基于激光位移傳感器的定位觸發(fā)技術(shù)研究

張翼，張文軒，周威，王燕國(guó)，楊志鵬，薛憲堂

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081）

基于激光位移傳感器的定位觸發(fā)技術(shù)研究

張翼，張文軒，周威，王燕國(guó)，楊志鵬，薛憲堂

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081）

接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置（4C）對(duì)接觸網(wǎng)零部件進(jìn)行檢測(cè)，需要接收觸發(fā)信號(hào)。定位觸發(fā)設(shè)備運(yùn)用激光測(cè)距傳感器測(cè)量得到定位器相對(duì)車頂?shù)母叨刃畔ⅲ?jīng)過(guò)編碼器脈沖分頻、定位器高度自識(shí)別、定位器判斷、脈寬調(diào)制4個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置相機(jī)、光源的精準(zhǔn)觸發(fā)。基于定位觸發(fā)設(shè)備的接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置在某試驗(yàn)基地和運(yùn)營(yíng)線路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果表明：觸發(fā)信號(hào)精準(zhǔn)，檢測(cè)裝置可清晰地拍攝出支持裝置、吊柱座、接觸懸掛等設(shè)備照片，照片重復(fù)性良好。

接觸網(wǎng)；懸掛狀態(tài)；定位觸發(fā)；激光位移；傳感器；定位器

0 引言

接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置（4C）主要包括高清成像檢測(cè)、幾何參數(shù)測(cè)量等子系統(tǒng)。高清成像檢測(cè)子系統(tǒng)采用高清相機(jī)對(duì)接觸網(wǎng)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行圖像采集，輸出高清圖像，成像范圍應(yīng)覆蓋沿線接觸網(wǎng)懸掛設(shè)備，主要包括定位支持裝置和接觸懸掛零部件2類設(shè)備[1-4]。其中，定位支持裝置的高清成像采用觸發(fā)拍攝方式，即當(dāng)定位觸發(fā)模塊檢測(cè)到接觸網(wǎng)定位支持裝置時(shí)，定位觸發(fā)模塊實(shí)時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，觸發(fā)相關(guān)相機(jī)對(duì)接觸網(wǎng)定位支持裝置進(jìn)行高清成像。接觸懸掛零部件的高清成像采用連續(xù)拍攝方式進(jìn)行，外部需提供連續(xù)等間隔脈沖進(jìn)行觸發(fā)。

目前國(guó)內(nèi)外接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置（4C）均有對(duì)定位觸發(fā)設(shè)備的應(yīng)用，一種方案是通過(guò)在車頂兩側(cè)安裝光電開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)定位支持裝置的判斷，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的方法，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低，但光電開關(guān)只能返回開關(guān)量，信息過(guò)于簡(jiǎn)單，下位機(jī)無(wú)法做出相應(yīng)的邏輯判斷，不能得到很好的應(yīng)用。另一種方案是通過(guò)在車頂兩側(cè)安裝1個(gè)激光位移傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)定位支持裝置的判斷，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，此種方法相對(duì)于光電開關(guān)得到的測(cè)量信息更多，下位機(jī)能做出簡(jiǎn)單的邏輯判斷，但由于傳感器數(shù)量限制不能很好地排除接觸線、電連接線、多腕臂等造成的干擾，誤觸及漏觸情況較多。

定位觸發(fā)設(shè)備可在檢測(cè)過(guò)程中準(zhǔn)確地對(duì)沿線接觸網(wǎng)的定位支持裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并輸出定位觸發(fā)脈沖，觸發(fā)接觸網(wǎng)高清成像子系統(tǒng)中拍攝定位支持裝置的相關(guān)攝像組件進(jìn)行圖像采集。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定位觸發(fā)設(shè)備的組成包括車頂激光測(cè)距模塊、車內(nèi)數(shù)據(jù)處理模塊和車下編碼器模塊3部分（見圖1）。激光測(cè)距模塊分別布置在車頂左右兩側(cè)，分別檢測(cè)正、反定位結(jié)構(gòu)的定位器。為減少測(cè)量干擾、提高測(cè)量可靠性，每側(cè)的激光測(cè)距模塊包括2個(gè)平行布置的激光測(cè)距傳感器。車內(nèi)數(shù)據(jù)處理模塊包括1個(gè)數(shù)據(jù)處理單元和1臺(tái)上位機(jī)。數(shù)據(jù)處理單元包括實(shí)時(shí)處理器、嵌入式模塊和供電模塊等。上位機(jī)為Windows系統(tǒng)的工控機(jī)，通過(guò)網(wǎng)線與實(shí)時(shí)處理器連接，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和實(shí)時(shí)處理器之間的通信。上位機(jī)僅在調(diào)試階段使用，用于保存?zhèn)鞲衅髟紨?shù)據(jù)、顯示傳感器數(shù)據(jù)波形和調(diào)試開發(fā)。車下編碼器模塊為數(shù)據(jù)處理單元提供準(zhǔn)確的距離脈沖，主要實(shí)現(xiàn)2種功能：一是實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距傳感器的空間等距離同步采樣；二是以檢測(cè)的定位點(diǎn)為基準(zhǔn)、累積一定距離間隔（預(yù)設(shè)參數(shù)）形成多通道觸發(fā)脈沖。

