基于機器視覺與運動控制的軌距尺檢定器自動化檢測技術(shù)研究

韋爭亮,黃志斌,古耀達,嚴杰文

（廣州計量檢測技術(shù)研究院，廣東 廣州 510030）

基于機器視覺與運動控制的軌距尺檢定器自動化檢測技術(shù)研究

韋爭亮,黃志斌,古耀達,嚴杰文

（廣州計量檢測技術(shù)研究院，廣東 廣州 510030）

人工操作軌距尺檢定器繁瑣耗時，通過運動控制與機器視覺兩項技術(shù)集成實現(xiàn)檢定器的自動化改造。由數(shù)顯卡尺長度標準、鏈式傳動機構(gòu)及步進電機構(gòu)成兩個閉環(huán)定位子系統(tǒng)，實現(xiàn)軌距及超高參數(shù)測點的自動運動控制。在顯示表盤圖像中依據(jù)亮度、幾何形狀結(jié)構(gòu)和擬合特征信息識別出各類示值特征及其相互關(guān)系實現(xiàn)機器視覺讀數(shù)。實驗結(jié)果表明：技術(shù)集成后可完成各類軌距尺的自動化檢測過程。

軌距尺檢定器；機器視覺；運動控制；自動化改造；示值特征識別

0 引 言

隨著我國高速鐵路和城市軌道交通的迅猛發(fā)展，軌道路線的檢測維護需求不斷增加，直接關(guān)系著列車的運行安全。國外發(fā)達國家大多使用智能化軌道檢測系統(tǒng)，如瑞士PALAS、荷蘭BSM、澳大利亞RAILSCAN等[1]，但該類大型自動化軌檢車費用昂貴，使用影響運輸?shù)恼{(diào)度。我國普通鐵路線路的日常檢修仍廣泛采用便攜式可直接測量鐵路線兩股鋼軌間軌距和超高參數(shù)的軌距尺，并按照JJG 219-2008《標準軌距鐵路軌距尺檢定規(guī)程》[2]的要求，基于國產(chǎn)軌距尺檢定器執(zhí)行強制檢定來保障其計量性能。目前國內(nèi)涉及鐵路計量的檢測機構(gòu)基本使用沈陽鐵路局蘇家屯軌距尺廠、哈爾濱安通測控等專業(yè)鐵路計量器具廠家所制造的軌距尺檢定器。該類檢定器在

測量軌距尺時均采用手動機械結(jié)構(gòu)進行多點定位及人工讀數(shù)，檢定過程繁瑣耗時。何勝利等[3]改進檢定器部分機械結(jié)構(gòu)，提升了操作簡易性，但仍為人工檢測。文旭等[4]增加了電動控制部分，但并不具備完全的自動檢測功能。

本文通過運動控制和機器視覺技術(shù)在原檢定器基體上有效集成實現(xiàn)了設(shè)備的自動化檢定功能，提升了軌距尺檢定的水平及效率。

1 自動化改造基本原理及結(jié)構(gòu)

圖1為軌距尺檢定器自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖2為相應(yīng)的元部件組合示意圖[2，5]。

整個系統(tǒng)由軌距測量和水平（超高）測量兩部分組成。圖1上半部采用運動控制器、步進電機驅(qū)動器、步進電機、傳動機構(gòu)、數(shù)顯卡尺組成兩組閉環(huán)運動控制[6]解決方案，分別實現(xiàn)超高及軌距檢定時任意間隔的多點高精度自動定位，對應(yīng)著圖2（1、2、3、4、5、16）及（11、12、13、14、15、16、17）所組成的定位子系統(tǒng)。圖1下半部由工業(yè)攝像機及計算機組成機器視覺模塊，依靠圖像處理技術(shù)實現(xiàn)軌距尺測量數(shù)值自動讀取。需處理3種示值圖像：對于機械軌距尺軌距測量時需在指示表盤圖像中正確識別指針、刻度線、示值符號等特征，對應(yīng)圖2中的（7、6、18）組合；超高測量時需在水準器圖像中有效提取水準氣泡并定位刻度值，對應(yīng)圖2中的（8、9、18）組合；數(shù)顯類軌距尺對圖像背景剝離技術(shù)要求較低，主要在于提取數(shù)字形狀特征并識別。

