Автоматизована діагностика геометричних параметрів залізничних рейок за допомогою засобів технічного зору

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

УДК 681.518.5

Автоматизована діагностика геометричних параметрів залізничних рейок за допомогою засобів технічного зору

Спеціальність - 05.02.10 «Діагностика матеріалів і конструкцій»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Коляда Володимир Олександрович

Київ 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України

Науковий керівник:кандидат технічних наук Шаповалов Євген Вікторович, Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, завідувач відділом

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Недосєка Анатолій Якович Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, завідувач відділом

доктор технічних наук, професор Маєвський Станіслав Михайлович Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», приладобудівний факультет,професор кафедри

Захист відбудеться «31» березня 2010 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ - 150, МСП, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ вул. Боженка, 11.

Автореферат розісланий «12» лютого 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук Л.С. Киреєв

рейка залізничний лазерний автоматизований

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Залізничний транспорт являється одним з основних видів транспорту в Україні і по загальній довжіні колій посідає четверте місце в світі. Достовірна інформація про геометричні параметри залізничних колій є важливим чинником забезпечення безпеки руху поїздів на залізницях. Одне з основних завдань, що стоять перед адміністраціями залізниць, полягає в організації систематичного вимірювання геометричних параметрів колій. Результати вимірювань дозволяють кількісно оцінювати ступінь погіршення стану колій, оптимізувати графіки поточного утримання та ремонту, встановлювати максимально допустиму швидкість руху на конкретних ділянках. У минулому сторіччі отримали розвиток різноманітні системи вимірювання геометричних параметрів колій, багато з яких застосовується в експлуатаційній практиці і сьогодні. В таких системах найчастіше використовуються механічні датчики, які знаходяться у постійному контакті з рейками. Для колієвимірювальних систем з контактними датчиками характерний загальний недолік: вони не можуть забезпечити достатню точність вимірювань при русі вагона з високою швидкістю, оскільки в цих умовах не зберігається постійний контакт датчиків з рейками. На сьогоднішній день одним з основних напрямків розвитку засобів діагностики стану залізничних колій є підвищення достовірності контролю за рахунок впровадження нових технічних засобів автоматизованого збору і обробки даних. Для комплексної діагностики стану залізничної колії окрім основних параметрів, таких як шаблон, рівень, стріли вигину рейок в горизонтальній і вертикальній площині, необхідно також вимірювати і додаткові параметри. До додаткових параметрів відносяться геометричні параметри рейок, які включають в себе фактичні значення бічного і вертикального зношення головки рейок, повний профіль поперечного перетину та кути нахилу рейок. Серед нових технічних засобів, які пропонуються в якості альтернативи вимірювальним системам з механічними контактами, найбільш перспективними є лазерно-телевізійні сенсорні системи. Основні переваги таких систем: безконтактність, значне число одночасно контрольованих параметрів, можливість контролю в процесі руху колієвимірювального вагона з високою швидкістю. Разом з тим широкому розповсюдженню лазерно-телевізійних сенсорних систем перешкоджає відсутність надійних механізмів компенсації збурень, які вносяться до телевізійного сигналу зовнішніми оптичними і механічними перешкодами. Тому подальше вдосконалення систем технічного зору, призначених для збору діагностичних даних про геометричні параметри залізничних колій, є актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася в Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона у відповідності з планами робіт у рамках тем: 27/38 (шифр теми 1.6.1.27.38) «Розробка системи автоматичної діагностики стану форми рейок залізничних колій у процесі руху залізничних поїздів» (2004-2006 р.), 27/55 (шифр теми 1.6.1.27.55) «Розробка та дослідження дослідного зразка лазерно-телевізійного детектора форми рейок залізничних колій» (2007-2009 р.). Здобувачу належить постановка цілей і завдань досліджень, планування стратегії досліджень, ключові технічні і алгоритмічні рішення.

Мета і задачі дослідження.

Мета роботи - розробка системи автоматизованої діагностики геометричних параметрів залізничних рейок на основі засобів технічного зору.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні наукові і прикладні задачі:

- виконати аналіз основних проблем, пов'язаних із застосуванням лазерно-телевізійних сенсорних систем для вимірювання геометричних параметрів залізничних рейок;

- поліпшити співвідношення сигнал-шум при реєстрації відеосигналу, що містить початкові дані про геометричні параметри рейок;

- розробити швидкі алгоритми обробки зображень для виявлення контуру світлового сліду, що повторює рельєф поверхні рейок;

- розробити методику ідентифікації параметрів сенсорної системи, яка б дозволила виконувати калібрування оптичних блоків в умовах організації, що експлуатує систему;

- автоматизувати процес порівняння виміряних профілів рейок з еталоном в умовах дії випадкових перешкод, що впливають на взаємне положення оптичних блоків і рейок;

- розробити апаратні і програмні засоби двоканальної лазерно-телевізійної сенсорної системи, призначеної для автоматичної реєстрації геометричних параметрів залізничних рейок;

- дослідити характеристики точності і надійності сенсорної системи в умовах магістральних залізниць.

