基于激光傳感器的軌距測量系統(tǒng)研究

高 昂， 柴曉冬， 李立明

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

0 引 言

地鐵在現(xiàn)代交通中發(fā)揮著重要的作用，是解決城市交通運(yùn)輸矛盾的有效方法之一。隨著城市的發(fā)展，建設(shè)的地鐵線路也越來越多，地鐵的安全性也更受關(guān)注。軌距的檢測是保障地鐵安全運(yùn)營的重要內(nèi)容，軌距定義為鋼軌頂面16 mm范圍內(nèi)兩股鋼軌之間的最小距離，目前國內(nèi)城市軌道交通的標(biāo)準(zhǔn)軌距為1 435 mm[1]。早期的軌距檢測主要依靠人工持軌距尺進(jìn)行檢測，這種檢測方式效率低，工作量大，檢測點(diǎn)少。隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了采取光電傳感器和伺服機(jī)構(gòu)測量軌距的方法，但這種方法容易受到振動、天氣的影響，而且存在伺服機(jī)構(gòu)容易損壞的問題[2]。針對軌距檢測的需求，國內(nèi)外很多學(xué)者展開了相關(guān)研究，澳大利亞采用鋼軌斷面掃描裝置測量軌距[3]，美國采用基于視覺檢測原理的TVIS系統(tǒng)，光源系統(tǒng)發(fā)出平面光照射到鋼軌上，形成鋼軌的斷面輪廓，由攝像機(jī)-電荷耦合器件攝取該斷面輪廓信息，經(jīng)過計算機(jī)處理得到相應(yīng)的軌距，這種方法測量軌距的不足之處是，計算機(jī)處理信息量巨大，系統(tǒng)穩(wěn)定性受外界光照等因素影響較大，不同的光照環(huán)境下，圖像算法的效率和精確度呈現(xiàn)較大的差異[4-6]。隨著電子和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子傳感器、尤其是激光傳感器在距離測量中的應(yīng)用越來越廣泛[7]，為了提高軌距檢測的效率和精度，本文設(shè)計了一種安裝于軌距檢測車上的軌距檢測系統(tǒng)，基于三角測距原理，利用高精度激光測距傳感器采集空間幾何參數(shù)，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)經(jīng)過最小二乘算法處理，有效實(shí)現(xiàn)了軌距參數(shù)的非接觸動態(tài)實(shí)時測量，誤差小于±0.3 mm，設(shè)計成本低，使用效果好，能夠連續(xù)地檢測軌距。

1 軌距檢測系統(tǒng)工作原理

本文提出的軌距測量系統(tǒng)由軌距檢測車、激光測距傳感器、電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成，軌距檢測車如圖1所示，系統(tǒng)原理如圖2所示。軌距檢測車主要包括檢測裝置和車身本體等部分。檢測車中部設(shè)置有手推桿，按照人的步行速度估算，檢測車的走行速度最高可達(dá)到10 Km/h。檢測系統(tǒng)采用2臺激光測距傳感器，分別安裝在軌距檢測車中部的箱體橫梁1、2位置上，完成激光測距傳感器到兩側(cè)鋼軌的距離參數(shù)的采集。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后上傳至上位機(jī)軟件，經(jīng)過算法處理后，得出軌距值。系統(tǒng)采用鋰電池供電電源模板安裝在檢測車的中部箱體內(nèi)。為了保證激光傳感器發(fā)射的激光投射在軌距檢測點(diǎn)位置上，激光傳感器則要按照一定角度進(jìn)行安裝。

