并行激光雷達(dá)接觸網(wǎng)高度快速檢測(cè)系統(tǒng)

劉顯錄 趙 建

(1.長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 吉林 長(zhǎng)春 130062；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 吉林 長(zhǎng)春 130062)

并行激光雷達(dá)接觸網(wǎng)高度快速檢測(cè)系統(tǒng)

劉顯錄1趙 建2

(1.長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 吉林 長(zhǎng)春 130062；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 吉林 長(zhǎng)春 130062)

接觸網(wǎng)高度檢測(cè)系統(tǒng)采用了多個(gè)激光雷達(dá)以并行的方式對(duì)電力機(jī)車接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度進(jìn)行等間隔循環(huán)掃描測(cè)量,滿足了電力機(jī)車受電弓反饋的實(shí)時(shí)性要求。

接觸網(wǎng)；高度測(cè)量；激光雷達(dá)；太陽(yáng)高度角

目前，電氣化鐵路已成為機(jī)車的主要能源供給方式，電力機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中，不斷通過(guò)受電弓以滑動(dòng)摩擦的方式從接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)持續(xù)獲得電能。但是，由于接觸網(wǎng)分布、搭建等客觀原因，其高度存在一定起伏，使受電弓在滑動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生一定程度的振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生電弧放電，影響機(jī)車供電效率，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致安全故障。因此，大力發(fā)展接觸網(wǎng)高度快速測(cè)量，為受電弓提供預(yù)測(cè)反饋數(shù)據(jù)，有利于促進(jìn)受電弓與接觸網(wǎng)的良好接觸，提高鐵路運(yùn)輸?shù)恼w供電效率[1-5]。

接觸網(wǎng)高度測(cè)量主要分為兩大主流方向，即接觸式測(cè)量與非接觸式測(cè)量[5-6]。接觸式測(cè)量，一般是在受電弓上安裝角位移傳感器，受電弓弓板高度發(fā)生變化時(shí)，主軸的角度發(fā)生變化，根據(jù)此角度變化值即可反演出接觸網(wǎng)的高度變化[7]。非接觸式測(cè)量主要是基于光學(xué)原理，一端由光源對(duì)準(zhǔn)接觸網(wǎng)發(fā)射準(zhǔn)直光束，另一端由探測(cè)器接收反射光束，根據(jù)光束在探測(cè)器靶面的投影位置得出接觸網(wǎng)高度[8]。

接觸式測(cè)量一般為間接式測(cè)量，無(wú)法真實(shí)反映出接觸網(wǎng)高度的實(shí)際變化情況，因而不能為受電弓提供反饋預(yù)測(cè)，而非接觸式測(cè)量則可有效規(guī)避上述問(wèn)題，同時(shí)不會(huì)對(duì)被檢測(cè)受電弓的力學(xué)特性產(chǎn)生任何影響，所以成為當(dāng)前主流的測(cè)試手段。但是，現(xiàn)有非接觸式測(cè)量大多基于光學(xué)方法，容易受到外界光線環(huán)境干擾，特別是接觸網(wǎng)高度測(cè)量大部分是以天空為背景，在太陽(yáng)直射的情況下，會(huì)在一定程度上影響測(cè)量結(jié)果，因此應(yīng)在減弱非相干光源干擾等方面加以改進(jìn)。本文所設(shè)計(jì)的接觸網(wǎng)高度快速檢測(cè)系統(tǒng)(見圖1)，在現(xiàn)有的非接觸式測(cè)量設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加了GPS太陽(yáng)高度角定位模塊，通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)準(zhǔn)角度的反向調(diào)整使其盡量避免太陽(yáng)直射對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)量示意圖如圖2所示。

