一种基于运动模组的刚性架空接触线动态跟踪系统

摘要

本发明提供一种基于运动模组的刚性架空接触线动态跟踪系统，该系统包括结构光模块、运动模组和控制器，所述运动模组包括滑台，所述结构光模块设置在滑台上，在结构光模块进行下一帧数据采集之前，所述控制器利用前一时刻的信息预测出后一时刻滑台的位置，并且控制滑台运动，进而将结构光模块移动到对应位置。本发明不仅增加了系统的分辨力，又能在移动的过程中保证重要数据点的采集，而且缩减了成本及系统的复杂度。

说明书

技术领域

本发明涉及接触线磨耗检测领域，尤其是涉及一种基于运动模组的刚性架空接触线动态跟踪系统。

背景技术

地铁隧道内部的线路采用架空式刚性接触网，其结构组成如图1所示，主要由绝缘支撑装置、隧道顶部、汇流排及接触线组成。而在列车运行的过程中，通过受电弓滑板与接触线的滑动接触取流。要使受电弓良好地受流保证机车平稳运行，必须使得弓网保持一定的压力进而保证受电弓滑板与接触线可靠接触。随之而来必然会带来一定的磨耗，而磨耗测量的真正意义在于异常磨耗的测量。因为异常磨耗会加速接触线的更换增加接触网运营成本。

接触线异常磨耗产生原因有以下几种：①导高安装过低：由于汇流排中间接头安装导高过低，导致刚性悬挂在接头处理形成硬点，在受电弓通过此区域时，冲击力异常增加进而致使接触线损耗问题的产生。②锚段关节拉出值超限：个别地点因隧道环境限制，个别锚段关节有一根接触线拉出值超过了正常设计值，会产生异常磨耗。③列车晃动：弯道处因列车晃动等原因受电弓与接触线面不能平稳接触或接触面不正，导致出现侧磨。④受电弓不平滑及工作面不规则：受电弓并非完全平滑，因此在地铁列车运行过程中所出现的接触压力变化有可能造成接触线产生异常磨耗。

现有的磨耗检测技术有以下几种方案：

1、线阵相机方案：接触线的磨损引起接触线的底部断面的变化，从而增加接触线和受电弓之间的平均接触面积。因为接触线的接触部位是不氧化的，所以光反射率比其它部位的高。接触区域与其余非接触部分之间光反射的比率不同，通过图像可以反馈出来。但这种检测方法需要配合几何参数中的导高间接计算出工作距离后才能计算出磨耗面宽度，车体振动引起的坐标系变换也会影响精度的计算。缺点是：接触线磨耗面与受电弓接触部分氧化膜被擦破(导电接触面)的地方是不规则的，对后期图像处理会产生一定的困难。另外，此种方法针对偏磨情况还需要多相机配合解决，具备一定难度。

2、结构光面阵相机方案：结构光的方案通过提取接触线轮廓，通过匹配对准的方式进行磨耗的计算，优点是较为直观，在距离较近可以保证很高的精度，在拉出值变化较大时，汇流排的重要特征信息会被遮挡，这使得接触线轮廓图像匹配难度加大，计算精度难以保证。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种基于运动模组的刚性架空接触线动态跟踪系统，解决在接触线拉出值变化较大时，汇流排的重要特征信息会被遮挡，无法准确获得接触线轮廓图像的问题。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种基于运动模组的刚性架空接触线动态跟踪系统，其特征在于，该系统包括结构光模块、运动模组和控制器，所述运动模组包括滑台，所述结构光模块设置在滑台上，在结构光模块进行下一帧数据采集之前，所述控制器利用前一时刻的信息预测出后一时刻滑台的位置，并且控制滑台运动，进而将结构光模块移动到对应位置。

作为进一步的技术方案，当接触线的分布为正常分布时，控制器通过公式T_t+1＝T_t+ΔT预测出后一时刻滑台的位置，公式中：T_t+1表示t+1时刻滑台位置，T_t表示t时刻滑台位置，ΔT＝(D/v_y)*v_x+ΔX，D表示采样间距，v_y表示车体运行速度，v_x表示滑台的运行速度，ΔX表示t时刻从图像中反馈出来的接触线偏离中心位置的大小。

