（信号与信息处理专业论文）基于机器视觉的道岔安全检测系统的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要：道岔安全检测系统的开发一直以来是铁路信号系统研究中的技术难点。 论文概括介绍了道岔缺口检测的产生历史和研究现状，分析了其他道岔缺口检测 方案的优劣。针对这些方案的不足和道岔缺口检测系统设计的难点，论文提出了 基于机器视觉的嵌入式缺口安全实时检测系统，有效地消除了上述方案的不足， 为道岔缺口检测提出了更为实用的解决方案。 论文详细介绍了基于机器视觉的嵌入式缺口检测系统的原理和基本功能，给 出了整体设计方案和各实现模块的设计思路，包括标记的设计制作方案、图像采 集的设计实现、嵌入式机器视觉处理机的设计实现、嵌入式声光报警处理机的设 计实现、电力载波通信系统、c a n 总线通信系统等。 论文细致阐述了在基于机器视觉的嵌入式缺口检测系统设计中图像采集处理 的设计实现方案，克服了铁路现场环境恶劣，转辙机内部空间狭小，现场安装传 感器不能破坏转辙机的原有结构等难点，是检测系统实用性的集中体现。 论文还参考了目前流行的嵌入式系统实现方法，确定了嵌入式机器视觉处理 机的a r m l i 叫x 实现方案。为增强嵌入式缺口检测系统可用性，便于在市场上大 面积推广，论文还简要叙述了嵌入式声光报警处理机的实现，避免了嵌入式缺口 检测系统产品化时涉及的知识产权问题，为实验室成果的产品化扫清了一大障碍。 论文又介绍了目前正处于研究热点中的控制局域网c a n 总线技术，给出了c a n 总线通信系统的一个简单实用的实现方案。引入了c a n 总线通信系统后，缺口报 警数据、系统报警数据可以及时准确地上传至微机检测系统，极大地增强了嵌入 式缺口检测的实时性。 论文介绍了在系统开发过程中所遇到的重大问题，给出了分析问题、解决问 题的步骤，为后人继续研究开发道岔缺口安全实时检测系统提供了一定的经验教 训。 关键词：缺口检测；机器视觉；嵌入式a 跏系统；c a n 总线；系统实现。 分类号：t p 3 9 1 4 l ；t n 9 1 1 7 3 a b s t r a c t a b s l r a c t ： t u m d u ts e c i l r i t yd e t 。c t i o ns y s t c f nh 嬲b e e i lt l l ed e v e l o p m 曲to ft l l em i l w a ys i 笋a l s y s t 锄t e c ：h i l i c a ld i 伍c 1 1 m e s p a p e r so u t l i i l i n gt l l eh i s t o r y 锄dt h et i l m o mg 印d e t e c t i 伽 锄dr e s e a r c h ，撇l y z c dt h ep m s 柚dt h eo t l l c rt i 】n 1 0 u t 群l pd c t 。c t i 蚰h l1 i g h to ft 1 1 e p m g r 拗s ，t l l eg a pb e t 、 ，e e nt l l m o u t 柚dt l l ed i m c u l t yo fd e t e c t i o ns y s t 锄d 髂i 尽罩l ，t m s p a p 盯印s e n 协a c m i t yg a pb a 蹦：do nm a h i l l ev i s i 黜b e d d o dr c a l t i m e 融t i 0 i l s y s t 锄，e f i 吐v ep r o 舀砌t oc l i m i n a t em e s h o r t c o l l l i n g s ，t h e 咖o u tg a p 断e c 吐o n m o r ep m c t i c a ls 0 1 u t i o n p a p e f sd “lt 1 1 eg a pd e t 硎o ns y 毗咖b a s c do nm a c t l i n e 、，i s i o ne m b e d d e di nt l l e p r i n c i p l 髓a n db 嬲i cf h n c t i o i l s ，百v e nm eo v e r a nd e s i g n 趾d 硎i z a t i o ft l i em o d l l l e d e s i g l l ，i n c l u d i r i gt 量i ed 锚i g no fp i o d u c t i la _ b e l i n gp r o 罂a mi m a g ea c q u i s i t i o nd 鼯i g l l ， 1 1 h ed e s i 印a n dh 1 1 p i 锄铋t a t i 鲫o fe m b e d d e dp m c e s s o rm a c h i v i s i o n s o 瑚d 柚d “g h td e s i 辨a n dh i l p l 锄e n t 撕o no fe n l b c d d e dp r o c 部s p o w e rl i i l e 伽时c r c o m i 姗n i c a t i o n ss y s t e m s ，c a nb u s 咖m i l i l i c a t i o ns y s t e m p a p e f sd e s c r i b e di nd “lb a s o d m a c t l i n ev i s i o ni n s p e c t i o ns y s t 锄d e s i g n 锄b e d d 。