0 引 言

工業(yè)領(lǐng)域中部分移動式設(shè)備需要源源不斷的動力，例如港口起重設(shè)備、自動化車間中的移動設(shè)備等。因此，除了部分電氣設(shè)備會使用電纜供電外，大多數(shù)設(shè)備需要移動供電，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)備移動時，集電器隨設(shè)備同步運(yùn)行，并隨時從導(dǎo)軌上取電，以便設(shè)備可以持續(xù)運(yùn)行。滑觸線發(fā)生故障的原因有多種，包括溫度變化造成熱脹冷縮，滑觸線對接直線度不達(dá)標(biāo)等 [2]。此外，設(shè)備運(yùn)行時，集電器在滑觸線上移動，一方面會與滑觸線產(chǎn)生磨損，另一方面可能會產(chǎn)生電弧，長期使用會因高溫結(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通常依靠人工進(jìn)行，在精準(zhǔn)度及檢測效率方面存在一定的局限性 [3]。滑觸線檢測對精度要求較高，錯誤的判斷可能會影響滑觸線的安全，而目前滑觸線檢測設(shè)備較少 [4]。本文對滑觸線的內(nèi)外側(cè)同時進(jìn)行檢測，每根滑觸線通過 3 個位移傳感器和 1 個光學(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小車為載體，通過伺服電機(jī)驅(qū)動和機(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)計研發(fā)出了一種針對滑觸線的自動化檢測方案，該方案對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在滑觸線檢測領(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)計方案

本方案整體設(shè)計包括工控機(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。自動小車需要在內(nèi)部寬度為 140 mm 的槽鋼上行走，自動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，可兼容多種工業(yè)場景。系統(tǒng)整體設(shè)計原理如圖 1 所示。

針對接觸軌左右、底部變形的檢測，擬采用激光位移傳感器和視覺檢測實(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。同時，每一條接觸軌底部要放置攝像頭，通過機(jī)器視覺輔助檢測軌道形變。為保證機(jī)器視覺的實(shí)時檢測算力，擬在巡檢車上安裝微型工控機(jī)。現(xiàn)場待檢測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，巡檢車上需要安裝陀螺儀等姿態(tài)測量模塊，可檢測因運(yùn)行路徑不平整而導(dǎo)致巡檢車發(fā)生的姿態(tài)變化，以抵消對接觸軌底部位移傳感器的影響。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 工控機(jī)

由于自動小車檢測系統(tǒng)搭載了多種傳感器、攝像頭，以及多個控制電路，為了能夠?qū)崟r處理大量數(shù)據(jù)，需要在自動小車上搭載工控機(jī)等設(shè)備。

2.2 陀螺儀

通過自動小車運(yùn)動狀態(tài)檢測系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測小車當(dāng)前的工作狀態(tài)，通過陀螺儀對小車運(yùn)動角度的偏差進(jìn)行檢測，能夠及時調(diào)整小車的運(yùn)動方向 [5]。將自動小車本體出發(fā)時所處的水平面設(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，在下一時刻 t1 陀螺儀輸出角度 θ1，記錄此時電機(jī)編碼器的輸出值，換算成水平位移 S1，在 t1 時刻小車本體偏離初始水平面的距離為 ：x1=S1 · tanθ1 （1）

計算時規(guī)定數(shù)值符號，輸出為仰角時，數(shù)值為正，輸出為俯角時，數(shù)值為負(fù) ；在任意時刻 ti(i=0, 1, 2, ..., n) 自動小車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)行時路面起伏導(dǎo)致激光位移傳感器測量的數(shù)值大幅波動，進(jìn)而誤判滑觸線燒蝕變形。

2.3 無線傳輸模塊

自動小車應(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 萬像素的自動對焦攝像頭，其畫面質(zhì)量更好，可用于人臉識別、顏色識別、文字識別、形狀識別、邊緣檢測、特征點(diǎn)追蹤等。攝像頭需要安裝在接觸軌正下方，需要額外的光源對接觸軌內(nèi)部照明 [6]。同時，為了輔助檢測燒蝕情況，需要在每根接觸軌底部增加一個攝像頭，如圖 2 所示。

2.5 位移傳感器

激光位移傳感器的測量原理 ：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)被測物體沿著光束的入射方向移動時，物體表面的散射光斑相對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、底部的非接觸測量。激光位移傳感器適合測量快速的位移變化，具有測量精度高、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 軟件對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，剪叉式升降平臺具有結(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)計部分包括承載傳感器、攝像頭、自動前行檢測模塊、伸展支撐模塊等，自動小車主要包括驅(qū)動部分、傳動部分、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)動電機(jī)選用 35 W 編碼器電機(jī)。為了保證驅(qū)動扭矩，額外增加齒輪減速器。伸展機(jī)構(gòu)采用雙電機(jī)齒輪傳動機(jī)構(gòu)，保證物聯(lián)網(wǎng)檢測設(shè)備能夠平穩(wěn)到達(dá)準(zhǔn)確位置，完成相關(guān)檢測工作。

3 圖像識別

3.1 基于視覺的滑觸線燒蝕檢測

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)重時會使滑觸軌金屬及外層塑料絕緣層產(chǎn)生形變?；谝陨咸攸c(diǎn)，擬采用如下方案實(shí)現(xiàn)滑觸線燒蝕的自動檢測 ：

（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)檢測方法等對懷疑存在異常的滑觸線圖像進(jìn)行判斷與**定位。

此方案的優(yōu)勢在于通過**步從顏色上對滑觸線進(jìn)行初篩，僅將懷疑存在異常的滑觸線圖像傳入**步的燒蝕**定位模型，減少實(shí)際巡檢時的計算量，可一定程度提升系統(tǒng)實(shí)時性。但是，采用該方法時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模型的訓(xùn)練。

3.2 基于視覺的滑觸線變形檢測

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)際檢測中對以上過程做進(jìn)一步優(yōu)化，可通過識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 后臺軟件設(shè)計

根據(jù)本論文的技術(shù)方案，使自動小車沿軌前行，由編碼器定位小車的實(shí)時位置。通過陀螺儀測量實(shí)時的位姿變化，結(jié)合小車的伸展機(jī)構(gòu)，拖動位移傳感器和攝像頭等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到達(dá)既定的檢測位置 ；通過位移傳感器檢測滑觸線內(nèi)外的位移變化量，結(jié)合視覺檢測技術(shù)，綜合評判滑觸線檢測結(jié)果。

后臺軟件操作界面如圖 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)時數(shù)據(jù)顯示部分，操作者可以根據(jù)自身需求，實(shí)時查看檢測數(shù)據(jù)或調(diào)用檢測歷史數(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)的滑觸線檢測裝置展現(xiàn)出良好的檢測性能，適用于相關(guān)檢測行業(yè)。

5 結(jié) 語

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