融合激光雷達(dá)與激光測(cè)距傳感器的接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)研究

引言

隨著我國高鐵、城際鐵路、城市地鐵等軌道交通方式的快速發(fā)展,越來越多的人們選擇將其作為主要出行方式,因此軌道交通的安全性就顯得越發(fā)重要。接觸網(wǎng)是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一,主要作用是通過受電弓為軌道交通運(yùn)行車輛提供能量,實(shí)現(xiàn)車輛的正常運(yùn)行。接觸網(wǎng)與受電弓的耦合關(guān)系非常復(fù)雜,在車輛運(yùn)行過程中二者將產(chǎn)生大量摩擦,可能會(huì)造成接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)損壞,甚至發(fā)生列車斷電、停止運(yùn)行等系列安全事故。因此,實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)狀態(tài)的快速準(zhǔn)確檢測(cè),對(duì)提升軌道交通的安全性具有十分重要的意義。

1行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有接觸網(wǎng)測(cè)量方式對(duì)比

針對(duì)接觸網(wǎng)狀態(tài)的準(zhǔn)確檢測(cè),目前一般有人工靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)接觸式檢測(cè)和動(dòng)態(tài)非接觸式檢測(cè)三類。

(1)人工靜態(tài)測(cè)量主要依靠檢修人員通過傳統(tǒng)設(shè)備測(cè)量接觸網(wǎng)接觸懸掛部分的靜態(tài)幾何尺寸,并通過測(cè)量得到的靜態(tài)幾何尺寸判斷接觸網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。使用人工靜態(tài)檢測(cè)法可以有效保證車輛在運(yùn)行初期滿足線路的設(shè)計(jì)要求,是一種最為傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)方法,但無法實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)測(cè)量且效率較低下。

(2)接觸式檢測(cè)是在列車受電弓上安裝結(jié)構(gòu)、性能、線性度等接觸網(wǎng)檢測(cè)裝置,在接觸網(wǎng)與受電弓相互接觸工作過程中,兩者相互作用,通過檢測(cè)受電弓的狀態(tài),計(jì)算得到接觸網(wǎng)的狀態(tài)。接觸式檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)24h不間斷檢測(cè),但其受外部設(shè)備狀態(tài)、列車運(yùn)行工況及環(huán)境因素等多方面因素影響較大,對(duì)測(cè)量設(shè)備本身及安裝調(diào)試要求非常高,且后期設(shè)備維護(hù)成本較高。

(3)非接觸式檢測(cè)是目前接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)的主流方向,主要有激光雷達(dá)掃描法和視覺測(cè)量法,其核心思想是通過非接觸式的傳感器對(duì)接觸網(wǎng)的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè),實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)的狀態(tài)檢測(cè)。視覺測(cè)量主要依靠高速相機(jī)對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行錄像,并對(duì)導(dǎo)高進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量:激光測(cè)量主要依靠激光傳感器,通過激光測(cè)距原理,實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)。目前較為先進(jìn)的非接觸式接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)由德國DB公司研制,國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)在消化吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上,自主研發(fā)了系列弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)狀態(tài)的檢測(cè)。但目前非接觸式檢測(cè)的方案還不是非常成熟,需要不斷研究改進(jìn)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于激光雷達(dá)的接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng),通過融合激光雷達(dá)與激光測(cè)距傳感器的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)準(zhǔn)確、高效的非接觸式狀態(tài)檢測(cè)。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)主要包括4個(gè)部分:傳感器單元、數(shù)據(jù)采集單元、綜合處理單元和通信單元。傳感器單元包括激光雷達(dá)和激光測(cè)距傳感器,激光雷達(dá)使用杉川3i-T1激光雷達(dá)掃描儀,通過以太網(wǎng)RJ45接口與綜合處理單元進(jìn)行通信:激光測(cè)距傳感器使用GALAxYZ的GLs-B40+,其為電容式傳感器,可通過485總線與綜合處理單元進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)采集單元使用自制數(shù)據(jù)采集板對(duì)激光雷達(dá)和激光測(cè)距傳感器獲取的接觸網(wǎng)信息進(jìn)行采集,并將其發(fā)送給綜合處理單元。綜合處理單元使用研華ARK-3500P工控機(jī),通過對(duì)采集單元獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,確定接觸網(wǎng)狀態(tài),并進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與顯示。通信單元使用京寧DA5114GDTU模塊,可將綜合處理得到的接觸網(wǎng)狀態(tài)信息發(fā)送給遠(yuǎn)端監(jiān)控中心,方便管理人員查看與分析使用。系統(tǒng)主要組成部分參數(shù)如表1所示。

3檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

本文所設(shè)計(jì)的接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng),主要通過融合激光雷達(dá)與激光測(cè)距傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)導(dǎo)高與拉出值的測(cè)量,其測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)在于定位脈沖式測(cè)距技術(shù)和精確測(cè)量相位式測(cè)距技術(shù),下面對(duì)這兩種關(guān)鍵技術(shù)分別進(jìn)行介紹。

3.1基于時(shí)間飛行法的脈沖式測(cè)距技術(shù)

激光雷達(dá)基于飛行時(shí)間(TimeofF1ight,ToF)原理進(jìn)行距離檢測(cè),通過對(duì)激光脈沖反射時(shí)間的高精度測(cè)量,獲取準(zhǔn)確的位置信息,同時(shí)結(jié)合電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境掃描構(gòu)圖。脈沖測(cè)距的基本原理如圖2所示,高精度計(jì)時(shí)器通過測(cè)量發(fā)送激光和接收激光之間的時(shí)間差計(jì)算被測(cè)目標(biāo)與傳感器之間的距離,測(cè)量距離的表示如下:

式中:L為被測(cè)目標(biāo)與傳感器之間的距離:c為光在空氣中傳播的速度:A1為計(jì)時(shí)器采集到的發(fā)送激光和接收激光間的時(shí)間差。

由式(1)可知,ToF測(cè)距的精度主要取決于時(shí)間間隔測(cè)量的精度,但受限于計(jì)時(shí)裝置的精度和其他非線性因素,該方法測(cè)距精度較低,但響應(yīng)速度快,適用于快速定位。為提高測(cè)量精度,可通過多次測(cè)量求平均值的方式計(jì)算時(shí)間間隔,但該方法需要更長的處理時(shí)間。

3.2基于時(shí)間飛行法的相位式測(cè)距技術(shù)

相位式激光檢測(cè)技術(shù)通過調(diào)制信號(hào)對(duì)發(fā)射光波的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制,根據(jù)測(cè)量相位差計(jì)算被測(cè)目標(biāo)與傳感器之間的距離,具體原理如圖3所示。

假設(shè)激光發(fā)射處與反射處之間的距離為x,光在空氣中傳播的速度為c,光在兩者之間的往返時(shí)間為1,則有:

調(diào)制信號(hào)的周期為T,頻率為f,激光發(fā)射處與反射處接收信號(hào)的相位差為o,則o可以表示為:

式中:N為獲取完整周期波的數(shù)量:Ao為不足一個(gè)完整周期的波相位。

綜上可得被測(cè)目標(biāo)與傳感器之間的距離為:

4現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

基于上述方案,研制的接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示(已與華東交通大學(xué)軌道試驗(yàn)中心共同研制)。系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

使用所研制的接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng),測(cè)量得到接觸網(wǎng)差高和拉出值如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知,所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以有效測(cè)量接觸網(wǎng)的差高與拉出值,實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)狀態(tài)的有效檢測(cè)。

5結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種融合激光雷達(dá)與激光測(cè)距傳感器的城市軌道交通接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng),通過激光雷達(dá)粗定位和激光測(cè)距傳感器精確測(cè)量,獲取接觸網(wǎng)的差高與拉出值。該系統(tǒng)為城市軌道交通接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了參考,對(duì)提升軌道交通運(yùn)維能力具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。