0 引 言
工业领域中部分移动式设备需要源源不断的动力，例如港口起重设备、自动化车间中的移动设备等。因此，除了部分电气设备会使用电缆供电外，大多数设备需要移动供电，目前的供电多采用滑触式母线干线系统，即采用滑触线集成器供电 [1]。
在移动设备的运行轨道上平行铺设滑触线，通常是 3 条接触轨，移动设备安装了可以从接触轨取电的集电器，当设备移动时，集电器随设备同步运行，并随时从导轨上取电，以便设备可以持续运行。滑触线发生故障的原因有多种，包括温度变化造成热胀冷缩，滑触线对接直线度不达标等 [2]。此外，设备运行时，集电器在滑触线上移动，一方面会与滑触线产生磨损，另一方面可能会产生电弧，长期使用会因高温结碳、氧化而形成厚实的黑色覆盖层，甚至局部区域发生严重烧蚀、结瘤现象，导致滑触线由于高温而变形，严重影响滑触线及设备集电器的使用寿命，甚至造成火灾隐患。
在港口中滑触线检测通常依靠人工进行，在精准度及检测效率方面存在一定的局限性 [3]。滑触线检测对精度要求较高，错误的判断可能会影响滑触线的安全，而目前滑触线检测设备较少 [4]。本文对滑触线的内外侧同时进行检测，每根滑触线通过 3 个位移传感器和 1 个光学摄像头进行数据采集与分析，传感器以可升降的自动小车为载体，通过伺服电机驱动和机械机构使小车沿着轨道一侧前进。本文根据港口现场的实际情况，设计研发出了一种针对滑触线的自动化检测方案，该方案对物联网技术在滑触线检测领域的应用具有一定的建设性意义。
1 系统整体设计方案
本方案整体设计包括工控机、蓄电池、传感器数据采集、图像视频算法、机械结构等。自动小车需要在内部宽度为 140 mm 的槽钢上行走，自动小车自带无线传输模块，能够将现场数据传输到较远的中控室，由中控室的上位机进行相关数据的储存、处理和显示。以 4G 模块为例，该模块是基于 4G 无线传输技术设计，可兼容多种工业场景。系统整体设计原理如图 1 所示。
针对接触轨左右、底部变形的检测，拟采用激光位移传感器和视觉检测实现。接触轨底部凹槽内的烧蚀情况需要用带光源的摄像头伸进接触轨凹槽内部，采用机器视觉方式检测。同时，每一条接触轨底部要放置摄像头，通过机器视觉辅助检测轨道形变。为保证机器视觉的实时检测算力，拟在巡检车上安装微型工控机。现场待检测位置距离中控室较远，如果采用无线数据传输，需要使用 4G 等方式。巡检车运行场地是内部宽度为 140 mm 的槽钢，市场上符合要求的巡检车底盘较少，需要自行开发巡检车底盘，其关键是车轮和电机的选取。同时，巡检车上需要安装陀螺仪等姿态测量模块，可检测因运行路径不平整而导致巡检车发生的姿态变化，以抵消对接触轨底部位移传感器的影响。
2 系统硬件设计
2.1 工控机
由于自动小车检测系统搭载了多种传感器、摄像头，以及多个控制电路，为了能够实时处理大量数据，需要在自动小车上搭载工控机等设备。
2.2 陀螺仪
通过自动小车运动状态检测系统，实时监测小车当前的工作状态，通过陀螺仪对小车运动角度的偏差进行检测，能够及时调整小车的运动方向 [5]。将自动小车本体出发时所处的水平面设为初始水平面，陀螺仪不断传输偏离初始水平面的角度 θ，在初始时刻 t0 将陀螺仪的输出角度归零，并记录电机编码器的数值，在下一时刻 t1 陀螺仪输出角度 θ1，记录此时电机编码器的输出值，换算成水平位移 S1，在 t1 时刻小车本体偏离初始水平面的距离为 ：x1=S1 · tanθ1 （1）
计算时规定数值符号，输出为仰角时，数值为正，输出为俯角时，数值为负 ；在任意时刻 ti(i=0, 1, 2, ..., n) 自动小车偏离初始水平面的距离为 ：
X xiin= =∑0（2）
由此修正激光位移传感器的数值，避免由于运行时路面起伏导致激光位移传感器测量的数值大幅波动，进而误判滑触线烧蚀变形。
2.3 无线传输模块
自动小车应自带无线传输模块，将现场数据传输到较远的中控室，由中控室上位机进行相关数据的储存、处理和显示。以 4G 模块为例，该模块是基于 4G 技术的无线传输方案，可兼容多种工业场景。
2.4 摄像头
