基于激光掃描的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方法研究

張　東，余朝剛

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上?！?01620)

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基于激光掃描的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方法研究

張東，余朝剛

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海201620)

針對(duì)當(dāng)前電氣化鐵路接觸網(wǎng)幾何參數(shù)日常檢測(cè)的需求，提出了一種基于激光掃描的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)方法，即結(jié)合激光掃描儀、光電編碼器和工控機(jī)等硬件設(shè)備進(jìn)行編程處理以實(shí)現(xiàn)相關(guān)幾何參數(shù)的非接觸式采集、采樣點(diǎn)定位和數(shù)據(jù)處理以獲得接觸網(wǎng)的各個(gè)幾何參數(shù)，經(jīng)試驗(yàn)該方法能有效的提高接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)精度，測(cè)量精度達(dá)到±3 mm，具有實(shí)際意義。

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)；激光掃描；光電編碼器；非接觸式檢測(cè)

0　引言

接觸網(wǎng)是電氣化鐵路中重要的供電設(shè)備，列車(chē)運(yùn)行時(shí)通過(guò)受電弓與接觸網(wǎng)滑動(dòng)接觸，向車(chē)輛牽引系統(tǒng)及其附屬設(shè)備供電。接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)直接影響著列車(chē)的行車(chē)安全和接觸網(wǎng)及受電弓的使用壽命。為保證鐵路系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)，需對(duì)接觸網(wǎng)各項(xiàng)幾何參數(shù)進(jìn)行周期性檢測(cè)，保證行車(chē)安全[1]。

目前國(guó)內(nèi)在接觸網(wǎng)參數(shù)檢測(cè)方面的測(cè)量方法主要有兩種：接觸式檢測(cè)和非接觸式檢測(cè)。接觸式檢測(cè)通常是在受電弓滑條或弓架上安裝傳感器與高壓接觸線直接接觸進(jìn)行檢測(cè)，這樣在檢測(cè)過(guò)程中就存在很大的安全隱患，而且測(cè)量精度較低。非接觸式測(cè)量常用CCD成像檢測(cè)法，它是利用安裝在列車(chē)頂部的高速攝像機(jī)對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行拍攝，通過(guò)成像位置計(jì)算出接觸線相對(duì)攝像機(jī)的高度和橫向偏移，從而得到接觸線的導(dǎo)高和拉出值等幾何參數(shù)。這種方法因采集來(lái)的圖像包含過(guò)多冗余信息及算法過(guò)于復(fù)雜而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性[2]。

本文提出采用激光掃描儀對(duì)接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用光電編碼器得到行駛路程信息來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的過(guò)濾、處理并計(jì)算得到接觸網(wǎng)的各個(gè)幾何參數(shù)。

1　測(cè)量原理分析

1.1檢測(cè)項(xiàng)目及意義

本系統(tǒng)主要是對(duì)接觸網(wǎng)的導(dǎo)高和拉出值這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。導(dǎo)線高度是指接觸導(dǎo)線底端到兩軌道水平面的垂直距離，導(dǎo)高的大小要限定在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，若導(dǎo)高過(guò)大則受電弓易與接觸網(wǎng)脫離發(fā)生離線事故，導(dǎo)高過(guò)小時(shí)則容易發(fā)生鉆弓事故。拉出值是指接觸導(dǎo)線定位點(diǎn)到兩軌道中心線的水平距離，該參數(shù)表明了接觸導(dǎo)線在受電弓滑板上來(lái)回滑動(dòng)的距離范圍，若拉出值過(guò)大，在惡劣天氣(大風(fēng)天氣)情況條件下，接觸導(dǎo)線容易超出受電弓的工作范圍，發(fā)生鉆弓事故，而拉出值過(guò)小時(shí)，接觸導(dǎo)線就不能達(dá)到均勻磨耗滑板的目的，從而縮短受電弓滑板的使用壽命[3]。

1.2測(cè)量原理

激光掃描儀作為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備利用了激光相位測(cè)距原理，將測(cè)距裝置與光學(xué)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置合成為激光掃描系統(tǒng)。相位測(cè)距方法是通過(guò)測(cè)量調(diào)制光波往返于掃描儀與目標(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生的相位延遲，間接測(cè)量調(diào)制光波運(yùn)行的時(shí)間，測(cè)量出距離，角度測(cè)量是通過(guò)角位移傳感器完成的[4]。

