既有線站臺雨棚限界測量小車的研制與設(shè)計

陳艷平 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 概述

目前，我國鐵路運營里程每年保持高速增長，既有線鐵路在鐵路運輸中仍發(fā)揮著重要作用，既有線站臺因修建時間久且維護難等原因?qū)е鲁两祮栴}越來越突出。既有線站臺雨棚在發(fā)生沉降、變形時，線路的位置也會隨著運營不斷發(fā)生變化，從而影響雨棚的限界尺寸，嚴重超限時可能發(fā)生車頂受電弓擦刮，影響行車安全。

因此，本文利用數(shù)字電子和傳感器技術(shù)，研制一種精準高效的既有線站臺雨棚限界測量小車，采用激光測距和高精度編碼器來測量雨棚的限界，可以在測量點位置自動或手動測量，結(jié)合限界管理軟件能對測量數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計，方便鐵路房建部門對站臺雨棚限界進行高效的定期檢測、維護。

2 系統(tǒng)方案組成

2.1 總體結(jié)構(gòu)與功能

站臺雨棚限界測量小車采用雙軌搭靠的推行測量方式，小車采用H 形結(jié)構(gòu)設(shè)計，橫跨于兩側(cè)鋼軌上的推行結(jié)構(gòu)，車身鋁合金材料、可分拆，輕巧牢固。小車機械結(jié)構(gòu)分為H 形車架和傳感器支架兩部分。H形車架是限界測量小車的底部機構(gòu)，是整個測量系統(tǒng)的基準平臺。將激光測距儀、步進電機和角度編碼器同軸固定安裝于遠站臺一側(cè)的傳感器支架上，位移和傾角傳感器安裝于車架橫梁內(nèi)，里程傳感器與車輪聯(lián)動，安裝于小車橫梁的高性能單片機采集模塊進行位移、傾角和里程信號采集處理，在信號處理過程中進行多重抗干擾措施，最后由上位機算法計算出限界尺寸，測量示意圖如圖1所示。

圖1 雨棚限界測量小車測量示意圖

小車有定點手動和定點自動兩種測量方式，前者適用于限界明顯突出點的測量以及對個別限界點的復(fù)核測量，后者則是一般情況下使用的測量方式。定點手動測量時，小車推行至測量位置，通過上位機測量軟件手動調(diào)節(jié)激光測距儀的激光點至被測點的測量方式。定點自動測量時，小車推行至測量位置，激光測距儀的激光點只需粗調(diào)至雨棚上沿，然后由步進電機帶動激光測距儀自動掃描雨棚輪廓面的測量方式。

2.2 性能指標

根據(jù)鐵路限界相關(guān)規(guī)定，本文設(shè)計的既有線站臺限界測量小車有以下主要性能指標：

（1）雨棚下表面至鋼軌面高度測量范圍：(4500～6550)mm；

（2）雨棚側(cè)邊到軌道中心測量范圍：(1400～2000)mm；

（3）測量示值誤差范圍：(-10～0)mm；

（4）測量示值重復(fù)性誤差：≤2mm。

2.3 數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)

雨棚限界測量小車數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)包含三個部分：激光角度測量模塊、信號采集模塊和限界管理軟件，數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

激光角度測量模塊由激光測距儀、角度編碼器和步進電機組成。步進電機帶動激光測距儀和角度編碼器轉(zhuǎn)動，激光測距儀實時檢測其到雨棚測量點的直線距離，角度編碼器同步檢測激光測距儀所轉(zhuǎn)過的角度，最后角度編碼器和激光測距儀的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至信號采集模塊。

圖2 雨棚限界小車數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)示意圖

信號采集模塊由單片機控制單元和位移、里程及傾角傳感器組成。位移、傾角及里程傳感器分別采集H 形車架的軌距、超高及里程信息，單片機控制單元采集到上述信號后，結(jié)合激光角度測量模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理匯總后統(tǒng)一送至上位機限界管理軟件。