圖1 軌距檢測車

圖2 系統(tǒng)原理框圖

LT3PU型激光測距傳感器根據(jù)三角測量原理對目標(biāo)物的距離進(jìn)行測量，激光傳感器的技術(shù)參數(shù)見表1，傳感器內(nèi)部由激光源和感光芯片組成，三角位移測量的系統(tǒng)中，從光源發(fā)射一束光到被測物體表面，在另一方向接收反射光線[8]，當(dāng)被測物體發(fā)生位置移動時，反射光線也會發(fā)生相應(yīng)的位置偏移，入射和反射光構(gòu)成一個三角形，根據(jù)三角形之間的比例關(guān)系計算出被測物體的位移[9-10]。這種測量法的突出特點(diǎn)是非接觸性測量，在工業(yè)測量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。激光三角測量原理如圖3所示。

表1 激光傳感器參數(shù)

圖3 激光三角測量原理圖

由圖3可知，θ1為激光束光軸與被測面法線之間的夾角，θ2為反射光線與被測面法線之間的夾角，θ3為探測器光軸與反射光線之間的夾角。反射光光點(diǎn)在探測器上的位移為x′，根據(jù)相似三角形的比例關(guān)系，被測物體的位移為：

(1)

2 傳感器標(biāo)定與軌距計算

2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

圖4 電壓調(diào)理電路

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

圖6 模數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖

表2 ADS1256常用命令字

Tab. 2 Common command words for ADS1256

命令描述命令字WAKEUP完成SYNC命令或退出STANDBY模式00h或FFhRDATA讀取數(shù)據(jù)01hRDATAC連續(xù)讀取數(shù)據(jù)03hSDATAC停止連續(xù)讀取數(shù)據(jù)0FhRREG讀取寄存器 rrrr1xhWREG寫寄存器5xhSYNCAD轉(zhuǎn)換同步FChRESET復(fù)位FEh

2.2 傳感器標(biāo)定

在計算軌距之前，需要將A/D轉(zhuǎn)換芯片輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為被測目標(biāo)的距離參數(shù)，這個過程稱為傳感器的標(biāo)定。激光測距傳感器輸出的電壓值與被測目標(biāo)的距離近似成一次線性關(guān)系，電壓輸出線上的電壓即為被測目標(biāo)的距離信息，將該電壓信息輸入ADS1256進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，找出輸出模擬量與被測物距離之間的一次函數(shù)，這樣，就找出了ADS1256輸出的數(shù)字信號與實(shí)際的距離之間的對應(yīng)關(guān)系。標(biāo)定過程中，給激光測距傳感器加上20 V直流電壓，將激光測距傳感器從0.3～5 m進(jìn)行標(biāo)定，每隔100 mm測量一次，為了提高傳感器的標(biāo)定精度，對特定距離連續(xù)采集6 000次取平均值，記錄傳感器的原始數(shù)據(jù)，找出2組數(shù)據(jù)之間的線性關(guān)系。

采用具體的擬合算法，研究給出了激光傳感器數(shù)據(jù)擬合函數(shù)如圖7所示。由圖7可求得，模擬信號與距離參數(shù)之間的對應(yīng)函數(shù)為:

y=0.832 8x+571.239 5.

(2)

圖7 激光傳感器數(shù)據(jù)擬合函數(shù)

2.3 軌距計算算法

在軌距測量系統(tǒng)中，激光傳感器測量出單側(cè)鋼軌到激光傳感器的距離，2個激光傳感器到兩側(cè)鋼軌的距離記作L1,L2，激光傳感器的光線路徑和水平線的夾角記作θ1，θ2，在系統(tǒng)測量中，L1和L2的值由激光傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)中得出，θ1和θ2的值由于工藝的原因在安裝時不能精確測量，本系統(tǒng)的研究重點(diǎn)就是如何尋找合適的算法求出θ1和θ2的值，并在此基礎(chǔ)上建立θ1，θ2，L1，L2和軌距值之間方程，也就是軌距計算算法。最小二乘算法在優(yōu)化問題理論和算法中有著重要的應(yīng)用[14]，在本研究的系統(tǒng)中，可以運(yùn)用最小二乘算法擬合系統(tǒng)需要的曲線方程，如圖8所示，激光傳感器1和激光傳感器2分別掃描2條走行軌的幾何輪廓。找出激光測距傳感器采集的數(shù)值與軌距之間曲線方程的原理可表述為：測量10組激光傳感器1采集到的距離參數(shù)記為L11,L12,...,L110，激光傳感器2采集到的距離參數(shù)記為L21,L22,...,L210，同時測量10組軌距參數(shù)記為L1,L2…,L10，激光傳感器1的激光路徑和走行軌平面形成的夾角為θ1，激光傳感器2的激光路徑和走行軌平面形成的夾角為θ2，β1=cosθ1，β2=cosθ2，則有方程組：

