基于北斗的接触网无人巡检车的自动定位系统及方法与流程

技术领域

本发明涉及导航定位和图像处理技术领域，尤其是一种基于北斗的接触网无人巡检车的自动定位系统及方法。

背景技术：

接触网是电气化铁路系统中最主要的组成部分，沿铁轨线路布置于上空特定位置，通过与受电弓的滑动接触为火车提供动力。如果接触网设备的零部件出现故障，如绝缘器表面击穿、绝缘子闪络、紧固螺栓出现疲劳损伤等，这将直接影响沿线火车的正常运行，可见接触网零部件的检修工作非常重要。

目前国内铁路接触网零部件的检修工作需要在列车的运行系统中，预留出检修工作的“天窗”时间，通过人力车梯或铁路接触网综合检修作业车对各检测点的接触网零部件逐个进行检修。在有限的“天窗”时间内，人力车梯进行检修的方式需要配置约十个工作人员，既耗时又耗力，同时高空作业对工作人员的安全也在一定程度上构成威胁；另一种检修方式效率高，但是成本较高，不具有普遍适用性。

技术实现要素：

本发明的首要目的在于提供一种采用无人巡检车对铁路接触网的相关零部件进行检测，同时使无人巡检车能够在接触网立柱中心位置±20mm位置处准确定位的基于北斗的接触网无人巡检车的自动定位系统。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于北斗的接触网无人巡检车的自动定位系统，包括无人巡检车、工控机和北斗系统接收机，所述无人巡检车包括用于实现在铁轨上行走的底盘系统、用于实现在垂直高度上的升降的提升机构以及用于对接触网系统进行拍照的移动平台系统；所述底盘系统包括底盘框架，其上安装驱动系统和第一控制柜；所述提升机构包括外侧框架、中间框架和内侧框架；所述提升机构的下端安装在所述底盘框架上，所述提升机构的上端安装移动平台系统，所述移动平台系统上安装工业照相机和第二控制柜，所述第二控制柜与工业照相机双向通讯，所述第一控制柜和第二控制柜均通过通讯系统与工控机双向通讯，所述工控机内部加载图像识别系统；所述北斗系统接收机包括用于实现粗定位的基站接收机和移动站接收机，所述移动站接收机安装在第二控制柜内，所述移动站接收机和工控机通过通讯线缆双向通讯，所述基站接收机安装在无人巡检车的起点位置处。

所述底盘框架采用铝方管拼接而成，各个铝方管之间通过四孔连接片连接，底盘框架的四个内角处安装用于增强整个底盘框架结构的刚性L型连接件；底盘框架的正面后部架设两根横向的第一铝型材，底盘框架正面前部的一侧固定第一控制柜，第一控制柜通过控制线控制驱动系统，第一控制柜内侧的底盘框架上通过螺栓连接绞盘，绞盘上缠绕钢丝绳，钢丝绳绕到提升机构上，提升机构通过螺栓固定在第一铝型材上。

所述驱动系统包括驱动直流电机，驱动直流电机的输出端与第一行星减速器的输入端相连，第一行星减速器的输出端与齿轮换向器的输入端相连，齿轮换向器分两端输出，两个输出端分别通过钢管与驱动轮卡盘相连，驱动轮卡盘通过轴承座固定，轴承座通过螺栓连接固定在铝方管背面，驱动轮卡盘的后端安装驱动轮；底盘框架上设有左右对称的从动系统，从动系统包括从动轴支架，从动轴支架通过螺栓固定在底盘框架的背面，从动轴支架的侧面焊接从动轴，从动轴通过轴承与从动轮配合。

