CN109257568A - 一种接触网几何参数在线巡检系统电路控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接触网几何参数在线巡检系统电路控制装置，本发明由相机将当前接触线图像信息回馈给上位机，由编码器将电机当前角度信息回馈给电机驱动电路板，电机驱动电路板传送角度信息至上位机，上位机通过图像和角度信息计算出电机所需转动的角度，发送正确的运动指令，使电机根据指令转动所需的角度，带动巡检仪内部的激光测距装置到达指定的位置进行测距。省去了人为对准测量的人力和时间，大大降低了测量的时间和成本。

Description

一种接触网几何参数在线巡检系统电路控制装置

技术领域

本发明涉及工业检测技术领域，具体涉及一种接触网几何参数在线巡检系统电路控制装置。

背景技术

接触网相关参数是整个弓网系统的工作状况和受流性能的重要指标，接触网参数的检测技术可分为接触式检测技术和非接触式检测技术两大类。

接触式检测技术是指在受电弓上安装压力传感器、速度传感器和位移传感器等，并通过传感器与接触网进行接触或靠近测量，通过测量弓网间压力、相对速度和相对位移等物理参数，再通过分析计算获取结果。非接触式检测技术运用激光传感器、超声波传感器和CCD传感器等来检测接触网几何参数，但在检测中没有直接与弓网系统中的部件接触。接触式检测技术起步较早，且技术成熟，但安装在受电弓上的传感器增加了其重量，且影响其跟随性；而非接触式检测技术检测精度高、检测速度快且操作简单，维修和保养十分方便。

由于非接触式检测技术需要相机、激光测距仪和倾角传感器器等大量的传感器，同时对于自动跟踪的接触网在线巡检系统还需增加伺服系统，而目前市面上的接触网在线巡检系统电路控制装置集成度过低，或者是过于复杂，因此对其电路控制装置的研究就显得尤为重要。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种接触网几何参数在线巡检系统电路控制装置，以保证用低成本形式完成对接触网几何参数高效且准确地测量。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

提供一种接触网几何参数在线巡检系统的电路控制装置，包括上位机，立体视觉传感器、驱动装置和电机；

立体视觉传感器，用于对接触线定位并获取接触线的图像发送给上位机；

上位机基于立体视觉传感器的视场发送控制指令至驱动装置，根据接触线的图像计算接触线的拉出值L和接触线导高D，判断接触线是否存在异常；

驱动装置，用以接收所述上位机发送的控制指令以及经计算后的脱靶量信息；

电机，接收驱动装置所发送的驱动运动指令，带动立体视觉传感器转动，调整立体视觉传感器的视场角度。

优选的，立体视觉传感器包含激光测距模块及相机，相机采集接触网的图像；激光测距模块用于采集立体视觉传感器与接触网之间的距离；相机与激光测距模块的光学中心重合。

优选的，还包括倾角传感器模块，用于检测立体视觉传感器的旋转角度发送给驱动装置，并转发给上位机。

优选的，还包括编码器用于检测电机的当前角度信息并发送给驱动装置。

优选的，还包括陀螺，检测激光测距模块的角速度信息发送给驱动装置。

优选的，还包括光源，在自然光线成像不理想的情况下，上位机控制驱动装置开启光源，照亮待成像的接触网。

优选的，所述立体视觉传感器和驱动装置设置在控制盒内；

激光测距模块还包括温敏电阻和加热片，温敏电阻采集温度信号并发送给驱动装置，当温度低于所设定的温度下限阈值时，驱动装置控制加热片为控制盒加热；当温度达到所设定的温度上限阈值时，停止加热。

优选的，编码器将电机当前角度信息回馈给驱动装置，陀螺将激光测距模块的角速度信息回馈给驱动装置，驱动装置通过上位机计算的脱靶量、角速度和角度信息计算出电机所需转动的角度，并发送给电机，驱动立体视觉传感器旋转至所需测量方向。

