基于物聯(lián)網(wǎng)的滑觸線檢測(cè)裝置

摘 要：港口碼頭的重型起重設(shè)備通常需要移動(dòng)供電，目前常用的供電系統(tǒng)為滑觸式母線干線系統(tǒng)，即采用滑觸線集成器供電?；|線的特點(diǎn)是穩(wěn)定性好、導(dǎo)電能力強(qiáng)、安全性高，其安全狀態(tài)直接關(guān)系到電氣設(shè)備的安全和設(shè)備能否正常使用。為了延長滑觸線的使用壽命，降低停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的滑觸線檢測(cè)裝置，該裝置安裝于自動(dòng)小車上，自動(dòng)小車沿軌道前行，通過傳感器及視覺檢測(cè)模塊及時(shí)發(fā)現(xiàn)燒蝕、變形等問題，保障設(shè)備安全、可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；滑觸線；自動(dòng)小車；傳感器；視覺檢測(cè)；可靠運(yùn)行

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）08-0-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.035

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干線系統(tǒng)，即采用滑觸線集成器供電[1]。

在移動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行軌道上平行鋪設(shè)滑觸線，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?；|線發(fā)生故障的原因有多種，包括溫度變化造成熱脹冷縮，滑觸線對(duì)接直線度不達(dá)標(biāo)等[2]。此外，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，集電器在滑觸線上移動(dòng)，一方面會(huì)與滑觸線產(chǎn)生磨損，另一方面可能會(huì)產(chǎn)生電弧，長期使用會(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)致滑觸線由于高溫而變形，嚴(yán)重影響滑觸線及設(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]?；|線檢測(cè)對(duì)精度要求較高，錯(cuò)誤的判斷可能會(huì)影響滑觸線的安全，而目前滑觸線檢測(cè)設(shè)備較少[4]。本文對(duì)滑觸線的內(nèi)外側(cè)同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，每根滑觸線通過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)小車為載體，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械機(jī)構(gòu)使小車沿著軌道一側(cè)前進(jìn)。本文根據(jù)港口現(xiàn)場的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)研發(fā)出了一種針對(duì)滑觸線的自動(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)小車需要在內(nèi)部寬度為140 mm的槽鋼上行走，自動(dòng)小車自帶無線傳輸模塊，能夠?qū)F(xiàn)場數(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無線傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)，可兼容多種工業(yè)場景。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)器視覺方式檢測(cè)。同時(shí)，每一條接觸軌底部要放置攝像頭，通過機(jī)器視覺輔助檢測(cè)軌道形變。為保證機(jī)器視覺的實(shí)時(shí)檢測(cè)算力，擬在巡檢車上安裝微型工控機(jī)。現(xiàn)場待檢測(cè)位置距離中控室較遠(yuǎn)，如果采用無線數(shù)據(jù)傳輸，需要使用4G等方式。巡檢車運(yùn)行場地是內(nèi)部寬度為140 mm的槽鋼，市場上符合要求的巡檢車底盤較少，需要自行開發(fā)巡檢車底盤，其關(guān)鍵是車輪和電機(jī)的選取。同時(shí)，巡檢車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)小車上搭載工控機(jī)等設(shè)備。

2.2 陀螺儀

通過自動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小車當(dāng)前的工作狀態(tài)，通過陀螺儀對(duì)小車運(yùn)動(dòng)角度的偏差進(jìn)行檢測(cè)，能夠及時(shí)調(diào)整小車的運(yùn)動(dòng)方向[5]。將自動(dòng)小車本體出發(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)小車偏離初始水平面的距離為：

（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)而誤判滑觸線燒蝕變形。

2.3 無線傳輸模塊

自動(dòng)小車應(yīng)自帶無線傳輸模塊，將現(xiàn)場數(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)的無線傳輸方案，可兼容多種工業(yè)場景。

2.4 攝像頭

該裝置擬采用800萬像素的自動(dòng)對(duì)焦攝像頭，其畫面質(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，部分光線通過接收透鏡成像在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 基于視覺的滑觸線燒蝕檢測(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]。

