0 引 言
工業(yè)領(lǐng)域中部分移動(dòng)式設(shè)備需要源源不斷的動(dòng)力，例如港口起重設(shè)備、自動(dòng)化車(chē)間中的移動(dòng)設(shè)備等。因此，除了部分電氣設(shè)備會(huì)使用電纜供電外，大多數(shù)設(shè)備需要移動(dòng)供電，目前的供電多采用滑觸式母線(xiàn)干線(xiàn)系統(tǒng)，即采用滑觸線(xiàn)集成器供電 [1]。
在移動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行軌道上平行鋪設(shè)滑觸線(xiàn)，通常是 3 條接觸軌，移動(dòng)設(shè)備安裝了可以從接觸軌取電的集電器，當(dāng)設(shè)備移動(dòng)時(shí)，集電器隨設(shè)備同步運(yùn)行，并隨時(shí)從導(dǎo)軌上取電，以便設(shè)備可以持續(xù)運(yùn)行。滑觸線(xiàn)發(fā)生故障的原因有多種，包括溫度變化造成熱脹冷縮，滑觸線(xiàn)對(duì)接直線(xiàn)度不達(dá)標(biāo)等 [2]。此外，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，集電器在滑觸線(xiàn)上移動(dòng)，一方面會(huì)與滑觸線(xiàn)產(chǎn)生磨損，另一方面可能會(huì)產(chǎn)生電弧，長(zhǎng)期使用會(huì)因高溫結(jié)碳、氧化而形成厚實(shí)的黑色覆蓋層，甚至局部區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重?zé)g、結(jié)瘤現(xiàn)象，導(dǎo)致滑觸線(xiàn)由于高溫而變形，嚴(yán)重影響滑觸線(xiàn)及設(shè)備集電器的使用壽命，甚至造成火災(zāi)隱患。
在港口中滑觸線(xiàn)檢測(cè)通常依靠人工進(jìn)行，在精準(zhǔn)度及檢測(cè)效率方面存在一定的局限性 [3]。滑觸線(xiàn)檢測(cè)對(duì)精度要求較高，錯(cuò)誤的判斷可能會(huì)影響滑觸線(xiàn)的安全，而目前滑觸線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備較少 [4]。本文對(duì)滑觸線(xiàn)的內(nèi)外側(cè)同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，每根滑觸線(xiàn)通過(guò) 3 個(gè)位移傳感器和 1 個(gè)光學(xué)攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，傳感器以可升降的自動(dòng)小車(chē)為載體，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械機(jī)構(gòu)使小車(chē)沿著軌道一側(cè)前進(jìn)。本文根據(jù)港口現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)研發(fā)出了一種針對(duì)滑觸線(xiàn)的自動(dòng)化檢測(cè)方案，該方案對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在滑觸線(xiàn)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的建設(shè)性意義。
1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
本方案整體設(shè)計(jì)包括工控機(jī)、蓄電池、傳感器數(shù)據(jù)采集、圖像視頻算法、機(jī)械結(jié)構(gòu)等。自動(dòng)小車(chē)需要在內(nèi)部寬度為 140 mm 的槽鋼上行走，自動(dòng)小車(chē)自帶無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷^遠(yuǎn)的中控室，由中控室的上位機(jī)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、處理和顯示。以 4G 模塊為例，該模塊是基于 4G 無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)，可兼容多種工業(yè)場(chǎng)景。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理如圖 1 所示。
針對(duì)接觸軌左右、底部變形的檢測(cè)，擬采用激光位移傳感器和視覺(jué)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)。接觸軌底部凹槽內(nèi)的燒蝕情況需要用帶光源的攝像頭伸進(jìn)接觸軌凹槽內(nèi)部，采用機(jī)器視覺(jué)方式檢測(cè)。同時(shí)，每一條接觸軌底部要放置攝像頭，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)輔助檢測(cè)軌道形變。為保證機(jī)器視覺(jué)的實(shí)時(shí)檢測(cè)算力，擬在巡檢車(chē)上安裝微型工控機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)待檢測(cè)位置距離中控室較遠(yuǎn)，如果采用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，需要使用 4G 等方式。巡檢車(chē)運(yùn)行場(chǎng)地是內(nèi)部寬度為 140 mm 的槽鋼，市場(chǎng)上符合要求的巡檢車(chē)底盤(pán)較少，需要自行開(kāi)發(fā)巡檢車(chē)底盤(pán)，其關(guān)鍵是車(chē)輪和電機(jī)的選取。同時(shí)，巡檢車(chē)上需要安裝陀螺儀等姿態(tài)測(cè)量模塊，可檢測(cè)因運(yùn)行路徑不平整而導(dǎo)致巡檢車(chē)發(fā)生的姿態(tài)變化，以抵消對(duì)接觸軌底部位移傳感器的影響。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 工控機(jī)