Об'єкт дослідження - засоби автоматизованої діагностики геометричних параметрів залізничних колій.

Предмет дослідження - лазерно-телевізійна сенсорна система для збору діагностичних даних про геометричні параметри залізничних рейок.

Методи дослідження

Задача підвищення співвідношення сигнал-шум в оптичному тракті лазерно-телевізійної сенсорної системи, призначеної для збору даних про геометричні параметри залізничних рейок, вирішувалася експериментально-розрахунковим шляхом. Для вирішення завдань, пов'язаних з розробкою алгоритмічного забезпечення сенсорної системи і методики калібрування оптичних блоків, застосовувалися методи математичного і комп'ютерного моделювання з експериментальною перевіркою отриманих результатів. Визначення характеристик сенсорної системи здійснювалося шляхом збору і аналізу експериментальних даних на різних ділянках магістральних залізниць.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Запропоновано для узгодження режиму роботи відеокамер лазерно-телевізійної сенсорної системи з рівнем зовнішньої освітленості застосовувати замкнуте управління часом експозиції фотоприймача на базі регулятора з автоматичним підстроюванням коефіцієнта підсилення, що дозволило підтримувати співвідношення сигнал-шум у телевізійному сигналі на рівні не нижче 25 % в умовах дії випадкових оптичних перешкод з апріорно невідомим законом розподілу ймовірностей.

2. Встановлено, що для виявлення контуру світлового сліду на цифрових зображеннях доцільно застосовувати узгоджено-вибіркову фільтрацію спільно з перенастроюваною граничною функцією, що дає змогу мінімізувати втрати корисного сигналу в умовах, коли світловий слід на зображеннях має неоднорідну яскравість і змінну товщину.

3. Дістали подальший розвиток принципи використання калібрувальних шаблонів і математичних моделей для ідентифікації внутрішніх і зовнішніх параметрів телевізійних камер в задачах калібрування оптичних блоків багатоканальних систем технічного зору.

4. Запропоновано для компенсації випадкових збурень, пов'язаних зі змінами взаємного положення оптичних блоків і рейок, застосовувати автоматичне суміщення виміряних профілів рейок з еталоном з використанням стереоскопічних властивостей двоканальної лазерно-телевізійної сенсорної системи і ітеративного наближення дискретних кривих.

Практичне значення отриманих результатів.

Створено експериментальну модель лазерно-телевізійної сенсорної системи, що призначена для автоматизованого збору і аналізу даних про геометричні параметри залізничних рейок. Система відрізняється рядом переваг у порівняння з існуючими подібними рішеннями, а саме:

- підвищеним рівнем захисту від зовнішніх оптичних і механічних перешкод - втрати даних в умовах магістральних залізниць не перевищують 2 %;

- здатністю виконувати вимірювання геометричних параметрів рейок у масштабі реального часу на високій частоті, досягнутій за рахунок використання швидких алгоритмів обробки даних і сучасних апаратних засобів;

- надійною компенсацією випадкових збурень, викликаних змінами взаємного положення оптичних блоків і рейок;

- можливістю швидкого перекалібрування оптичних блоків системи без використання складних калібрувальних стендів.

Отримані апаратні та програмні рішення можуть бути покладені в основу створення нових інструментальних засобів для колієвимірювальних вагонів.

Особистий внесок здобувача. Постановка мети і задач дослідження, вибір напрямів дослідження, розробка алгоритмів обробки відеосигналів, побудова математичної моделі лазерно-телевізійної сенсорної системи, формування методики калібрування оптичних блоків, розробка процедури порівняння виміряних профілів рейок з еталоном виконані автором особисто. При плануванні і проведенні експериментальних досліджень, підготовці публікацій внесок автора був визначальним.

У наукових роботах, які опубліковані в співавторстві, здобувачу належить: [1] - постановка задачі моделювання обробки сигналів в системах технічного зору; [2], [5] - розробка методики калібрування оптичних блоків систем технічного зору; [3] - алгоритм виявлення на цифрових зображеннях контурів світлового сліду, що повторюють профіль рейки; [4], [8] - розробка алгоритмічного забезпечення систем технічного зору; [9] - розробка математичного забезпечення, призначеного для візуалізації, архівації і паспортизації результатів контролю геометричних параметрів залізничних рейок; [10] - розробка процедури автоматичного порівняння виміряних профілів залізничних рейок з еталоном. У самостійній роботі [6] здобувачем пропонуються способи підвищення частоти сканування рейок лазерно-телевізійними сенсорними системами, в роботі [7] - розглядаються конструктивні особливості оптичних блоків.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися на: 16-ій міжнародній конференції «Комп'ютерні технології в зварюванні і виробництві» (Київ, ІЕЗ ім. Є. О. Патона, 6-8 червня 2006 р.) і 5-ій Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців «Зварювання і споріднені технології» (Ворзель, 27-29 травня 2009 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 10 наукових робіт: 6 статей у фахових наукових журналах, 2 статті в збірках статей ІЕЗ ім. Є.О.Патона і 2 тези доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків і переліку літературних джерел. Робота викладена на 174 сторінках. Загальний об'єм дисертації складає 132 сторінки машинописного тексту, 90 малюнків, 9 таблиць і перелік літературних джерел з 101 найменування на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі представлена загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність теми, визначені мета і задачі роботи, сформульована наукова новизна і практична значимість отриманих результатів.