dg a p si l lt l l ed c s i 肛a n di m p l 锄啪t i o no fi m a g ea c q u i s i t i o na 1 1 dp m c e s s i n 辱 o v 蝴m et i 璩m i l w a ys i t ee n v i r o m n e l l t ，t l l ei i l t e m a ls p a c eb e t l i n dp o i n t e lf i e l d h l s t a l l a t i o no fs e 衄o r sc a i l d a l i l a g e t l l eo r i 百n a l 咖1 c t l l f ep o i n t 盯d i 位c l l l ti sm e c o n c e n 打a t c de x p r 鹤s i o nd e t e c t i o ns y s t e mp l 捌c a l t h ep a p e ra l s om a d er e f b 豫l c ct ot l l e c u r r e n t l yp o p u l a rm 舶do f 锄b e d d e d s y s t 锄s a r me m b c d d e dp m c e s 鲥i d e l l t i f i e dm a c h j n e 、，i s i o nh n p l 锄叫a t i e n l b e d d e dt oe l l l l 锄c et l l e 璐a b i l 时g a pd e t e c t i o ns y s t e mt o 亿c i l i t a t e1 a r g e - s c a l e 唧o t i o ni i i 也em a r k e t p a p e ro u t l i n e st l l ee m b e d d e dp r o c e s s o rt oa c i l i e v es o u n da n d l i g h ta l 锄e m b c d d o dp 硎u c to fag a p t oa v o i dd e t c c t i o ns y s t 鲫i n v o l v e di i lt l l ei s s u e o fi n t c l l e c 删p r o p e n yr i g i l t s t h er 髂u l t so fl a b o r a t o r yp r o d u c t s 白rc l e a r i n gam a j o r o b s t a c l e p a p 粥a l f o 哪m e 咖d y i sn o wi i lc o n lo f c a n - b u st e d m o l o 黟c a nb l l s c 删嘲u l l i 础o ns y s t e mi sg i v e nas i 玎1 p l ea i l dp m c d c a lr e a l i z a t i o no ft l l ep r o 孕砌 i n 仰d u c 6 0 no ft l l ec a nb u ss y s t 锄，t l l ep o l i o ed a t ag a p s ，a l a 皿s y s t 锄t i m e l y 锄d 觚a l m t ed a t ac a nb e 仃甜l s m i t t e dt ot l l e 孕d u n dc o m p u t 盱d c t c c d 衄s y s t e m 舀e a t l y 丝裹窑适叁堂亟生些监塞 e 1 1 l l 锄c c 啪b e d d e dr e a l 劬ed 岫t i o f t l l eg a p f i n a l l y ，t l l i sp 印盯i i l 仃) d u c 器t l l es y s t a 【璐d e v e l o p m e n tp f o c 锱sa m em 面o r p r o b l 锄se n 咖m e r c d ，t l l ep a p c ra n a l 嘲p r o b l e i n s o l v i i l gs t 印s t 咖o u tf 撕缸i 们 毋m 删i o n st oc o m i n u et h er 锶“h 锄dd e v e l o p i n e n to fr i - 血n ed 北c t i o ns y s t 唧 p r o v i d 鹤as 娟 t y g a p i l l t h e e x p 甜曲c c 1 y w o 劝s ：g a pd e t e c t i o n ；m a c m 鹏v i s i ；锄1 b e d d e da i u 幢s y s t 啪；c a nb 璐； s y s t e i i li m p l 锄饥t a t i c l a s s n o ：t p 3 9 1 4 1 ：t n 9 1 1 7 3 致谢 本论文的工作是在我的导师裘正定教授的悉心指导下完成的，裘正定教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 裘正定老师对我的关心和指导。 