一种轨道巡检系统线扫描成像控制信号发生器
技术领域
本实用新型涉及轨道交通技术领域，具体涉及一种轨道巡检系统线扫描成像控制信号发生器。
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，本实用新型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。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型提供了一种轨道巡检系统线扫描成像控制信号发生器。
为达到上述目的，本实用新型提供的第一个技术方案为：
一种轨道巡检系统线扫描成像控制信号发生器，该信号发生器包括：加速度计，固定于所述轨道巡检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；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，连接到列车MVB总线上，获取列车速度信号v0，另一端连接到所述加速度计，获取加速度信号a，运行加速度积分、卡尔曼滤波去噪、里程误差修正算法，计算列车运动瞬时速度v1,根据列车运动瞬时速度v1和线扫描成像分辨率需求t mm/pluse，产生频率为k的脉冲信号p，作为轨道巡检系统线扫描成像控制信号，mm为里程单位毫米，pluse是脉冲。
进一步的，所述加速度计为零频加速度计或光纤加速度计。
进一步的，所述加速度计形式为单轴加速度计或三轴加速度计或IMU。
进一步的，所述瞬时速度计算与信号发生模块由MVB转换卡和ARM处理平台组成，所述MVB转换卡具有MVB接口和串口，用于接收列车MVB总线信号，并转换为串口信号输出到ARM处理平台，所述ARM处理平台具有串口、AD接口和PWM发生器，从MVB转换卡接收列车速度信号v0，通过AD接口采样加速度计信号a，运行加速度积分、卡尔曼滤波、里程误差修正和瞬时速度估计算法，计算列车运动瞬时速度v1,调用PWM发生器产生频率为k的PWM波作为轨道巡检系统线扫描成像控制信号p。
进一步的，所述瞬时速度计算与信号发生模块由MVB转换卡、ARM+DSP处理平台组成，所述MVB转换卡具有MVB接口和串口，用于接收列车MVB总线信号，并转换为串口信号输出到ARM+DSP处理平台，所述ARM+DSP处理平台具有ARM处理器、DSP处理器、串口、AD接口和PWM发生器；ARM处理器与串口、AD接口和PWM发生器连接，通过串口从MVB转换卡接收列车速度信号v0，通过AD接口采样加速度计信号a；ARM处理器与DSP处理器连接，将列车速度信号v0和加速度计信号a输出到DSP处理器，DSP处理器快速执行加速度积分、卡尔曼滤波去噪、里程误差修正、列车瞬时速度v1和线扫描成像控制信号频率k，ARM处理器从DSP处理器获取成像控制信号频率k后，调用PWM发生器产生频率为k的PWM波作为轨道巡检系统线扫描成像控制信号p。
进一步的，所述瞬时速度计算与信号发生模块为FPGA处理平台，具有FPGA处理器、MVB接口、AD芯片和数字IO；所述FPGA处理器连接到MVB接口，采样并解析MVB信号，提取列车速度信号v0；所述AD芯片连接加速度计的加速传感器，对加速度信号进行AD 转换；FPGA处理器连接到AD芯片，采集加速度信号a；FPGA处理器执行加速度积分、卡尔曼滤波去噪、里程误差修正和列车瞬时速度v1，并计算线扫描成像控制信号p的频率k，调用PLL产生频率为k的方波，输出到数字IO接口，作为控制信号p。
进一步的，所述IMU包含三轴加速度计和三轴陀螺仪，可同时获取列车运动加速度和姿态角，利用IMU测量的姿态角信息，以列车在行进方向上的加速度分量a’，参与列车行驶瞬时速度v1计算。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
1)本实用新型解决了：将轨道巡检系统挂载于电客车或列车上，无法通过安装光电编码器获取线扫描成像控制信号的情况下，如何获取高分辨率、高精度线扫描成像控制信号的问题。
2)本实用新型综合利用车辆MVB总线输出的高延时速度信号v0、加速度计获取的低延时加速度信号，采用现有加速度积分、卡尔曼滤波去噪、里程误差修正技术，即可准确地估计出列车瞬时速度，解决单纯依赖MVB总线速度信号，所存在的速度更新频率低，在列车加速、减速阶段产生线扫描成像控制分辨率不均匀、成像失真(图2、图3)的问题。
