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硕士论文 线阵双目测量电力接触导线几何参数的实验技术研究 摘要 电气化铁路因其速度快、运输能力强、运营成本低和环境污染小等优点，成为当今 铁路现代化的发展方向。接触网作为电气化铁路的重要组成部分，电力机车通过受电弓 从接触导线获得电能，由于振动、变形、相对于铁轨高度的不均匀等因素，使接触导线 产生磨损。当磨损到一定程度时，将引起断线，全部更换时需要每公里大约8 0 万人民 币的价格，这样将导致电力线维护成本的大量增加和铁路的中断行车，并给运输工作带 来极大的损失。因此，为了延长接触导线的使用寿命和保证电气化铁路的运营安全，需 要对接触导线几何参数的检测提供一种有效的测量方法，以方便施工人员对其及时进行 维护和检修。 随着计算机视觉技术和图像处理技术的不断发展，为接触网的非接触式测量提供了 有利条件。本文在深入研究国内外接触网检测方法的基础上，将嵌入式a r m 技术、双 目立体视觉技术和图像处理技术等应用到电力接触导线几何参数检测系统中。通过对称 安装在电力机车上的两台c m o s 线阵摄像机，同时对接触导线进行图像采集，然后运 用边缘检测算法寻找磨损创面的边界点坐标，实现导线高度、拉出值和磨损面宽度等几 何参数值的测量。 本论文在测量原理的基础上，设计了测量装置的硬件电路和软件处理系统，并在实 验室内搭建好测量设备，进行了初步的实验，根据实验结果做了误差分析。这些为接触 导线几何参数的测量系统的进一步完善打下了坚实的基础。 关键词：电力接触导线，几何参数测量，双目立体视觉，a r m ，图像处理 a b s t r a e t硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n t a g e so fr a p i d e rs p e e d ，s t r o n g e rt r a n s p o r tc a p a c i t y , l o w e ro p e r a t i n gc o s t s a n ds m a l l e re n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n ds oo n , t h ee l e c t r i f i e dr a i l w a yh a sb e c a m et h e r a i l w a ym o d e r n i z a t i o nd e v e l o p m e n to r i e n t a t i o n t h eo v e r h e a dc a t e n a r ya so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tc o m p o n e n t si nt h ee l e c t r i f i e dr a i l w a 5t h ee l e c t r i ct r a i na t t a i n sp o w e rf r o mc o n t a c t w i r eb yp a n t o g r a p h , i tw a sf r a y e db e c a u s eo fv i b r a t i o n ，d i s t o r t i o n ，d i f f e r e n th e i g h tt or a i la n d s oo n w h e ni t so v e rt h ee x t e n t ，t h ew i r ew i l lb eb r o k e n ，a n di tw i l lc o s t8 0m i l l i o ne v e r y k i l o m e t e rw h e ni t se n t i r e l yr e p l a c e d ，i tc a u s e st h ei n c r e a s e dm a i n t e n a n c ec o s to ft h er a i l w a y a n dt h ei n t e r m i to fr a l l w a yt r a n s p o r t ，a n db r i n ge n o r m o u sl o s s s o ，i no r d e rt op r o l o n gt h eu s e l o n g e v i t yo ft h ec o n t a c tw i r ea n dg u a r a n t e et h es a f e t yo ft h ee l e c t r i f i e dr a i l w a y , i tn e e d st o o f f e rae f f e c t i v em e a s u r e m e n tf o rt h eg e o m e t r yp a r a m e t e r so ft h ee l e c t r i cc o n t a c tw i r e ，t o p r o v i d et