工业相机在超级高铁管道视觉检测系统中的应用

Space-X的CEO伊隆.马斯克的超级高铁项目开发了一个高速交通系统，在不到 30 分钟的时间内连接洛杉矶和旧金山的城市。其速度比飞机更快，价格比火车便宜。为了实现这个概念，工程师团队需要在接近真空的条件下监测管道的结构完整性。这些管道用于运输电动客舱，因此观察任何可能影响安全的变化因素至关重要。该任务由 XIMEA的USB3.0 高速相机完成。

图1：Hyperloop 概念

Hyperloop 概念

Hyperloop（超级高铁）——-在减压管道中高速行驶的多乘客吊舱/太空舱。该系统需要使用现有技术来加快开发周期并降低成本，SpaceX 表示，操作员需要一个管道和子管道视觉检测系统，可以通过该系统识别轨道上的异常或异物碎片 (FOD)。

罗彻斯特理工学院成像科学中心的RIT 成像 Hyperloop 团队提供了一个智能图像分析的自动摄像系统，以实施隧道管道的安全和维护系统。团队负责人 Kristina Carrucci 表示，常规方法例如通常用于检查石油管道的方法, 不适合 Hyperloop。他们提供的系统全自动、完全基于成像的检查，可使用结构光对管壁进行高速 3D 扫描。

图2：正在建设中的超级高铁测试管道

系统构成

该团队的设计包括一个高速通信系统和一个传感器系统，用于检测可能阻碍吊舱运动的管壁故障。两者都是在高速环境中应用的相对较新的技术，目的是确保对管道内部的表面状况进行快速和精确的监测。任何凸起、裂缝、变形的焊缝或氧化都代表潜在的安全风险。

安装在机器人运输系统上的结构光扫描仪，由一个投影仪和 2 个高速工业相机组成，如图3。投影仪将网格线投射到隧道墙壁上，根据轨道上投影图案的变形，系统可以检查轨道的几何变化，例如管段之间的间隙扩大（所谓的工字梁完整性扫描）和异物碎片检测，即使在最高行驶速度1225km/h时，也可进行检查。

图3：RIT 团队的初步系统设计

相机选择

RIT 开发的专用软件使用获得的数据创建管的 3D 模型，从而能够在操作过程中检测材料中的缺陷。

这意味着可以立即识别更改，并且可以有效地计划任何维修。使用现有的图像捕捉技术和随时可用的标准产品，使该检测系统的开发、集成和运行特别高效且具有成本效益。尽管效率很高，但对所使用的摄像系统的要求非常苛刻。

结构光的使用需要非常好的图像质量以及出色的相机和投影仪分辨率。特别是，相机必须具有出色的信噪比和高动态范围。高速需要每秒 500 帧的高帧率，以及相应的具有高带宽的相机接口。紧凑的结构、低采购成本和易用性是 Hyperloop 项目的进一步要求。

“为了选择这个关键的系统组件，我们比较了十多种不同的相机。我们选择 XIMEA 是因为它具有可靠的高帧率和紧凑的外形。我们还满意它的易于集成、有竞争力的采购成本和个性化、友好的服务”，卡鲁奇说。

对于 Hyperloop MARS（机械化自主轨道扫描仪）维护系统，RIT 团队使用了来自XIMEA xiQ 系列的两台MQ003相机。

这些XIMEA相机配有ams CMOSIS CMV300 传感器，具有 7.4 µm 像素尺寸和 60 dB 动态范围，以每像素 8 bit的速度提供超过 500 fps 的 VGA 分辨率。 CMOS 全局快门技术确保即使在高速下也不会出现拖尾的高图像质量，从而确保精确的 3D 分析。

该传感器与 5 Gb/s 超高速 USB 3.0 接口相结合，可确保图像快速传输、无丢帧、易于集成。数据在未压缩的情况下直接实时传输到运行快速的GPU和FPGA硬件的计算机。

所有这些都嵌入在带有 C 接口（或 CS）的极其紧凑的相机外壳中，其尺寸仅为 26 毫米 x 26 毫米 x 24 毫米，重量仅为 26 克。

尽管 XIMEA xiQ 相机消耗的功率非常低（仅为 1.5 瓦）并且产生的热量最少，但另一位负责运输舱设计的 Hyperloop 合作伙伴为其开发了一种特殊的相机外壳，以弥补空气不足的问题。在 Hyperloop 管的真空中使用时冷却。

Hyperloop 项目的首次试运行已于 2017 年 1 月在加利福尼亚州奎伊谷进行。

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