新型配砟車避障系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

游彥輝，高春雷，王發(fā)燈

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

新型配砟車避障系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

游彥輝，高春雷，王發(fā)燈

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

研究發(fā)了一種新型的配砟車輔助避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)作業(yè)時(shí)對(duì)前方障礙物加以規(guī)避及作業(yè)后對(duì)道床輪廓予以檢測(cè)，其采用了傳感器測(cè)量技術(shù)、AD采集技術(shù)、非接觸測(cè)量技術(shù)及可視化人機(jī)界面，既能實(shí)時(shí)采集障礙物信息，又可結(jié)合側(cè)犁外伸參數(shù)對(duì)車輛前方的障礙物進(jìn)行智能判斷并記錄相關(guān)信息?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該系統(tǒng)精度高，性能穩(wěn)定，簡(jiǎn)單易用。

激光掃描 障礙判斷 自動(dòng)報(bào)警

大型養(yǎng)路機(jī)械普遍缺少在作業(yè)時(shí)對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)的裝置，常采用人工觀察障礙物的方法。由于人員誤操作以及觀察不及時(shí)等原因，導(dǎo)致各種機(jī)型大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)與障礙物發(fā)生碰撞的情況。因此，結(jié)合DPZ-440型單向配砟整形車的特點(diǎn)，研發(fā)了一套輔助避障系統(tǒng)，既可有效提高配砟車作業(yè)時(shí)的安全性，又可提高作業(yè)效率。本文介紹所研發(fā)的避障系統(tǒng)的組成及工作原理。

1 避障系統(tǒng)組成

1.1 位移傳感器

位移傳感器用來(lái)測(cè)量側(cè)犁外伸參數(shù)，是避障系統(tǒng)重要的組成部分。經(jīng)比選，采用如圖1所示的拉繩位移傳感器，其線性度能達(dá)到≤0.15%，轉(zhuǎn)換系數(shù)為11.9 mV/mm。該傳感器具有易安裝、性能穩(wěn)定、牢固、不易損壞等特點(diǎn)。

圖1 位移傳感器

避障系統(tǒng)共安裝10個(gè)位移傳感器，分別安裝在左右側(cè)犁的10個(gè)油缸上，可保證測(cè)量精度。

1.2 激光傳感器

選用SICK公司的LMS511型激光傳感器，如圖2所示。該傳感器掃描角度達(dá)180°，最大掃描距離為40 m，掃描頻率75次/s，角度分辨率可達(dá)0.25°，測(cè)量精度為±24 mm。該傳感器采用非接觸式測(cè)量，主要用于室外的物體測(cè)量及防撞。

圖2 LMS511型激光傳感器

相較于傳統(tǒng)的紅外傳感器、超聲波傳感器等測(cè)距方式，采用激光傳感器不受灰塵影響，測(cè)距精度更高，更適用于作業(yè)時(shí)的惡劣環(huán)境。

1.3 工控機(jī)

工控機(jī)是避障系統(tǒng)的核心控制部件。選擇了型號(hào)為NISE2100A的工控機(jī)，如圖3所示。其支持9～36 V寬壓輸入，有兩個(gè)千兆網(wǎng)口，2個(gè)485口，4個(gè)USB口，具有良好的抗震性。

2 測(cè)量原理

2.1 側(cè)犁外伸值測(cè)量原理

在避障系統(tǒng)中，對(duì)側(cè)犁外伸參數(shù)的測(cè)量是實(shí)時(shí)性的，通過(guò)左右共10個(gè)位移傳感器得到左右側(cè)犁最外端距軌心的距離值和距軌面的高度值。測(cè)量原理見(jiàn)圖4。

如圖4所示，以伸縮筒油缸旋轉(zhuǎn)軸為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再與X1，Y1點(diǎn)距離軌道中心的高度值和水平距離值進(jìn)行計(jì)算，就可以把側(cè)犁最外端距離軌道中心的高度值和外伸值計(jì)算出來(lái)。

圖3 工控機(jī)

圖4 側(cè)犁外伸參數(shù)測(cè)量原理

2.2 掃描原理

測(cè)量障礙物采用了激光傳感器，障礙物掃描原理見(jiàn)圖5。

圖5 障礙物掃描原理(單位:mm)

避障傳感器安裝于車頭距軌面2 770 mm高的地方，α為安裝角，約為14°，保證光束平面在道床上返回的長(zhǎng)度值不超過(guò)16 m。光束平面與水平面的夾角為α，這樣每次掃描都會(huì)有多個(gè)點(diǎn)的返回值，Lth為掃描到道床上的點(diǎn)應(yīng)返回的理論值，Lr為實(shí)際測(cè)量值，則測(cè)量出的障礙物高度d=(Lth－Lr)/sinα。若d大于設(shè)定的障礙高度，則可以判定前面遇到高出道床輪廓的障礙物了，這就是該避障系統(tǒng)檢測(cè)障礙物的基本原理。

2.3 障礙判斷

避障系統(tǒng)的檢測(cè)部分要測(cè)量障礙物及側(cè)犁的外伸參數(shù)。障礙物的測(cè)量除了使用激光傳感器以外，還要結(jié)合里程傳感器的里程信息，根據(jù)速度來(lái)判斷障礙物距離車頭的距離，同時(shí)，再依據(jù)側(cè)犁外伸的參數(shù)，來(lái)判斷側(cè)犁是否會(huì)碰到障礙物。