У першому розділі проведено аналіз існуючих рішень і проблем, пов'язаних із задачею контролю геометричних параметрів залізничних рейок. У ході аналізу встановлено, що перспективним напрямом подальшого розвитку засобів діагностики технічного стану залізничних колій є впровадження безконтактних лазерно-телевізійних сенсорних систем. Показано, що на даний час існує ряд не вирішених або не повністю вирішених проблем, пов'язаних із застосуванням засобів технічного зору для автоматизованого збору даних про геометричні параметри залізничних рейок. Однією з таких проблем є відсутність засобів ефективного захисту оптичних блоків від зовнішніх оптичних перешкод, особливо від сонячних променів, що відбиваються від робочої поверхні рейок. Невирішеною залишається проблема, пов'язана з надійною компенсацією випадкових збурень, які виникають при зміні взаємного положення оптичних блоків і рейок. До ряду невирішених відноситься проблема оперативного калібрування або перекалібрування оптичних блоків. Крім того, існуючі лазерно-телевізійні сенсорні системи мають достатньо низьку робочу частоту, яку необхідно підвищувати для більш якісної оцінки стану рейок.

У другому розділі розглядаються питання, пов'язані з реєстрацією і обробкою відеосигналів в лазерно-телевізійній сенсорній системі з двоканальними оптичними блоками (рис. 1).

Принцип роботи системи базується на лазерній тріангуляції. За допомогою двох лазерних генераторів світлової площини (ЛГСП) на поверхні рейки формується світловий слід. Дві відеокамери реєструють ділянки світлового сліду, що повторюють профіль рейки. На етапі обробки відеосигналу на кожному зображенні необхідно визначити координати точок, що відповідають контуру світлового сліду. Для оптичних блоків основним джерелом зовнішніх оптичних перешкод є сонячне світло, відбите від поверхні рейок. Під впливом сонячного світла гістограма інтенсивності пікселів на зображеннях може зміщуватися в сторону максимуму інтенсивності, що перешкоджає виявленню світлового сліду на загальному фоні зображення. Крім того, на поверхні рейки можуть виникати відблиски (рис. 2 а). В ході експериментальних досліджень встановлено, що для покращення співвідношення сигнал-шум при реєстрації зображень світлового сліду перед об'єктивами відеокамер доцільно встановлювати два світлофільтри: інтерференційний і поляризаційний. Інтерференційний світлофільтр, смуга пропускання якого узгоджена з довжиною хвилі випромінювання лазерів, дозволяє суттєво підвищити контрастність зображень (рис. 2 б). У свою чергу поляризаційний світлофільтр послаблює дзеркально відбите сонячне випромінювання, що відповідає відблискам, і практично повністю пропускає відбите лазерне випромінювання, розділяючи тим самим рівні паразитного і корисного сигналів на зображеннях (рис. 2 в).

Інтенсивність сонячного випромінювання може змінюватися в досить широкому діапазоні, який неможливо перекрити за допомогою самих світлофільтрів. Для компенсації коливань інтенсивності зовнішніх оптичних перешкод запропоновано застосовувати замкнуте управління режимом роботи відеокамер. В якості управляючого сигналу вибрано час експозиції відеокамер, а в якості регульованої величини - середню яскравість зображення. Зовнішні збурення представлені зміною зовнішньої освітленості фотоприймача відеокамери. Для реалізації замкнутого управління запропоновано регулятор з автоматичним підстроюванням коефіцієнта підсилення на основі поточної інформації про стан об'єкта. Встановлено, що світлофільтри і замкнуте управління режимом роботи відеокамер дозволяють підтримувати співвідношення сигнал/шум в телевізійному сигналі на рівні, не нижчому за 25 %, що цілком достатньо для коректного виявлення контуру світлового сліду на цифрових зображеннях.

Для пошуку координат точок, що відповідають контуру світлового сліду на зображеннях, запропоновано застосовувати одномірну узгоджено-вибіркову фільтрацію з наступним аналізом вихідних сигналів фільтра. Вихідним сигналом y одномірного узгоджено - вибіркового фільтра (УВФ) є результат дискретної згортки значень яскравості пікселів x, що відповідають рядку або колонці зображення, з імпульсною функцією :

. (1)

Задача синтезу УВФ полягає у визначенні функції , узгодженої з параметрами шуканого об'єкта, що представляється в деякому ідеалізованому вигляді. Досліджено два способи побудови імпульсної функції УВФ:

- з використанням ідеалізованого імпульсу яскравості, отриманого шляхом визначення функції середньої яскравості зображення в області світлового сліду (aver);

- з використанням ідеалізованого імпульсу яскравості, представленого у вигляді рівнобедреної трапеції (tr).