h ec o n v e n i e n c ef o rt h ec o n s t r u c t o r st om a i n t a i na n d o v e r h a u li nt i m e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a c h i n ev i s i o na n di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，i tp r o v i d e st h e a d v a n t a g ef o rn o n c o n t a c td e t e c t i n go nt h eo v e r h e a dc a t e n a r y t h et h e s i s i sb a s e do nt h e r e s e a r c ho f d o m e s t i ca n df o r e i g nm e t h o d so nt h em e a s u r e m e n t , t h ee m b e d d e da r m t e c h n o l o g y , b i n o c u l a rs t e r e o v i s i o nt e c h n o l o g ya n di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u ea r ea p p l i e di n t h em e a s u r e m e n tf o rt h eg e o m e t r yp a r a m e t e r so fe l e c t r i cc o n t a c tw i r e t h ei m a g es i g n a lo ft h e w i r ew a so b t a i n e db yt h et w ol i n e a rc m o sc a m e r a sw h i c hw e r es y m m e t r i c a l l yf i x e do nt h e e l e c t r i ct r a i n ，t h e ng e tt h ec o o r d i n a t e so fa b r a s i o ne d g ep o i n t sb ye d g ed e t e c t i o n t h eh e i g h t ， t h ep u l la n dt h ea b r a s i o nb r e a d t ho ft h eg e o m e t r yp a r a m e t e r sc o u l db eo b t a i n e d t h et h e s i sd e s i g nt h eh a r d w a r eo ft h em e a s u r e m e n ta n dt h es o f t w a r ep r o c e s s i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft h ed e t e c t i n g ，t h e nm a k et h em e a s u r e m e n tr u n n i n gi nt h el a b o r a t o r y , a n da n a l y z et h ee r r o ra c c o r d i n gt ot h er e s u l t s a l lt h i sp r o v i d e st h eb a s ef o rt h em e a s u r e m e n t s y s t e ma b o u tt h eg e o m e t r yp a r a m e t e r so ft h ee l e c t r i cc o n t a c tw i r e k e yw o r d s ：t h ee l e c t r i c c o n t a c tw i r e ，g e o m e t r yp a r a m e t e r s ，b i n o c u l a rs t e r e o v i s i o r t , a r m ，i m a g e 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 矽7 年占月阳 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 砂7 年易月西日 硕士论文线阵双目测量电力接触导线几何参数的实验技术研究 1 绪论 1 1 课题背景和意义 铁路是我国国民经济发展的基础，具有不可替代的特殊地位和重要作用。特别是 1 9 9 7 年以来几次大规模提速后，铁路在国民经济建设中的作用越来越重要。电气化铁路 具有功率大、速度快、过载能力强和运行可靠等优点，而且不污染环境，特别适用于运 输繁忙的铁路干线和隧道多、坡度大的山区铁路，是铁路向高速化现代化发展的重要途 径，也是新线路建设的首选。 