优选的，还包括FPGA，FPGA形成数据采集模块、信息处理模块和缓存模块，数据采集模块采集相机发送的图像信息数据，并发送给缓存模块；缓存模块将所述图像信息数据按照时间顺序进行缓存；信息处理模块按照设定的压缩格式对接收到的实时图像信息数据进行压缩处理，并将压缩后的数据流返回给数据采集模块；数据采集模块接收到所述压缩后的图像信息数据流，进行数据校验，如果所述图像信息数据流的压缩格式与设定的压缩格式相同，则发送所述图像信息数据流发送到上位机；数据采集模块接收上位机发送跟踪指令，并转发给信息处理模块，信息处理模块按照所述跟踪指令中的图片抓取位置信息进行目标抓取操作。

优选的，FPGA还形成图像跟踪画面切换模块；

信息处理模块发送图片提取命令到图像跟踪画面切换模块；

图像跟踪画面切换模块根据上行链路延时值Δt₁和下行链路延时值Δt₂，在缓冲模块中读取与上位机发出跟踪指令时所针对的图像信息数据帧，其中：所述图像信息数据帧在缓存模块中存放时，所述图像信息数据帧通过下行链路经过延时Δt₂发送到上位机，上位机根据接收到的图像信息数据帧发出跟踪指令，所述跟踪指令经过延时Δt₁到达缓存模块；

图像跟踪画面切换模块发送所述图像信息数据帧到信息处理模块，信息处理模块根据跟踪指令中的图片抓取位置信息确定目标脱靶量，并根据所述目标脱靶量驱动电机到目标抓取区域；

信息处理模块采用图像跟踪算法，按照波门内的图像信息数据进行灰度特征的相关匹配，识别目标轮廓，确定跟踪目标在图像中的位置和大小；

信息处理模块从缓存模块中按照时间顺序读取下一帧图像信息数据并与上一帧图像信息数据帧进行比较，确定目标脱靶量；并按照目标脱靶量进行电机驱动。

本发明与现有技术相比，具有显著的优点，具体体现在以下方面：

(1)本发明采用网口的方式传输图像，上位机与电机驱动电路板和数据采集电路板采用CAN总线的通讯方式，来获取相机、激光测距仪以及编码器等的多样性信息反馈，便于对巡检仪进行深入控制，保证对接触网拉出值和导高值等信息的精确测量。

(2)本发明由相机将当前接触线图像信息回馈给上位机，由编码器将电机当前角度信息回馈给电机驱动电路板，电机驱动电路板传送角度信息至上位机，上位机通过图像和角度信息计算出电机所需转动的角度，发送正确的运动指令，使电机根据指令转动所需的角度，带动巡检仪内部的激光测距装置到达指定的位置进行测距。省去了人为对准测量的人力和时间，大大降低了测量的时间和成本。

(3)本发明具有光源和加热片，可以保证巡检仪在黑暗寒冷的环境下正常工作。

(4)本发明外接大容量锂电池保证系统在室外可以长时间工作，且延长了设备的使用寿命。

附图说明

图1为本发明接触网几何参数在线巡检系统的电路控制装置组成示意图；

图2为载荷安装板安装示意图；

图3为本发明接触网几何参数在线巡检系统组成示意图；

图4为本发明通讯连接示意图。

具体实施方式

如图3所示，本发明的接触网几何参数在线巡检系统包括移动平台、电路控制装置以及推杆组件。

移动平台能够在铁路轨道上行驶。移动平台包括横向组件、纵向组件和车轮。横向组件与纵向组件采用刚性连接，横向组件用于搭载测量设备盒以及推杆组件。

移动平台包括3个车轮，其中两个车轮安装在纵向组件上，一个车轮安装在横向组件上，车轮的轮形与钢轨的断面轮廓形状匹配，车轮包括圆柱段、过渡段及限位段，圆柱段在钢轨上移动，限位段用于将移动平台限位在钢轨内侧，过渡段的截面轮廓与钢轨的断面轮廓形状匹配，两条钢轨上的车轮的限位段外侧之间的距离为L1，两条钢轨上的车轮的圆柱段外侧之间的距离为L2，L1～L2覆盖现有主要轨道线路的轨距，包括既有线，高铁线，使得移动平台能够在各类主要轨道线路上正常行驶，并能够适应现有轨道线路轨距的变化。

