非接觸障礙檢測技術(shù)在清篩機(jī)污土帶避障中的應(yīng)用

胡傳亮，高春雷，王發(fā)燈，周佳亮

(1.北京大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用檢修段，北京 100071;2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

道砟清篩機(jī)是用來清篩道砟的大型養(yǎng)路機(jī)械，將臟污的道砟從枕底挖出，篩分后，將清潔道砟回填至道床，通過污土輸送裝置將篩出的污土清除到線路外。

清篩機(jī)作業(yè)時(shí)，經(jīng)常發(fā)生碰倒接觸網(wǎng)支柱的事故，各鐵路局也自行開發(fā)了多種安全保障裝置，但是由于穩(wěn)定性低和智能化程度不高，沒有得到推廣使用，現(xiàn)場主要還是依靠人眼觀察，存在重大安全隱患。為解決清篩機(jī)作業(yè)時(shí)避讓污土帶的問題，迫切需要一套可靠的清篩機(jī)污土帶避障系統(tǒng)。本文介紹了研發(fā)的自動(dòng)避讓接觸網(wǎng)支柱的避障系統(tǒng)。

1 清篩機(jī)污土輸送裝置避障系統(tǒng)

1.1 避障系統(tǒng)的要求

避障系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙重非接觸測量，①精度保證，采用激光和超聲波兩種非接觸檢測技術(shù)，激光測量可以保證精度，超聲波能穿透灰塵和小顆粒物，保證了測量可靠性;②響應(yīng)速度快，如果系統(tǒng)檢測到障礙物，將會(huì)在300ms內(nèi)做出判斷;③可靠性高，采用嵌入式系統(tǒng)軟硬件，保證系統(tǒng)的高性能、高可靠性和高穩(wěn)定性;④能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避讓的智能化要求。

1.2 傳感器件的選擇

激光傳感器單色性好，方向性強(qiáng)，電子線路和半導(dǎo)體可集成化，可晝夜工作，測距精度高。超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。

避障系統(tǒng)采用激光和超聲波兩種非接觸式傳感器檢測障礙物的位置。激光測距傳感器掃描角度可達(dá)180°，角度分辨率為0.25°，距離分辨率為10mm，測量精度為±60mm，最大掃描距離為30m。超聲波傳感器的掃描角度為10°，距離分辨率為10mm，最大探測范圍為8 m。

通過測量污土帶轉(zhuǎn)角，計(jì)算污土帶最遠(yuǎn)端位置，判斷污土帶位置?？紤]到現(xiàn)有清篩機(jī)的安裝方便，本系統(tǒng)研發(fā)了以絕對(duì)編碼器為基礎(chǔ)的污土帶轉(zhuǎn)角測量結(jié)構(gòu)，如圖1所示，從動(dòng)輪和絕對(duì)編碼器通過聯(lián)軸器連接在一起。

圖1 污土帶位置檢測傳感器

1.3 核心控制器件的選擇

考慮避障系統(tǒng)的成本及使用要求，選用了嵌入式微處理器 DSPIC30F6012、嵌入式操作系統(tǒng) Windows XP Embedded，嵌入式系統(tǒng)是一種“完全嵌入到受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。專用的嵌入式系統(tǒng)能保證系統(tǒng)的高性能、高可靠性和高穩(wěn)定性。

1.4 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

硬件系統(tǒng)如圖2所示，本系統(tǒng)采用激光掃描技術(shù)和超聲波探測技術(shù)對(duì)障礙物進(jìn)行非接觸式檢測;采用自主研發(fā)的傳感器對(duì)污土帶作業(yè)的最遠(yuǎn)端位置進(jìn)行檢測;采用高性能的處理器件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，采用監(jiān)控圖像輔助系統(tǒng)避障。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