丁晓明教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向丁晓明老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，王升辉、刘志等博士师兄对我论文的研究工 作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之惰；同时感谢曾经与我一起学习， 一起生活的同学和朋友们：宋胜凯，吴光椿，熊轲，高鹏，石黎，张长喜，任娟 等。 另外也感谢父母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 论文背景和选题意义 第一章综述 随着我国铁路现代化建设的进程，铁路维护检测的自动化也变得日益重要， 在我国铁路运营负担重，运营速度不断提高的情况下，实施轨道系统的核心设备 道岔转辙机的自动化检测维护势在必行，该科研课题已经得到了铁道部高度 的重视。 早在1 9 8 8 年初，郑州局电务处在全局电务工作会议上提出“应该发展表示杆 缺口自动检测技术，解决缺口开箱检查的问题”的设想。1 9 9 0 年后，陆续有了路内 一些单位开始进行相关研究的消息，但时至今日仍未见到成熟产品在路内推广应 用。现有的产品都存在同一个问题，在实验室条件下准确性( 精度) 都能达到要 求，但是在上道运行测试中，虚警和漏警现象严重，因此目前还没有任何一家产 品通过铁道部的认可，并且得到大面积推广。 1 1 1 铁路道岔缺口检修的现存问题 道岔是铁路行车的一项关键设备，其运用安全是保障列车运行安全的重要环 节。道岔工作的稳定性和精密度直接影响着列车运行的安全，在列车高速运行状 态下，更是需要道岔系统保持稳定精确的工作状态。 铁路信号系统作为铁路运输系统的重要分支，担负着行车指挥设备的运营和 维护管理工作。伴随着铁路现代化的进程，铁路信号已经从早期的手信号、蜡烛 灯逐步发展成为今天包括调度、闭塞、联锁、自控等专业技术装备在内的庞大的 综合系统；其功能也由单纯的指挥列车进行或停车，发展成为保障行车安全和提 高运输效率所不可缺少的技术行业，并成为铁路现代化的重要标志之一。 转辙机是我国铁路电气集中车站广泛使用的主要信号设备，具有数量大、处 所分散、动作频繁等特点。电动转辙机除了要完成道岔转换和机械锁闭任务外， 还要利用其表示杆和自动开闭器等部件，实现对道岔密贴状态的检查，并通过有 关信号电路实现对道岔的电气锁闭，构成信号电路的联锁条件，因此道岔表示杆 对确保行车安全起着举足轻重的作用。由于电动转辙机工作环境非常恶劣，加之 l j t 塞窑盈态堂亟生些监塞 频繁的动作和道岔线路整修、道岔杆件磨耗旷动等，使得表示杆状态会经常发生 变化，现场维修人员必须经常通过检查缺口对表示杆状态进行检查，对杆件进行 消旷处理，并对超标缺口进行调整，以确保转辙机的正常工作。“缺口”一词是铁 路现场对道岔转辙机表示杆位移量的一种测量方法和形象称呼，通过对道岔转辙 枧表示杆缺口位移和状态的监控，可以计算出道岔尖孰( 及芯轨) 的密贴度是否 符合安全工作的要求，从而判断道岔工作状态是否稳定和精确。 当前信号系统的中心工作是在确保行车设备安全运用的基础上，不断深化信 号维修体制改革。改革的重点一方面是抓好以“天窗修”为主要内容的维修管理 工作，另一方面就是大力发展以电气集中微机监测为核心设备的信号检测和故障 诊断设备，使信号维修工作逐步由计划修、分散修向实行状态修过渡。其目的之 一就是要争取最大限度地延长设备无故障工作时闯和压缩故障恢复时间，同时减 少检修作业的次数和时间，降低人为违章而造成行车事故的概率。为适应这种维 修战略的变化，近年来对电动转辙机进行了一系列技术改造，如采用自适应式摩 擦联结器、使用金属摩擦带、采用新型开闭器接点组等措施，使得影响延长电动 转辙机检修周期的因素逐步减少。然而现有的微机监测系统还没能实现对诸如道 岔表示秆缺口变化等现场维修工作中的重点内容，落后的检查方式成为制约我们 对道岔设备维修体制进行改革的瓶颈。因此，解决这一薄弱环节成为摆在我们面 前的紧迫需要。 1 1 2 缺口自动检测系统的研究现状 铁路道岔转辙机缺口检测设备是用于道岔工作状态检测的专用监控设备，用 以测量道岔转辙机的各种参数如启动电压和表示电压，表示杆行程，动作杆张力， 缺口位移量等，其核心是测量缺口位移量。利用自动化的缺口检测设备，监控中 心可实时的对铁路道岔系统工作状况进行掌握和控制，在减少日常检修耗费的人 力和物力的同时，及时发现和处置各种异常情况。 近年来，在信号系统科技人员的不懈努力下，对缺口检测系统的研究已经取 得了一些进展，积累了许多宝贵的经验，其中有成功的经验也有失败的经验，从 而使我们对缺口检测问题有了越来越多的了解，解决问题的思路也逐渐清晰。 