推杆组件包括支杆、连接弯头、把手及托盘，连接弯头连接在横向组件的单侧面，支杆的一端固定在连接弯头内，另一端与把手相连，把手上面安装托盘。托盘用于安装上位机，例如采用加固笔记本。

连接弯头通过螺钉及插销亦固定于移动平台上，系统实际工作过程，操作人员通过握持推杆组件上的把手即可推动整个系统前行。支杆、连接弯头为中空结构，使得数据线缆经测量设备盒引出后通过连接弯头及支杆引出与上位机相连。

结合图1，电路控制装置包括立体视觉传感器、转接板、电机、驱动装置。立体视觉传感器激光测距模块及相机，各部件均固定在载荷安装板框架上，并包含在密闭的传感器外壳内，相机用于采集接触网的图像；激光测距模块用于采集立体视觉传感器与接触网之间的距离；调整立体视觉传感器光路的中心，使得成像器件与测距组件的光学中心重合。

电路控制装置还包括倾角传感器模块，用于检测立体视觉传感器的旋转角度发送给上位机，与控制盒固联，通过CAN总线传输设备控制盒的倾角。编码器用于检测电机的当前角度信息并发送给驱动装置，采用RS485发送信号，RS485通讯模块选用型号为MAX3485。陀螺，检测激光测距模块的角速度信息通过CAN通讯模块发送给驱动装置。驱动装置通过单片机完成电机电流、角度和角速度的采集，通过上位机的所需的测量方向，经运算后得到控制信号，采用桥式电路进行整流从而实现电机的精密伺服控制，并驱动电机，带动立体视觉传感器旋转至所需测量方向。

电路控制装置还包括二次电源转换单元，二次电源转换将外部输入的24V电压转换为电路板所需电压；

电路控制装置还包括数据采集模块通过FPGA对采集的图像进行压缩和计算等处理，同时完成激光测距仪测量、倾角传感器测量和通讯等功能；

FPGA形成数据采集模块、信息处理模块和缓存模块，数据采集模块采集相机发送的图像信息数据，并发送给缓存模块；缓存模块将所述图像信息数据按照时间顺序进行缓存；信息处理模块按照设定的压缩格式对接收到的实时图像信息数据进行压缩处理，并将压缩后的数据流返回给数据采集模块；数据采集模块接收到所述压缩后的图像信息数据流，进行数据校验，如果所述图像信息数据流的压缩格式与设定的压缩格式相同，则发送所述图像信息数据流发送到上位机；数据采集模块接收上位机发送跟踪指令，并转发给信息处理模块，信息处理模块按照所述跟踪指令中的图片抓取位置信息进行目标抓取操作。

FPGA还形成图像跟踪画面切换模块；FPGA进行目标抓取操作，具体过程如下：

(a)、信息处理模块发送图片提取命令到图像跟踪画面切换模块；

(b)、图像跟踪画面切换模块根据上行链路延时值Δt₁和下行链路延时值Δt₂，在缓冲模块中读取与地面站发出跟踪指令时所针对的图像信息数据帧，其中：所述图像信息数据帧在缓存模块中存放时，无线链路模块将所述图像信息数据帧通过下行链路经过延时Δt₂发送到地面站，地面站根据接收到的图像信息数据帧发出跟踪指令，所述跟踪指令经过延时Δt₁到达图像缓存跟踪系统的无线链路模块；

(c)、图像跟踪画面切换模块发送所述图像信息数据帧到信息处理模块，信息处理模块根据跟踪指令中的图片抓取位置信息确定脱靶量，并根据所述移动量移动波门到目标抓取区域；