限界管理軟件安裝于上位機中，用于計算限界尺寸數(shù)值以及管理匯總限界數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對限界數(shù)據(jù)的存儲和分析，生成站臺限界數(shù)據(jù)報表，并可按照用戶需求，根據(jù)對應(yīng)里程值自動繪制出整個站臺雨棚的限界橫向和垂向尺寸曲線。

3 關(guān)鍵部件選型與設(shè)計

3.1 單片機模塊

STM32F103 是意法半導(dǎo)體（ST）公司旗下的一款常用的32位嵌入式ARM 微控制器，系統(tǒng)時鐘頻率達72 MHz，且內(nèi)置大容量FLASH 存儲器，還有豐富的接口，非常適用于多傳感器檢測系統(tǒng)設(shè)計。為適應(yīng)本系統(tǒng)復(fù)雜且精準的控制需求，本文采用STM32F103C8T6 低功耗單片機作為數(shù)據(jù)采集控制芯片。

3.2 激光測距儀

激光測距儀采用德國Leuze公司的ODSL 30型號激光測距傳感器，該傳感器具有最大30 m 的量程，測量分辨率達到1 mm，具備工業(yè)“三防”性能，其采集接口如圖3所示。

圖3 激光測距儀信號采集設(shè)計圖

3.3 步進電機

步進電機采用北京偉恩斯公司的VSMD102_025T 型號的微型一體化步進電機控制驅(qū)動器，支持最高32 細分，能夠完成各種復(fù)雜運動的控制，特殊電流控制模式，能在保持平穩(wěn)的前提下，減小噪聲，降低發(fā)熱量，其信號采集電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 步進電機信號采集設(shè)計圖

3.4 角度編碼器

角度編碼器選用德國博斯特公司的OCD-S101G-0016-T120-CRW 型號單圈絕對值編碼器，該編碼器角度數(shù)據(jù)16位數(shù)字輸出，測量精度高，具備IP65防護等級，能夠很好地適應(yīng)在線路復(fù)雜環(huán)境下使用。

4 軟件設(shè)計

4.1 下位機軟件設(shè)計流程

下位機軟件設(shè)計主要包括初始化子程序、通信測試子程序、上位機控制子程序以及測量處理子程序，設(shè)計流程如下圖5所示。

圖5 下位機軟件設(shè)計流程圖

初始化子程序完成單片機內(nèi)各部分的初始化及各個傳感器的初始化，并檢查各部件是否能正常工作；通信測試子程序確保上下位機通信正常，為接下來的控制測量做準備；上位機控制子程序主要用來接收上位機發(fā)送過來的控制指令，本系統(tǒng)的所有操作指令是通過雨棚限界管理軟件來完成；測量處理子程序完成指令的解碼以及完成相應(yīng)的操作及傳感器采集，最后再把采集數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機進行處理。

4.2 雨棚限界管理軟件

雨棚限界管理軟件安裝在上位機中，其操作主界面如下圖6所示。軟件功能包括“測量數(shù)值”模塊、“限界曲線”模塊、“報警信號”模塊、“電機控制”模塊、“測量控制”模塊以及菜單欄功能模塊。管理軟件能夠?qū)崟r顯示測量數(shù)值，并保存在后臺數(shù)據(jù)庫，對多次測量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，形成數(shù)據(jù)報表。

圖6 雨棚限界管理軟件操作界面

5 結(jié)束語

鐵路既有線站臺雨棚作為鐵路運輸設(shè)施的重要組成部分，需要用數(shù)字化手段來提高雨棚限界的檢測效率和精度。本文利用新型微型控制芯片，設(shè)計了一套能在鋼軌上推行的既有線鐵路站臺雨棚限界測量系統(tǒng)，其測量精度高，操作簡單，能夠有效減輕勞動強度，提高工作效率。經(jīng)過現(xiàn)場實驗，雨棚限界檢測小車運行正常、性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準確可靠，測量效率較高，能較好地滿足站臺雨棚限界測量需求。