一种轨道巡检成像控制信号发生器、产生方法和轨道巡检系统与流程

本发明涉及轨道交通技术领域，具体涉及一种轨道巡检成像控制信号发生器、产生方法和轨道巡检系统。

背景技术：

轨道交通是我们交通运输的支撑产业，在国民经济发展、人民生活出行等诸多方面发挥着巨大价值。轨道作为轨道交通的基础设施，其性能状态与轨道交通运营安全密切相关。地铁经长时间运行后，由于列车行轧、地基沉降、材料老化等多种原因，轨道状态会逐渐恶化，随机出现轨距改变、钢轨断裂、扣件失效等多种病害，若不能及时发现和处理，便有可能酿成列车脱轨等重大交通事故。因此，轨道检测维护工作对于地铁安全运营管理显得尤为重要。

近年来，国内外以图像处理技术为核心的大型综合检测车在高铁建设项目中获得应用。典型产品有中国铁科院研制的“轨道状态巡检系统”、美国ensco公司生产的“tcis轨道部件成像系统”、意大利mermec公司生产的“v-cube轨道检测系统”、英国rial-vison公司生产的“trackimaging轨道成像系统”等。这些设备除了技术指标和部分功能外，工作原理和系统结构大同小异，都是通过在轨检车底部安装多台高速相机，连续拍摄轨道表面的序列图像，存储之后再利用计算机通过图像处理和模式识别的方法检测出其中的异常情况。

这类大型综合检测车主要用于新建线路的竣工验收以及重要干道的定期检查，在满足城市轨道交通日常巡检要求方面还存在以下突出问题：

1)综合检测巡检车数据处理时效性差。目前，综合检测巡检车中巡检系统的数据处理方式为离线后处理，在检测结束后，由人工拷贝巡检数据，导出巡检视频，二次进行人工分析。在综合检测车实际运行中，从开始检测到拿到检测结果，约有1天延时，若出现较大或者重大缺陷则错过了第一发现时间，存在一定的安全隐患。

2)综合检测巡检车开行频次覆盖率较低。目前，综合检测巡检车每条线每月巡检频率为1～2次，每月巡检覆盖率仅为6％，随着线网运营规模急速扩充，天窗点资源十分贫乏，天窗点时间短、计划少，综合检测巡检车开行轨道巡检难上加难，前期在10号线金花站出现轨道扣件多处弹条遗失事件，暴露出了巡检覆盖率不足带来的漏检弊端问题。

针对这些问题，中国专利cn201910331806.1提出了一种用于轨道巡检的可拆卸小车，该小车挂载视觉成像模块对轨道进行成像，可实现轨道日常巡检。但是，这种轨道巡检小车需要占用“夜间检修窗口期”。而夜间检测窗口期对轨道巡检和维修非常重要。如何实现轨道日常巡检、并且不占用夜间检修窗口期，是提升城市轨道巡检水平的重要努力方向。

为满足每日巡检需求、且不占用夜间检修窗口期，本发明提供一种挂载电客车轨道巡检系统。

挂载电客车巡检系统，需要将现有视觉成像系统安装到电客车上。面向轨道巡检的视觉成像系统包括线阵摄像机或3d摄像机，参考《基于计算机视觉的车载轨道巡检系统研制》、专利201910356927.1等现有技术，这些视觉成像系统通常为线阵扫描成像系统。采用线阵扫描成像系统对钢轨表面进行2d或3d成像，一般而言，线阵扫描的成像分辨率间隔为1mm,因此，需要在电客车每移动1mm时，对轨道表面进行一次成像，这个成像过程需要一个ttl脉冲进行控制。在轨道巡检车、巡检机器人上通常采用光电编码器对车辆转动角度进行编码产生里程脉冲，用于视觉系统触发成像。然而，要将视觉系统挂载在日常运行的电客车上，并没有满足要求的里程脉冲信号供视觉成像系统使用，也因为安全因素或管理流程约束，通常无法在电客车上安装光电编码器用于产生满足视觉成像系统的里程脉冲信号。用于视觉成像控制的里程脉冲需求是:列车每移动1mm或2mm产生1个脉冲。因此，在列车上挂载轨道可视化智能巡检系统，必须解决在不能安装光电编码器的情况下，如何获取高精度里程脉冲信号的问题。