所述内侧框架上套设中间框架，所述中间框架上套设外侧框架，所述外侧框架的两侧自上而下通过铆钉铆接三根横向的用于攀爬的L型铝型材，外侧框架的顶部四个角安装内凹槽型滑轮轴承组，内凹槽型滑轮轴承组从外侧抵住中间框架，中间框架底部的四个角安装外凸槽型滑轮轴承组，外凸槽型滑轮轴承组从内侧抵住外侧框架，中间框架的顶部四个角安装内凹槽型滑轮轴承组，内凹槽型滑轮轴承组从外侧抵住内侧框架，内侧框架底部的四个角安装外凸槽型滑轮轴承组，外凸槽型滑轮轴承组从内侧抵住中间框架；所述外侧框架的底部上安装第一定滑轮，外侧框架的顶部上安装第二定滑轮，所述中间框架的底部相对的两侧上分别安装第三定滑轮、第八定滑轮，中间框架的顶部相对的两侧上分别安装第四定滑轮、第七定滑轮，所述内侧框架的底部相对的两侧上分别安装第五定滑轮、第六定滑轮；所述内侧框架的顶部通过螺栓安装移动平台系统。

所述移动平台系统包括两个三角架，两个三角架通过螺栓安装在内侧框架的顶端，两个三角架之间架设第二控制柜，三角架的背面安装横向铝型材框架，横向铝型材框架上安装第一直线滑动单元，横向铝型材框架内侧设有横移直流电机，横移直流电机的输出端与第二行星减速器的输入端相连，第二行星减速器的输出端通过第一联轴器连接第一丝杠，第一丝杠通过第一铝板固定，第一丝杠通过第一丝杠螺母连接竖向铝型材框架，竖向铝型材框架的背面安装第一直线滑动单元，竖向铝型材框架正面的两根竖向铝型材上通过螺栓安装第二直线滑动单元，竖向铝型材框架内侧设有竖直直流电机，竖直直流电机的输出端与第三行星减速器的输入端相连，第三行星减速器的输出端通过第二联轴器连接第二丝杠，第二丝杠通过第二铝板固定，第二丝杠上通过第二丝杠螺母安装在日字型铝型材框架上，日字型铝型材框架与竖向铝型材框架的第二直线滑动单元连接，日字型铝型材框架上部安装第三铝板，第三铝板上搭载工业照相机。

本发明的另一目的在于提供一种基于北斗的接触网无人巡检车的自动定位系统的自动定位方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）采集接触网立柱相对于无人巡检车起点位置的数据，包括距离数据和角度数据，并将该数据保存在数据库中；

（2）开启自动运行模式，工控机通过北斗定位系统得到无人巡检车的当前位置信息，并根据该位置信息查询数据库以获得下一预定停车位置的信息，无人巡检车加速至额定速度，然后保持匀速行驶；北斗系统接收机实时获取无人巡检车的当前位置信息，并将当前位置信息发送至工控机；

（3）工控机内的移动站接收机对当前位置信息实时处理，当无人巡检车与预定停车位置的距离X小于20米时，无人巡检车开始减速，逐渐靠近预定停车位置，无人巡检车速度越来越小，直至X小于设定误差ρ，无人巡检车停车实现粗定位；

（4）粗定位后，启动工业照相机，工业照相机采集图像，采集的照片发送至工控机；工控机内的图像处理系统开始对采集的照片进行处理，图像处理的过程依次为：灰度化处理、截取图片、二值化、图像膨胀、图像腐蚀、边缘检测和Hough变换；

（5）工控机根据图像处理的结果计算预定停车位置与无人巡检车的实际距离X，控制驱动直流电机驱动无人巡检车实现精定位，无人巡检车准确停车。

所述步骤（1）中，采集接触网立柱相对于无人巡检车起点位置的数据具体是指：将基站接收机固定在无人巡检车的起点后，人工利用遥控器控制无人巡检车运动至预定停车位置附近，利用遥控器控制工业照相机采集图片，工控机对工业照相机采集的图片进行处理，根据图片处理的结果，工控机发送控制指令控制无人巡检车自动精确定位到预定停车位置，再利用遥控器将当前自动定位的位置数据存入数据库，再利用遥控器控制无人巡检车运动至下一预定停车位置，重复上述过程，直至完成位置数据的采集工作。