(d)、信息处理模块采用图像跟踪算法，按照波门内的图像信息数据进行灰度特征的相关匹配，识别目标轮廓，即确定跟踪目标在图像中的位置和大小；

(e)、信息处理模块从缓存模块中按照时间顺序读取下一帧图像信息数据，并将所述图像信息数据与步骤(d)内确定的跟踪目标图像数据进行比较，确定出所述图像信息数据帧中的目标位置与上一帧图像信息数据中的目标位置的差值，即目标脱靶量；并按照目标脱靶量进行波门移动；

(f)、重复步骤(d)～(e)，即按照时间顺序对缓存模块中的图像数据按帧提取，进行图像目标跟踪，直到读取完所述缓存内的图像信息数据，则通过图像跟踪画面切换模块切换到实时图像数据进行目标跟踪。

所述的FPGA选用型号为EP3C120F780C7。

二次电源转换单元和驱动装置集成于电机驱动电路板，数据采集单元集成于数据采集电路板。

二次电源转换单元将外部输入的24V电压转换为12V；12V为MOSFET驱动供电，产生的12V再转换为5V和±12V，其中5V为电流传感器和电平转换芯片供电，±12V为运放供电；5V再转换为3.3V为单片机供电。

所述的24V转12V电源模块选用型号为K7812-1000。

所述的12V转5V电源芯片选用型号为L7805。

所述的12V转±12V电源芯片选用型号为LTC3265。

所述的5V转3.3V电源芯片选用型号为LM1117IMPX-3.3。

激光测距模块与数据采集电路板之间采用TTL电平通讯，电路板可以在上位机的命令下配置激光测距模块的采样频率、采样精度和采样范围等参数，激光测距将测量结果实时发送到数据采集电路板。

通讯模块包括数据采集电路板和电机驱动电路板之间采用的RS422通讯，采集电路板和电机驱动电路板与上位机之间的CAN总线通讯。

所述的RS422通讯模块选用型号为MAX3488。

所述的CAN通讯模块选用型号为MAX3051。

角速度测量模块采用CAN采集电机转动的角速度并发送给驱动装置。

所述的CAN通讯模块选用型号为MAX3051。

电机驱动模块采用MOSFET搭建的H桥整流电路驱动。单片机通过对电流传感器、陀螺和码盘的反馈信号进行计算，产生3对互补的PWM控制信号，通过MOSFET驱动芯片控制MOSFET的开启和关断，从而控制施加在电机两端的电压，达到控制电机驱动的效果。

所述的MOSFET选用型号为IRF530S。

所述的MOSFET驱动选用型号为IR2130。

还包括光源，在自然光线成像不理想的情况下，上位机控制驱动装置开启光源，照亮待成像的接触网。在阳光不足情况下保证相机成像效果。

激光测距模块还包括温敏电阻和加热片，温敏电阻采集温度信号并发送给驱动装置，当温度低于所设定的温度下限阈值时，驱动装置控制加热片为控制盒加热；当温度达到所设定的温度上限阈值时，停止加热。加热片保证系统在低温条件下正常运行。

实施例

如图1所示，接触网几何参数在线巡检系统电路控制装置，包含有数据采集电路板1、电机驱动电路板2、上位机3、相机4、激光测距模块5、倾角传感器6、陀螺采集板7、编码器8、电机9、温敏电阻10、加热片11、电池12和光源13。

结合图4，数据采集电路板1通过RS422与电机驱动电路板2相连接。数据采集电路板1通过CAN总线与上位机3相连接。电机驱动电路板2通过CAN总线与上位机3相连接。相机4通过网口与数据采集电路板1相连接。激光测距模块5通过TTL串口与数据采集电路板1相连接。倾角传感器6通过CAN总线与数据采集电路板1相连接。陀螺采集板7通过CAN总线与电机驱动电路板2相连接。码盘8通过RS485与电机驱动电路板2相连接。