(3)

分析可知，式(3)可以表達(dá)為矩陣形式，即：

Lβ=ΔL，

(4)

其中，

θ1=arccosβ1,θ2=arccosβ2,

(5)

根據(jù)激光傳感器1的測量值L1和激光傳感器2的測量值L2，可以得到軌距的計算公式如下所示：

L=L1cosθ1+L2cosθ2+L0.

(6)

其中，L0為2個激光傳感器之間的距離。

圖8 軌距計算原理圖

3 實(shí)驗(yàn)與誤差分析

3.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證該軌距檢測系統(tǒng)的精度，在具備實(shí)際軌道的實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室的軌道為60 kg/m標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，選取25 m長度的軌道作為檢測對象，并選取25個不同位置進(jìn)行軌距尺測量和檢測系統(tǒng)測量，人工測量采用0級數(shù)顯軌距尺，測量范圍為1 407～1 470mm，精度為±0.25 mm，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，選取的25個檢測位置的平均誤差為0.15 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.38 mm，在編號為11～16的6個實(shí)驗(yàn)點(diǎn)測量誤差較大，主要原因是，在這段鋼軌區(qū)間檢測時，對檢測車施加了較大的振動，剔除這些誤差較大的點(diǎn)后，平均誤差為0.002 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.25 mm，系統(tǒng)測量與人工測量數(shù)據(jù)見表3。

由表3分析可知，通過數(shù)顯軌距尺測量的數(shù)據(jù)與軌距檢測系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行對比并經(jīng)過多次重復(fù)性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能夠達(dá)到的精度為±0.3 mm，完全可以滿足現(xiàn)有軌道交通維修標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.2 誤差分析

本文設(shè)計的軌距測量系統(tǒng)產(chǎn)生的測量誤差涉及的因素主要有：傳感器標(biāo)定誤差、激光傳感器測量誤差、車體振動造成的誤差。這里對此可做闡釋分述如下。

(1)激光傳感器測量誤差。激光傳感器的測量誤差是傳感器的精度帶來的誤差，激光傳感器的線性度為±0.12%，傳感器安裝位置與鋼軌的最大距離為500 mm，則激光傳感器的最大測量誤差為0.6 mm。

(2)傳感器標(biāo)定誤差。激光傳感器經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行標(biāo)定，在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的精度會給系統(tǒng)帶來誤差，標(biāo)定過程也會帶來一定的系統(tǒng)誤差。

(3)車體的振動。利用激光傳感器進(jìn)行軌距測量的前提是激光傳感器與檢測車之間是沒有振動位移的，但在檢測過程中，激光傳感器和車體之間不是完全沒有振動的，會給系統(tǒng)帶來測量誤差。

表3 系統(tǒng)測量與手動測量數(shù)據(jù)表

4 結(jié)束語

軌距參數(shù)的非接觸檢測方式不同于傳統(tǒng)的手持軌距尺測量方式，結(jié)合軌距動態(tài)檢測的需求，本文基于激光測距技術(shù)和最小二乘法對軌距進(jìn)行檢測，并基于該方案的檢測原理成功實(shí)現(xiàn)了非接觸式軌距幾何參數(shù)檢測功能。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在動態(tài)檢測過程中精度達(dá)到0.3 mm，并具有較好的重復(fù)性，反映效果良好，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，尤其是檢測車振動較大時檢測的穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。