所述精定位是指无人巡检车在接触网立柱中心位置±20mm的范围内停车，具体是指，工业照相机对接触网立柱进行拍照，经过图像处理后能找到接触网的立柱特征在该照片中的像素位置，而该像素位置和无人巡检车距离立柱的横向距离之间存在一一对应关系，工控机根据图像处理的结果即立柱特征在照片中的像素位置计算预定停车位置与无人检修车之间的实际距离X，控制驱动直流电机驱动无人巡检车实现精定位，无人巡检车准确停车。

由上述技术方案可知，本发明通过北斗系统接收机实现粗定位，其定位精度约为300mm，北斗定位系统愈发成熟，应用领域愈加广泛，所以选择以北斗定位系统为基础来实现无人巡检车的粗定位也较为可靠；通过工控机对工业照相机采集的接触网立柱照片进行处理，其特征保存完整且十分可靠，所以选择以图像处理为基础来实现无人巡检车的精定位也较为可靠；无人巡检车的控制系统以工控机为核心，其功能全面，能够与搭载的检测装备通讯，所以可在上位机程序里加入数据库模块，每次检测完毕后将检修车的当前所在位置以及检测数据存储于数据库内。

附图说明

图1是工业照相机采集接触网立柱特征的图像模型示意图；

图2是横坐标x和距离S的x-S曲线图；

图3是本发明的定位方法流程图；

图4是图像识别系统手调界面示意图；

图5是经过灰度化处理后的铁路接触网立柱图；

图6是图5的部分截取图；

图7是图6经二值化处理后的示意图；

图8是图7经图像膨胀和腐蚀处理后的示意图；

图9是图8经边缘检测处理后的示意图；

图10是图9经Hough变换处理后的示意图；

图11是无人检修车的结构示意图；

图12是无人检修车中底盘系统的正面结构示意图；

图13是无人检修车中底盘系统的背面结构示意图；

图14是无人检修车中提升机构的结构示意图；

图15是无人检修车中移动平台系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1、11所示，一种基于北斗的接触网无人巡检车的自动定位系统，包括无人巡检车57、工控机和北斗系统接收机，所述无人巡检车57包括用于实现在铁轨上行走的底盘系统3、用于实现在垂直高度上的升降的提升机构2以及用于对接触网系统进行拍照的移动平台系统1；所述底盘系统3包括底盘框架5，其上安装驱动系统6和第一控制柜9；所述提升机构2包括外侧框架24、中间框架23和内侧框架22；所述提升机构2的下端安装在所述底盘框架5上，所述提升机构2的上端安装移动平台系统1，所述移动平台系统1上安装工业照相机36和第二控制柜45，所述第二控制柜45与工业照相机36双向通讯，所述第一控制柜9和第二控制柜45均通过通讯系统与工控机双向通讯，所述工控机内部加载图像识别系统；所述北斗系统接收机包括用于实现粗定位的基站接收机和移动站接收机，所述移动站接收机安装在第二控制柜45内，所述移动站接收机和工控机通过通讯线缆双向通讯，所述基站接收机安装在无人巡检车57的起点位置处。检修工作段的里程一般为3公里，共有约60个接触网立柱，人为将接触网的立柱依次编号为1-60。基站接收机固定于1号立柱位置处作为起点，移动站接收机固定于第二控制柜45，所述基站接收机与移动站接收机共同接收卫星数据，基站接收机接受到的卫星数据通过电台发送至移动站接收机，基站接收机与移动站接收机的卫星数据通过相位动态查分定位技术实现精度约为300mm的定位。

由工业照相机36直接采集的图片为彩色图像，像素为宽度1920×高度1080，其图像格式为RGB，其每一个像素点的区间为（0,0,0）～（255,255,255）。经过灰度化处理以后，彩色图像变成8位的灰度图像，即黑白图像，如图5所示，由黑到白，其颜色深度由灰度值决定，其灰度值范围是0～255。灰度图像经过二值化处理，则变成一个二值灰度图像，只有黑和白，如图7所示，其像素值为0或1。对二值图像进行图像腐蚀和图像膨胀处理不仅可以消除没有意义的边界点，还可以收缩边界，如图8所示，有利于对图像中直线特征的分析与识别。对二值图像进行边缘检测和Hough变换的处理则能够提取出直线特征，如图9、图10所示。图5为原图，其尺寸为1920*1080，图6为原图的部分截取，截取尺寸为1920*240，从上至下，为了减少图片自然背景对处理过程造成不必要干扰，所以在保留接触网立柱特征的基础上，截取原图。