现有列车系统，都有自己的速度测量系统，并通过mvb总线传输速度信号，可通过mvb总线中的速度信号，用于计算里程脉冲的参数，产生脉冲信号，用于视觉成像扫描控制信号。但是，我们在实际应用中，发现存在这样的问题：mvb传输的速度信号，存在较大延时，所产生的线扫控制信号不均匀，会使拍摄的二维或三维深度图像在沿列车行驶方向存在失真，如图1-3所示：其中，图1为匀速行驶状态下拍摄扣件尺寸正常的情况；图2是加速阶段，所产生的控制信号里程间隔大于实际里程，导致图像压缩，图3中是减速阶段，所产生的控制信号里程间隔小于实际里程，导致图像被拉伸。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种轨道巡检成像控制信号发生器、产生方法和轨道巡检系统。

为达到上述目的，本发明提供的第一个技术方案为：

一种轨道巡检成像系统信号发生器，该信号发生器包括：

加速度计，固定于所述成像系统的外壳或列车车体上，加速度计的轴向与钢轨延伸方向平行,加速度a的方向定义为列车前进方向为正，列车倒退方向为负，加速度计的采样频率不低于100hz；以及

瞬时速度计算与信号发生模块，为嵌入式系统，一端具有mvb总线接口，获取列车速度信号v0，另一端连接于所述加速度计，获取加速度信号a，生成成像控制信号p。

进一步的，所述加速度计为单轴加速度计、零频加速度计和光纤传感器中任一种。

进一步的，所述瞬时速度计算与信号发生模块由arm处理平台和mvb转换卡组成，其中arm处理平台具有串口、ad和pwm发生器。

进一步的，所述瞬时速度计算与信号发生模块为基于fpga的嵌入式平台。

本发明提供的第二个技术方案为：

一种轨道巡检成像系统的信号产生方法，mvb转换卡将mvb总线信号转换为串口信号，基于arm的plc通过串口接受mvb转换卡传输的列车速度信号v0，通过ad获取加速度计产生的加速度信号a，计算车辆瞬时速度v1，根据成像控制分辨率需求，实时计算成像控制信号p的时钟周期t或频率h，并更新pwm发生器的时钟周期或频率参数，产生pwm方波作为成像控制信号p；当v1＝0时，关闭pwm脉冲输出，当v1＞0时，使能pwm脉冲输出。

进一步的，所述车辆瞬时速度v1的计算方法为：

1)列车停止阶段：

当v0＝0、且|a|≤a_th1时，判定列车静止，输出v1＝0；

2)列车启动阶段：

当v0＝0、且|a|＞a_th1时，判定列车启动，以速度v0为初始值、对加速度a进行时间积分，得到基于加速度计测量的速度va，输出v1＝va；

3)列车常速行驶阶段：

当v0＞v_th1、且|a|≤a_th1时，判定列车常速行驶阶段，使v1＝v0；

4)列车到站减速行驶阶段：

当v0＞v_th1、且|a|＞a_th1时，判定列车到站减速行驶，以速度v0为初始值、对加速度a进行时间积分，得到基于加速度计测量的速度va，输出v1＝va；

5)列车到站停车阶段:

当v0＝0、且|a|≤a_th1时，判定列车停止，使v1＝0；

其中v_th1的取值范围为60-160km/h，a_th1的取值范围为：0～0.01m/s²；

所述速度va的具体方法是：

其中，v0是从mvb接口获取的最新的列车速度信号，i是加速度信号a的序号，ai表示第i个加速度值，i的取值从0开始累积；is表示加速度时间积分的起点序号，ie表示加速度时间积分的终点序号，其中，is为ts时刻对应的序号，ie为te时刻对应的序号；

te＝ta(3)

其中，是从mvb接口获取到速度信号v0的时刻，τm是mvb接口速度传感的延时，ta是当前加速度a的采样时刻。

进一步的，所述车辆瞬时速度v1的计算方法为：

1)当v0未更新时，

其中，是第i、i-1个时刻瞬时速度，以作为当前时刻的瞬时速度v1，当v0更新时，通过公式(1)，对瞬时速度v1进行修正；

其中，v0更新的判断方法是，查看mvb接口是否有数据更新或判断v0数值是否发生变化。

进一步的，所述车辆瞬时速度v1的计算方法为：

当v0＝0、且|a|≤a_th1时，判定列车停止，使v1＝0，关闭控制信号p输出；

当v0＞0时，视v0是否更新，采用公式1或公式4计算瞬时速度v1。

进一步的，对所述车辆瞬时速度v1采用卡尔曼或扩展卡尔曼滤波方法，进行平滑滤波，消除信号噪声。

进一步的，所述基于fpga的嵌入式平台通过ad采样加速度计信号a，直接接入mvb信号，采用fpga实现公式(1)的算法，计算瞬时速度v1，计算控制信号p的频率，采用pll产生对应频率的方波作为控制信号；当v1＝0时，关闭方波输出，当v1＞0时，使能方波输出。