圖1 軌距尺檢定器自動化測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 閉環(huán)運動控制方案

分辨率0.01mm的數(shù)顯卡尺示值誤差為±0.02mm，遠小于軌距尺水平（超高）示值的最大允差±0.30m，可滿足測量不確定度評定要求，且通過專用接口能與計算機通信，因此選用數(shù)顯卡尺作為閉環(huán)位移標準。

步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。計算機通過運動控制器輸出高頻率脈沖信號，經(jīng)由PWM雙極性恒流斬波式驅(qū)動器細分步數(shù)后促成兩相混合式步進電機轉(zhuǎn)動。最終選用保持轉(zhuǎn)矩為1.0（N·m）的電機，通過平穩(wěn)牢固的鏈式傳動機構(gòu)可有效帶動數(shù)顯卡尺的活動尺身移動[7]，位移信號實時反饋回計算機與預(yù)設(shè)置比較，依據(jù)差值符號及大小自適應(yīng)改變脈沖特性，進而控制電機的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速實現(xiàn)精準定位。

圖2 自動化改造后的軌距尺檢定器各部件組合示意圖

3 機器視覺自動讀數(shù)

3.1 數(shù)顯軌距尺示值圖像處理

該類圖像如圖3（a）所示。由于主體僅為暗色背景上的高亮數(shù)學(xué)符號，識別難度較小。選取合適閾值二值化圖像（圖3（b）），經(jīng)腐蝕膨脹操作保障數(shù)字區(qū)域的隔離及完整，再提取各個獨立連通區(qū)域的輪廓并確定最小包圍矩形。若長寬比例處于較方正的區(qū)間則視為可能數(shù)字區(qū)域，如圖3（c）所示。

圖3 數(shù)顯表盤圖像初步處理示例

將統(tǒng)計和特征方法優(yōu)勢聯(lián)合進行數(shù)字識別[8]。一是提取各個數(shù)字子區(qū)域分布統(tǒng)計比例參數(shù)[9]，將數(shù)字最小包圍矩形按照從上到下的分布劃分為5個區(qū)域，每個區(qū)域有效象素數(shù)與整體像素數(shù)的比值即為其比例參數(shù)。二是抽取骨架，采用逐次消去邊界點的迭代細化算法[10]，得到數(shù)字的單像素連接線條。取出骨架線端點和交叉點（3條以上線段的交點）特征，依據(jù)它們在上中下3個區(qū)域內(nèi)的分布數(shù)量及結(jié)構(gòu)信息實現(xiàn)數(shù)字識別。從圖3（a）可看到軌距及超高示值均為連續(xù)5個數(shù)字排列。依據(jù)高度約束對區(qū)域分類，當存在5個同高度連續(xù)排列的數(shù)字區(qū)域組合時，依據(jù)分布先驗知識及骨架端點特征識別出“+”“-”號及小數(shù)點并據(jù)其位置確定數(shù)值，最終結(jié)果見圖4。