3)本实用新型采用DSP+ARM处理平台，ARM用于数据交互、PWM波生成，DSP用于快速速度解算，可有效提升列车瞬时速度计算效率。
4)本实用新型采用FPGA处理平台，仅用一个处理器，即可完成MVB信号接入与解析、加速度信号采集、列车瞬时速度计算和线扫描成像控制信号生成等所有功能，有利于减小信号发生器的体积、降低功耗，便于信号发生器安装和使用。
5)本实用新型采用IMU同时测量巡检系统或列车的加速度和姿态，利用行进方向上的加速度分量进行瞬时速度，可进一步提升线扫描成像控制信号精度。
附图说明
图1为实施例1信号发生器组成示意图；
图2为信号发生器用于挂载列车巡检系统安装布局示意图；
图3为实施例2信号发生器组成示意图；
图4为实施例3信号发生器组成示意图；
图中，1、钢轨，2、车轮，3、转向架，4、客车车厢，5、巡检系统的成像模块、6、加速度计、7、瞬时速度计算与信号发生模块、8、MVB总线接口。
具体实施方式
为了进一步了解本实用新型，下面结合附图和具体实施例对本实用新型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实用新型进行进一步说明，不能理解为对实用新型保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本实用新型的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
如图1所示，线扫描成像控制信号发生器1由加速度计2、瞬时速度计算与信号发生模块3组成，其中瞬时速度计算与信号发生模块3，由MVB转换卡4和ARM处理平台5组成，其中，ARM处理平台5由AD芯片、串口、ARM处理器、PWM发生器组成。
它们的连接关系是：列车MVB总线6连接到MVB转换卡4上，所述MVB转换卡将MVB信号转换为串口信号，并通过串口输出列车信息，这些信息中包含了列车的运动速度；MVB转换卡通过串口连接到ARM处理平台，ARM处理器可获取列车速度信号；加速度计连接到ARM处理平台上，由ARM处理平台进行供电，通过AD对加速度信号进行采样，ARM处理器连接AD，获取加速度信号，ARM处理器运行加速度积分算法，计算里程，再根据里程计算瞬时速度，在瞬时速度计算过程中，根据MVB的瞬时速度进行里程误差修正，相关修正方法，采用GPS 与IMU信号融合算法(韩如坤.基于GPS与IMU组合传感器数据融合的有轨电车定位分析[J].自动化技术与应用,2019(8):65-68.孙伟,王野,李瑞豹,et al.基于IMU/GPS的安卓无缝定位系统设计[J].系统仿真学报,2018,30(09):346-352.等)，将MVB信号看着GPS获取的速度信号，将加速度计信号看着IMU的加速度信号。ARM处理器计算出列车瞬时速度后，并根据线扫描成像控制脉冲分辨率需求，估计PWM频率参数，产生PWM脉冲作为线扫描成像控制信号输出到巡检系统，用于控制线阵摄像机对轨道表面进行成像，获取轨道表面图像数据，用于轨道病害检测。
图2是，该信号发生器在列车中安装示意图，将加速度计安装与巡检系统的外壳上，将瞬时速度计算与信号发生模块安装也安装与列车车厢内，接入MVB总线接口，产生线扫描成像控制信号驱动巡检系统在列车行驶过程中对轨道表面进行扫描成像。
实施例2
如图3所示，与实施例1不同之处在于，将ARM处理平台，替换为DSP+ARM处理平台，其中ARM用于数据采集、PWM信号产生，DSP用于瞬时速度和PWM波参数快速解算，与实施例 1相比的好处是，与ARM相比，DSP具有更强的信号处理能力，可提升瞬时速度解决的效率。
实施例3
如图4所示，与实施例1不同之处在于，将MVB转换卡、ARM处理平台替换为FPGA处理平台，FPGA直接连接列车MVB总线接口，采集并解析列车速度，通过AD采集加速度信号，直接在FPGA上计算列车瞬时速度，并通过PLL核产生脉冲信号，用作线扫描成像控制信号。与实施例1相比，减小了MVB转换卡，只需要一块电路板，即可实现全部功能，有利于减小设备体积，方便设备的安装和使用。
实施例4
与实施例1不同之处在于，用IMU代替加速度计，并在计算瞬时速度时，采用列车行进方向的加速度分量参与计算。
本实用新型的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本实用新型说明书而对本实用新型技术方案采取的任何等效的变换，均为本实用新型的权利要求所涵盖。