从1 9 6 1 年8 月，首次建成第一条电气化铁路一宝凤段并投入运行到现在，己经有 4 0 多年的历史。至2 0 0 6 年，浙赣线电气化改造工程开通，标志着我国电气化铁路总里 程已突破2 4 万公里，成为继俄罗斯之后世界第二大电气化铁路国家。来自铁道部的统 计显示，我国铁路电气化率已经达到3 1 ，承担着全路4 3 的货运量，初步形成了布局 合理、标准统一的电气化铁路运营网络。预计到2 0 2 0 年，全国电气化铁路总里程将达 到5 万公里，电气化率达到5 0 ，中国铁路己经站在了一个新的历史起点上。 接触网是电气化铁路的主要供电装置之一，受电弓与接触网的滑动接触取流，将电 能传给电力机车。如图1 1 1 所示为接触网的结构示意图，列车上方蜘蛛网状的线路即 为接触网。 图1 1 1 接触网结构示意图 图中，1 和2 是立于路侧的接触网支柱及其基础，通常由金属和预应力钢筋混凝土 做成，用来悬挂接触网。图中3 和4 是腕臂式支持装置和绝缘子，它们和定位肩架9 、棒 式绝缘子1 0 、定位管1 l 一起，使接触导线稳定地悬挂于线路的上方。5 、6 、7 、8 分别 为承力索、吊弦、弹性吊弦和接触导线，1 2 为受流器，又称受电弓。 1 绪论硕士论文 接触网是电气化铁道牵引供电系统的重要设备，它具有以下供电特点【l 】： ( 1 ) 接触网是通过接触线与受电弓之间的滑动接触来向电力机车输送电能的，接触 线与受电弓之间的良好接触是保证电力机车取流质量良好的关键。 ( 2 ) 受电弓为具有一定运行速度的接触滑头，在达到一定速度时它将会导致与接触 线脱离形成离线。 ( 3 ) 接触线悬挂为一个弹性结构，而其弹性性能沿跨距必然具有不同程度的差异性。 ( 4 ) 受电弓在正常运行时对接触线会有一定的抬升力。当列车运行速度超过1 6 0 k m h 时，因接触悬挂沿跨距的弹性不均匀以及受电弓的惯性力的影响，会使受电弓在垂直方 向产生振动。 ( 5 ) 接触网为露天装置，在强风作用下会产生偏移或舞动，当偏移超过受电弓的工 作范围时会产生弓网故障。 目前的接触网结构主要是架空式接触网i2 。，沿铁路线路架设，是户外供电装置，工 作环境恶劣，经常受到冰、风等恶劣气象条件的影响。且接触网是一个重量分布不均匀 的弹性系统，列车高速运行时是靠电弓和接触导线滑动接触取流的，由于变形、振动、 载荷( 由集电器弹簧提供的接触压力) 、电力车辆速度、取流状态以及接触导线相对铁 轨高度的不均匀等多种因素，使接触导线既有机械磨损又有电气磨损。 当接触网接触线磨耗到一定程度时有断线的危险，全部更换时需要每公里大约8 0 万人民币的价格，这将导致铁路电力线的维护成本大量增加；而且接触网投资大，无备 用，一旦发生故障，将中断行车，给运输工作带来极大的损失。尤其是在实现第六次大 提速后，几大区域的城市群间都将开通动车组列车，中国电气化铁路速度的提高、运营 密度的加大，势必对牵引供电设备的质量、维修等提出了更高的要求。 因此，为了延长接触导线的使用寿命和保证接触网的安全可靠，必须周期性地对接 触网进行一系列检测工作，以便及时发现隐患，并指导维修，不断改进和提高接触网设 备的质量，从而保证铁路运输的正常运作。 1 2 国内外接触网检测技术研究的现状 由于接触网在电气化铁道牵引供电系统中所表现出的重要性和特殊性，自上世纪5 0 年代起，国内外研究人员就在本国铁路状况及技术水平的基础上，对接触网检测方法的 研发开展了大量工作。 通常，接触网检测的内容主要分为三种类型的参数田】：( 1 ) 几何参数：如拉出值、 导线高度、平行线间距、定位器坡度等，它们是接触网中与运营安全密切相关的接触网 自身结构参数；( 2 ) 弓网关系参数：如接触压力、硬点等，它们是影响弓网关系之间受 流质量的重要因素；( 3 ) 辅助参数：其他一些如速度、定位点、温度、补偿等，它们对 检测结果起到定位参考、辅助分析等作用。 2 硕士论文线阵双目测量电力接触导线几何参数的实验技术研究 接触网参数检测技术发展较早的是前联邦德引2 1 1 ，通过在受电弓上安装压力传感器 和加速度传感器，测试弓网接触压力、冲击加速度和离线等动力学参数。优点是获得的 动力学参数极为准确：而缺点是杆位定位不准、测试项目不全、压力测试设备在温度变 化时需要频繁标定。 意大利接触网检测主要采用激光照射，图象处理技术，对非接触式检测的动态拉出 值和导线高度测量较准确，但不能测试接触网动力学参数。 6 0 年代初，日本接触网检测开始突出对弓网离线、接触线磨耗的测量。9 0 年代， 研制出了可在l o o k m h 运行速度下检测接触网的导线高度、拉出值、定位器坡度、支柱 号和跨距的检测车。 国内最早进行接触网参数检测技术研究的是铁道部铁道科学研究酣冽，他们从上世 纪6 0 年代开始跟踪和学习国外的技术，7 0 年代后期成都铁路局和原西安铁路局也参加 到研究接触网检测设备的行列，西南交通大学于8 0 年代开始研究接触网检测技术。作 为突出代表的是西南交通大学先后开发的j j c 系列接触网检测车，在实际运用中取得了 较好的效果，优点是对动态拉出值、导线高度、压力和硬点的非接触式检测较准确；缺 点是轨道静态检测不准确、定位坡度定量检测和磨耗检测误差较大。 