測(cè)量原理如圖1所示，O為激光發(fā)射點(diǎn)，掃描儀通過(guò)均勻旋轉(zhuǎn)棱鏡使激光脈沖完成對(duì)某一定點(diǎn)截面的掃描，點(diǎn)A點(diǎn)B為掃描到的兩條軌道的位置，激光測(cè)距裝置測(cè)量出激光發(fā)射點(diǎn)到接觸導(dǎo)線的距離OD，用d表示，角位移傳感器則測(cè)量出從掃描中心點(diǎn)到接觸導(dǎo)線棱鏡旋轉(zhuǎn)的角度θ(規(guī)定激光束與軌面垂直時(shí)θ=0)，OE為激光發(fā)射點(diǎn)到軌道中心線C的距離，OF為激光發(fā)射點(diǎn)到軌道面AB的距離。

圖1　測(cè)量原理圖

導(dǎo)高H，即從接觸線上D點(diǎn)到軌道面AB的距離：

(1)

拉出值L，即接觸線到兩軌道中心(C點(diǎn))的距離：

(2)

其中：OE、OF為常數(shù)，由檢測(cè)系統(tǒng)的外形尺寸確定。當(dāng)接觸線位于掃描儀的左側(cè)時(shí)L=d×sinθ+OE。

激光對(duì)接觸導(dǎo)線進(jìn)行掃描時(shí)，對(duì)輸出距離信息進(jìn)行高頻率采樣，掃描一周最多可以采樣17 352個(gè)點(diǎn)(采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)可以通過(guò)調(diào)節(jié)掃描儀分辨率來(lái)改變)。接觸導(dǎo)線的最大高度為6 500 mm，檢測(cè)裝置離軌面垂直距離大約為1 700 mm，則以4 800 mm為半徑畫(huà)一個(gè)圓，圓的周長(zhǎng)為2πR=30 144 mm，再等間距采樣17 352次，采樣間隔為1.74 mm，在這個(gè)采樣間隔完全可以使激光掃描接觸導(dǎo)線時(shí)采樣一次以上，保證激光采樣距離d的正確性。

2　檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

考慮到戶(hù)外現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的惡劣環(huán)境因素，本系統(tǒng)采用了成熟的工業(yè)級(jí)模塊和測(cè)量器件，系統(tǒng)的硬件設(shè)備組成如圖2所示。該系統(tǒng)設(shè)備由激光掃描儀、定位傳感器件(光電編碼器)、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)同步系統(tǒng)、操縱顯示面板以及電源等部分組成。

圖2　檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

激光掃描儀選用FARO Focus 3D激光掃描儀，其掃描距離范圍為0.6～120 m，掃描最大頻率為97.6萬(wàn)點(diǎn)/秒，系統(tǒng)距離誤差達(dá)到±2 mm，其配備觸摸屏，可以方便直觀地設(shè)置掃描儀的掃描模式和相關(guān)的一些參數(shù)。

光電編碼器選用上海德晶光電公司生產(chǎn)的HTE系列雙通道增量式光電編碼器，它是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出A、B兩路方波脈沖信號(hào)。車(chē)軸每旋轉(zhuǎn)一圈編碼器會(huì)輸出1 024個(gè)方波脈沖，根據(jù)記錄到的編碼器的脈沖數(shù)以及車(chē)輪的直徑就可以推算出車(chē)子行走的距離。

計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)同步系統(tǒng)主要由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司生產(chǎn)的小型工業(yè)計(jì)算機(jī)以及數(shù)字采集模塊組成，工控機(jī)采用型號(hào)NI PXI-1031DC的4槽機(jī)箱，機(jī)身內(nèi)部配有NI PXI-8110 2.26 GHz四核嵌入式處理器主要完成數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)工作，而數(shù)字采集模塊采用型號(hào)為NI PXI-6602數(shù)字采集卡，該采集卡擁有多個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和與TTL/CMOS兼容的數(shù)字I/O引腳，可執(zhí)行各種諸如事件計(jì)數(shù)、脈沖寬度測(cè)試、脈沖序列生成以及頻率測(cè)量等任務(wù)，在這里主要完成移動(dòng)位置數(shù)據(jù)采集工作。軟件同樣使用NI公司研發(fā)的LABVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)實(shí)時(shí)同步程序完成掃描儀的2D數(shù)據(jù)與車(chē)體移動(dòng)位置數(shù)據(jù)的同步。

2.2系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖3所示。首先將掃描儀設(shè)置成2D掃描模式，并設(shè)置好相關(guān)參數(shù)。之后通過(guò)操縱面板給掃描儀發(fā)送一個(gè)低電平信號(hào)使掃描儀開(kāi)始掃描記錄二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。每當(dāng)反射棱鏡旋轉(zhuǎn)到0°即鏡面正對(duì)掃描儀底部時(shí)，掃描儀會(huì)輸出一個(gè)低電平方波脈沖信號(hào)，計(jì)算機(jī)同步系統(tǒng)將該信號(hào)作為同步標(biāo)記信號(hào)。