圖1 接觸網(wǎng)高度快速檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試主界面

圖2 測(cè)量示意圖

1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

該接觸網(wǎng)高度檢測(cè)系統(tǒng)主要由激光雷達(dá)陣列、GPS太陽(yáng)高度角定位模塊、數(shù)據(jù)采集及處理模塊、激光雷達(dá)對(duì)準(zhǔn)角度調(diào)整結(jié)構(gòu)、接觸網(wǎng)高度輸出模塊等幾部分組成(見圖3)，固定在電力機(jī)車頂部受電弓裝置附近。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

1.1 數(shù)據(jù)采集及處理模塊

作為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及時(shí)序控制的核心部分，采用FPGA+DSP雙處理器結(jié)構(gòu)。其中，F(xiàn)PGA用于時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)采集芯片的驅(qū)動(dòng)、控制命令的收發(fā)；而DSP則主要是用于高速信號(hào)的提取與處理。

1.2 激光雷達(dá)陣列

為了減小受電弓的單點(diǎn)磨損，接觸網(wǎng)沿導(dǎo)軌的水平方向呈“之”字形分布，因此，不同時(shí)刻接觸線與受電弓接觸點(diǎn)位置不同。要想測(cè)量其當(dāng)前高度，必須首先對(duì)其位置進(jìn)行快速定位后再進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)際測(cè)量中，接觸網(wǎng)高度起伏在5.3 ～6.5 m，去除車體及結(jié)構(gòu)高度，測(cè)量高度范圍小于2 m。由于動(dòng)車的接觸網(wǎng)線徑為12.9 mm，為檢測(cè)出接觸線高度，要求激光雷達(dá)角分辨率不大于0.37°即可[9]。為此，本系統(tǒng)選擇UTM-30LX-EW型2維激光掃描雷達(dá)對(duì)機(jī)車上方接觸線可能存在的位置進(jìn)行快速掃描，通過(guò)信號(hào)處理，可計(jì)算出當(dāng)前接觸網(wǎng)位置和高度。該雷達(dá)測(cè)量范圍270°，可在100 000lx光強(qiáng)下工作，且掃描角分辨率高達(dá)0.25°。與本文數(shù)據(jù)采集及處理模塊相結(jié)合，單次掃描及高度測(cè)量時(shí)間小于30 ms。

為了進(jìn)一步縮短單次測(cè)量時(shí)間，提高檢測(cè)頻率，采用了激光雷達(dá)陣列結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由若干激光雷達(dá)排列組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前接觸網(wǎng)高度進(jìn)行等間隔分時(shí)循環(huán)采樣，時(shí)序圖如圖4所示，以進(jìn)一步提高測(cè)量頻率。本系統(tǒng)采取的雷達(dá)陣列數(shù)為2。

圖4 激光雷達(dá)陣列時(shí)序圖

1.3 GPS定位模塊及雷達(dá)對(duì)準(zhǔn)角度調(diào)整結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)通過(guò)GPS模塊實(shí)時(shí)獲取機(jī)車當(dāng)前位置、時(shí)間信息，計(jì)算出當(dāng)前太陽(yáng)高度角后，根據(jù)計(jì)算的角度通過(guò)反向調(diào)整激光雷達(dá)的對(duì)準(zhǔn)角度調(diào)整結(jié)構(gòu)，使雷達(dá)陣列背對(duì)太陽(yáng)的角度進(jìn)行接觸網(wǎng)高度測(cè)量，以避免太陽(yáng)直射的影響。為了避免對(duì)準(zhǔn)角度調(diào)整結(jié)構(gòu)的頻繁調(diào)整對(duì)測(cè)量速度產(chǎn)生影響，僅將機(jī)車上表面以上的半球空間平分為兩大部分，如圖5所示。當(dāng)太陽(yáng)高度角位于空間1范圍內(nèi)時(shí)，調(diào)整雷達(dá)陣列對(duì)準(zhǔn)1位置；當(dāng)太陽(yáng)高度角位于空間2范圍內(nèi)時(shí)，調(diào)整雷達(dá)陣列對(duì)準(zhǔn)2位置。只有太陽(yáng)高度角在空間1和空間2發(fā)生角度變換時(shí)，才進(jìn)行角度調(diào)整，其他時(shí)刻雷達(dá)陣列位置保持不變，從而避免了調(diào)整結(jié)構(gòu)的頻繁擾動(dòng)。