如果在側(cè)犁外伸的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)前方有障礙物，且該障礙物在側(cè)犁的安全距離之內(nèi)時(shí)，在自動(dòng)避障的模式下，將輸出停車信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車，實(shí)時(shí)報(bào)警并給出文字提示。如果是在手動(dòng)避障的模式下，將提供文字提示及聲音報(bào)警。

3 避障系統(tǒng)應(yīng)用及探討

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用

打開(kāi)PC控制系統(tǒng)后，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的實(shí)際情況對(duì)避障系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如障礙物的高度、避障模式(自動(dòng)避障或手動(dòng)避障)，并輸入作業(yè)線路的信息(線路名稱、起始里程等)。

激光傳感器啟動(dòng)成功以后，開(kāi)始實(shí)時(shí)檢測(cè)前方的物體，結(jié)合側(cè)犁外伸的參數(shù)對(duì)前方掃描到的障礙物進(jìn)行判斷。避障系統(tǒng)軟件界面如圖6所示，內(nèi)部的紅色區(qū)域(圖中深色線內(nèi))是側(cè)犁外伸參數(shù)的形象展示，外側(cè)兩根豎線則為測(cè)量范圍，上方為道床輪廓演示曲線。在內(nèi)框紅色區(qū)域內(nèi)的障礙物為危險(xiǎn)障礙物，將會(huì)碰到側(cè)犁，如果該障礙物不在紅色區(qū)域內(nèi)，將顯示為黃色。如果碰到危險(xiǎn)障礙物，除了在軟件界面上方有紅色文字提示操作人員以外，還有聲音報(bào)警，直到將側(cè)犁收回到安全范圍以后紅色提示框以及聲音報(bào)警才會(huì)消失，這樣就避免了操作人員在沒(méi)有消除障礙的情況下繼續(xù)行車。

避障系統(tǒng)軟件還提供了保存功能，可以將碰到的障礙物及其里程信息保存下來(lái)，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放。這樣既方便了現(xiàn)場(chǎng)排除障礙，也利于后續(xù)的作業(yè)分析。

3.2 大機(jī)避障技術(shù)探討

在大機(jī)作業(yè)時(shí)，除了配砟車以外，其余車型還普遍缺乏安全保護(hù)系統(tǒng)。將來(lái)可以在各種車型上結(jié)合作業(yè)情況，安裝相應(yīng)的避障系統(tǒng)，采用測(cè)量和監(jiān)測(cè)于一體的集成系統(tǒng)，并利用可視化界面實(shí)現(xiàn)障礙的實(shí)時(shí)檢測(cè)，進(jìn)一步與車上的外伸裝置的控制信號(hào)進(jìn)行集成，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收車避障。

如果大型養(yǎng)路機(jī)械均采用了避障系統(tǒng)，不但可以保障作業(yè)安全，還可以提高作業(yè)效率，從而減少人力物力成本，延長(zhǎng)大機(jī)使用壽命。

圖6 避障系統(tǒng)軟件界面

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，本文介紹的大型養(yǎng)路機(jī)械避障控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):

1)實(shí)時(shí)檢測(cè)。激光傳感器可進(jìn)行掃描角度180°、頻率75次/s的掃描，對(duì)前方障礙物進(jìn)行全面監(jiān)視。

2)非接觸測(cè)量。激光傳感器通過(guò)發(fā)射激光并接收返回的激光從而判斷障礙物的距離。該方法高效、實(shí)用。

3)自動(dòng)檢測(cè)側(cè)犁參數(shù)。通過(guò)位移傳感器檢測(cè)側(cè)犁的外伸值和距軌面高度，為判斷障礙提供依據(jù)。

4)自動(dòng)報(bào)警。通過(guò)計(jì)算傳感器返回的數(shù)據(jù)，結(jié)合側(cè)犁的外伸值給出障礙物的文字及聲音報(bào)警信息。

近幾年的使用效果證明了該系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、速度快、安裝方便、操作靈活等特點(diǎn)。

［1］高春雷.DPZ-440型單向配砟整形車研究設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2006.

［2］王發(fā)燈.配砟車避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.鐵道建筑，2008(1): 93-95.

［3］張宏林.Visual C++6.0程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)技術(shù)大全［M］.北京:人民郵電出版社，2004.

［4］劉和平.dsPIC通用數(shù)字信號(hào)控制器原理及應(yīng)用:基于dsPIC30F系列［M］.北京:北京航天航空大學(xué)出版社，2007.

［5］張海濤.基于多超聲波傳感器的避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.山西科技，2006(1):20-21.

［6］胡傳亮，高春雷，王發(fā)燈，等.非接觸障礙檢測(cè)技術(shù)在清篩機(jī)污土帶避障中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2013(3):121-124.

［7］薛安琳.基于無(wú)線測(cè)距技術(shù)的清篩機(jī)污土帶輔助避障系統(tǒng)應(yīng)用研究［J］.鐵道建筑，2013(6):160-163.

［8］高春雷，陸亦群，方健康.國(guó)內(nèi)新型道床配砟整形車的研發(fā)［J］.鐵道建筑，2007(7):97-99.

［9］高春雷，方健康.DPZ-440型單向配砟整形車——新一代配砟整形大型養(yǎng)路機(jī)械的研制［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2009 (1):16-20.

［10］牛懷軍.道床輪廓測(cè)量系統(tǒng)的研制［J］.鐵道建筑，2008 (1):96-99.

(責(zé)任審編李付軍)

U216.63

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.41

1003-1995(2015)06-0160-03

2014-10-06;

2014-12-10

游彥輝(1983—)，男，云南鎮(zhèn)雄人，助理研究員，碩士。