圖1 定位觸發(fā)設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

1.1 激光測(cè)距模塊

定位器位于車頂高度1 000～2 500 mm，其寬度為20 mm左右，在檢測(cè)列車以160 km/h的速度運(yùn)行時(shí)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量的傳感器需具有量程大、精度準(zhǔn)、測(cè)量頻率高等特點(diǎn)。測(cè)距模塊中所用的激光位移傳感器測(cè)量原理見圖2，其測(cè)量采用三角測(cè)量原理，內(nèi)置激光二極管發(fā)出的光束經(jīng)聚透鏡聚焦后垂直入射到被測(cè)物體表面上，當(dāng)被測(cè)物體表面因運(yùn)動(dòng)而在該方向產(chǎn)生位移時(shí)，接收透鏡接收被測(cè)物體表面入射光點(diǎn)處的散射光，將其成像在CCD敏感面上的不同位置，測(cè)量出物體的位移值[5-6]。其量程能夠達(dá)到3 000 mm，測(cè)量頻率能夠達(dá)到5 kHz，滿足測(cè)距模塊需求。

圖2 激光位移傳感器測(cè)量原理

1.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊采用開放的嵌入式測(cè)控平臺(tái)，這種方式的優(yōu)點(diǎn)有：（1）數(shù)據(jù)采集和處理能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)高速下高頻率的激光測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)采集和處理，滿足160 km/h檢測(cè)速度下對(duì)定位器的測(cè)量需要；（2）時(shí)鐘精度高，達(dá)到納秒量級(jí)，采用純硬件方式實(shí)現(xiàn)定位觸發(fā)功能可保證穩(wěn)定和短暫的觸發(fā)延時(shí)，采用硬件計(jì)數(shù)器方式可實(shí)現(xiàn)各通道觸發(fā)信號(hào)之間距離延遲間隔的精確控制，從而保證高速運(yùn)行條件下各攝像組件以最佳拍攝距離和最佳角度進(jìn)行觸發(fā)拍攝。

數(shù)據(jù)處理模塊運(yùn)行流程見圖3。DIO模塊接收到車下速度編碼器傳來(lái)的數(shù)字脈沖信號(hào)，AI模塊接收激光測(cè)距模塊傳來(lái)的模擬量高度信息，F(xiàn)PGA機(jī)箱對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理后產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，通過(guò)DMA方式將脈沖傳輸?shù)紻IO模塊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絉T控制器，RT控制器根據(jù)數(shù)據(jù)繪制出在不同公里標(biāo)處的觸發(fā)信號(hào)波形，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)FPGA機(jī)箱也會(huì)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)進(jìn)行波形顯示，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次備份。

圖3 數(shù)據(jù)處理模塊運(yùn)行流程

1.3 速度編碼器

速度編碼器主要是為了給檢測(cè)設(shè)備提供等距采樣脈沖，其原理是將機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)，將其與檢測(cè)列車車輪機(jī)械連接在一起，車輪旋轉(zhuǎn)1周產(chǎn)生的脈沖總數(shù)為固定值K?；谏鲜鰴C(jī)械結(jié)構(gòu)，當(dāng)檢測(cè)列車的速度發(fā)生變化時(shí)，速度編碼器產(chǎn)生的脈沖頻率將增加，但車輪的周長(zhǎng)為定值L，即每個(gè)脈沖所代表的運(yùn)動(dòng)距離d為L(zhǎng)與K的比值也為定值，這就實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)列車在變速運(yùn)動(dòng)時(shí)檢測(cè)設(shè)備的等距采樣。速度編碼器見圖4。

圖4 速度編碼器

2 軟件設(shè)計(jì)