本发明提供的第三个技术方案为：

一种轨道巡检系统，其特征在于，该系统包含：

车辆mvb总线接口；

信号发生装置，包含：

加速度计，固定于所述成像系统的外壳或列车车体上，加速度计的轴向与钢轨延伸方向平行,加速度的方向定义为列车前进方向为正，列车倒退方向为负，加速度计的采样频率不低于100hz；以及

瞬时速度计算与信号发生模块，为嵌入式系统，一端具有mvb总线接口，获取列车速度信号v0，另一端连接于所述加速度计，获取加速度信号a，生成成像控制信号p；

视觉成像模块，由3台线阵摄像机及照明光源对轨道表面进行二维扫描成像，或由3台线结构光3d摄像机对轨道表面进行三维扫描成像，或由前述设备共同对轨道表面进行二维和三维扫描成像；视觉成像模块与信号发生装置连接，接收信号发生装置产生的线扫描控制信号，对轨道表面进行二维或三维或二维与三维扫描成像，获取轨道表面视觉信息，用于轨道病害检测；

数据采集与处理模块，为计算机，与视觉成像模块连接，接收视觉成像模块的轨道表面视觉信息，并运行轨道病害自动检测算法，对获取的轨道表面视觉信息进行处理，检测轨道病害；以及

供电模块，为相关电平转换设备，用于将列车车厢的高压电转换为巡检系统所需电压电源，为视觉成像模块、信号发生装置、数据采集与处理模块供电；

其中，供电模块、信号发生装置、数据采集与处理模块位于车厢内部，视觉成像模块固定在电客车转向架上，位于车外。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

①本发明的成像系统信号发生器产生的控制信号均匀，获得高精度的视觉成像、线扫描控制信号，使挂载在电客车或列车的视觉可视化巡检系统对轨道路面进行均匀线扫描成像，获取有用的轨道表面二维或三维数据，用于轨道病害检测。

②本发明的轨道巡检系统实现了每日巡检，并且在列车运行过程中同步完成轨道表面数据采集，不占用夜间窗口。

附图说明

图1为现有技术中拍摄的列车匀速阶段轨道深度图像；

图2为现有技术中拍摄的列车加速阶段轨道深度图像；

图3为现有技术中拍摄的列车减速阶段轨道深度图像；

图4为实施例1轨道巡检系统组成图；

图5为实施例1轨道巡检系统安装示意图；

图中：1、钢轨，2、车轮，3、转向架，4、客车车厢，5、视觉成像模块、6、加速度计、7、瞬时速度计算与信号发生模块、8、车辆mvb总线接口、9、数据采集与处理模块、10、供电模块。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明方法和效果做进一步详细的说明。有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

电客车挂载式轨道可视化智能巡检系统，由供电模块、车辆mvb总线接口、信号发生装置、视觉成像模块、数据采集模块、数据处理模块和安装支架组成，如图4所示，其中供电模块为成像控制模块、信号发生装置、数据采集模块、数据处理模块供电；供电模块、信号发生装置、数据采集模块、数据处理模块位于车厢内部，视觉成像模块通过安装支架固定在电客车转向架上，位于车外，安装示意图如图5所示。

如图5所示，在视觉模块5上加装加速度计6，在车厢内安装瞬时速度计算与信号发生模块7，瞬时速度计算与信号发生模块7与车辆mvb总线接口8连接，瞬时速度计算与信号发生模块7再与视觉成像模块5连接，将产生的控制信号输出到视觉成像模块，控制视觉成像模块对轨道表面进行扫描成像。

瞬时速度计算与信号发生模块具有mvb总线接口，通过mvb总线接口与电客车控制系统链接，获取电客车速度信号v0；瞬时速度计算与信号发生模块与加速度计连接，获取加速度信号a，并根据电客车速度信号v0、加速度信号a实时计算瞬时速度v1,并根据巡检成像系统扫描成像分辨率需求nmm/pluse，生成成像控制信号p，用于轨道巡检成像系统成像控制，所述n的取值范围为1-5，mm为毫米，pluse为脉冲。