作为进一步的技术方案，根据推导的线性关系，建立KALMAN状态方程预估滑台在t+1时的运动位置。

作为进一步的技术方案，当接触线的分布为锚段及线岔时，控制器通过公式T_t+1＝T_t+ΔT预测出后一时刻滑台的位置，公式中：T_t+1表示t+1时刻滑台位置，T_t表示t时刻滑台位置，ΔT＝(D/v_y)*v_x+ΔX，D表示采样间距，v_y表示车体运行速度，v_x表示滑台的运行速度，ΔX＝ΔX₁*W+ΔX₂*(1-W)，

其中，cn表示接触线个数，Δd表示接触线间距，Δh表示接触线高差，i表示接触线畸变程度，f(cn,Δd,Δh,i)表示功能函数。

作为进一步的技术方案，通过多次的实时测量数据，把f(cn,Δd,Δh,i)的四个入参作为输入层，然后在已知输出层的情况下，通过组建神经网络得到f(cn,Δd,Δh,i)的非线性关系。

作为进一步的技术方案，根据推导的线性关系，建立KALMAN状态方程预估滑台在t+1时的运动位置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、增加了系统的分辨力(视野变小)，又能在移动的过程中保证重要数据点的采集；

2、与多相机排布方案相比，又缩减了成本及系统的复杂度；

3、本发明可以控制伺服电机对接触线进行追踪，保证图像获取准确度。

附图说明

图1为地铁隧道内部的刚性悬挂组成；

图2为本发明的系统结构示意图；

图3为线路接触线分布图；

图4为锚段间接触线分布；

图5为锚段关节示意图；

图6为线岔示意图；

图7为神经网路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如背景技术中介绍，现有的线阵相机很难解决偏磨的问题，而正线存在偏磨的可能非常大，而且车体振动会引起坐标系发生变化，如没有经过严格标定计算精度很难保证。结构光方案的缺点是由于导线的“之”字形变化，导线会移至相机视野的边缘会导致图像会缺失重要的特征信息。经过方案的对比我们倾向于结构光的方案，但视野遮挡的问题需要解决。而视野遮挡的主要原因是导线与汇流排具备一定的高度差，因此当接触线移出一定范围时一定会出现视野遮挡的问题，而且会遮挡汇流排上重要特征点信息。另外一个重要问题是测量精度的问题，当然测量精度可以通过增加相机来解决，但随之而来的是巨大的成本及系统复杂度的增加。视野重合部分的处理也有待研究。因此在考虑精度、成本、及视野遮挡等问题时，我们需要一种新型的解决方案。

如图3所示，在地铁正线线路上，接触线呈之字形分布，变化范围在±300mm之间。一个锚段内变化范围不会超过500mm，并且导线在锚段内分布规律很强。据此，我们可以根据导线的分布规律运用伺服控制技术，在拉出值方向(检测车辆顶部横向方向)布置运动模组，如图2所示，让结构光模块(相机及激光器组成)能够跟随运动模组在拉出值方向运动。这种方案即增加了系统的分辨力(视野变小)，又能在移动的过程中保证重要数据点的采集(经过试验验证在工作距离为600mm时，我们只需要保证接触线在相机视野中心误差在±120mm范围内，即可保证所有特征点完整获取)。并且与多相机排布方案相比，又缩减了成本及系统的复杂度。那控制伺服电机对接触线进行追踪成了本文需要解决的重要问题。

追踪的目标是在下一帧数据采集之前提前控制伺服电机让滑台随运动模组运动到指定位置等待采集命令。

结合现场使用经验，我们把导线分布规律总结为三类，分别为正常分布、锚段关节分布及线岔分布。设备需要根据这三种接触线的分布规律去推算。

正常分布：如图4所示，车体运行速度为v_y，运动模组的运行速度为v_x，采样间距为D，蓝色的点为车体运行过程中受电弓在不同时刻时与接触线的接触点，水平投影到车体的横向坐标轴(后续简称模组坐标系)上的位置(灰色点，其中黑点为零点)即为此时此刻的滑台(相机)的绝佳位置(相机视野中心)，而实际情况不可能达到这种效果，具备一定的移动误差及图像识别误差，实际位置T可由运行模组进行反馈，而图像中的接触线的位置X会反馈出移动位置是否正确。而我们最终的目标是在利用前一时刻的信息预测出后一时刻的位置，并且控制电机迅速把滑台移动到对应位置，以准备后一时刻的拍摄。