各国的接触网检测技术的研究一般是根据本国的实际情况，选择适合本国线路状况 的研究重点。在目前的运行速度下，我国的接触导线磨损比较严重，与国际先进水平差 距较大，所以根据我国的实际情况，更多的是关心接触网本身的几何参数的状况。 根据我国的国情状况和课题要求，本文重点研究电力接触导线的几何参数，包括导 线高度、拉出值和磨损面宽度这几个参数值的测量。 传统的接触网参数检测系统是以接触网检测车的方式构建的，接触网检测车是大型 专用车，在检测时需要占用正常运行区间和运行时间，在既有线路运力不足的情况下， 检测的时间及次数会受到限制，不能满足频繁检测的需要，更不能实时监测。 随着计算机图像处理技术以及大规模集成电路的发展与应用，各种传感器与处理器 的单价不断下降。因此，将双目立体视觉技术、嵌入式a r m 技术与计算机图像处理相 结合，来实现几何参数的非接触式测量，具有广阔的应用前景和实用价值。 1 3 论文的主要工作及安排 本文在分析比较国内外接触网参数检测方法的基础上，提出了线阵双目测量电力接 触导线几何参数的非接触式测量方案，即将两个性能和大小完全相同的线阵摄像机( 根 据采集的要求和实验条件，自己设计制作完成) 对称安装于电力机车上，同时采集电力 接触导线的图像信息，然后利用相关的图像处理算法提取导线磨损创面的边界点坐标 值，通过相关的运算，转换得到接触线高度、拉出值和磨损面宽度的值。 该方法测量精度高、实时性强、能对多个参数同时测量，但该系统是综合了光、机、 3 l 绪论硕士论文 电、算于一体的图像处理系统，涉及到的方面很多很复杂，如硬件制作、器件精度、安 装精度、软件算法、实验条件等多种约束，工作量非常大，不易实现，目前国内还没有 正式的产品。 本文主要是在前人研究的原理基础上，确定实际的测量方案，制作完成相应的小型 测量装置，并进行初步的实验设计与研究。由于个人的有限的理论水平和实践经验，系 统的设计有很多不尽人意的地方，需要进一步的研究和改进。但本文的这些实验技术研 究对电力接触导线多参数检测系统的设计方面有很大的应用价值，为今后整个系统的进 一步的完善打下了坚实的基础。 本论文的主要内容共分为六章，下面介绍每章的主要研究工作： 第一章绪论，主要阐述本课题的背景技术现状及研究意义； 第二章对电力接触导线几何参数的检测项目和常用的检测方法进行了简要的介绍， 通过分析比较后，提出了本课题的检测方法； 第三章根据双目传感器交汇测量原理建立了相关数学模型，推导出了几何参数值的 计算公式，并具体地设计了本系统的测量方案； 第四章设计了测量系统的硬件结构，内容包括各个单元模块的选型，电路设计与实 现，单元间通信通道的设计等； 第五章主要介绍了测量系统软件各模块的设计方法，包括图像采集模块，图像接收 界面和相关的图像处理算法； 第六章是实验部分，根据实际条件计算确定测量系统的结构参数，在实验室内进行 模拟实验，并进行相应的误差分析。 最后是总结和展望，并提出了本系统的不足和完善方向。 4 硕士论文线阵双目 澳9 量电力接触导线几何参数的实验技术研究 2 电力接触导线几何参数检测项目和方法介绍 2 1 电力接触导线特性 接触网导线也称为电车线，是接触网中重要的组成部分之一。电力机车运行中受电 弓滑板直接与其接触摩擦，从接触线上获得电能。 接触线一般制成两侧带沟槽的圆柱状，其沟槽是为了便于安装线夹，并按技术要求 悬吊固定接触线位置而又不影响受电弓滑板的滑动取流。接触线下面与受电弓滑板接触 的部分呈圆弧状，称为接触线的工作面。 我国电气化铁路建设初期【l j ，采用的是铜接触线，型号多为t c g - 1 1 0 和t c g 8 5 两 种型号，其a 型尺寸如图2 1 1 ( a ) 所示，其字母t 表示铜材，c 表示电车线，g 表示 带沟槽形式，后面的数字表示该型铜接触线的截面积。近年来，我国研制和使用了钢铝 接触线，钢铝接触线以铝和钢两种金属压接制成，以铝面作为导电部分，与受电弓滑板 接触磨擦的是钢面，既保证了导电性能又提高了工作面的耐磨性，我国采用的钢铝接触 线有g l c a l o o 2 1 5 和g l c b 8 0 1 7 3 两种型号，其a 型断面形状如图2 1 1 ( b ) 所示， 字母g l c 表示钢铝电车线，a 、b 表示线型，后面分式中，分母表示该型钢铝接触线的 截面积，分子表示该型钢铝接触线的载流量当量于铜接触线的截面积。 ( a ) t c g 一1 0 0 ( 8 5 ) 型 ( b ) g l c a 型 图2 1 1 我国电气化铁路主型接触线 2 2 电力接触导线几何参数介绍 电力接触导线几何参数是接触网中与运营安全密切相关的自身结构参数，主要包括 导线高度、拉出值和磨耗等【l 】【1 9 卜【2 5 1 。 5 2 电力接触导线几何参数检测项目和方法介绍硕士论文 2 2 1 导线高度 接触网导线高度是指悬挂定位点处接触线距离轨面的垂直高度。一般高度范围为： 5 7 0 0 m m , , - - 6 2 0 0 m m 。 接触线高度检测有两个方面的意义：( 1 ) 在静止状态下，测量接触线保持的应有高 度，最低位置应满足能通过国家规定的最大超限货物而保持5 3 7 0 m m ，其最高位置不能 超过6 4 5 0 r n m ，静止测量是为工程和维修单位提供参考数据：( 2 ) 在运行状态下，即在 列车运行中测量受电弓沿接触线的运行轨迹，为研究接触悬挂的质量和受电弓的性能及 受流状态提供分析资料。 