所述加速度计为单轴加速度计，其中加速度计的轴向与钢轨延伸方向平行,加速度a的方向定义为列车前进方向为正，列车倒退方向为负，加速度计的采样频率不低于100hz。

所述瞬时速度计算与信号发生模块为arm处理平台和mvb转换卡组成，其中mvb转换卡将mvb总线信号转换为串口信号，arm处理平台具有串口、ad和pwm发生器，arm处理平台通过串口接受mvb转换卡传输的电客车速度信号v0、通过ad获取加速度计产生的加速度信号a，计算车辆瞬时速度v1，根据成像控制分辨率需求，实时计算成像控制信号p的时钟周期t或频率h，并更新pwm发生器的时钟周期或频率参数，产生pwm方波作为成像控制信号p；当v1＝0时，关闭pwm脉冲输出，当v1＞0时，使能pwm脉冲输出；

所述车辆瞬时速度v1的计算方法是：

1)列车停止阶段：

当v0＝0、且|a|≤a_th1时，判定列车静止，输出v1＝0；

2)列车启动阶段：

当v0＝0、且|a|＞a_th1时，判定列车启动，以速度v0为初始值、对加速度a进行时间积分，得到基于加速度计测量的速度va，输出v1＝va；

3)列车常速行驶阶段：

当v0＞v_th1、且|a|≤a_th1时，判定列车常速行驶阶段，使v1＝v0；

4)列车到站减速行驶阶段：

当v0＞v_th1、且|a|＞a_th1时，判定列车到站减速行驶，以速度v0为初始值、对加速度a进行时间积分，得到基于加速度计测量的速度va，输出v1＝va；

5)列车到站停车阶段:

当v0＝0、且|a|≤a_th1时，判定列车停止，使v1＝0；

其中v_th1的取值范围为60-160km/h，a_th1的取值范围为：0～0.01m/s²。

所述速度va的具体方法是：

其中，v0是从mvb接口获取的最新的列车速度信号，i是加速度信号a的序号，ai表示第i个加速度值，i的取值从0开始累积；is表示加速度时间积分的起点序号，ie表示加速度时间积分的终点序号，其中，is为ts时刻对应的序号，ie为te时刻对应的序号；

te＝ta(3)

其中，是从mvb接口获取到速度信号v0的时刻，τm是mvb接口速度传感的延时，ta是当前加速度a的采样时刻。

实施例2

与实施例1的不同之处，采用公式4快速计算车辆瞬时速度v1：

1)当v0未更新时，通过下面的迭代公式快速计算：

其中，是第i、i-1个时刻瞬时速度，以作为当前时刻的瞬时速度v1

2)当v0更新时，通过积分公式(1)，对瞬时速度v1进行修正，可避免积分累积误差；

其中v0更新的判断方法是，查看mvb接口是否有数据更新或判断v0数值是否发生变化。

实施例3

一种不区分电客车的状态，直接进行瞬时速度v1计算的方法是:

当v0＝0、且|a|≤a_th1时，判定列车停止，使v1＝0，关闭控制信号p输出；

当v0＞0时，且v0未更新时，采用公式4快速计算瞬时速度v1；

当v0＞0时，且v0更新时，采用公式1计算速度va，使v1＝va。

实施例4

所述随时速度计算与信号发生模块为基于fpga的嵌入式平台，fpga通过ad采样加速度计信号a，直接接入mvb信号，采用fpga实现公式1的算法，计算速度va，进而计算瞬时速度v1，计算控制信号p的频率，采用pll产生对应频率的方波作为控制信号；当v1＝0时，关闭方波输出，当v1＞0时，使能方波输出。

实施例5

与实施例1相比，信号发生器还包括陀螺仪，与所述加速度计连接，同时获取列车运动的加速度和姿态角信息，得到的加速度a为行进方向上的加速度分量a’，利用加速度分量a’精确估计列车行驶瞬时速度v1。

实施例6

在上述任一实施例计算瞬时速度值v1时，采用卡尔曼或扩展卡尔曼滤波方法，对速度v1进行平滑滤波，消除信号噪声，并且将mvb输入的速度v0作为卡尔曼滤波的测量值。

实施例7

所述对加速度计为零频加速度计，并对其进行电磁干扰屏蔽。

实施例8

所述对加速度计为光纤加速度计。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。