Отримано наступні функції, що описують відповідні фільтри:

УВФ^aver: (2)

УВФ^tr: (3)

Встановлено, що УВФ^tr у порівняні з УВФ^aver крім більш високої обчислювальної ефективності також має кращі показники співвідношення сигнал-шум в вихідному сигналі при фільтрації зображень зі значним рівнем шуму (рис. 3). Таким чином, фільтр, представлений формулою (3), найбільш доцільно використовувати для реалізації швидких алгоритмів обробки зображень світлового сліду.

Після узгоджено-вибіркової фільтрації формується двовимірна функціональна залежність: , де - амплітуда максимального відгуку фільтра; - положення відповідної точки в колонці зображення (номер рядка), - номер колонки зображення. Світловий слід на зображеннях має неоднорідну яскравість і змінну товщину, що обумовлено різною відбивною знатністю окремих ділянок рейок. Відповідно, максимальні відгуки фільтра також мають різну амплітуду (крива а на рис. 4). Для аналізу значень запропоновано застосовувати граничну функцію (крива б на рис. 4), що формується наступним чином:

(4)

де , - оцінки математичного очікування та дисперсії для ; - база усереднення максимальних відгуків з урахуванням ; - функція медіанної фільтрації з базою . Гранична функція p(m), розрахована для попереднього кадру, використовується для прийняття рішень про належність точок з координатами масиву контуру світлового сліду :

. (5)

Застосування перенастроюваної граничної функції дозволяє мінімізувати втрати корисного сигналу при обробці зображень світлового сліду і виключити з подальшого розгляду більшість точок, що не належать світловому сліду (рис. 5).

У третьому розділі представлена методика калібрування оптичних блоків, яка базується на ідентифікації параметрів моделі лазерно-телевізійної сенсорної системи. Зв'язок між об'єктом і відеокамерою в однорідних координатах визначається наступним чином:

, (6)

де r і r_к - вектори, що описують положення точки в опорній системі координат і системі координат відеокамери відповідно; - матриця (44) сумарного перетворення, що включає поворот і перенесення системи координат. Зв'язок між відеокамерою та зображенням визначається перспективним перетворенням у вигляді:

, , (7)

де (х_з, y_з) - координати точки в системі координат фотоприймача; (x₀, y₀) - координати головної точки відеокамери; f - відстань від оптичного центра відеокамери до площини фотоприймача. При моделюванні в якості параметр f зазвичай використовують фокусну відстань об'єктива, виражену в міліметрах. Звідси розмірність () і () також повинна бути метричною. Для приведення формул (7) до єдиної розмірності запропоновано застосовувати наступну оцінку фокусної відстані:

, (8)



де - горизонтальний кут зору об'єктива; W - ширина зображення. Тоді з урахуванням перенесення початку координат в центр зображення формули (7) запишуться у вигляді:

, . (9)

де H - висота зображення. Формули (6), (9) представляють собою пряме перетворення в телевізійній сенсорній системі від об'єкта до його зображення. З точки зору практичного застосування більший інтерес представляє зворотне перетворення, що дозволяє визначати параметри об'єкта по його зображенню. Якщо припустити, що площина випромінювання ЛГСП співпадає з горизонтальною площиною опорної системи координат, то координати точки, що належить світловому сліду, визначаються вектором . Формули (9) можна переписати у вигляді:

, , (10)

де , .

Звідси

.

На основі виразу (6) можна сформувати співвідношення

, (11)



з якого нескладно отримати . Шляхом підстановки знайденого значення в (10) визначаються інші компоненти вектора , що, в свою чергу, дозволяє визначити вектор за формулою (6). Таким чином, запропонована математична модель дозволяє виконувати як пряме, так і зворотне перетворення координат в лазерно-телевізійній сенсорній системі.

Матриця M формується на основі трьох кутових (, , ) і трьох лінійних параметрів (, , ). Отже, задача калібрування кожної відеокамери зводиться до пошуку таких значень параметрів , , , , , і , при яких модель найбільш близька до реальної оптичної системи. Також в процесі калібрування необхідно ідентифікувати параметри радіальних спотворень, які вносяться в зображення об'єктивом відеокамери.

Запропоновано методику калібрування відеокамер лазерно-телевізійної сенсорної системи з використанням плоского шаблона. Плоский шаблон, на поверхню якого нанесена сітка, встановлюється таким чином, щоб сітка потрапляла в область зору обох відеокамер, а площина шаблону співпадала з площиною випромінювання ЛГСП. На початковому етапі виконується «захоплення» зображення, розпізнавання ліній сітки, обчислення координат вузлових точок (рис. 5а) і їх запис в масив Gr. Наступний етап калібрування пов'язаний з ідентифікацією коефіцієнтів радіальних спотворень у відповідності з методом, який запропоновано С.Б. Кангом. Обчислення коефіцієнтів виконується шляхом мінімізації наступної функції:

, (12)

де N_л - кількість ліній сітки; N_{т, i} - кількість точок в i-тій дінії; (_i, _i) - параметри i-тої лінії; L - кількість коефіцієнтів радіальних спотворень k_l; () - координати j-тої точки i-тої лінії;

.