2 2 2 拉出值 在电气化线路上，为了延长受电弓的使用寿命，使滑板磨耗均匀，接触线在线路的 直线段布置成之字形，在曲线段布置成折线的形式，且此折线一般与受电弓中心行迹相 隔或是相切。这种折线在定位点处接触导线距受电弓中心行迹的距离称为拉出值( 或称 伸出值) 。在直线区段上，接触线在定位点处相对于线路中心的偏移距离，称为之字值。 为方便起见，统称为接触线拉出值。 在直线区段受电弓中心与线路中心重和，接触线之字值沿线路中心对称不止，标准 为士3 0 0 m m 。提速后为2 0 0 - - 2 5 0 m m 之间；在曲线区段，拉出值和曲线半径大小有关。 显然，如果接触线拉出值设置得太小，则达不到均匀滑板磨耗和延长受电弓使用寿 命的目的；如果拉出值太大，在某些情况下，如遇到最大风时，接触线在某些部位就会 超出受电弓的有效工作长度而造成弓网事故。同时，在接触网架设以后，有时会因为金 具零件的松动、气温的变化及支柱倾斜等，使得拉出值超出标准值，在某些偶然条件下， 就会出现事故。为了避免上述现象的发生，要经常检测接触线拉出值的大小及变化。 2 2 3 磨耗 由于接触导线和受电弓滑板是滑动接触取流的，从而产生的均匀机械磨损以及不规 则的拉弧烧蚀导线( 比如受电弓滑板离线产生的电弧) ，引起接触导线磨耗，使导线下 部断面产生变化。 磨耗检测直接关系到接触网导线与受电弓动态受流的质量，而且当磨耗超过一定的 限度时，接触线难于维持张力，将会导致恶性事故发生。因此，很有必要对接触线磨损 状况进行检测，杜绝隐患。 在接触网运营中，为了保证接触线在一定张力的情况下不断线，要求每年至少要进 行一次接触线磨耗测量，当接触网接触线磨耗到一定程度时应当补强或更换。若发现全 锚段接触线平均磨耗超过该型接触线截面积的2 5 时，应当全部更换；平均磨耗没达到 2 5 ，局部磨耗超过3 0 时可局部补强，当布局磨耗达到4 0 时应切换。 6 硕士论文线阵双目测量电力接触导线几何参数的实验技术研究 2 3 电力接触导线几何参数的检测方法 2 3 1 检测方法分类 依检测过程对模拟受电弓与接触网接触与否的要求，可将接触网几何参数的检测方 法分为接触式检测与非接触式检测两类： ( 1 ) 接触式检测法 其测量仪器是与接触线直接接触的，测量距离短。虽对动力学参数造成一些不利影 响，而且也不能对一些未接触却十分有用的几何参数进行测量，但对拉出值、导线高度 等基本几何参数在中低速下的测量较为准确。 ( 2 ) 非接触式检测法 不依赖弓网之间的接触，不会引起附加的接触线升高和振动，其核心手段是通过对 含有目标的图像背景数据进行采集和分析，排除不必要的背景信息，捕获接触悬挂，得 出待检参数。 2 3 2 常用的检测方法 主要介绍导线高度、拉出值和磨损面宽度这些几何参数常用的检测方法【1 9 】一1 2 5 1 。 2 3 2 1 导线高度检测方法 ( 1 ) 角度编码器测量法 接触线高度的检测最常用的是角位移传感器，其基本原理是应用电应变原理，将角 度变化的机械量( 旋转角度) 线性地转换为与之相对应的电气量( 电压或电流) ，以便 输出，作为检测的依据。接触线高度的测量原理如图2 3 1 所示。 l l 一受电弓滑板；搬电弓上臂杆；3 受电弓下臂杆： 4 一车顶；多一角度编码器安装部位 图2 3 1 接触线高度角度编码器测量法 7 2 电力接触导线几何参数检测项目和方法介绍 硕士论文 图中c 为受电弓底座的绞支轴，为受电弓下臂杆与水平面之间的角度，h 为接触 线到c 点的垂直距离，由于c 点到轨面的距离在受电弓安装后是定值，于是接触线 高度h 有： h = h + h o ( 2 1 ) 这样对h 的测量就转化为如何测量h 的问题了。受电弓的机械结构决定了滑板上的 位置o 点只能沿铅垂线o o 上下运动，从图2 3 1 可以得出h 与之间的函数关系： h = 厶s i n + 茸一骂一置c o s p 一2 上2 厶c o s f l f ，、 在c 点安装一个角度编码器，把对应于某一h 值的角度测量出来，就可把h 计算出来。 这种方法的缺点是受电弓及传感器机械部分的转动和同步响应速度较慢，对测量的 精度有一定的影响，尤其是受电弓上下震动加剧，会使测量误差增大。 ( 2 ) 激光距离传感器测量法 这种方法是直接使用激光距离传感器来测量h ，如图2 3 2 所示。通过安装在受电弓 底座上的激光距离传感器，测量从底座到受电弓滑板附加的反射板上某一固定点之间的 距离，即相对于图中的h 值，从而可以得出接触线高度h 值。 1 一受电弓滑板；搬电弓上臂杆；3 一受电弓下臂杆； 4 一车项；5 一激光测距传感器；6 一反射板 图2 3 2 接触线高度激光距离传感器测量法 这种方法跟随性能好、响应速度高、检测精度高，是高速接触网检测中接触线高度 检测方法研究的一个发展方向。但这种方法的缺点是在露天使用时，太阳很强的情况下， 激光距离传感器容易受光饱和，而影响其正常工作。 