3.2 機械軌距尺超高示值圖像處理

圖4 數(shù)顯自動讀數(shù)結(jié)果

該類圖像如圖5（a）所示。由于示值部件為黑色邊框中的狹長水準器，圖像二值化提取出橫跨圖像中部較亮的長矩形區(qū)域作為有效區(qū)域（圖5（b）），以排除不必要的干擾和提高處理效率。圖5（c）為尺面局部放大圖像。示值重要特征包括標尺刻線、長度數(shù)字和水準泡邊緣及其端點。標尺刻線存在一個不易受光照影響的穩(wěn)定特征，即其中心像素點位于水平掃描線的亮度低谷，據(jù)此可提取出所有可能的刻線中心像素點（圖5（d））。保留細長的連通中心像素點集合視為可能的刻線區(qū)域。處于同一高度上數(shù)量最多的區(qū)域組合視為有效標尺刻線排列。依據(jù)刻線高度區(qū)分并保留長、中兩組刻線子集合，刻線識別及分組結(jié)果如圖5（e）所示。雖然非均勻光照和圖像分辨率限制造成極少數(shù)的刻線識別缺失，但已識別刻線信息足夠支持正確讀數(shù)。在有效長刻線的底端提取出數(shù)字目標矩形，按照“3.1”所述方法識別數(shù)字。若連續(xù)長刻線識別出的長度值呈現(xiàn)逐次加1的規(guī)律，則可基本確定為正確刻線組合。由長刻線的間距及示值差得到圖像像素間距與標尺分度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并基此修正錯誤識別的示值。由中等長度刻線與其最鄰近長刻線的距離推算其相應(yīng)長度示值，圖5（f）給出了完整標尺刻線及其對應(yīng)示值的最終識別結(jié)果。

水準泡的定位直接關(guān)系讀數(shù)準確性。相比直接受到刻線干擾的左右邊緣，水準泡上邊緣特征在圖像中更加明確。若某個像素低于其上方像素灰度值一定閾值，則視為可能的水準泡上邊緣點（圖5（g）），具備足夠高度和寬度的連通集合視為水準泡上邊緣的有效區(qū)域（圖5（f）的上端矩形框標示）。此后自最高邊緣點開始逐步下移提取出有效的水準泡邊緣點。

用光滑曲線擬合上邊緣數(shù)據(jù)及其鏡像下邊緣數(shù)據(jù)，其與刻線中點連線的交點即為水準泡讀數(shù)端點。如圖5（g）所示，對四種曲線形式進行最小二乘擬合實驗。1為水準泡最高點之右的上下半邊緣反余弦曲線擬合（式1）結(jié)果。2為最小誤差橢圓擬合（式2）結(jié)果。3為上下對稱半邊緣開口朝左拋物線擬合（式3）結(jié)果，4為上部全體水準泡邊緣開口朝下拋物線擬合（式4）結(jié)果。a、b、c為待擬合曲線參數(shù)，ymid為刻線中點連線高度坐標，xh、yh為水準泡上邊緣最高點的

水平和高度坐標。經(jīng)過反復(fù)實驗求證，式（1）反余弦曲線擬合結(jié)果與實際水準泡形狀最為相符。獲取端點可靠初定位后，可依據(jù)周邊邊緣分布進一步精定位水準泡端點。圖5（h）給出了最終讀數(shù)結(jié)果。

圖5 機械軌距尺超高示值圖像識別過程及結(jié)果

3.3 機械軌距尺軌距示值圖像處理

圖6 機械軌距尺軌距示值圖像處理過程及結(jié)果

該類圖像如圖6（a）所示。對圖像進行二值化，依據(jù)表盤上部高亮白條確定有效示值區(qū)域（圖6（b））?？叹€可能區(qū)域的提取方法與“3.2”超高示值刻線提取類似，但相反的是刻線中心點亮度為其水平掃描

線峰值。在圖像上下部基于同一高度約束確定個體數(shù)量最多的刻線區(qū)域組合作為有效刻線集，同樣對刻線進行長短分類，上下組有效刻線識別結(jié)果見圖6（c）。在識別出的長刻線端部依據(jù)表盤示值元素排布先驗知識確定數(shù)字符號區(qū)域，按照“3.1”數(shù)字識別方法確定長刻線長度值，依據(jù)刻線間位置關(guān)系確定出短刻線對應(yīng)示值。頂端和底部的單條長中心點豎直連線為指示刻線，由其與最近識別刻線的位置關(guān)系確定最終讀數(shù)。圖6（d）為刻線示值及指示線識別結(jié)果，圖6（e）為讀數(shù)結(jié)果。