На останньому етапі калібрування оцінюються значення параметрів , , , , , и , для чого формується модель сітки (рис. 6 б) та відповідний масив координат вузлових точок Gm. Значення елементів масиву Gm залежать від параметрів моделі, тобто . Звідси, задачу калібрування відеокамери можна представити у вигляді:

, (13)

де - середньоквадратичне відхилення між координатами вузлових точок змодельованої і реальної сіток калібрувального шаблону.Задача (13) представляє собою задачу мінімізації функції багатьох змінних, для вирішення якої запропоновано використовувати метод Брента. Оцінки параметрів моделі, які відповідають якнайкращому суміщенню вузлових точок (рис. 6 в), приймаються в якості результатів калібрування відеокамери. Початок опорної системи координат автоматично фіксується в точці, що відповідає центру сітки.

На рис. 7 показано об'єднання профілів головки рейки, отриманих за допомогою двох відкаліброваних відеокамер, в загальній опорній системі координат. Сегменти профілю, які одночасно потрапляють в область зору обох відеокамер, практично повністю співпадають. Запропонована методика калібрування не вимагає наявності складного калібрувального стенда, оперативне перекалібрування відеокамер оптичних блоків може виконуватися навіть в польових умовах. Калібрування обох оптичних блоків лазерно-телевізійної сенсорної системи виконується одночасно за допомогою подвійного плоского шаблона, на який нанесено дві сітки (по одній для кожного блока). Базова відстань L_base між центрами сіток задається виходячи з геометричних параметрів колії і рейок.

У четвертому розділі розглядаються задачі порівняння виміряних профілів рейок (далі профілів) з еталонним профілем (далі еталоном) і обчислення геометричних параметрів рейок. Профіль представлено двома масивами дискретних точок і (по кількості відеокамер). В якості еталона виступає масив , сформований на основі креслення поперечного перетину рейки. У загальному випадку профіль не співпадає з еталоном (рис. 8 а). Крім того, масиви і можуть містити «помилкові» сегменти, що відповідають механічним перешкодам.

Запропоновано процедуру суміщення профілів рейок з еталоном, що складається з двох етапів. Перший етап призначено для попереднього («неточного») суміщення (рис. 8 б), другий - для остаточного суміщення, при якому досягається якнайкраще сполучення точок профілю з еталоном (рис. 8 в). При реалізації першого етапу суміщення використовуються стереоскопічні властивості оптичних блоків, тобто в якості бази суміщення обираються точки з масивів і , що відповідають частині рейки, яка одночасно потрапляє в область зору обох відеокамер. На другому етапі суміщення використовується метод ICP (Iterated Closest Point), який базується на ітеративному наближенні точок кривих, що суміщаються.

Додатково на кожному етапі виконується перевірка точок з масивів і на їх відповідність головці або основі рейки. Вирішальне правило має наступний вигляд:

, (14)

де - точки з масивів , ; - масив точок, що відповідають профілю рейки; - інтерполяційний поліном, що описує еталонний профіль рейки в полярних координатах; , - полярні координати точок ; - гранична відстань.

В ході експериментального дослідження розробленої процедури порівняння профілів отримано, що при випадковій зміні кутового положення виміряного профілю рейки відносно еталона в достатньо великих межах (до 10°) значення помилки суміщення змінюється в незначних межах (до 0.08 мм). Також встановлено, що запропонована процедура порівняння дозволяє виконувати суміщення виміряного профілю з еталоном при різних типах зношення рейок і різноманітних механічних перешкодах в робочій зоні оптичних блоків.

Шляхом порівняння виміряного і еталонного профілів визначаються наступні параметри, що характеризують зношення головки рейки (рис. 9): вертикальне зношення головки рейки (, мм), що вимірюється по осі симетрії рейки; бічне зношення головки рейки (, мм), що вимірюється на висоті 13 мм нижче за верх його головки; бічне зношення головки рейки (, мм), що вимірюється під кутом 45° до осі симетрії рейки; площа зношення головки рейки (S %). Нахил рейки всередину колії визначається як:, де - сумарний кут повороту профілю при суміщенні. Для розрахунку ширини колії використовуються точки виміряних профілів, відносно яких визначається (точка B(x_B, y_B) на рис. 9). Ширина колії визначається наступним чином:

, [мм], (15)

де , - початкові координати точок , (до суміщення) для першого і другого оптичних блоків відповідно. При випадковій зміні кутового положення профілю відносно еталону миттєві значення геометричних параметрів, що вимірюються, характеризуються наявністю деякого рівня високочастотного шуму (крива (а) на рис. 10). Для придушення високочастотного шуму запропоновано використовувати експоненціальне згладжування (крива (б) на рис. 10).

Запропоновано методику вибору коефіцієнта експоненціального згладжування, що враховує частоту оновлення результатів вимірювання, швидкість руху і максимально можливу швидкість зміни значення параметра.