实现缺口检测主要有以下几种考虑方案，一是开盖直观检查，包括用塞尺等 2 手段进行人工测量；二是通过特殊的媒介将缺口的状态间接显示出来，如在表示 杆上加标尺、用微型摄像机记录并传输图像和用位移传感器进行模拟量测试等， 此时只给维修人员提供出缺口的实际变化情况，再由人根据所掌握的设备标准做 出具体判断，其中有分散显示和集中显示两种；三是根据所指定的设备标准使用 专门的缺口状态传感器，直接给维修人员提供缺口报警信号，而不需要由人再来 对缺口标准进行判断。 总体来说，我国铁路对道岔缺口检测的研究从2 0 世纪8 0 年代末发展至今经 过了三个阶段。第一阶段( 1 9 8 6 1 9 9 2 年) 是以采用表示杆粘贴检查标尺同时加 装检查窗的人工分散检查方式。第二阶段( 1 9 9 3 1 9 9 6 年) 是以改装转辙机内检 查柱作为缺口传感器为主要内容的集中或分散检测报警方式。传感器的类型有电 触点型和光电型两种，集中报警是利用道岔既有电缆芯线或专门敷设的电缆将报 警信号传入信号机械室集中报警；分散报警则是在每个转辙机内利用声光信号进 行报警。第三阶段( 1 9 9 7 年一至今) ，是以研究表示杆位移传感器为核心内容，并 主要利用专门敷设的电缆或既有道岔电缆备用芯线作缺口信号传输通道，同时采 用微机技术或结合电气集中微机监测系统构成集中报警和记录。可以看出，道岔 缺口检测系统研究的着眼点随着信号维修制度改革的进程和计算机技术在铁路信 号系统的迅速推广在逐步转变，既由分散一集中一自动。 国内已经有8 ，9 家科研院所和公司单位推出了道岔转辙机缺口检测设备。这 些科研院所和公司单位主要有北京京佳电通公司，齐齐哈尔科研所，上海局科研 所，上海铁大电信设备有限公司，兰州电务器材厂等。 这些科研院所和公司单位推出的产品都采用了传统的接触式传感器电磁 传感器光电传感器的位移检测方法，并且部分产品只能检测开关量，因而不能反 应设备的精确状态和误差程度。这些方案在无强电磁震动干扰的环境下，测试精 度和准确性都能达到要求。但是在实际环境中，振动对接触式传感器会造成巨大 的磨损和累计误差；强电磁环境对电磁传感器存在巨大的模拟干扰，光电式传感 时对电磁和震动两种干扰都很敏感，电磁传感器，光电传感器的模拟部件对温度 敏感巨大，铁路现场温度变化大，也使此类器件的性能和准确度大为降低。因而， 现有的产品在上道现场运行都存在严重的虚警和漏警现象。 3 1 2 论文的研究内容和创新点 道岔缺口安全实时检测系统设计实现的难点主要有以下几个方面： l 、铁路道旁环境恶劣，对道岔缺口安全实时检测系统抗干扰性能要求较高； 2 、转辙机内部空间狭小，现场安装传感器不能破坏转辙机的原有结构； 3 、道岔转辙机旁无供电电源； 4 、缺少信息传输的通道； 5 、缺口检测系统的实时性很难保证； 6 、在铁路现场复杂条件下，很难保证道岔密贴度的高精度检测； 1 2 1 基于机器视觉的道岔缺口检测系统 从2 0 0 2 年6 月到2 0 0 4 年l o 月，经铁道部科技司立项批准后，我实验室 先后调研太原电务机械修配厂、西安信号工厂、西安西门子信号有限公司和 天津信号工厂，实地考察西安附近三民车站试验运行中的转辙机缺口监测系 统，并与现场师傅和路局领导对整体研究目标和方案进行反复讨论分析，最 终确定了表示杆精确定位参数，远程自动检测，接入已有微机监测系统的总 体目标。 这套道岔缺口安全实时检测系统是针对z d 6 型号转辙机开发的，以转辙 机表示杆精确定位为手段，以嵌入式终端在远端现场实时采集并处理图像数 据为主要技术核心，并辅以总线传输、数据存储显示等技术的道岔运用安全 实时检测系统。这套系统包括信息采集及前端处理子系统、信息传输子系统、 后台状态处理子系统。 这套道岔缺口安全实时检测系统在保定车站做了长达一年的现场测试， 初步完成了道岔缺口检测系统的基本功能，对道岔缺口安全实时检测系统更 深入的设计开发打下了坚实的基础。但是，以z d 6 为开发目标的道岔缺口检 测系统已经不能适应铁路改革的步伐，表现在以下几个方面： 1 、为适应铁路提速的要求，高速道岔转辙机急剧增加，其结构与低速转辙机 有很大不同； 2 、电气化铁路的改革使得道岔缺口检测系统需要在强电磁干扰环境下依然保 4 持高可靠性； 3 、高速道岔转辙机的表示杆缺口有多种标准，要求道岔安全检测系统必须具 备一定的自适应能力； 4 、高速道岔缺口检测对检测精度提出了更高的要求； 5 、实时性要求迸一步提高。 那么，开发针对高速道翕和电气化铁路的道岔缺口实时检测系统就势在必行。 1 2 2 论文的研究内容 本文基于西安西门子信号有限公司与北京交通大学信息所实验室合作项目 道岔转辙机s 7 0 0 k 表示杆缺口数据实时检测系统的设计开发。应用于高速道岔处的转 辙机s 7 0 0 k 是其主要转辙机产品，多次成功应用于多条提速线路，使得中国道岔转换 设备已经达到国际先进水平。 依靠实验室多年来在信息采集、通信传输和信号处理方面的丰富研究开发经验， 我们制定了高速道岔安全实时检测系统的实现方案： l 、采用机器视觉的方式替代人眼视觉，完成对道岔缺口数据的采集处理； 2 、设计实用可行的标记制作和图像采集方案； 3 、利用嵌入式机器视觉处理机上的软硬件资源，实现缺口标记图像的实时处 理和数据上报； 4 、利用嵌入式声光报警处理机实现各个表示杆缺口数据记录功能、实时缺口 数据显示和报警功能、报警开关量上报功能。 