因此

(1)t+1时刻的滑台位置

T_t+1＝T_t+ΔT

(2)t时刻从图像中反馈出来的偏离中心中位置的大小为ΔX

(3)ΔT的计算

ΔT＝(D/v_y)*v_x+ΔX

通过以上三个步骤我们即可得到t+1时刻的位置，由于在以上参数中还存在噪声等不确定性因素，因此我们可以根据以上推导的线性关系，建立KALMAN状态方程来更加准确的预估t+1时的运动位置。KALMAN为已知知识点，这里不在赘述。

锚段关节：如图5所示，实现锚段之间平稳过渡的设施，即一个锚段与另一个锚段相衔接的接触网悬挂结构。在该处两个锚段的接触导线有一段是水平的，且有一段(或有一点)等高。要求当机车运行时，能使受电弓从一个锚段平滑地过渡到另一个锚段。可分为非绝缘锚段关节和绝缘锚段关节。非绝缘锚段关节用于机械分段。绝缘锚段关节除有机械分段的职能外，主要用于电分段。

线岔：线岔采用无交叉线岔结构，正线接触网不中断，侧线单独一根，与正线接触网侧向错开，其水平间距为200mm，侧线网端部向上弯曲70mm左右，如图6所示。

锚段及线岔特点归纳：1、线间距变化趋势不一致，线岔是间距由大到小或小到大变化不一致，而锚段的线间距是一致，即使有变化也是微弱的。2、高差会有变化，锚段及线岔都会有高差的变化。3、当在线岔时，工作支及非支在相机中成像是不一致的，随着车体的向前推进，工作支的图像会越来越趋近于正常图像，而非支持由于拍摄角度及打光角度的不一致，而导致图像畸变程度较大。接触线定义为C₁和C₂。

如果我们按照正常分布去预测导线的位置在锚段的位置，算法先分别找出双接触线各自的质心，然后再进平均计算，给出相应的图像位置反馈。那对于线间距一致的锚段，最终滑台运动的位置将是锚段关节的中心位置。但是如果是线岔将随着线间距的增加，两条线的成像将会分布在相机视野的两边，而这并不是我们想要的结果。因为偏离视野中心太多将影响最终磨耗的计算精度。

基于这个考虑，根据锚段及线岔的特点，我们对线间距及高差的不同来分配不同的权重进而使滑台的预估位置趋向于真实位置。

t时刻从图像中反馈出来的偏离中心中位置的大小为

ΔX＝ΔX₁*W+ΔX₂*(1-W)。

cn：接触线个数，Δd：接触线间距，Δh：接触线高差，i：接触线畸变程度。

其中权重分配原则当只有一根接触线时W＝1，有两根接触线时，如果从C₁过渡到C₂，那C₁的高度会逐渐变高(高于4040mm)。而C₂会逐渐与4040mm持平(刚开始高于4040mm)。根据这个规律，我们可以根据前后几帧的数据即可得出权重的分配，从而快速找到对应的接触线。

在地铁正线(刚性接触网)上，线岔的线间距会随着车的运行而发生变化，线间距越大，在非支的接触线在相机中的成像就会越差。而成像效果可以通过图像处理反馈出来。可以作为权重的入参来增加导线跟踪的准确性。

对于f(cn,Δd,Δh,i)这一功能函数，线间距、高差由于现场施工而言并没有什么规律可言，我们可以通过多次的实时测量数据，把f(cn,Δd,Δh,i)的四个入参作为输入层，然后在已知输出层的情况，我们可组建神经网络(如图7所示)来找到f(cn,Δd,Δh,i)这一非线性关系。得到关系便可计算ΔX，进而正确的控制滑动模组的运行，拍摄正确的图像位置以使得磨耗计算正确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。