П'ятий розділ присвячено розробці і експериментальному дослідженню лазерно-телевізійної сенсорної системи, що призначена для збору діагностичних даних про геометричні параметри залізничних рейок. До складу системи входять три основні компоненти: два оптичні блоки і головний контролер (рис. 11). У свою чергу кожен оптичний блок містить по два канали реєстрації і обробки відеосигналу (лівий (л) і правий (п)). Розподілена обчислювальна підсистема представлена трьома рівнями. На нижньому рівні ієрархії знаходяться відеоконтролери, які призначені для вирішення наступних задач: взаємодія з відеокамерами; обробка зображень і перетворення координат точок знайдених контурів. Окрема лінія зв'язку між відеоконтролерами служить для формування імпульсів, що синхронізують відеокамери. Середній рівень системи представлено комунікаційними контролерами, що призначені для реалізації процедур порівняння виміряних профілів з еталоном і обчислення геометричних параметрів рейок. Головний контролер, який знаходиться на верхньому рівні ієрархії, служить для аналізу, візуалізації, архівації і паспортизації отриманих даних. Результати вимірювань зберігаються на жорсткому диску.

Для проведення експериментальних досліджень розроблено експериментальну модель лазерно-телевізійної сенсорної системи на базі колієвимірювального візка. Частота вимірювання геометричних параметрів рейок - 60 Гц. Координатна прив'язка здійснюється за допомогою датчика шляху. Для візуального супроводу роботи системи використовується дисплей і розроблене математичне забезпечення RailDetector (рис. 12). На математичне забезпечення RailDetector також покладається задача обробки результатів вимірювання для отримання якісної і кількісної оцінки стану рейок на ділянці колій згідно нормативних вимог.

Для визначення характеристик похибок вимірювання геометричних параметрів рейок використані основні положення рекомендації МИ-2440-97. «Дійсні» значення параметрів визначалися шляхом багаторазового вимірювання за допомогою ручного колієвимірювального інструмента і усереднення отриманих результатів. Допустимі межі похибок обчислювалися з довірчою ймовірністю P = 0.95 для інтервалу, який містить не менше ніж Q = 0.95 можливих значень похибок вимірювання.

В результаті обробки експериментальних даних отримано, що з урахуванням систематичної і випадкової складових інтервал допустимих похибок вимірювання для параметрів, і не перевищує значення = 0.35 мм, а для параметра W_колії - 0.8 мм. Для нахилу рейок p оцінка похибки вимірювання визначалася розрахунковим шляхом:

,

де мм - номінальна висота рейки типу Р65.

В результаті серії експериментів на магістральних ділянках залізниць встановлено, що абсолютні відхилення між «дійсними» значеннями параметрів, отриманими за допомогою ручного колієвимірювального інструмента, і значеннями, виміряними лазерно-телевізійною сенсорною системою, відповідають експериментальним оцінкам характеристик точності (рис. 13). Також встановлено, що якщо забезпечується хоча б 15 вимірювань на метр шляху, то динамічна складова похибок незначна і практично не впливає на результати вимірювання.

Проведено дослідження повторюваності результатів вимірювання, в ході якого встановлено, що повторюваність результатів відповідає розрахунковій точності вимірювання геометричних параметрів залізничних рейок (рис. 14).

В процесі роботи системи здійснюється аналіз результатів суміщення виміряних профілів з еталоном. Якщо помилка суміщення перевищує деяке граничне значення, то обробка поточного профілю припиняється і система генерує повідомлення «Профіль не розпізнаний». У ході дослідження встановлено, що втрати даних не перевищують 2 % від загальної кількості вимірювань навіть за наявності достатньо високого рівня оптичних і механічних перешкод.

Розроблена система може застосовуватися для безконтактного автоматичного збору діагностичних даних про геометричні параметри залізничних рейок в умовах дії оптичних і механічних перешкод.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. В ході аналізу існуючих рішень, пов'язаних з задачею контролю геометричних параметрів залізничних рейок, показано, що одним з найбільш перспективних напрямків подальшого розвитку засобів діагностики залізничних колій є вдосконалення безконтактних лазерно-телевізійних сенсорних систем, побудованих по двоканальній схемі. Визначені основні недоліки існуючих технічних засобів, що використовуються для безконтактного вимірювання геометричних параметрів рейок, і намічені шляхи їх усунення.

2. Для підвищення співвідношення сигнал-шум в оптичному тракті лазерно-телевізійної сенсорної системи запропоновано використовувати поляризаційний світлофільтр, площина поляризації якого співпадає з площиною поляризації лазерного випромінювання. Встановлено, що поляризаційний світлофільтр практично повністю пропускає лазерне випромінювання, відбите від поверхні рейки, зменшуючи при цьому інтенсивність відбитого природного світла на 25-40 % залежно від кута падіння.

3. На основі адаптивного регулятора з автоматичним підстроюванням коефіцієнта підсилення створено мікропроцесорну систему управління режимом роботи відеокамери, яка дозволяє ефективно компенсувати збурення, обумовлені як стрибкоподібними, так і плавними змінами рівня освітленості рейок. Час компенсації стрибкоподібних коливань освітленості не перевищує 2_х тактів роботи відеокамери.