该装置拟采用 800 万像素的自动对焦摄像头，其画面质量更好，可用于人脸识别、颜色识别、文字识别、形状识别、边缘检测、特征点追踪等。摄像头需要安装在接触轨正下方，需要额外的光源对接触轨内部照明 [6]。同时，为了辅助检测烧蚀情况，需要在每根接触轨底部增加一个摄像头，如图 2 所示。
2.5 位移传感器
激光位移传感器的测量原理 ：激光发射器发出一束平行光，经聚透镜聚焦在被测物体表面，产生漫反射光线，部分光线通过接收透镜成像在 CCD 光敏面上。当被测物体沿着光束的入射方向移动时，物体表面的散射光斑相对于成像物镜的位置发生了改变，在光敏器件上的像点位置也发生了变化 [7]。本文拟选用激光位移传感器，其测量范围为25 ～ 35 mm，将其安装后，实现与接触轨侧面、底部的非接触测量。激光位移传感器适合测量快速的位移变化，具有测量精度高、频带范围宽等优点 [8]。
2.6 机械结构
本文采用 Creo 软件对机械结构进行设计，剪叉式升降平台具有结构紧凑稳固、故障率低、运行可靠、安全高效、维护简单方便等优点 [9]，因此为了保证传感器的测量精度，伸展机构选用剪叉式升降结构。机械设计部分包括承载传感器、摄像头、自动前行检测模块、伸展支撑模块等，自动小车主要包括驱动部分、传动部分、伸展部分。整体机械结构及硬件布置情况如图 3 所示。
考虑承重及设备的平稳运行，驱动电机选用 35 W 编码器电机。为了保证驱动扭矩，额外增加齿轮减速器。伸展机构采用双电机齿轮传动机构，保证物联网检测设备能够平稳到达准确位置，完成相关检测工作。
3 图像识别
3.1 基于视觉的滑触线烧蚀检测
图像的边缘一般是图像灰度差异变化较为明显的位置，而这些变化往往伴随着物体结构的变化，因此边缘是图像分析和模式识别的重要特征 [10]。
在滑触线无烧蚀情况下，表面平整光洁，在可见光光学成像中应呈现自然金属光泽，而滑触线被烧蚀后会呈现图 4 所示特点 ：
（1）颜色呈黑色，失去金属光泽 ；
（2）表面存在由高温灼烧产生的结痂 ；
（3）烧蚀严重时会使滑触轨金属及外层塑料绝缘层产生形变。基于以上特点，拟采用如下方案实现滑触线烧蚀的自动检测 ：
（1）考虑从图像颜色上判断滑触线是否存在异常 ；
（2）进一步利用目标检测方法等对怀疑存在异常的滑触线图像进行判断与**定位。
此方案的优势在于通过**步从颜色上对滑触线进行初筛，仅将怀疑存在异常的滑触线图像传入**步的烧蚀**定位模型，减少实际巡检时的计算量，可一定程度提升系统实时性。但是，采用该方法时前期需要获取一定量的滑触线完好的图像样本及存在烧蚀的图像样本，用于分析发生烧蚀前后图像颜色特征上的变化及烧蚀检测模型的训练。
3.2 基于视觉的滑触线变形检测
滑触线无变形情况下，从滑触线下方观察，可见外层塑料绝缘层完好、整齐，滑触线左右两侧边缘平行，且绝缘外层与滑触线凹槽区域在图像中的像素颜色及各通道亮度存在明显差异。
经简单的图像二值化及边缘检测初步试验，无变形区域如图 5 所示，有变形区域如图 6 所示。通过对比可有效区分无变形滑触线和存在边缘变形的滑触线。实际检测中对以上过程做进一步优化，可通过识别滑触线的边缘线是否为直线，判断其是否因烧蚀产生形变。
4 后台软件设计
根据本论文的技术方案，使自动小车沿轨前行，由编码器定位小车的实时位置。通过陀螺仪测量实时的位姿变化，结合小车的伸展机构，拖动位移传感器和摄像头等物联网设备到达既定的检测位置 ；通过位移传感器检测滑触线内外的位移变化量，结合视觉检测技术，综合评判滑触线检测结果。
后台软件操作界面如图 7 所示，图中分为 4 部分，分别为用户登录、历史数据查询、视觉图像和位移实时数据显示部分，操作者可以根据自身需求，实时查看检测数据或调用检测历史数据。经过实验，本方案可以较好地采集既定图像及数据，基于物联网的滑触线检测装置展现出良好的检测性能，适用于相关检测行业。
5 结 语
本文提出了一种基于物联网的滑触线检测技术，项目源于某大型港口的滑触线智能检测需求，针对人工检测效率低、可靠性差等问题，设计了一种自动化检测装置，结合物联网及视觉检测相关技术，能够准确识别滑触线故障，可以满足港口滑触线检测需求。后台软件设计清晰简洁，方便现场人员操作维护。本文从硬件、视觉检测到后台软件进行了设计开发，在滑触线检测领域对现场工作人员提供了有力支持。