定位过程中的关键在于：如何在粗定位完成后，根据图像中接触网立柱的位置信息来判断无人巡检车57实际与接触网立柱之间的距离。为此，设计实验研究定位算法，实验中工业照相机采集接触网立柱特征的图像模型如图1所示。

工业照相机36安装在无人巡检车57底盘上，以接触网立柱Q为目标位置，d是铁路距离立柱的横向垂直距离，可以测得d等于3050mm。S则是工业照相机36距离接触网立柱的纵向直线距离。实验过程中，沿铁轨推动底盘改变S进行图像采集拍照。将获得的多组照片，通过软件测量出图像中接触网立柱位置的横坐标x，其单位为像素，记录距离S和横坐标x。统计实验数据，绘制出x-S曲线图，如图2所示。

由于接触网立柱在图像中的像素坐标和S之间存在一一对应的关系，根据线性插值的方式，可以得到与某个像素坐标相对应的S。由图2可发现在接触网立柱处于图像像素坐标的中点附近即S处于±800mm位置时，x与S之间大致呈线性关系，尽管S较大时，x与S之间并不呈现线性关系，但是经过北斗系统接收机的粗定位后，S已经处于300mm以内，所以可以忽略S较大时线性插值方法所存在的误差。

如图3所示，本自动定位方法包括下列顺序的步骤：

（1）采集接触网立柱相对于无人巡检车57起点位置的数据，包括距离数据和角度数据，并将该数据保存在数据库中；

（2）开启自动运行模式，工控机通过北斗定位系统得到无人巡检车57的当前位置信息，并根据该位置信息查询数据库以获得下一预定停车位置的信息，无人巡检车57加速至额定速度，然后保持匀速行驶；北斗系统接收机实时获取无人巡检车的当前位置信息，并将当前位置信息发送至工控机；

（3）工控机内的移动站接收机对当前位置信息实时处理，当无人巡检车57与预定停车位置的距离X小于20米时，无人巡检车57开始减速，逐渐靠近预定停车位置，无人巡检车57速度越来越小，直至X小于设定误差ρ，无人巡检车57停车实现粗定位；在这里设定误差ρ为300mm，也可以根据需要修改这个值；

（4）粗定位后，启动工业照相机36，工业照相机36采集图像，采集的照片发送至工控机；工控机内的图像处理系统开始对采集的照片进行处理，图像处理的过程依次为：灰度化处理、截取图片、二值化、图像膨胀、图像腐蚀、边缘检测和Hough变换；

（5）工控机根据图像处理的结果计算预定停车位置与无人巡检车57的实际距离X，控制驱动直流电机驱动无人巡检车57实现精定位，无人巡检车57准确停车。

检修工作段的里程一般为3公里，共有约60个接触网立柱，人为将接触网的立柱依次编号为1-60。基站接收机固定于1号立柱位置处作为起点，移动站接收机固定于第二控制柜45，所述基站接收机与移动站接收机通过北斗系统的相位动态查分定位技术实现精度约为300mm的定位。为了实现粗定位，无人巡检车57需要事先采集各接触网相对于起点的位置数据（距离和角度），该位置数据既可由其他设备采集后输入到无人巡检车57的控制系统也可由人工对各接触网立柱的位置数据进行采集。所述步骤（1）中，采集接触网立柱相对于无人巡检车57起点位置的数据具体是指：将基站接收机固定在无人巡检车57的起点后，人工利用遥控器控制无人巡检车57运动至预定停车位置附近，利用遥控器控制工业照相机36采集图片，工控机对工业照相机36采集的图片进行处理，根据图片处理的结果，工控机发送控制指令控制无人巡检车57自动精确定位到预定停车位置，再利用遥控器将当前自动定位的位置数据存入数据库，再利用遥控器控制无人巡检车57运动至下一预定停车位置，重复上述过程，直至完成位置数据的采集工作。