由于自動(dòng)小車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)搭載了多種傳感器、攝像頭，以及多個(gè)控制電路，為了能夠?qū)崟r(shí)處理大量數(shù)據(jù)，需要在自動(dòng)小車(chē)上搭載工控機(jī)等設(shè)備。
2.2 陀螺儀
通過(guò)自動(dòng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小車(chē)當(dāng)前的工作狀態(tài)，通過(guò)陀螺儀對(duì)小車(chē)運(yùn)動(dòng)角度的偏差進(jìn)行檢測(cè)，能夠及時(shí)調(diào)整小車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向 [5]。將自動(dòng)小車(chē)本體出發(fā)時(shí)所處的水平面設(shè)為初始水平面，陀螺儀不斷傳輸偏離初始水平面的角度 θ，在初始時(shí)刻 t0 將陀螺儀的輸出角度歸零，并記錄電機(jī)編碼器的數(shù)值，在下一時(shí)刻 t1 陀螺儀輸出角度 θ1，記錄此時(shí)電機(jī)編碼器的輸出值，換算成水平位移 S1，在 t1 時(shí)刻小車(chē)本體偏離初始水平面的距離為 ：x1=S1 · tanθ1 （1）
計(jì)算時(shí)規(guī)定數(shù)值符號(hào)，輸出為仰角時(shí)，數(shù)值為正，輸出為俯角時(shí)，數(shù)值為負(fù) ；在任意時(shí)刻 ti(i=0, 1, 2, ..., n) 自動(dòng)小車(chē)偏離初始水平面的距離為 ：
X xiin= =∑0（2）
由此修正激光位移傳感器的數(shù)值，避免由于運(yùn)行時(shí)路面起伏導(dǎo)致激光位移傳感器測(cè)量的數(shù)值大幅波動(dòng)，進(jìn)而誤判滑觸線(xiàn)燒蝕變形。
2.3 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊
自動(dòng)小車(chē)應(yīng)自帶無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷^遠(yuǎn)的中控室，由中控室上位機(jī)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、處理和顯示。以 4G 模塊為例，該模塊是基于 4G 技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳輸方案，可兼容多種工業(yè)場(chǎng)景。
2.4 攝像頭
該裝置擬采用 800 萬(wàn)像素的自動(dòng)對(duì)焦攝像頭，其畫(huà)面質(zhì)量更好，可用于人臉識(shí)別、顏色識(shí)別、文字識(shí)別、形狀識(shí)別、邊緣檢測(cè)、特征點(diǎn)追蹤等。攝像頭需要安裝在接觸軌正下方，需要額外的光源對(duì)接觸軌內(nèi)部照明 [6]。同時(shí)，為了輔助檢測(cè)燒蝕情況，需要在每根接觸軌底部增加一個(gè)攝像頭，如圖 2 所示。
2.5 位移傳感器
激光位移傳感器的測(cè)量原理 ：激光發(fā)射器發(fā)出一束平行光，經(jīng)聚透鏡聚焦在被測(cè)物體表面，產(chǎn)生漫反射光線(xiàn)，部分光線(xiàn)通過(guò)接收透鏡成像在 CCD 光敏面上。當(dāng)被測(cè)物體沿著光束的入射方向移動(dòng)時(shí)，物體表面的散射光斑相對(duì)于成像物鏡的位置發(fā)生了改變，在光敏器件上的像點(diǎn)位置也發(fā)生了變化 [7]。本文擬選用激光位移傳感器，其測(cè)量范圍為25 ～ 35 mm，將其安裝后，實(shí)現(xiàn)與接觸軌側(cè)面、底部的非接觸測(cè)量。激光位移傳感器適合測(cè)量快速的位移變化，具有測(cè)量精度高、頻帶范圍寬等優(yōu)點(diǎn) [8]。
2.6 機(jī)械結(jié)構(gòu)
本文采用 Creo 軟件對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，剪叉式升降平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)固、故障率低、運(yùn)行可靠、安全高效、維護(hù)簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn) [9]，因此為了保證傳感器的測(cè)量精度，伸展機(jī)構(gòu)選用剪叉式升降結(jié)構(gòu)。機(jī)械設(shè)計(jì)部分包括承載傳感器、攝像頭、自動(dòng)前行檢測(cè)模塊、伸展支撐模塊等，自動(dòng)小車(chē)主要包括驅(qū)動(dòng)部分、傳動(dòng)部分、伸展部分。整體機(jī)械結(jié)構(gòu)及硬件布置情況如圖 3 所示。
考慮承重及設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用 35 W 編碼器電機(jī)。為了保證驅(qū)動(dòng)扭矩，額外增加齒輪減速器。伸展機(jī)構(gòu)采用雙電機(jī)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)設(shè)備能夠平穩(wěn)到達(dá)準(zhǔn)確位置，完成相關(guān)檢測(cè)工作。
3 圖像識(shí)別
3.1 基于視覺(jué)的滑觸線(xiàn)燒蝕檢測(cè)