电机9、温敏电阻10、加热片11和光源13与电机驱动电路板2相连接。

电池12为电机驱动电路板2提供24V直流电源，电机驱动电路板2为数据采集电路板1提供二次直流电源。

上位机3通过网口接收数据采集电路板1的图像信息以及通过CAN总线接收经电机驱动电路板2传递，由编码器8反馈的角度信息，并发送控制指令给电机驱动电路板2。电机驱动电路板2用以接收上位机3所发送的控制指令，并根据控制指令发送驱动指令传输给电机9。电机9接收由电机驱动电路板2所发送的驱动信号。

数据采集电路板1将压缩处理后接触线的图像信息反馈给上位机3，编码器8将电机当前的角度信息回馈给电机驱动电路板2，电机驱动电路板2通过CAN总线将当前电机角度发送给上位机3，数据采集电路板1通过CAN总线将倾角传感器6反馈的倾角信息发送给上位机3。因此，上位机3可以根据接触线的图像信息和当前角度等信息计算出电机所需转动的角度信息，从而实时发送正确的控制指令给电机驱动电路板2。

电机驱动电路板2接收上位机3发送的电机所需转动的角度信息，电机驱动电路板2根据上位机3的控制指令、电机驱动电路板2内部的电机电流互感器、陀螺采集板7和编码器8计算得到控制电机转动的PWM，电机驱动电路板2产生的PWM信号控制电机4使其转动所需角度，带动与电机固联的安装板上激光测距模块5转动，最终使激光测距模块5旋转至需要测量接触线的角度为止；当电机到达指定位置时，电机驱动电路板2发送指令到数据采集电路板1，数据采集电路板1将有效的激光测距模块5返回值发送到上位机3。

上位机3根据激光测距模块5测量的结果、编码器8的角度信息和倾角传感器6的设备倾角信息计算出铁路的导高值、拉出值、外轨超高值。连该同数据测量的时间和地点一并存入到数据库中，并生成报表。

计算出的高值、拉出值、外轨超高值以及侧面限界值与之前设定的上下限位值进行比较，若在范围内，在报表中用黑色字体保存，若超出范围，则用红色字体保存，以示异常报警。

考虑到铁路接触网的巡检大多在夜间，在实际测试过程中在光源较弱的情况下相机的成像不理想，故需要要在夜间测量时开启光源，提高相机的成像效果。上位机3可以通过电机驱动电路板2上的继电器控制光源13的开关。

为满足设备在北方冬天零下的温度环境下正常工作，在确保电路元器件选型满足-40℃环境温度正常工作的前提下，添加了温敏电阻10、加热片11。将外部温敏电阻10两端接入电机驱动电路板2的运放电路中，当环境温度变化时，温敏电阻两端的电压发生变化，电机驱动电路板2主控芯片采集其电压，当温度低于所设定的下阈值时，通过电机驱动电路板2上的继电器为加热片11上电，提高设备盒内的整体温度；当温度上升到所设定的上阈值时，通过电机驱动电路板2上的继电器为加热片11断电。保证了系统在低温环境下的正常运行，同时避免了电池功耗的浪费。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种接触网几何参数在线巡检系统的电路控制装置，其特征在于，包括上位机，立体视觉传感器、驱动装置和电机；

立体视觉传感器，用于对接触线定位并获取接触线的图像发送给上位机；

上位机基于立体视觉传感器的视场发送控制指令至驱动装置，根据接触线的图像计算接触线的拉出值L和接触线导高D，判断接触线是否存在异常；

驱动装置，用以接收所述上位机发送的控制指令以及经计算后的脱靶量信息；

电机，接收驱动装置所发送的驱动运动指令，带动立体视觉传感器转动，调整立体视觉传感器的视场角度。

2.如权利要求1所述的接触网几何参数在线巡检系统的电路控制装置，其特征在于，立体视觉传感器包含激光测距模块及相机，相机采集接触网的图像；激光测距模块用于采集立体视觉传感器与接触网之间的距离；相机与激光测距模块的光学中心重合。

