、精度高、实时性强的高精度三维成像方法，被广泛运用于轨道交通检测中[4]。本文基于线结构光三维成像方法，搭建数据采集系统，并设计受电弓姿态的三维检测方法，快速、准确地实现了受电弓姿态的动态检测。

1 三维采集系统

1.1 线结构光成像原理

相机和线激光安装在同一侧，通过相机拍摄激光线的二维图像。激光器投射线激光到被测物体上，被测物体表面的高度对激光线的形状进行调制，激光线发生形变。相机采集形变的线激光条纹，结合标定参数，可以实现线激光点的三维数据计算[5]。

相机采用小孔成像模型，其像素坐标系与世界坐标系转换关系为：

其中，M1为相机内测矩阵，M2为相机外参矩阵：

激光平面方程为：Ax+By+Cz+D=0

通过预先标定，可以计算得到相机内参、外参以及激光平面方程参数。在已知激光点像素坐标的情况下，即可通过该两个方程联立求得实际的三维坐标。

1.2 数据采集系统

由于列车车型复杂多样，现场安装环境多变且工作距离长，对成像速度和要求较高，因此选择配置视觉组件设计采集系统。

作为市面上帧率最快的相机，Ranger3 通过内嵌的FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）硬件系统，可以直接在采集前端完成激光线提取、点云重构等线阵三维成像功能，特别适合用于动态的线阵结构光测量应用（表1）。

表1 Ranger3 相机参数

采用Ranger3 相机，激光垂直向下照射，相机倾斜拍摄。由于列车升弓与降弓其受电弓相隔1～2 m，光学系统无法同时保障两部分均能清晰成像，因此分别设定了升弓检测相机与降弓检测相机（图1）。

图1 数据采集布局

2 受电弓姿态检测原理

受电弓的姿态是指其翻滚角（或侧翻角）、偏航角、俯仰角。以俯视受电弓为例，y 轴为列车行进方向（轨道方向），x 轴为垂直轨道方向，z 轴为高度方向（垂直xoy 平面或水平面）。如此建立坐标系则翻滚角表示受电弓的绕y 轴旋转的角度，偏航角为受电弓绕z 轴旋转的角度，俯仰角为受电弓绕x 轴旋转的角度。

本文以滑板作为受电弓的模型框架，通过计算滑板上未磨耗区域的端点，来拟合出滑板所在的三维连线，从而构建受电弓的三维几何状态，并计算其具体的姿态角度。

2.1 翻滚角计算

翻滚角表示受电弓绕Y 轴旋转翻角，计算方法为：①寻找滑板两端没有磨耗的区域；②寻找没有磨耗区域的中线；③取左右区域上的端点，并以端点拟合直线，计算其斜率；④如果找到的两条直线斜率相等，则以两条直线的端点拟合直线，并计算斜率；⑤用上一步骤中得到的斜率计算对应的角度，即为受电弓的翻滚角（图2）。

图2 翻滚角计算流程

2.2 偏航角计算

偏航角为受电弓绕Z 轴旋转的角度，计算思路包括：①寻找滑板的中线；②存储中线上所有点对应的X、Y 坐标；③用上一步骤中的所有点拟合直线，计算直线斜率；④计算斜率对应的夹角即为偏航角（图3）。

图3 偏航角计算流程

2.3 俯仰角计算

俯仰角为受电弓绕X 轴旋转的角度，计算思路主要有6个：①寻找滑板两端没有磨耗的区域；②寻找没有磨耗区域的中线；③取左右区域上的端点，并以端点拟合直线，计算其斜率；④如果找到的两条直线斜率相等，则存储两条直线的端点；⑤用步一步骤中得到的点计算平均高度，然后计算前后滑板的高度差；⑥计算高度差与滑板间距的比值，然后该值的反正切，得到的角度即为俯仰角（图4）。

图4 俯仰角计算流程

3 现场测试

本系统设备安装在现场，当列车通过时自动触发采集，并实时计算出滑板姿态结果（图5）。

图5 受电弓采集数据（深度图）

总计采集22 组受电弓数据，测试结果如表2 所示，测试数据曲线统计见图6～图8。

图6 受电弓滑板翻滚角

表2 现场数据测试结果

（1）从图6 可以看出，前后滑板的翻滚角大部分在2°左右、最大不超过3°，最小只有0.815 854°。

（2）从图7 可以看出，大部分在0°～0.5°，滑板的偏航角最大为1.083 99°，最小为0.07°。

图7 受电弓滑板偏航角

（3）从图8 可以看出，滑板的俯仰角很小，最大的只有0.016°。从以上数据测试可以看出，本系统在现场运用可以实现自动实时姿态检测，并取得了较好的验证效果。

图8 受电弓滑板俯仰角

4 总结

基于线阵结构的三维采集系统，可以在列车通过检测设备时，动态地实现三维数据的实时采集，可以保证高效、快速的高精度三维数据获取。本文基于高精度三维数据，对受电弓滑板的姿态检测进行研究并在现场运用，验证效果较好，为受电弓滑板姿态检测提供了新的检测方法。