圖3　系統(tǒng)工作原理圖

計(jì)算機(jī)同步系統(tǒng)在小車(chē)移動(dòng)過(guò)程中通過(guò)每個(gè)編碼器發(fā)出的A、B兩相脈沖實(shí)時(shí)判斷車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向并進(jìn)行加減計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)同步系統(tǒng)接收到掃描儀輸出的脈沖時(shí)，以此脈沖信號(hào)作為同步標(biāo)記信號(hào)，將此時(shí)車(chē)輛的位置數(shù)據(jù)與該同步信號(hào)綁定形成一個(gè)標(biāo)記文本并進(jìn)行存儲(chǔ)供線下處理。

3　數(shù)據(jù)處理

采用法如公司的FARO SCENE軟件，通過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換將FARO格式(法如fls格式)轉(zhuǎn)化為文本格式(xyz格式)，掃描數(shù)據(jù)格式如圖4所示。Column為掃描儀掃描圈數(shù)，row為每一圈上點(diǎn)個(gè)數(shù)，X、Y、Z為每一點(diǎn)的坐標(biāo)位置。

圖4　掃描數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

3.1數(shù)據(jù)濾波

根據(jù)得到的3D空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，選取其中的一圈數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖5所示為隧道內(nèi)激光掃描一圈的輪廓曲線圖，為了減少數(shù)據(jù)傳輸、提高程序處理速度及系統(tǒng)的運(yùn)行效率，考慮到接觸線拉出值的測(cè)量范圍，設(shè)定掃描儀的掃描范圍為30°，即此時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的角度測(cè)量范圍為-15°～15°，圖6所示為掃描范圍30°的輪廓曲線圖。

圖5　激光掃描輪廓曲線

圖6　掃描范圍30°的輪廓曲線圖

在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中通常存在多種因素(如隧道內(nèi)其它非目標(biāo)物體的遮擋、車(chē)輛振動(dòng)等)的影響，測(cè)得數(shù)據(jù)通常不是最理想結(jié)果。因此首先需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，過(guò)濾掉一些有明顯粗差的數(shù)據(jù)和一些無(wú)效數(shù)據(jù)，從而得到目標(biāo)物體信息的最佳值。本文選用差分方法進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行編程來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波算法。

函數(shù)的前向差分通常簡(jiǎn)稱(chēng)為函數(shù)的差分，對(duì)于函數(shù)f(x)，如果：

(3)

則稱(chēng)Δf(x)為函數(shù)f(x)的一階差分，簡(jiǎn)稱(chēng)為差分[5]。

將掃描得到的原始二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)表示，形成一個(gè)二維數(shù)組，包括掃描儀到接觸線的距離R和轉(zhuǎn)過(guò)角度θ，數(shù)據(jù)濾波的目標(biāo)函數(shù)是Rn，n表示掃描點(diǎn)的個(gè)數(shù)，由差分定義得到距離的差分表達(dá)式為：ΔRn=R(n+1)-R(n)，運(yùn)算結(jié)果如圖7所示。

圖7　一階差分與原始數(shù)據(jù)對(duì)比圖

由圖7可以看出，掃描到目標(biāo)物附近時(shí)，原始數(shù)據(jù)曲線中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極小值，差分曲線在此極小值的對(duì)應(yīng)位置左右有2個(gè)尖點(diǎn)，并且左邊的值是小于0的，而右邊的值則大于0，中間部位值近似為0，符合這些條件的尖點(diǎn)則認(rèn)為是目標(biāo)物的數(shù)據(jù)邊界。因此，濾波處理的過(guò)程可分為如下步驟：

1)過(guò)濾背景噪聲數(shù)據(jù)。設(shè)定閾值H，將ΔRn與H比較，將背景噪聲數(shù)據(jù)濾除并存儲(chǔ)大于H的數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到了差分曲線中的尖點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2)確定原始曲線目標(biāo)邊界點(diǎn)的位置。逐一比較相鄰的尖點(diǎn)，并記錄滿足ΔRn-1<0且ΔRn>0成立的n值，并且根據(jù)n得數(shù)值確定目標(biāo)物的邊界點(diǎn)位置。

3)根據(jù)上一步得到的數(shù)據(jù)判斷其是否合理。因接觸線的直徑一定，掃描所得到的點(diǎn)的個(gè)數(shù)一定，因此可根據(jù)掃描到的目標(biāo)點(diǎn)的個(gè)數(shù)判斷其數(shù)據(jù)合理性。