4 自動檢定實驗結(jié)果

軟件系統(tǒng)調(diào)用了OpenCV[11-12]跨平臺計算機視覺庫。表1為機械和數(shù)顯兩類軌距尺軌距示值誤差自動檢定結(jié)果。在1391mm位置反復(fù)定位5次測量，以量值的最大最小值之差作為重復(fù)性。表2為兩類軌距尺超高示值誤差自動檢定結(jié)果，重復(fù)性是在100mm位置處反復(fù)定位測量5次所得。按照JJG 219-2008的要求：軌距示值的最大允許誤差為±0.20mm，示值重復(fù)性應(yīng)小于0.05mm，超高示值的最大允許誤差1級為±0.45mm，示值重復(fù)性≤0.15 mm，2級為±1.3 mm，示值重復(fù)性≤0.4mm。從實驗結(jié)果看到被檢的機械及數(shù)顯軌距尺軌距示值誤差均符合要求，兩者的重復(fù)性都稍偏大。超高方面機械式軌距尺在50mm處超過了2級超高示值的最大允差要求，其重復(fù)性同樣超過2級要求。數(shù)顯式軌距尺在150mm超過了1級最大允差要求，但滿足2級要求，重復(fù)性滿足1級要求。

表1 軌距尺軌距示值誤差自動檢定結(jié)果 單位：mm

表2 軌距尺超高示值誤差自動檢定結(jié)果 單位：mm

軌距參數(shù)自動檢測耗時30s之內(nèi)。超高參數(shù)自動檢測耗時1min 30s之內(nèi)。重復(fù)性檢測耗時1min之內(nèi)。

5 結(jié)束語

論文通過數(shù)顯卡尺長度反饋標準、脈沖序列驅(qū)動的步進電機動力元件與鏈式傳動機構(gòu)的組合實現(xiàn)了軌距及超高參數(shù)測量點的閉環(huán)自動定位系統(tǒng)。在3類示值圖像中基于灰度和邊緣特征分割出可能特征區(qū)域，再依據(jù)目標像素集合的形狀結(jié)構(gòu)、統(tǒng)計特性及特征點幾何分布識別出該類示值特征，結(jié)合示值表盤先驗讀數(shù)規(guī)則進一步排除錯誤識別結(jié)果，選擇最佳函數(shù)擬合關(guān)鍵端點，解析各類示值特征的空間位置排列信息，由于綜合運用了多種特征識別信息，保證了正確的示值自動判讀。自動檢定實驗結(jié)果表明運動控制和機器視覺技術(shù)的集成運用有效提升了軌距尺檢定的可靠性和效率。

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Research on automatic testing technique of calibrator for railway track gage based on machine vision and motion control

WEI Zheng-liang，HUANG Zhi-bin，GU Yao-da，YAN Jie-wen
（Guangzhou Institute of Measuring and Testing Technology，Guangzhou 510030，China）

As manual operation of calibrator for railway track gage is complicated and time consuming，the renovation of calibrator is realized by the technique integration of motion control and machine vision.Two closed-loop-location subsystems constructed by length standard of digital caliper，chain drive mechanism and stepped motor realize automatic motion control of railway track distance and level parameter measurement point.Recognizing all kinds of indication value features and their relations in display dial plate image based on intensity，geometrical shape，structure and fitting feature information realizes machine vision reading.Experimental results prove that the automatic testing process of railway track gage in different type can be completed after technique integration.

calibrator for railway track gage；machine vision；motion control；automatic renovation；recognition of indication value feature

TP216；TB921；TP242.6+2；TN911.7

：A

：1674-5124（2014)03-0023-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.007

2013-11-25；

：2014-01-21

國家質(zhì)檢總局科技計劃項目（2011QK318）

韋爭亮（1982-），男，廣西河池市人，工程師，博士，主要從事機器視覺及幾何量計量研究。