4. Розроблено швидкий алгоритм узгоджено-виборчої фільтрації зображень з використанням перенастроюваної граничної функції, який дозволяє мінімізувати втрати корисного сигналу при розпізнаванні світлового сліду, що має неоднорідну яскравість та змінну товщину.

5. Запропоновано математичну модель багатоканальної лазерно-телевізійної сенсорної системи, що представлена рівняннями зв'язку між опорною системою координат оптичних блоків і цифровим зображенням та дозволяє визначати метричні координати об'єктів по їх зображеннях.

6. Запропоновано методику калібрування багатоканальних оптичних блоків лазерно-телевізійної сенсорної системи з використанням плоского шаблона, що дозволяє ідентифікувати радіальні спотворення об'єктивів та параметри, що визначають взаємне просторове положення відеокамер.

7. Запропоновано процедуру порівняння виміряних профілів рейок з еталоном, що базується на стереоскопічних властивостях оптичних блоків і ітеративному наближенні дискретних кривих. Процедура вирішує задачу компенсації випадкових збурень, які виникають при зміні взаємного положення оптичних блоків і рейок.

8. На базі колієвимірювального візка створено експериментальну модель лазерно-телевізійної сенсорної системи, що функціонує в масштабі реального часу. Сенсорна система дозволяє оцінювати технічних стан залізничних колій за наступними геометричними параметрами: бічному і вертикальному зношенню головки рейок, кутам нахилу рейок і ширині колії.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Киселевский Ф. Н. Использование объектно-ориентированного пакета MS DirectShow для моделирования обработки видеосигналов средств технического зрения / Киселевский Ф. Н., Коляда В. А. // Автомат. сварка. - 2005. - №4. - С. 56-58.

2. Киселевский Ф.Н. Калибровка триангуляционных оптических сенсоров / Киселевский Ф.Н., Коляда В.А. // Автомат. сварка. - 2005. - №5. - С. 57-58.

3. Телевизионная сенсорная система для оценки геометрических параметров профиля железнодорожных рельсов / Шаповалов Е.В., Коляда В.А., Луценко Н.Ф. и др // Сб. научных статей по результатам, полученным в 2004-2006 гг. Целевая комплексная программа НАН Украины «Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин». - Киев: ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины, 2006. - С. 396-399.

4. Шаповалов Е.В. Средства технического зрения для следящих систем, применяемых в сварочном производстве / Шаповалов Е.В., Коляда В.А. // «Компьютерные технологии в сварке и производстве» : 16-я межд. конф. и «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах» : 3-я межд. конф., 6-8 июня 2006г. : тезисы докл. - К., 2006. - С. 51.

5. Коляда В.А. Калибровка оптической системы для оценки распределения температурного поля в зоне сварки / Коляда В.А., Шаповалов Е.В. // Автомат. сварка. - 2008. - № 4. - С. 51-54.

6. Коляда В.А. Повышение частоты сканирования рельсов при бесконтактной диагностике состояния железнодорожного пути // Сварка и родственные технологии : V Всеукр. науч.-техн. конф. мол. уч. и спец., 27-29 мая 2009 г. : тезисы докл. - Ворзель: 2009. - С. 153.

7. Коляда В.А. Бесконтактная сенсорная система для оценки геометрических параметров профилей железнодорожных рельсов // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2009. - №4. - С. 34-36.

8. Шаповалов Е.В. Система слежения за расположением шва в установках для нанесения антикоррозийного покрытия / Шаповалов Е.В., Коляда В.А. // Автомат. сварка. - 2009. - №5. - С. 52-54.

9. Опытный образец системы бесконтактного контроля геометрических параметров железнодорожных рельсов / Шаповалов Е.В., Коляда В.А., Мельник Е.С. и др. // Сб. научных статей по результатам, полученным в 2007-2009 гг. Целевая комплексная программа НАН Украины «Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин».- Киев: ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины, 2009. - С. 473-476.

10. Шаповалов Е.В. Совмещение дискретных кривых в задаче автоматизированного контроля геометрических параметров железнодорожных рельсов / Шаповалов Е.В., Коляда В.А. // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2010. - № 1. - С. 45-48.

АНОТАЦІЇ

Коляда В.А. “Автоматизована діагностика геометричних параметрів залізничних рейок за допомогою засобів технічного зору”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.10 - «Діагностика матеріалів і конструкцій». - Інститут електрозварювання ім. Е.О. Патона НАН України, Київ, 2010 р.

Дисертація присвячена розробці й дослідженню безконтактної лазерно-телевізійної сенсорної системи, що призначена для автоматизованого збору та аналізу даних про геометричні параметри залізничних рейок.

Проведено дослідження, пов'язані з формуванням і обробкою телевізійного сигналу. Розроблено методику калібрування оптичних блоків, що основана на ідентифікації параметрів моделі оптичної системи, та процедуру порівняння виміряних профілів рейок з еталоном. Результати аналітичних та експериментальних досліджень дозволили створити експериментальну модель лазерно-телевізійної сенсорної системи, що здатна ефективно функціонувати в умовах дії зовнішніх оптичних та механічних перешкод.