通過(guò)分析接觸懸掛的類(lèi)型和接觸導(dǎo)線的位置，取閾值H=0.5，差分曲線中所有大于此值的點(diǎn)全部認(rèn)為是隨機(jī)波動(dòng)而濾除，過(guò)濾后的數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖8所示。

圖8　濾波后數(shù)據(jù)點(diǎn)圖

3.2目標(biāo)識(shí)別與提取

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后將得到的信息以數(shù)組的形式表現(xiàn)出來(lái)，其中dn表示掃描斷面上掃描點(diǎn)與掃描中心之間的距離，θ為各距離所對(duì)應(yīng)的角度，如式(4)所示：

(4)

設(shè)定某條距離線為閾值，生成與數(shù)組A同維的向量，對(duì)其元素賦值的規(guī)則為：所有大于閾值的距離值標(biāo)示為0，其余連續(xù)在閾值內(nèi)的距離依次標(biāo)示為1,2,3,…m，若值相同則認(rèn)為它們是輪廓線上的同一個(gè)凸起，將此向量附于A1形成向量A2。

(5)

剔除掉非凸起物后得到向量A3：

(6)

每個(gè)凸起點(diǎn)的最低點(diǎn)生成如下數(shù)組：

(7)

以通過(guò)各凸起最低點(diǎn)且平行于X軸的直線為下界，以某一距離為高度限制，以受電弓滑板的長(zhǎng)度為寬度容限，生成如圖9所示區(qū)域①，接觸線就是此區(qū)域內(nèi)的凸起點(diǎn)，再根據(jù)此其高度及距離判斷其為哪種類(lèi)型(單支接觸線、雙支接觸線、剛

表1　上海南站現(xiàn)場(chǎng)隧道部分線路導(dǎo)高檢測(cè)結(jié)果

圖9　目標(biāo)識(shí)別區(qū)域

性懸掛、柔性懸掛等)[6]，最后將判斷出的接觸導(dǎo)線凸起點(diǎn)的最低點(diǎn)坐標(biāo)代入公式(1)和公式(2)可以得到接觸導(dǎo)線的導(dǎo)高和拉出值。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

該系統(tǒng)在上海地鐵1號(hào)線上海南站的隧道內(nèi)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，以接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度為例，表1所示為部分線路導(dǎo)高測(cè)量結(jié)果，由表中可以看出與以精度為1 mm的人工測(cè)量結(jié)果相比，本測(cè)量系統(tǒng)的導(dǎo)高測(cè)量結(jié)果基本相同，驗(yàn)證了接觸網(wǎng)幾何參數(shù)激光測(cè)量系統(tǒng)的正確性，同時(shí)采用激光掃描法的平均絕對(duì)誤差為±3 mm，表明測(cè)量結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度。

5　結(jié)論

接觸網(wǎng)的參數(shù)檢測(cè)及其檢測(cè)方法的提高與完善是電氣化鐵道快速發(fā)展的重要組成部分，其中非接觸式無(wú)損測(cè)量和數(shù)據(jù)智能化處理將是接觸網(wǎng)日常參數(shù)檢測(cè)的主要發(fā)展方向。本文介紹了一種基于激光掃描的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，能夠滿足接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的非接觸式測(cè)量，可完全取代傳統(tǒng)接觸式的人工道尺測(cè)量模式，且測(cè)量精度高達(dá)±3 mm，運(yùn)行可靠，操作簡(jiǎn)單，具有廣闊的推廣前景和很好的經(jīng)濟(jì)效益。

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Catenary Geometry Parameter Detection Method Based on Laser Scanning

Zhang Dong，Yu Chaogang

(College of Urban Railway Transportation, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai201620, China)

In view of the current electrified railway catenary geometry parameters daily testing requirements, this paper proposes a catenary geometry parameter detection method based on laser scanning, the combination of hardware, such as laser scanner and industrial control, photoelectric encoder, programming processing to achieve the relevant geometric parameters of the non-contact sampling, sampling point positioning and data processing for catenary of various geometric parameters, through the experiment the method can effectively improve the catenary geometry parameters detection precision, measurement accuracy is ±3 mm, has practical significance.

catenary geometry parameters；laser scanning；photoelectric encoder；non-contact detection

2015-07-13；

2015-08-25。

上海市研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃學(xué)位點(diǎn)引導(dǎo)布局與建設(shè)培育項(xiàng)目(13sc002)。

張東(1989-)，男，山東省棗莊市人，碩士研究生，主要從事軌道車(chē)輛狀態(tài)檢測(cè)方向的研究。

余朝剛(1967-)，男，貴州省普安市人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事工業(yè)自動(dòng)化方向的研究。

1671-4598(2016)01-0057-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.015

U226.8

A