其中，嵌入式机器视觉处理机与声光报警处理机之间通过自定义的电力载波 通信协议实现数据传输，嵌入式声光报警处理机和位于信号楼内的微机检测系统 之间是通过现场总线c a n 实现数据传输。 1 2 3 论文的创新点 本论文针对道岔缺口安全检测系统提出一种具有自主知识产权的道俞缺口安 全实时检测系统的设计方案；一种应用于道岔安全实时检测系统中的实用化机器 视觉算法；为实现该缺口实时检测系统所作的工程实用化研究。 笔者在该系统的设计开发中的主要工作和创新点有： 5 l 、首次提出了一种全新的道岔缺口检测方式基于机器视觉的铁路道岔实 时检测系统。该系统使用高分辨率且轻巧灵活的数字摄像头，通过无接触方式， 实现了道岔缺口的高精度检测。其出众的抗干扰性能是其他检测系统所不可比拟 的。 2 、用嵌入式新技术a r m 9 芯片作为核心处理器，快速、高效地处理大批 量数据，确保了缺口检测报警系统的实时性； 3 、实用化的机器视觉软硬件设计方案为检测系统的精度提供了保证，使得当 前的缺口检测精度达到了o 0 3 舢。 4 、设计出了嵌入式主端处理机，通过一个主端处理机可控制最多4 0 个远端 数据处理机，实现了无人值守状态下的缺口自动检测、报警和日志记录功能； 5 、解决了铁路现场缺少通信电缆的问题，仅用一对备用电缆线实现了大功率 的远端馈电和可靠的数据通信功能； 1 3 论文的结构组成 第一章为综述部分，讨论了本课题的背景和选题意义，介绍了缺口检测系统 的研究现状，确立了本课题的实现价值和意义。 第二章介绍基于机器视觉的道岔安全实时检测系统整体方案，包括本方案中 应用到的新技术以及这些新技术在系统中的实现方式； 第三章介绍道岔安全实时检测系统机器视觉算法的实用化改进，提出了以标 记宽度为标尺和“两头靠”方式相结合的办法，为保证缺口状态检测精度提供了一种 巧妙的实现方法； 第四章分别从系统硬件设计、电力载波通信、现场故障等角度分析道岔安全 实时检测系统的工程实用化研究，为道岔安全检测系统适应复杂的现场环境，简 化现场维修人员的操作，提高缺口数据的检测精度，减少误报警率等方面均提供 了切实可行的实用化方案。 第五章介绍了现场总线c a n 的开发应用，将c a n 总线通信引入道俞缺口检 测系统，极大地提高了系统的实时性。 第六章总结与下一步工作。 6 第二章基于机器视觉的道岔安全实时检测系统方案 经过与西安西门子信号有限公司相关开发人员深入细致的讨论，依靠实验室 多年来积累的项目开发经验，我们针对西门子信号有限公司的转辙机s 7 0 0 k 设计 出适用于高速道岔转辙机的通用缺口安全实时检测系统方案。 注：文中所称“机器视觉”不同于广义上理解的机器视觉，在这里“机器视 觉”是指用图像传感器替代人眼视觉完成缺口监测功能。与人眼视觉相对，论文 中以“机器视觉”称谓实时图像采集处理系统。 该系统方案主要包括标记的设计制作、图像采集设备设计、嵌入式机器视觉 处理机、嵌入式声光报警处理机、电力载波通信系统、c a n 总线通信系统等。其主 要框图见图( 2 1 ) 所示。 图( 2 1 ) 道岔监测系统原理图 f i g u r e2 一lt u r n o u td e t e c t i o ns y s t e m 以下就道岔安全实时检测系统的原理和整体设计方案做出介绍。 2 1 基于机器视觉的道岔安全实时检测系统原理 道岔表示杆在转辙机内部，周围机械器件紧密，空间狭小，不便于安装传感 7 j e 塞銮通太堂亟生些j 金塞 器；安装传感器过程中，对转辙机过多的改造可能会影响其机械特性；铁路现场 环境恶劣，电磁干扰严重，必须选择合适的传感器。针对上述实际困难，我们设 计了基于机器视觉的道岔缺口安全实时监测系统，该系统的特点就是：道岔检修 依靠人眼观察来判断缺口的位置是否超标，这种方式我们用机器视觉代替，不改 变传统视觉观察方式；利用表示杆的刚性将缺口的偏移平移到转辙机外部的表示 杆末端位置，在该处安装图像传感器，采集标记的图像，通过图像中标记的实际 位移推算出缺口的实际偏移。示意图见图( 2 2 ) 所示。 图( 2 _ 2 ) 标记检测原理图 f ig t l r e2 2m a r kd e t e c t i o n 首先记录下动作前后的标记图像，对两幅图像提取特征值，计算出图像上的 偏差l 。 然后，根据图像计算出标记的图像宽度w t ； 最后，设标记的准确宽度为w ( 标记的准确宽度是预先给定的) ，那么，标记 的实际偏移l 的计算公式为： 址：旦越- 该公式按照图像上和实际位移成比例得出。 以上仅给出了缺口相对偏移的计算步骤，计算缺口绝对偏移的详细步骤将在 第三章中给出。 2 2 机器视觉的数据采集端的设计方案 机器视觉的数据采集端是整个系统设计方案的基础，该部分包括表示杆标记、 8 照明灯光电路板、基于u s b 的摄像头。 2 1 1 标记的设计方案 标记的制作是北京交通大学信息所实验室与西安西门子信号有限公司合作开 发出来的。实验室根据多年来在图像处理方面的研究经验，结合项目具体情况， 提出标记要求。西安西门子有限公司则依据在机械制作方面的优势，对实验室提 出的要求给出具体的实现方案，并多次改进标记方案。最终确定为打印标记，固 定在表示杆延长段上。 2 1 2 照明灯光电路板的设计方案 灯光照明是图像采集成功与否的关键因素，设计实用的照明电路板是基于机 器视觉的数据采集端的设计要点。