无人巡检车57完成粗定位后，定位精度约为300mm，尚不满足无人巡检车57的定位要求。所述步骤（5）中，所述精定位是指无人巡检车57在接触网立柱中心位置±20mm的范围内停车，具体是指，工业照相机36对接触网立柱进行拍照，经过图像处理后能找到接触网的立柱特征在该照片中的像素位置，而该像素位置和无人巡检车57距离立柱的横向距离之间存在一一对应关系，工控机根据图像处理的结果即立柱特征在照片中的像素位置计算预定停车位置与无人检修车57之间的实际距离X，控制驱动直流电机驱动无人巡检车57实现精定位，无人巡检车57准确停车。

图像识别系统手调界面如图4所示，图中A为接触网立柱原图，该图是在铁路现场定位测试过程中所采集的一张照片。图中B则是经过图像处理之后的结果，能够提取出其直线特征。

如图12、13所示，所述底盘框架5采用铝方管拼接而成，各个铝方管之间通过四孔连接片7连接，底盘框架5的四个内角处安装用于增强整个底盘框架5结构的刚性L型连接件4；底盘框架5的正面后部架设两根横向的第一铝型材10，底盘框架5正面前部的一侧固定第一控制柜9，第一控制柜9通过控制线控制驱动系统6，第一控制柜9内侧的底盘框架5上通过螺栓连接绞盘8，绞盘8上缠绕钢丝绳，钢丝绳绕到提升机构2上，提升机构2通过螺栓固定在第一铝型材10上。

如图12、13所示，所述驱动系统6包括驱动直流电机19，驱动直流电机19的输出端与第一行星减速器20的输入端相连，第一行星减速器20的输出端与齿轮换向器21的输入端相连，齿轮换向器21分两端输出，两个输出端分别通过钢管18与驱动轮卡盘16相连，驱动轮卡盘16通过轴承座17固定，轴承座17通过螺栓连接固定在铝方管背面，驱动轮卡盘16的后端安装驱动轮15；底盘框架5上设有左右对称的从动系统11，从动系统11包括从动轴支架12，从动轴支架12通过螺栓固定在底盘框架5的背面，从动轴支架12的侧面焊接从动轴13，从动轴13通过轴承与从动轮14配合。需要行走时，第一控制柜9给出信号，通过控制线控制驱动直流电机19转动，驱动直流电机19通过第一行星减速器20增大输出扭矩，将力矩传递给齿轮换向器21，齿轮换向器21将力矩通过输出端两侧的钢管18传递给驱动轮卡盘16，驱动轮卡盘16带动两侧的驱动轮15转动，从而驱动系统6启动，驱动系统6带动从动系统11转动，实现无人巡检车57在铁轨上的行走。

如图14所示，所述内侧框架22上套设中间框架23，所述中间框架23上套设外侧框架24，所述外侧框架24的两侧自上而下通过铆钉铆接三根横向的用于攀爬的L型铝型材26，外侧框架24的顶部四个角安装内凹槽型滑轮轴承组25，内凹槽型滑轮轴承组25从外侧抵住中间框架23，中间框架23底部的四个角安装外凸槽型滑轮轴承组31，外凸槽型滑轮轴承组31从内侧抵住外侧框架24，使外侧框架24和中间框架23之间配合的运动更加平稳，中间框架24的顶部四个角安装内凹槽型滑轮轴承组25，内凹槽型滑轮轴承组25从外侧抵住内侧框架23，内侧框架23底部的四个角安装外凸槽型滑轮轴承组31，外凸槽型滑轮轴承组31从内侧抵住中间框架24。