2 3 2 2 拉出值检测方法 ( 1 ) 传感器阵列检测法 8 硕士论文线阵双目测量电力接触导线几何参数的实验技术研究 传感器阵列检测法在模拟受电弓滑板中心安装电子接近检测器( 电磁式、光电式 或光纤式) 来进行检测。接近检测器是使接触线不与其直接接触，测量时受电弓升起， 通过受电弓和接触导线在运行时的相互位置关系来进行测试，即利用涡流的电磁感应 ( 或光敏感应) 原理实现位置测量。 为了确定导线的位置，在模拟弓上每隔1 0 - 2 0 m m 装一个检测器。例如，当接触线 在第9 号检测器上面时，就会使第9 好检测器产生一个信息，并根据编码器产生一个相 应位置的代码送入微型计算机，并经变换处理打印一个确定的接触线距受电弓中新 9 0 m m 或1 8 0 m m 的距离数值，如图2 3 3 所示。 4 一 i- i- 零零lp 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 9 8 8 8 8 8 8 i 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 弦8 1 l i l8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 88 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 土l l 塞客 - 图2 3 3 传感器在受电弓上的布置 这种检测方法的优点是：安装方便，相对简单，不需要附加设备也能实现全天测量； 不受不受气象条件、昼夜及线路状况( 有无隧道) 等条件的限制，动作灵敏可靠。缺点 是：安装的传感器数量直接影响模拟受电弓的重量；传感器还可能被接触网损坏，设备 维修工作量大；测量系统和接触网直接接触，模拟受电弓上产生的电弧对传感器造成很 大的干扰。一般情况下该方法的检测分辨率是l o i i ：l m 。 ( 2 ) 激光扫描法 激光扫描法是通过安装在车顶的激光测距传感器和光学扫描机构组成的，如图 2 3 4 所示。 ( a ) ( b ) 激光传感器 一q 二 图2 3 4 激光扫描法 从激光器发出的激光经过扫描机构反射后形成了如图2 3 4 ( a ) 中锥角为a 的锥形 扫描激光，当这个激光遇到接触线而反射，根据光路可逆原理，反射的激光将沿原路返 回，通过传感器的内部测量电路即可测量出激光所走过的折返距离。由于激光传感器到 9 2 电力接触导线几何参数检测项目和方法介绍硕士论文 扫描镜面的距离可以看成是固定的，从而可以计算出扫描机构到接触线的距离，即图 2 3 4 ( b ) 中的l 值。而扫描机构内装有角度位移传感器，可以测量出当前扫描机构转 过的角度，即图2 3 4 ( a ) 中的扫描角，通过以下计算就可以得出当前接触线的拉出值s 和接触线的高度h ： s = l s i n ( f l - 彳2 ) f ， h = l c o s ( f l 一4 2 ) ( 24 ) 这种方法的优点是：能够同时检测接触线高度和拉出值两个参数，而且不用在受电 弓弓头上安装传感器，对受电弓不产生附加重量，从而使检测使用的模拟受电弓能够真 实地反映实际的弓网关系，使检测结果更加接近实际情况。但是这种方法的缺点就是， 对光学扫描机构的加工与安装的精度要求都非常高，较小的加工或安装误差都会在检测 结果中放大，使检测误差增大。因此，这种方法目前使用不多。 ( 3 ) c c d 图像处理方法 通常可分为采用一个或两个( 或多个) 摄像机的情况。 只使用一台摄像机 通过安装在车顶位置的c c d 摄像机，将受电弓与接触网的动态图像拍摄下来，然 后通过二值化、模式识别等图像处理手段，将接触线在受电弓上的相对位置分析计算出 来，并通过确定受电弓在图像中的位置来确定接触线高度、拉出值等技术参数。这种方 法的最大优点是只用一台摄像机，安装使用都很简便，检测设备与受电弓、接触线等是 完全隔离开来的，能够更真实地反应动态下的真实弓网关系。缺点是所得到的动态图像 非常复杂，算法也非常复杂，处理速度慢，检测精度也相对较低，难以满足实时处理的 要求；且在站场区间时，所得到的动态图像中包含有不止一根接触线，并不能得到正确 的结果。 使用两个( 或多个) c c d 摄像机 采用两个或多个c c d 摄像机是利用合理照明，通过接触线在c c d 上的成像位置， 利用三角测量原理，对接触线进行空间定位，得到几何参数值。该检测方法的优点是： 测量精度高，实时性强，能同时检测多个参数。缺点就是安装精度要求很高，如果两个 或多个c c d 安装不在同一平面上，对测量精度影响将很大。目前为止还只是停留在试 验阶段，但随着图像处理技术和计算机科学技术的不断发展，双摄像机测量技术拥有广 泛的应用前景。 2 3 2 3 磨耗检测方法 接触线磨耗是由于受电弓滑板和接触导线之间的机械磨损和电气磨损产生的，接触 线磨耗测定装置是接触网检测重的重点和难点，投入力量最多，研究时间最长，但收效 1 0 硕士论文线阵双目测量电力接触导线几何参数的实验技术研究 却很小。过去2 0 年，各国投入巨大的人力和财力研究接触导线磨耗的检测方法，先后 提出磁场分析、微波反射分析、电和光的非接触检测等方法。目前，国外开发的几种接 触导线磨耗检测方法主要可分为图像检测法、激光扫描法、残高测量法三大类，下面进 行简要的介绍l ”】。 ( 1 ) 图像检测法 主要是基于光源照明接触导线下部磨耗面，由高速摄像机采集接触面图像，经过硬 件和软件的数字图像处理后，根据接触导线所占像素的数量，就可计算出接触线的宽度， 并找出边界，就是所求导线磨耗面宽度。 ( 2 ) 激光扫描检测 激光束通过旋转发射镜反复扫描整个导线拉出值宽度范围，当激光束遇到接触导线 磨耗面时，引起激光漫反射，部分光被反射回光源处，这样可通过光电转换器件接受反 射光。由于导线磨耗面有一个宽度，这样激光束的发射将持续一段时间，由于激光束以 恒定速度扫描，故磨耗面宽度与激光反射持续时间成正比。 ( 3 ) 残高测量法 在受电弓两端上分别安装激光束发射和接受装置，发射装置发射片状平行激光束照 射导线侧面，当遇到导线时部分激光被挡住，因此激光接受装置接收到的信号直接反映 了导线的残高值h 。图2 3 5 所示为接触导线磨损后的磨耗面及残高示意图。 i 图2 3 5 磨耗面及残两不慈图 由图2 3 5 可知： h = ，- i - r g o $ 口= r ( 1 + c o s t z ) ( 2 5 ) s i n 口：旦 ( 2 6 ) 2 r 由式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 得： w ：1 竺( 2 7 ) 2 h r h 2 即只要将测得的导线残高值h 和导线半径，代入式( 2 7 ) ，即可得到磨耗面宽度w 。 2 电力接触导线几何参数检测项目和方法介绍 硕上论文 2 4 本文的检测方法 伴随着机器视觉理论与技术的日臻成熟，国内外已开始出现了一些基于相关原理与 技术研制的线阵摄像机、激光雷达等高速非接触式检测系统，该类检测系统完全摒弃了 传统检测设备所需要的置于受电弓滑条上的传感器部件，减少了检测设备对受电弓的影 响。 本文在综合分析国内外接触网检测方法的基础上，将双目立体视觉技术、嵌入式 a r m 技术、图像处理技术等融入到接触导线几何参数的检测中，通过两个摄像机对接 触导线进行图像采集的非接触式测量方法。 1 2 硕士论文线阵双目测量电力接触导线几何参数的实验技术研究 3 双目测量电力接触导线几何参数的原理方案 3 1 双目测量接触导线几何参数的原理 3 1 1 本文的检测原理 接触线下面与受电弓滑板接触的部分本来呈圆弧状，但由于受电弓滑板和接触导线 之间的滑动接触取流，产生了磨耗，引起导线下部断面变化，使导线和受电工之间的接 触平均面积增加。 因为导线的接触面没被氧化，所以该面的光反射率比其他部分的高。当光源照射到 导线接触面时，从图3 1 1 的导线反射光强度曲线图可以看出导线接触面与其他部分的 光反射率存在明显的梯度【3 8 】1 4 l l 。 图3 1 1 导线反射光强度曲线 如图所示，其中a b 段反射光强，在输出信号中形成亮带，其余本分形成暗带，这 就给检测导线几何参数提供了一种可行的检测方法。 下图3 1 2 所示为磨损后的接触导线在空中架设的简略示意图。 如图所示，接触导线架设在电力机车的上方，离铁轨平面约6 m 左右。列车顶面上 方有一个受电弓，机车运行时，受电弓升起，与接触导线的下表面( 工作面) 沿列车运 行方向滑动接触取流。 设a b 为磨损后的接触导线的磨损创面，根据前面第二章中对电力接触导线几何参 数的介绍可知：导线的高度h 即为磨损创面a b 段的中心点距离铁轨平面的垂直高度； 拉出值z 为a b 的中心点距离受电弓中心的距离；而磨损面宽度w 为a b 段的长度值。 3 双目测量电力接触导线几何参数的原理方案硕士论文 的接触导线 图3 1 2 接触导线在空中架设的示意图 当我们知道了a 、b 两点在世界坐标值a ( x a ，n ) 和b ( x b ，) ，即a 、b 两点在空间 中的位置信息，我们就可以推导得到整个接触导线在空间中的位置信息，建立下图3 1 3 所示的坐标示意图。 列车 受电工中心( 铁轨中心) 线 图3 1 3 接触导线的空间坐标示意图 由于本系统是将两个摄像机是放置在列车上并进行直线段( 受电弓中心与铁路中心 重合) 的测量，所以x 轴相当于是列车平面，y 轴相当于是受电工中心线。a 、b 为磨 损创面的边界点，c 为a b 段的中心点，设列车的高度为z 。只要知道了中心c 点的坐 标( x c ，办) ，结合前面第二章中对导线几何参数的定义，就可近似推导出几何参数的计 1 4 硕士论文线阵双目测量电力接触导线几何参数的实验技术研究 算公式了【2 5 j 。 1 导线高度 是= 叫+ z = l 半卜 ( 3 1 ) 2 拉出值 ，= m = l 半i ( 3 2 ) l i 3 磨损面宽度 w = l a b i = ( _ - x b ) 2 + ( 儿- y d 2 ( 3 3 ) 因此，本测量系统的思路是通过获得接触导线磨损创面边界点的二维坐标值，从而 转换得到几何参数的值。 3 1 2 接触导线上点的坐标表达式 双目立体视觉测量技术是计算机视觉中的一个重要分支，近似于人眼视觉系统，是 基于视差原理，将两个摄像机的图像平面( 或单摄像机在不同位置的图像平面) 和被测 物体之间构成一个三角形，由三角法原理进行三维信息的获取。