经过数次实验测试，照明电路实现了亮度合适， 光斑尽可能小，为成功采集标记图像提供了必要条件。 2 1 3 摄像头的设计方案 摄像头的选择是实现机器视觉最重要的环节，实际要求该摄像头体积小，分 辨率高，畸变小，抗干扰能力强，在高温( 7 0 摄氏度) 下正常工作。中星微生产 的z c 3 0 1 摄像头较为符合要求，而且驱动比较完备，我们完成了在l i n u x 下摄像 头驱动剪裁，使驱动适合嵌入式系统的要求。摄像头功能强大，为后端处理程序 提供了高质量的图像。 2 3 嵌入式机器视觉处理机的设计方案 嵌入式机器视觉处理机包括电力载波子系统、电源转换子系统、图像采集控 制子系统、嵌入式a 跳系统。 2 2 1 嵌入式a 刚系统设计方案 自从上世纪八十年代嵌入式技术提出到现在短短的几十年时间，嵌入式系统 已经无处不在。从国防工业中的飞机，导弹的控制系统，w a p 手机，可视电话，网 9 络电话，到智能玩具与智能家电，机顶盒都有广泛的应用。嵌入式系统是以应用 为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适应应用系统对功能可靠性，成 本，体积，功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。它是将先进的计算机技术， 半导体技术和电子技术各个行业的具体应用结合后的产物，这一点就决定了嵌入 式系统必然是一个技术密集，同时又高度分散，不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效的设计，量体裁衣，去除冗余，力争在 同样成本下实现更高的性能，这样才能在具体的应用选择面前更具有竞争力。在 软件方面，嵌入式系统要求针对用户的具体需求，对系统配置进行裁减添加才能 达到理想的性能，甚至根据不同用户的特殊需要，设计不同的系统以面向不同的 用户需求。在软件方面，要求代码高质量和高可靠性，要求程序编写和编译工具 的质量较高，以减少程序二进制代码长度，提高执行速度，节省存储空间。 a 跚公司自1 9 9 0 年成立以来，一直以i p 提供者的身份向各大半导体制造商出 售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售。其设计的芯片内核具有功耗低， 成本低等显著优点，因而获得众多半导体厂家核整机厂商的大力支持，在3 2 位嵌 入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有7 0 以上的3 2 位嵌入式产品市场， 生产a 跚芯片的国际的公司已经超过了5 0 多家。由于a r m 的开发生产机制和今年 来的发展，使得a 跚几乎成为了r i s c 的工业标准。另一方面，在国内，a r m 的开 发使用也远远比其余几种处理器核广泛，a 删的开发工具齐全完整，a r m 的成功案 例也相对较多。实际上，由于a 跚核的特点和a 跳技术的推广形式，基于a r m 核 的s o c 芯片已经成了嵌入式系统的主流芯片，a 雕核已成为事实上嵌入式处理器标 准，a r m 芯片也成为嵌入式领域，应用范围最广，使用数量最多，标准化程度最好 的s o c 芯片。 本系统采用了a t m e l 公司的a r m 9 芯片作为图像采集控制和处理核心：a j o m 9 核的处理器最高运行频率是4 0 0 m l l z ，可以实时采集处理图像；a r m 9 外围接口丰富， 可以扩展8 m 字节的f l a s h 存储器，方便地存储较长时间内的缺口数据，以备微机 监测系统的查询；丰富的通用输入输出接口( g p l 0 ) ，便于控制信号的输入输出。 另外，嵌入式机器视觉处理机对嵌入式声光报警处理机的查询及时做出回应，保 证上传实时和全面的缺口数据。 l i n l l 】【的所有源代码都采取开放源代码的方式，在专有的平台上使用l i n u x 操 1 0 作系统有如下的优点： 1 ) 系统稳定，功能强大，便于作嵌入式的剪裁和移植。 i i 瑚l x 可以稳定的运行在多种体系结构的处理器上，同时“n 1 1 ) 【又是一个很小 的系统，用来启动只需要小到5 0 0 k 的目标代码，“n 1 1 】【的系统界面和编程接口都 和传统的u 】q 类似，大量的i j l q 下的程序可以比较容易的得到移植，l i i n 上 的应用软件也不断得到扩充。 2 ) 公开源代码，使用l i n 胍是完全免费的。 3 ) 网上资源丰富，帮助文档完善 4 ) 支持大量的外围设备 现在许多厂商也开始支持l 柚强，几乎是某种外围设备一经退出，相应于它的 l i n 弧d r i v e r 也就问世了，而且“n 畎下编写设备驱动程序也比较容易。 基于以上诸多优势，我们选用了在a j u 讧9 系统上移植上l i n u x 操作系统的方 式设计了嵌入式机器视觉处理器和声光报警处理器。 2 2 2 图像采集控制子系统设计方案 按照系统设计的标准化取图流程，操作人员需要依次采集四幅标准图像：定 位伸出标准图像，定位缩入标准图像，反位伸出标准图像，反位缩入标准图像。 并且对每次采集的图像进行特征提取，判断是否为有效的图像，如有效则取图成 功，用l e d 一段时间的闪烁来指示取图成功，反之不闪烁 成功采集四幅标准图像并存储下来，是实现缺口安全检测的前提。