Ключові слова: залізничні рейки, геометричні параметри, діагностика стану, автоматизований збір даних, лазерно-телевізійна сенсорна система, компенсація збурень.

Коляда В.А. “Автоматизированная диагностика геометрических параметров железнодорожных рельсов с помощью средств технического зрения”. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.10 - «Диагностика материалов и конструкций». - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2010 г.

Диссертация посвящена разработке и исследованию бесконтактной лазерно-телевизионной сенсорной системы, предназначенной для автоматизированного сбора и анализа данных о геометрических параметрах железнодорожных рельсов.

Периодическое измерение геометрических параметров рельсовой колеи позволяет оценивать степень ухудшения состояния железнодорожного пути, оптимизировать графики текущего содержания и ремонта, устанавливать максимально допустимую скорость движения поездов на конкретных участках. Наиболее распространенные путеизмерительные системы, которые базируются на датчиках с подвижными механическими контактами, имеют низкую надежность и точность, что негативно сказывается на достоверности результатов измерения. В качестве альтернативы таким путеизмерительным системам все чаще рассматриваются бесконтактные сенсорные системы, в которых для структурированного подсвета поверхности рельсов используются лазерные генераторы световой плоскости, а для регистрации оптического излучения - видеокамеры. Вместе с тем широкому распространению лазерно-телевизионных сенсорных систем препятствует отсутствие надежных механизмов защиты от внешних оптических и механических помех, которые воздействуют на оптические блоки в процессе сканирования железнодорожных рельсов.

Основным источником оптических помех для оптических блоков лазерно-телевизионных сенсорных систем является солнечный свет, отраженный от поверхности рельсов. Для улучшения соотношения сигнал/шум в телевизионном сигнале, который формируется видеокамерами, предложено использовать два светофильтра: интерференционный и поляризационный. Интерференционный светофильтр позволяет повысить контрастность изображений, а поляризационный светофильтр - подавить блики, возникающие на рабочей поверхности рельсов. Поскольку интенсивность внешних оптических помех может изменяться в достаточно большом диапазоне, то дополнительно предложено применять автоматическую подстройку времени экспозиции видеокамер в зависимости от уровня внешней освещенности. В результате экспериментальных исследований установлено, что использование светофильтров совместно с автоматической подстройкой режима работы видеокамер позволяет существенно снизить негативное влияние внешних оптических помех на работу системы.

Для предварительной обработки видеосигналов, получаемых оптическими блоками, разработан алгоритм согласованно-избирательной фильтрации изображений с использованием перенастраиваемой пороговой функции. Применение пороговой функции позволяет минимизировать потери полезного сигнала при обнаружении на изображениях светового следа, который имеет неоднородную яркость и толщину.

Разработана методика калибровки оптических блоков, основанная на математической модели оптической системы. Методика позволяет по паре изображений плоского шаблона идентифицировать радиальные искажения объективов видеокамер и параметры, определяющие взаимное пространственное положение компонентов оптических блоков. Значения калибровочных параметров используются для определения метрических координат профиля рельса по координатам точек контура светового следа на цифровом изображении.

Разработана процедура совмещения измеренного профиля рельса с эталоном, основанная на стереоскопических свойствах оптических блоков и итеративном приближении дискретных кривых. Реализация автоматического совмещения измеренного и эталонного профилей позволяет компенсировать случайные возмущения, возникающие при изменении взаимного положения оптических блоков и рельсов.

Создана экспериментальная модель лазерно-телевизионной сенсорной системы, построенная на базе путеизмерительной тележки. Экспериментально-расчетным путем определены характеристики погрешности измерения геометрических параметров рельсов. В ходе экспериментальных исследований на магистральных участках железных дорог подтверждены найденные характеристики точности системы, получена достаточно высокая повторяемость результатов измерений и низкий уровень потерь полезного сигнала (не более 2 %).

Ключевые слова: железнодорожные рельсы, геометрические параметры, диагностика состояния пути, автоматизированный сбор данных, лазерно-телевизионная сенсорная система, компенсация возмущений.

Kolyada V.A. “Automated diagnostics of railway rails geometrical parameters by facilities of technical vision”. Manuscript.

Thesis for awarding the scientific degree of candidate of engineering sciences in the speciality 05.02.10 - «Diagnostics of materials and constructions». - E.O Paton Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2010.

The thesis is devoted to development and research of the non-contact laser-television sensory system for the automated data acquisition and analysis about the geometrical parameters of railway rails.

Researches, related to forming and processing of television signal, are conducted. The procedure of optical blocks calibration that based on optical system model parameters authentications is developed. The procedure of measured rails profile with a template comparison is developed. The results of analytical and experimental researches allowed to create the experimental model of the laser-television sensory system, which is able effectively to work in the conditions of external optical and mechanical hindrances.

Keywords: railway rails, geometrical parameters, diagnostics of the state, data acquisition, laser-television sensory system, perturbation compensation.

Размещено на Allbest.ru