在滑觸線無燒蝕情況下，表面平整光潔，在可見光光學(xué)成像中應(yīng)呈現(xiàn)自然金屬光澤，而滑觸線被燒蝕后會(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)滑觸線燒蝕的自動(dòng)檢測(cè)：

（1）考慮從圖像顏色上判斷滑觸線是否存在異常；

（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圖像進(jìn)行判斷與精確定位。

此方案的優(yōu)勢(shì)在于通過第一步從顏色上對(duì)滑觸線進(jìn)行初篩，僅將懷疑存在異常的滑觸線圖像傳入第二步的燒蝕精確定位模型，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 基于視覺的滑觸線變形檢測(cè)

滑觸線無變形情況下，從滑觸線下方觀察，可見外層塑料絕緣層完好、整齊，滑觸線左右兩側(cè)邊緣平行，且絕緣外層與滑觸線凹槽區(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)簡單的圖像二值化及邊緣檢測(cè)初步試驗(yàn)，無變形區(qū)域如圖5所示，有變形區(qū)域如圖6所示。通過對(duì)比可有效區(qū)分無變形滑觸線和存在邊緣變形的滑觸線。

實(shí)際檢測(cè)中對(duì)以上過程做進(jìn)一步優(yōu)化，可通過識(shí)別滑觸線的邊緣線是否為直線，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)小車沿軌前行，由編碼器定位小車的實(shí)時(shí)位置。通過陀螺儀測(cè)量實(shí)時(shí)的位姿變化，結(jié)合小車的伸展機(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；通過位移傳感器檢測(cè)滑觸線內(nèi)外的位移變化量，結(jié)合視覺檢測(cè)技術(shù)，綜合評(píng)判滑觸線檢測(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，分別為用戶登錄、歷史數(shù)據(jù)查詢、視覺圖像和位移實(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

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的滑觸線檢測(cè)技術(shù)，項(xiàng)目源于某大型港口的滑觸線智能檢測(cè)需求，針對(duì)人工檢測(cè)效率低、可靠性差等問題，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化檢測(cè)裝置，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)及視覺檢測(cè)相關(guān)技術(shù)，能夠準(zhǔn)確識(shí)別滑觸線故障，可以滿足港口滑觸線檢測(cè)需求。后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)清晰簡潔，方便現(xiàn)場人員操作維護(hù)。本文從硬件、視覺檢測(cè)到后臺(tái)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)開發(fā)，在滑觸線檢測(cè)領(lǐng)域?qū)ΜF(xiàn)場工作人員提供了有力支持。

參考文獻(xiàn)

[1]曾作欽，胡曉芳，陳有昌，等.一種滑觸線集電器機(jī)械操作性能自動(dòng)檢測(cè)裝置[J].電氣技術(shù)，2020，21（3）：113-116.

[2]朱有輝.滑觸線故障原因分析[J].設(shè)備管理與維修，2004，25（10）：15.

[3]江波，徐峰.滑觸線常見故障及相應(yīng)對(duì)策研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019，30（8）：158-159.

[4]莊巖.一種滑觸線集電器安全性能自動(dòng)檢測(cè)裝置[J].機(jī)電工程技術(shù)，2020，49（12）：162-164.

[5]譚盧敏，馮新剛. MEMS陀螺儀在檢測(cè)小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的應(yīng)用[J].科技廣場，2009，22（1）：184-185.

[6]孫鄭芬，吳韶波.機(jī)器視覺技術(shù)在工業(yè)智能化生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（8）：103-105.

[7]李兵，孫彬，陳磊，等.激光位移傳感器在自由曲面測(cè)量中的應(yīng)用[J].光學(xué)精密工程，2015，23（7）：1939-1947.

[8]邱志成.柔性機(jī)械臂的振動(dòng)測(cè)量和控制研究進(jìn)展綜述[J].信息與控制，2021，50（2）：141-161.

[9]趙新虎，李成群.一種輕型電動(dòng)剪叉式升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2018，47（2）：110-111.

[10]曾俊.圖像邊緣檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].武漢：華中科技大學(xué)， 2011.

收稿日期：2024-01-08 修回日期：2024-02-26

作者簡介：赫 宇（1995—），男，碩士，工程師，主要從事智能監(jiān)檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)方面的研究工作。