必须在软 硬件上保护现场不出现误操作。 针对上述要求，我们设计了图像采集控制予系统的方案： l 、四个不带锁定功能的按键分别控制四幅标准图像的采集； 2 、四个l e d 指示灯分别对应四个按键，用来指示采集到的图像是否有效； 3 、一个带锁定按键，在键按下时打开锁定，可以操作取图按键；当按键弹起 时，锁定四个取图按键，防止误操作； 2 2 3 电力载波子系统设计方案 现场只提供一对备用电缆，需要利用这一对备用电缆实现远端馈电和数据传 输的功能。此方案我们参考了实验室在z d 6 上设计缺口检测系统的经验，采用电 力载波同时实现远距离馈电和数据传输两项功能。 电力载波系统采用了成都市科强电子技术公司的k q - 1 0 0 e 型电力载波通信模 块，信号或数据用5 0 k h z 一3 5 0 l ( h z 之间的载波频率进行调频，此高频信号通过低压 电力线向远方传送，载波中心频率为1 2 7 k h z ( k q - 1 0 0 e ) 。 采用台湾华邦公司单片机w 7 7 e 5 8 作为k q - 1 0 0 e 的控制芯片，通过两条串口线 ( r x 和t x ) ，一条i o 口线控制k 旷l o o e 的数据接收和发送。单片机w 7 7 e 5 8 主要 实现了帧头校验、地址滤波、c r c 校验功能。 单片机w 7 7 e 5 8 和k q - 1 0 0 e 型电力载波通信模块组成的电力载波系统，实现了 嵌入式机器视觉处理机和嵌入式声光报警处理机通信的物理连接。电力载波系统 的通信协议包含差错校验、检错重发等技术，保证双方的可靠传输。 2 2 4 电源转换子系统设计方案 电源系统方案设计：需要交流电转直流电模块( a c d c ) ，直流稳压电源模块 ( d c d c ) ，以提供给各芯片稳定的直流电源。 a c d c 选用北京鑫达飞电子技术开发有限公司的) f - 4 3 型电源模块。北京 鑫达飞电子技术开发有限公司的x d f 4 3 电源模块的特点是：宽输入电压范围，低 输出噪音，高效率、高密度，超薄、小型化设计，可直接安装到p c b 板上。其主 要参数：输入8 5 2 6 5 、，a c ；输出9 0 v o 5 a ，7 o v 1 0 a 。 交直流电源转换模块的输出电压经测试达不到直流电源要求，需要用直流一直 流电源转换芯片进行稳压，以减少纹波系数的影响。 d c d c 模块采用了两路分离电源，主要原因是：嵌入式机器视觉处理机需要 供电的芯片有a r m 9 系统，电力载波系统，照明灯光系统等，一路电源难以提供 稳定足够的电源功率。a r m 9 系统要求电源稳定性较高，我们用l m 2 5 7 6 稳压电 源芯片为a r m 9 系统提供电源；电力载波系统对电源稳定性要求较低，我们用7 8 0 5 作为供电芯片。 经过长时间的现场测试，两路电源的稳定性得到了很好的验证。 2 3 嵌入式声光报警处理机的设计方案 基于嵌入式系统的声光报警处理机方案，由于嵌入式系统本身的资源受限， 同时从考虑稳定性的角度出发，不可能在里面实现过多、过重的任务，需要将基 于工控机的主机后台处理方案进行裁减后，使之适应嵌入式系统的特点。 综合起来，基于嵌入式系统的声光报警处理机应该具备的功能包括转发器部 分和核心处理板部分转发器部分主要是完成电力载波干扰数据的滤波，馈电等 功能。而核心处理板部分则包括：通信部分、数据处理部分、核心部分、c a n 模块 通信部分、微型数据存储管理部分、网络控制接口部分等。 嵌入式声光报警处理机与嵌入式机器视觉处理机相同的部分子不再作出介 绍：电力载波通信系统，电源方案等。以下介绍嵌入式声光报警处理机的特有功 能。 2 3 1 核心处理部分方案设计 核心a r m 处理器部分是主端的核心部分，负责数据处理、从端和微机监测系 统c a n 通信、报警显示等方面。该部分主要包括a 跚处理器、内存模块、f l a s h 模 块等。其中a 跚芯片型号为a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，工作频率1 8 0 删z ，正常工作功耗为3 w ， 正常工作温度范围是一4 0 至8 5 。内存模块包含2 片s d r 枷，容量共3 2 m b ，时钟 频率为1 3 3 湖z ，工作电压为3 3v o 3v ，1 6 位数据宽度，正常工作温度范围是 一4 0 至8 5 。核心部分主要负责系统的控制功能，在嵌入式系统中，核心部分应 该完成的功能包括：定时发送查询数据命令，根据远端返回的状态判断远端状态 并记录，根据远端的状态情况，决定是否查询远端数据，或者通过发送命令帧来 打开关闭远端图像传感器、复位远端的图像传感器、复位远端系统等。 2 3 2 通信部分方案设计 通信部分完成与远端多个嵌入式机器视觉处理机的通信，核心部分会定期向 通信部分发送数据查询帧，通信部分根据核心部分的请求，负责完成这次通信的 全过程。包括超时重传、检错重传、帧序列号管理、广播通信管理等。这部分功 1 3 j e 塞变适太堂亟生些j 金塞 能可以参照w i n d o w s 下的实现，将其分成几个层，每层完成相应的功能。串口控 制部分( c s e r i a l p o r t ) ，主要完成串口的控制与数据的收发。