如图14所示，所述外侧框架24的底部上安装第一定滑轮29，外侧框架24的顶部上安装第二定滑轮33，所述中间框架23的底部相对的两侧上分别安装第三定滑轮30、第八定滑轮28，中间框架23的顶部相对的两侧上分别安装第四定滑轮34、第七定滑轮35，所述内侧框架22的底部相对的两侧上分别安装第五定滑轮32、第六定滑轮；所述内侧框架22的顶部通过螺栓安装移动平台系统1。钢丝绳从外侧框架24底部正对绞盘8一侧的第一定滑轮29绕入，经过外侧框架24顶部一侧的第二定滑轮33、中间框架23底部一侧的第三定滑轮30、中间框架23顶部一侧的第四定滑轮34、内侧框架22底部一侧的第五定滑轮32，然后到内侧框架22底部另一侧的第六定滑轮，经过中间框架23顶部另一侧的第七定滑轮35、中间框架23底部另一侧的第八定滑轮28，绕到外侧框架24顶部另一侧的固定孔上，实现钢丝绳另一端的固定，这样通过特殊的绕线方式，通过拉动钢丝绳即可实现三层框架相互之间的伸缩。

如图15所示，所述移动平台系统1包括两个三角架44，两个三角架44通过螺栓安装在内侧框架22的顶端，两个三角架44之间架设第二控制柜45，三角架44的背面安装横向铝型材框架46，横向铝型材框架46上安装第一直线滑动单元47，横向铝型材框架46内侧设有横移直流电机40，横移直流电机40的输出端与第二行星减速器41的输入端相连，第二行星减速器41的输出端通过第一联轴器42连接第一丝杠48，第一丝杠48通过第一铝板43固定，第一丝杠48通过第一丝杠螺母49连接竖向铝型材框架39，竖向铝型材框架39的背面安装第一直线滑动单元47，竖向铝型材框架39正面的两根竖向铝型材上通过螺栓安装第二直线滑动单元38，竖向铝型材框架39内侧设有竖直直流电机50，竖直直流电机50的输出端与第三行星减速器51的输入端相连，第三行星减速器51的输出端通过第二联轴器52连接第二丝杠53，第二丝杠53通过第二铝板固定，第二丝杠53上通过第二丝杠螺母55安装在日字型铝型材框架56上，日字型铝型材框架56与竖向铝型材框架39的第二直线滑动单元38连接，实现日字型铝型材框架56在竖向铝型材框架39上的竖直运动，日字型铝型材框架56上部安装第三铝板37，第三铝板37上搭载工业照相机36。工作人员通过远程操控，将信号传递给第二控制柜45，第二控制柜45通过控制线将控制信号传递给工业照相机36，工业照相机36对接触网关键连接处进行聚焦和拍照。

无人巡检车57在工作时，将无人巡检车57首先搬运到铁路铁轨上，转动底盘系统3上的绞盘8把手，实现提升机构2的伸长，当提升机构2上部的移动平台系统1到达一定高度后，停止转动绞盘8的把手，将把手位置固定，通过远程控制第一控制柜9，来驱动驱动系统6启动，使无人巡检车57能实现在铁轨上的行走，对需要检测的接触网系统连接关键点实现粗定位；

当无人巡检车57到达需要检测的大致位置时，驱动直流电机19停止转动，第二控制柜45分别控制移动平台系统1的横移直流电机40和竖直直流电机50启动，使得最上层的日字型铝型材框架56能够通过横向和竖向的运动，最终保证日字型铝型材框架56上搭载的工业照相机36能精确定位到需要拍照的位置，进行拍照取样，再将图片通过第二控制柜45内的无线发射装置发送到每个检测中心，给工作人员进行比对，发现需要检修的接触网系统位置，完成检测接触网系统连接关键点的目的。

本发明通过北斗系统接收机实现粗定位，其定位精度约为300mm，北斗定位系统愈发成熟，应用领域愈加广泛，所以选择以北斗定位系统为基础来实现无人巡检车57的粗定位也较为可靠；通过工控机对工业照相机36采集的接触网立柱照片进行处理，其特征保存完整且十分可靠，所以选择以图像处理为基础来实现无人巡检车57的精定位也较为可靠；无人巡检车57的控制系统以工控机为核心，其功能全面，能够与搭载的检测装备通讯，所以可在上位机程序里加入数据库模块，每次检测完毕后将检修车的当前所在位置以及检测数据存储于数据库内。