3.如权利要求2所述的接触网几何参数在线巡检系统的电路控制装置，其特征在于，还包括倾角传感器模块，用于检测立体视觉传感器的旋转角度发送给驱动装置，并转发给上位机。

4.如权利要求3所述的接触网几何参数在线巡检系统的电路控制装置，其特征在于，还包括编码器用于检测电机的当前角度信息并发送给驱动装置。

5.如权利要求4所述的接触网几何参数在线巡检系统的电路控制装置，其特征在于，还包括陀螺，检测激光测距模块的角速度信息发送给驱动装置。

6.如权利要求1或2所述的接触网几何参数在线巡检系统的电路控制装置，其特征在于，还包括光源，在自然光线成像不理想的情况下，上位机控制驱动装置开启光源，照亮待成像的接触网。

7.如权利要求2所述的接触网几何参数在线巡检系统的电路控制装置，其特征在于，所述立体视觉传感器和驱动装置设置在控制盒内；

激光测距模块还包括温敏电阻和加热片，温敏电阻采集温度信号并发送给驱动装置，当温度低于所设定的温度下限阈值时，驱动装置控制加热片为控制盒加热；当温度达到所设定的温度上限阈值时，停止加热。

8.如权利要求5所述的接触网几何参数在线巡检系统的电路控制装置，其特征在于，编码器将电机当前角度信息回馈给驱动装置，陀螺将激光测距模块的角速度信息回馈给驱动装置，驱动装置通过上位机计算的脱靶量、角速度和角度信息计算出电机所需转动的角度，并发送给电机，驱动立体视觉传感器旋转至所需测量方向。

9.如权利要求8所述的接触网几何参数在线巡检系统的电路控制装置，其特征在于，还包括FPGA，FPGA形成数据采集模块、信息处理模块和缓存模块，数据采集模块采集相机发送的图像信息数据，并发送给缓存模块；缓存模块将所述图像信息数据按照时间顺序进行缓存；信息处理模块按照设定的压缩格式对接收到的实时图像信息数据进行压缩处理，并将压缩后的数据流返回给数据采集模块；数据采集模块接收到所述压缩后的图像信息数据流，进行数据校验，如果所述图像信息数据流的压缩格式与设定的压缩格式相同，则发送所述图像信息数据流发送到上位机；数据采集模块接收上位机发送跟踪指令，并转发给信息处理模块，信息处理模块按照所述跟踪指令中的图片抓取位置信息进行目标抓取操作。

10.如权利要求9所述的接触网几何参数在线巡检系统的电路控制装置，其特征在于，FPGA还形成图像跟踪画面切换模块；

信息处理模块发送图片提取命令到图像跟踪画面切换模块；

图像跟踪画面切换模块根据上行链路延时值Δt₁和下行链路延时值Δt₂，在缓冲模块中读取与上位机发出跟踪指令时所针对的图像信息数据帧，其中：所述图像信息数据帧在缓存模块中存放时，所述图像信息数据帧通过下行链路经过延时Δt₂发送到上位机，上位机根据接收到的图像信息数据帧发出跟踪指令，所述跟踪指令经过延时Δt₁到达缓存模块；

图像跟踪画面切换模块发送所述图像信息数据帧到信息处理模块，信息处理模块根据跟踪指令中的图片抓取位置信息确定目标脱靶量，并根据所述目标脱靶量驱动电机到目标抓取区域；

信息处理模块采用图像跟踪算法，按照波门内的图像信息数据进行灰度特征的相关匹配，识别目标轮廓，确定跟踪目标在图像中的位置和大小；

信息处理模块从缓存模块中按照时间顺序读取下一帧图像信息数据并与上一帧图像信息数据帧进行比较，确定目标脱靶量；并按照目标脱靶量进行电机驱动。