1.5 傳感器件的布置

傳感器布置主要包括一個(gè)sick激光傳感器總成、兩個(gè)超聲波傳感器總成、兩個(gè)攝像機(jī)總成和一個(gè)轉(zhuǎn)角測量裝置。激光傳感器總成安裝于清篩機(jī)左側(cè)車頭大燈上部，兩個(gè)超聲波總成和攝像機(jī)總成分別安裝于清篩機(jī)左側(cè)和右側(cè)大燈上部，轉(zhuǎn)角測量結(jié)構(gòu)安裝于右側(cè)拋污帶旋轉(zhuǎn)基座上。共6個(gè)超聲波傳感器圓形分布，每兩個(gè)間的夾角為8°，當(dāng)輸送裝置向前進(jìn)方向的左側(cè)輸送污土?xí)r，左側(cè)傳感器1～3進(jìn)行循環(huán)檢測，當(dāng)輸送裝置向前進(jìn)方向的右側(cè)輸送污土?xí)r，傳感器4～6循環(huán)檢測;由于每個(gè)超聲波傳感器的中心角為10°，每組單獨(dú)工作時(shí)，覆蓋區(qū)域?yàn)?6°范圍，在該區(qū)域內(nèi)的障礙均有多次被檢測到的機(jī)會(huì)，所以不容易漏測。清篩機(jī)左側(cè)傳感器的具體安裝位置如圖3。

圖3 傳感器的布置

2 系統(tǒng)工作原理

避障系統(tǒng)需要檢測的項(xiàng)目有障礙物和污土帶位置。

對(duì)于障礙物檢測，為更好地保證障礙檢測的可靠性，采用激光傳感器與超聲波傳感器組同時(shí)檢測，根據(jù)兩種檢測方式對(duì)障礙物信息進(jìn)行智能判定，由上位機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)障礙物的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)收回污土輸送帶最終實(shí)現(xiàn)避障，避免輸送帶碰倒接觸網(wǎng)支柱，從而提高清篩機(jī)作業(yè)時(shí)的安全性。兩種檢測系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，激光檢測精度高范圍廣，但是易受灰塵的影響，適用于在灰塵較小的情況下使用。超聲波檢測可以不受灰塵的影響，可以全天候工作。本系統(tǒng)為了提高人機(jī)交互性，增加了攝像機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)，可以根據(jù)數(shù)字圖像上的等距線直觀判斷障礙物的位置。

對(duì)于污土帶位置的檢測，本系統(tǒng)采用間接檢測方法，通過檢測污土帶的轉(zhuǎn)角，計(jì)算污土帶最遠(yuǎn)端的位置。清篩機(jī)的整個(gè)污土帶可以視為一個(gè)剛體，污土帶上的每一點(diǎn)在相同的時(shí)間內(nèi)相對(duì)于污土帶的旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)過的角度相同。污土帶的轉(zhuǎn)角測量目的就是測量污土帶上某一點(diǎn)的轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角測量結(jié)構(gòu)的安裝位置如圖4所示，設(shè)從動(dòng)輪的半徑為r，接觸點(diǎn)到污土帶旋轉(zhuǎn)中心半徑為R，絕對(duì)編碼器輸出的角度為φ，則污土帶接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)角為

金枝君的“非自由戀愛”，是以為男女間的特殊關(guān)系，只有自由滿足性欲的一件事情；至于戀愛應(yīng)該是人與人普通的關(guān)系。并且他那篇文章里“滿足性欲”等字樣，原文本都做“交門”，是我代他改了的。所以金枝的主張實(shí)在和存統(tǒng)一樣，“廢婚后男女完全自由交門”，本不能說他渾樸。祖基君對(duì)于金枝君底論文，稍有誤解；但他解釋自由戀愛的意義，我認(rèn)為很有研究的價(jià)值。

式中，φ0為污土帶位于線路中心位置時(shí)絕對(duì)編碼器輸出的角度;θ即為污土帶的轉(zhuǎn)角，順時(shí)針為正。

根據(jù)圖5可得最遠(yuǎn)端(xb，yb)坐標(biāo)的計(jì)算公式為

式中，γ=atan(2L/d)，L為污土帶長度，d為污土帶寬度，S為污土帶旋轉(zhuǎn)中心到端板的距離。

圖4 污土帶安裝位置

圖5 污土帶最遠(yuǎn)端

3 避障算法

本系統(tǒng)的避障原理包括四個(gè)步驟。

1)計(jì)算污土帶最遠(yuǎn)端坐標(biāo)(xb，yb)

絕對(duì)編碼器檢測到污土帶的轉(zhuǎn)角θ，根據(jù)公式(2)可得最遠(yuǎn)端(xb，yb)的位置。

2)計(jì)算物體危險(xiǎn)點(diǎn)坐標(biāo)(xz，yz)