圖5 激光雷達(dá)對(duì)準(zhǔn)角度調(diào)整示意圖

1.4 接觸網(wǎng)高度輸出模塊

每次接觸網(wǎng)高度計(jì)算結(jié)束后，實(shí)時(shí)通過(guò)該模塊的RS485串行接口將計(jì)算結(jié)果反饋給受電弓控制器，以便為受電弓的搭接角度提供信息參考。

2 系統(tǒng)的軟件控制流程

結(jié)合上述硬件部分的描述，本檢測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功能：GPS信息采集及太陽(yáng)高度角計(jì)算、雷達(dá)陣列對(duì)準(zhǔn)角度的調(diào)整、雷達(dá)陣列的驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)采集、接觸網(wǎng)高度的數(shù)據(jù)處理與計(jì)算、檢測(cè)結(jié)果的反饋輸出。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制流程圖

設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集及處理模塊首先利用GPS定位模塊，讀取機(jī)車當(dāng)前的位置和時(shí)間信息，按照太陽(yáng)高度角計(jì)算公式對(duì)當(dāng)前位置太陽(yáng)高度角進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算得到的太陽(yáng)高度角范圍，按照?qǐng)D5方式，通過(guò)角度調(diào)整結(jié)構(gòu)對(duì)激光雷達(dá)陣列的對(duì)準(zhǔn)角度進(jìn)行判斷和調(diào)整。角度調(diào)整結(jié)束后，數(shù)據(jù)采集及處理模塊通過(guò)時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)激光雷達(dá)陣列依次進(jìn)行等間隔驅(qū)動(dòng)控制，如此循環(huán)往復(fù)。激光雷達(dá)陣列將采集到的掃描數(shù)據(jù)依次傳輸給數(shù)據(jù)采集及處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊將掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)反饋給受電弓控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)高度的持續(xù)測(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

檢測(cè)精度是衡量整個(gè)系統(tǒng)性能的最為關(guān)鍵性的指標(biāo)。利用該系統(tǒng)分別對(duì)500 mm、1 000 mm、1 500 mm、2 000 mm的給定距離進(jìn)行100次連續(xù)測(cè)量，測(cè)得的誤差范圍分別為±14 mm、±10.5 mm、±10.5 mm和±8.5 mm。

在500 ～2 000 mm測(cè)量范圍內(nèi)，本系統(tǒng)的測(cè)量精度小于±15 mm。此外，在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性方面，通過(guò)實(shí)際測(cè)量，平均單次采樣及處理時(shí)間小于16 ms，即測(cè)量頻率小于50 Hz。

4 結(jié)論

非接觸式接觸網(wǎng)高度快速檢測(cè)系統(tǒng)與現(xiàn)有常規(guī)接觸網(wǎng)高度檢測(cè)設(shè)備相比，引入了多個(gè)激光雷達(dá)等時(shí)差并行循環(huán)測(cè)量，大大縮短了單次掃描與測(cè)量所消耗的時(shí)間。此外，還將太陽(yáng)高度角測(cè)量模塊引入系統(tǒng)中，作為參考值反向調(diào)整激光雷達(dá)測(cè)量時(shí)的對(duì)準(zhǔn)角度，進(jìn)一步降低太陽(yáng)直射對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的干擾，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

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(編輯：繆 媚)

2095-5251(2016)01-0047-03

2015-07-09

劉顯錄(1976-)，男，本科學(xué)歷，高級(jí)工程師，從事軌道列車調(diào)試、檢測(cè)技術(shù)研究工作。

吉林省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(No.20140204058GX)

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