帧结构的底层实现部 分( c b t i i i f r m ) ，这一层相当于数据链路层，主要保证点到点的可靠传输及信道复用。 这一层主要完成这样几项工作：把上层传递下来的数据最终组成一个完整的帧， 加上帧同步码，计算帧校验值( c r c ) ，扫描并去除其中的伪同步字符；超时定时器， 若一个帧( 广播帧除外) 发送出去m 秒以后仍未收到对方响应，则自动向对方重发 刚才的帧，并使计数器加一，当计数次数达到n 次时，则向上层发送一个错误消 息，告知应用层通信线路不可用，如果应用层发现一个远端连续l 次都无法通信， 则可以采取进一步的操作，如暂时将该从端从查询队列中剔除，等待一定时间后 再恢复查询该从端。由这里也可以分析出，主机向一个从端发送帧，若从端发生 故障，主机最长可能要等m 木n 秒钟，才能知道这个消息。处理从端的重发请求帧， 若主端收到从端的重发请求，则向从端发送刚才发送的帧( 在每次发送后，均备 份这一帧) ，并对重发进行计数，当连续重发的次数达到k 次时，则停止和从端交 互，向上层汇报一个错误。帧结构的上层应用部分( c a p p l y l a y e r ) ，这一层是广播 包的处理。我们的通信协议规定，为了加快通信的过程，可以先发送一个广播包， 通知从端采集好数据，准备好返回帧，等待主端的单点查询。主端处理程序的核 心处理部分在发送了一个广播包后，c a p p l y l a y e r 层会自动启动一个定时器，在定 时器超时的时候自动开始逐点发送查询帧，直到所有的点都被处理完成。 2 3 3 数据处理部分的设计方案 数据处理部分主要是对收到的数据进行处理判断。其主要功能包括对接收到 的数据进行解码，如果是缺口数据，则进行进一步的处理；如果是系统的状态数 据，则判断出此时的故障所在，再交由核心处理部分处理。对于缺口数据，一般 不是直接存入专门缓存缺口数据的数据结构，而是利用相关内存中的相关历史数 据，进行滤波( 滤波算法使用中值滤波) ，再把滤波后的结果存入；同时进行报警 判断，如果数据符合报警条件，则发送报警信息。 1 4 2 3 4 缺口数据显示和声光报警系统的设计 l c d 显示单元模块系统信息和报警信息。该部分主要是l c d 及其外围电路。核 心a 删处理器通过通用输入输出接口( g p i o ) 控制l c d 的显示。 声光报警模块提供蜂鸣器和闪烁报警。该部分主要包括a 跚处理器的通用输 入输出端、蜂鸣器电路、各种颜色的发光二极管电路等。核心a 跚处理器通过通 用输入输出接口( g p i o ) 控制声光报警模块。 2 3 5 现场总线c a n 通信系统的设计 控制局域网c a n 应用于铁路道岔密贴度缺口监测系统，完成实时监测各道岔 转辙机表示杆缺口的状态信息功能，传送报警信息，并将各种信息上报至微机监测 系统。c a n 总线以其突出的可靠性、实时性和灵活性适合在铁路现场恶劣环境中工 作。基于控制局域网的监测系统是铁路微机化控制的、先进的、可靠的、行之有 效的监测手段。 2 4 本章小结 本章从系统整体角度分析了基于机器视觉的道岔缺口安全实时检测系统的设 计方案。本章首先介绍了基于机器视觉的缺口检测系统的原理，然后就整体方案 中的各个子模块的设计方案进行概括性介绍。 其中，机器视觉的设计实现是决定检测系统能否成功的关键之处。将在第三 章中针对机器视觉的流程设计和具体实现进行详细说明。 1 5 第三章道岔安全实时检测系统中机器视觉方案 采用基于机器视觉的道岔缺口安全实时检测系统替代依靠人眼视觉的传统缺 口检修方式，继承了传统习惯的特点。同时，基于机器视觉的道岔缺口安全实时 检测系统在实用性和可靠性方面都有其他传感器方式不可替代的优势： 1 、铁路道旁环境条件恶劣，电动转辙机动作时电磁干扰大，利用电磁等传感 器的检测系统很难达到实用的要求；摄像头作为光学仪器，采用带屏蔽的标准u s b 传输线，极大可能地避免电磁干扰。 2 、依靠表示杆的刚性，将缺口偏移量平移到表示杆末端的延长段上，方便了 图像传感器的安装调试，同时对转辙机的机械修改很少，改造简单：基本上保持 了转辙机的原有的机械特性，丝毫不会影响到转辙机的正常工作。 虽然基于机器视觉的道俞缺口安全实时检测系统有不少优势，但是该系统的 开发实现还是有不少技术难点需要一一仔细考虑，并在西安西门子有限公司技术 人员的配合下做出实验改进。 基于机器视觉的道岔缺口安全实时检测系统主要的实现难点有标记制作和照 明灯光电路板设计，机器视觉算法的实用化设计，现场人员的操作流程设计等方 面。 3 1 第一期试验样机中的机器视觉方案 3 1 1 机器视觉方案原理 铁路道岔表示杆位于转辙机的内部，缺口周围机械器件多，空间狭小，不便 于传感设备的安装及数据传送，很难直接实现对缺口数据的实时采集。考虑到表 示杆本身的刚性特点，我们设计了一种巧妙的方法，将待检测的缺口的偏移状况 利用平移的原理，转移到便于安装传感器的位置来进行采集，从而解决了缺口数 据的采集问题。同时此方案对转辙机的具体型号的依赖性小，具有很好的通用性。 下图( 图3 1 ) 为缺口数据采集的原理图示： 1 7 数字图像 改 图3 1 表示杆检测标记图示 f i g u 叫3 - 1 ) m a r kd i a 伊锄 如上图所示，我们在表示秆上刻了两个检测标记，分别用于定位检测和反位 检测。当转辙机在现场安装并调