圖像的邊緣一般是圖像灰度差異變化較為明顯的位置，而這些變化往往伴隨著物體結(jié)構(gòu)的變化，因此邊緣是圖像分析和模式識(shí)別的重要特征 [10]。
在滑觸線(xiàn)無(wú)燒蝕情況下，表面平整光潔，在可見(jiàn)光光學(xué)成像中應(yīng)呈現(xiàn)自然金屬光澤，而滑觸線(xiàn)被燒蝕后會(huì)呈現(xiàn)圖 4 所示特點(diǎn) ：
（1）顏色呈黑色，失去金屬光澤 ；
（2）表面存在由高溫灼燒產(chǎn)生的結(jié)痂 ；
（3）燒蝕嚴(yán)重時(shí)會(huì)使滑觸軌金屬及外層塑料絕緣層產(chǎn)生形變。基于以上特點(diǎn)，擬采用如下方案實(shí)現(xiàn)滑觸線(xiàn)燒蝕的自動(dòng)檢測(cè) ：
（1）考慮從圖像顏色上判斷滑觸線(xiàn)是否存在異常 ；
（2）進(jìn)一步利用目標(biāo)檢測(cè)方法等對(duì)懷疑存在異常的滑觸線(xiàn)圖像進(jìn)行判斷與**定位。
此方案的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)**步從顏色上對(duì)滑觸線(xiàn)進(jìn)行初篩，僅將懷疑存在異常的滑觸線(xiàn)圖像傳入**步的燒蝕**定位模型，減少實(shí)際巡檢時(shí)的計(jì)算量，可一定程度提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。但是，采用該方法時(shí)前期需要獲取一定量的滑觸線(xiàn)完好的圖像樣本及存在燒蝕的圖像樣本，用于分析發(fā)生燒蝕前后圖像顏色特征上的變化及燒蝕檢測(cè)模型的訓(xùn)練。
3.2 基于視覺(jué)的滑觸線(xiàn)變形檢測(cè)
滑觸線(xiàn)無(wú)變形情況下，從滑觸線(xiàn)下方觀(guān)察，可見(jiàn)外層塑料絕緣層完好、整齊，滑觸線(xiàn)左右兩側(cè)邊緣平行，且絕緣外層與滑觸線(xiàn)凹槽區(qū)域在圖像中的像素顏色及各通道亮度存在明顯差異。
經(jīng)簡(jiǎn)單的圖像二值化及邊緣檢測(cè)初步試驗(yàn)，無(wú)變形區(qū)域如圖 5 所示，有變形區(qū)域如圖 6 所示。通過(guò)對(duì)比可有效區(qū)分無(wú)變形滑觸線(xiàn)和存在邊緣變形的滑觸線(xiàn)。實(shí)際檢測(cè)中對(duì)以上過(guò)程做進(jìn)一步優(yōu)化，可通過(guò)識(shí)別滑觸線(xiàn)的邊緣線(xiàn)是否為直線(xiàn)，判斷其是否因燒蝕產(chǎn)生形變。
4 后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)本論文的技術(shù)方案，使自動(dòng)小車(chē)沿軌前行，由編碼器定位小車(chē)的實(shí)時(shí)位置。通過(guò)陀螺儀測(cè)量實(shí)時(shí)的位姿變化，結(jié)合小車(chē)的伸展機(jī)構(gòu)，拖動(dòng)位移傳感器和攝像頭等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到達(dá)既定的檢測(cè)位置 ；通過(guò)位移傳感器檢測(cè)滑觸線(xiàn)內(nèi)外的位移變化量，結(jié)合視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，綜合評(píng)判滑觸線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果。
后臺(tái)軟件操作界面如圖 7 所示，圖中分為 4 部分，分別為用戶(hù)登錄、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、視覺(jué)圖像和位移實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示部分，操作者可以根據(jù)自身需求，實(shí)時(shí)查看檢測(cè)數(shù)據(jù)或調(diào)用檢測(cè)歷史數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，本方案可以較好地采集既定圖像及數(shù)據(jù)，基于物聯(lián)網(wǎng)的滑觸線(xiàn)檢測(cè)裝置展現(xiàn)出良好的檢測(cè)性能，適用于相關(guān)檢測(cè)行業(yè)。
5 結(jié) 語(yǔ)
本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的滑觸線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)，項(xiàng)目源于某大型港口的滑觸線(xiàn)智能檢測(cè)需求，針對(duì)人工檢測(cè)效率低、可靠性差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化檢測(cè)裝置，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)及視覺(jué)檢測(cè)相關(guān)技術(shù)，能夠準(zhǔn)確識(shí)別滑觸線(xiàn)故障，可以滿(mǎn)足港口滑觸線(xiàn)檢測(cè)需求。后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)清晰簡(jiǎn)潔，方便現(xiàn)場(chǎng)人員操作維護(hù)。本文從硬件、視覺(jué)檢測(cè)到后臺(tái)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，在滑觸線(xiàn)檢測(cè)領(lǐng)域?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)工作人員提供了有力支持。