双目立体视觉技术在对 空间目标进行实时坐标定位以及参数测量的应用中显示出了其独特的优越性。 双c c d ( c m o s ) 光靶交汇测量技术是基于双目立体视觉原理而迅速发展起来的一种 非接触式测量技术，具有结构简单、测量精度高和自动化程度高等诸多优点。 为测量空间一点的二维坐标，放置两台结构和性能完全相同的线阵c c d ( c m o s ) 摄像机，两台c c d ( c m o s ) 探测器所能探测到区域的公共交迭区构成一个光电测量靶 面，对于靶面内任意一点来说，在两台c c d ( c m o s ) 上各有一个像点与之对应。这样， 靶面内任意一点的坐标就可以通过它在这两台c c d ( c m o s ) 上的成像位置计算出来。 通常，线阵c m o s 交汇构成的光幕靶根据交汇仰角( 摄像机光轴的倾斜角) 的设 定，可分为对称布站方式和非对称布站方式。黄玮、颜树华等人通过深入研究，给出了 c m o s 交汇测量系统最优结构布局是对称式布站方式的结论【3 2 1 。 设这两台摄像机是由结构和性能完全相同的线阵c m o s 图像传感器构成的，分别 称之为c m o s 1 和c m o s 2 ，其光敏面尺寸均为2 t ，焦距均为厂，且这两个摄像机成对 称姿态放置，其光轴的倾斜角均为口( 0 c t 3 6 8 6 4 m h z 的时钟作为参考时钟 标准的异步通信位( s t a r t ，s t o p 和p a r i t y ) 。这些位在发送前设置，并且在接收后去除 支持直接存储器访问( d m a ) 可编程的硬件流量控制c s t 和r s t 完整的调制解调器接口( 只在u a r t 0 上) i r d a 模式 s t r 9 1 2 f w 4 4 x 6 主控模块的电路图见附录。 4 5 数据通信单元模块设计 我们设计的小型接触网几何参数的检测系统涉及到传感器、微处理器、计算机等。 检测用的摄像机分布在电力机车上，与计算机有一定的距离，同时需要将两个摄像机采 集到的图像同时传输到计算机上，因此各设备、各单元间的信息交换需要选择合适的通 信方式来进行，数据通信模块主要负责完成这项任务。 传统的通信方式又并行方式和串行方式。并行通信方式是将数据各位同时进行发送 或接受，传输速度快，但传输距离短，而且每一位均需一根传输线，对接触网检测显然 是不适用的。串行通信方式是将数据一位一位地传送，硬件成本较低，只需要一根数据 线，适合一定的远距离通信。随着t c p i p 网络的快速普及，t c p i p 网络已经延伸到社会 的各个角落。与串口通信相比较，基于t c p i p 协议的以太网是一种采用开放式标准的网 络，由其组成的系统兼容性和互操作型好，通信距离远，且t c p i p 网络通信质量稳定， 通信流量大，不受外部环境干扰，是以后测量系统发展的主流。 下面介绍两种常用的通信标准：r s 2 3 2 串口和以太网。 ( 1 ) r s 2 3 2 r s 2 3 2 是美国电子工业协会( e i a ) 公布的，是目前用的最多的一种串行通信标准， 主要用于数据终端设备( d t e ) 和数据通信设备( d c e ) 之间的通信，一般计算机都配备有这 个接口。 r s 2 3 2 又称之为串口、异步口或一个c o m ( 通信) 口，最高通讯速率为l1 5 2 0 0 b p s ， 有效传输距离1 5 m ，如果采用4 到2 0 m a 的电流环则可达到1 公里以上的通信距离。 在电气性能方面，r s 2 3 2 c 使用负逻辑。逻辑“l ”电平是在5 v + 1 5 v 范围内，逻 2 r 硕士论文 线阵双目测量电力接触导线几何参数的实验技术研究 辑“0 ”电平是+ 5 v 1 5 v 范围内。输入门限电压值为+ 3 v 和3 v ，即有2 v 的噪声容限。 r s 2 3 2 标准采用9 芯或2 5 芯接口，以9 芯接口最为常见。9 芯的接口芯片，形状如图 4 5 1 所示，下面是d p 9 的引脚定义。 i 或r x d ：接受数据 a x 或t x d - 发送数据 g n d ：信号地 r x 强 g n d 图4 5 1d p 9 串口的形状及针脚排列号 ( 2 ) 以太网( e t h e r n e t ) 以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，是数字设备公司( d i g i t a l e q u i p m e n tc o r p ) 、英特尔公司( i n t e lc o r p ) 和施乐公司( x e r o xc o r p ) 在1 9 8 2 年联合公布的 一种标准。 计算机网络一般采用分层的体系结构，国际标准化组织开发了o s t ( o p e ns y s t e m s i n t e r c o n n e c t i o n ) 开放系统互联参考模型，定义了通信和网络系统的描述与连接的框架， 描述了具有七个层次的系统。按照o s i 参考模型的分层结构，以太网规范只包括物理层 和数据链路层。 s t r 9 1 2 提供了一个与i e e e 8 0 2 3 标准相兼容的介质访问控制子层协议( m a c ) ， 使用c s m a