假設(shè)超聲波檢測到的物體距超聲波安裝位置的距離為R_CHAO，則物體的位置應(yīng)該在超聲波的掃描角φ范圍內(nèi)，即在中心角為φ、半徑為R_CHAO的圓弧上。根據(jù)超聲波的安裝角度，可以計(jì)算出圓弧上兩個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)(x1，y1)和(x2，y2)，則超聲波傳感器檢測的危險(xiǎn)點(diǎn)坐標(biāo)為

3)危險(xiǎn)區(qū)域劃分

當(dāng)污土帶在左側(cè)時(shí)，危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)?/p>

當(dāng)污土帶在右側(cè)時(shí)，危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)?/p>

其中D和L為安全距離參數(shù)，D與檢測精度有關(guān)，L與清篩機(jī)行車速度有關(guān)。危險(xiǎn)區(qū)域見圖6。

圖6 危險(xiǎn)區(qū)域

4)障礙判斷

當(dāng)物體危險(xiǎn)點(diǎn)(xz，yz)進(jìn)入了危險(xiǎn)區(qū)域則構(gòu)成障礙，給出聲光報(bào)警信號(hào)，當(dāng)物體危險(xiǎn)點(diǎn)(xz，yz)不在此區(qū)域內(nèi)則視為安全。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語言進(jìn)行開發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)，分為單片機(jī)模塊和計(jì)算機(jī)模塊兩部分。單片機(jī)程序如圖7所示。

圖7 單片機(jī)程序

單片機(jī)負(fù)責(zé)模擬量的采集、數(shù)字I/O處理、里程脈沖計(jì)數(shù)和絕對(duì)編碼器(RS485接口)數(shù)據(jù)的接收，最后將處理結(jié)果打包傳輸給計(jì)算機(jī)。單片機(jī)采集的模擬量為超聲波的輸出，數(shù)字量輸入包括清零信號(hào)、關(guān)機(jī)信號(hào)、車體前進(jìn)信號(hào)、車體后退信號(hào)，數(shù)字量輸出包括聲光報(bào)警信號(hào)、停車信號(hào)、啟動(dòng)激光傳感器信號(hào)、啟動(dòng)超聲波傳感器信號(hào)。

計(jì)算機(jī)軟件在嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行，采用VC語言進(jìn)行編制。系統(tǒng)具體的軟件框圖如圖8所示。在主程序中開啟三個(gè)線程，圖像采集線程采集網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的數(shù)字圖像，并將采集結(jié)果保存到全局內(nèi)存中。

圖8 計(jì)算機(jī)軟件

串口處理線程由硬件自動(dòng)觸發(fā)，將接收到的串口數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到全局變量數(shù)組里，數(shù)據(jù)處理線程則由串口處理線程發(fā)送消息控制，接收一幀串口數(shù)據(jù)后，調(diào)用全局內(nèi)存中數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、顯示和保存。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用了激光和超聲波兩種非接觸式檢測技術(shù)對(duì)障礙物進(jìn)行檢測;采用了數(shù)字圖像監(jiān)控技術(shù)，輔助清篩機(jī)駕駛員避障，提高了系統(tǒng)的交互性;采用了自主研發(fā)的污土帶轉(zhuǎn)角傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有清篩機(jī)污土帶的測量;采用了可靠的避障算法，保障清篩機(jī)作業(yè)的安全，提高避障系統(tǒng)預(yù)警能力;采用了高性能處理器，適應(yīng)車體振動(dòng)環(huán)境;采用嵌入式系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的速度和穩(wěn)定性。

清篩機(jī)污土帶避障系統(tǒng)從檢測技術(shù)、避障算法到系統(tǒng)硬件和軟件都是經(jīng)過精心調(diào)研和技術(shù)論證的。本系統(tǒng)可以在白天、黑夜、風(fēng)、雨、雪、漫天塵土等惡劣環(huán)境下使用，具有較高的可靠性。此系統(tǒng)解決了清篩機(jī)污土帶安全生產(chǎn)避障問題，能產(chǎn)生良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］寇長青，宋慧京.全斷面枕底清篩機(jī)［M］.北京:中國鐵道出版社，1998.

［2］趙珂.高精度超聲波測距儀的研制［J］.傳感器技術(shù)，2003，22(2):55-57.

［3］高春雷，王發(fā)燈.清篩機(jī)污土輸送裝置避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.鐵道建筑，2007(8):97-99.