高速定位觸發(fā)模塊軟件包括下位機(jī)及上位機(jī)2部分。

2.1 下位機(jī)軟件

下位機(jī)程序運(yùn)行在由實(shí)時(shí)處理器及嵌入式機(jī)箱組成的數(shù)據(jù)采集處理模塊上，實(shí)現(xiàn)接收傳感器采集數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行邏輯判斷，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，其運(yùn)行流程見圖5。首先對(duì)編碼器脈沖進(jìn)行分頻處理，此環(huán)節(jié)可設(shè)置采集點(diǎn)的間隔距離；其次傳感器數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)接收車頂左右兩側(cè)4個(gè)激光位移傳感器數(shù)據(jù)，定位點(diǎn)高度自識(shí)別環(huán)節(jié)分別接收分頻后的編碼器脈沖以及激光位移傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，每間隔固定距離識(shí)別定位點(diǎn)高度信息并發(fā)送給定位點(diǎn)判斷環(huán)節(jié)進(jìn)行邏輯判斷；定位點(diǎn)判斷環(huán)節(jié)在接收到分頻后編碼器脈沖、傳感器數(shù)據(jù)以及定位點(diǎn)高度信息后，每隔固定距離比對(duì)傳感器采集值與定位點(diǎn)高度值的大小及規(guī)律，做出是否經(jīng)過(guò)定位點(diǎn)的判斷；單雙腕臂判斷環(huán)節(jié)通過(guò)分析接收的定位點(diǎn)位置規(guī)律判斷出此時(shí)列車經(jīng)過(guò)定位點(diǎn)的腕臂數(shù)量，并產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)變?yōu)橄鄼C(jī)及光源均可用的觸發(fā)信號(hào)。

圖5 下位機(jī)軟件運(yùn)行流程

2.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)程序運(yùn)行在工控機(jī)上，主要實(shí)現(xiàn)在線設(shè)定下位機(jī)程序參數(shù)，接收下位機(jī)數(shù)據(jù)，疊加里程信息，保存帶里程信息的位移傳感器數(shù)據(jù)及定位點(diǎn)信息等功能。上位機(jī)軟件運(yùn)行流程見圖6。首先設(shè)定下位機(jī)程序參數(shù)；其次上位機(jī)程序開始接收下位機(jī)數(shù)據(jù)，根據(jù)每點(diǎn)間隔距離產(chǎn)生相應(yīng)的里程數(shù)組與下位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，同時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)里程信息實(shí)時(shí)更正；最后將疊加后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便后續(xù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行比較。

圖6 上位機(jī)軟件運(yùn)行流程

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

定位觸發(fā)設(shè)備在檢測(cè)車上的安裝位置見圖7。激光測(cè)距模塊分別位于車頂兩側(cè)，其數(shù)據(jù)線及電源線通過(guò)車體與車內(nèi)的數(shù)據(jù)處理模塊相連，當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)橫腕臂下方時(shí)，激光測(cè)距模塊對(duì)定位器的高度進(jìn)行測(cè)量并傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊，同時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊接收車下編碼器脈沖對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行等間距采樣并產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)脈沖給接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置，此時(shí)設(shè)備相機(jī)以及光源根據(jù)設(shè)定好的延時(shí)距離對(duì)接觸網(wǎng)零部件進(jìn)行拍照。在某線路，進(jìn)行160 km/h的高速試驗(yàn)，選取785根桿進(jìn)行分析，其中出現(xiàn)2處漏觸發(fā)、1處誤觸發(fā)。

圖8為上位機(jī)軟件顯示的2處漏觸發(fā)截屏，圖片上半部分為傳感器采集到的定位器原始信號(hào)，下半部分為觸發(fā)脈沖，圖中原始信號(hào)表明定位器已在車頂傳感器位置出現(xiàn)2次，但觸發(fā)脈沖只有1個(gè)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)相鄰的2個(gè)定位器距離不足20 m，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原因，不能產(chǎn)生連續(xù)觸發(fā)脈沖。

圖7 定位觸發(fā)設(shè)備在檢測(cè)車上的安裝示意圖

圖8 2處漏觸發(fā)截屏

圖9 為上位機(jī)軟件顯示的1處誤觸發(fā)截屏，圖片上半部分為傳感器采集到的電連接線原始信號(hào)，下半部分為觸發(fā)脈沖，圖中原始信號(hào)表明電連接線高度過(guò)低，接近定位器的判斷范圍造成誤觸。綜上所述，共測(cè)試785根桿，問(wèn)題桿數(shù)3根，誤檢率0.3%。

圖9 誤觸發(fā)截屏

4 結(jié)束語(yǔ)

基于激光測(cè)距傳感器以及嵌入式采集模塊，研制了一種為接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置提供采樣脈沖的觸發(fā)設(shè)備，可快速準(zhǔn)確地識(shí)別出車頂上方定位器相對(duì)位置，產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖實(shí)時(shí)性好、準(zhǔn)確率高且脈寬可調(diào)。裝備該定位器觸發(fā)的檢測(cè)設(shè)備，可應(yīng)用于新建及現(xiàn)有高鐵、普速線路的接觸網(wǎng)零部件設(shè)備檢測(cè)，減少線路天窗時(shí)間，節(jié)省人工成本，高速高效完成接觸網(wǎng)供電設(shè)備的檢測(cè)和維護(hù)工作。

[1]KIEβLING F，PUSCHMANN R，SCHMIEDER A. 電氣化 鐵道接觸網(wǎng)[M]. 中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，譯. 北京：中國(guó)電力出版社，2003.

[2]于萬(wàn)聚. 高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M]. 成都：西南交 通大學(xué)出版社，2003.

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The Study on Orientation Triggering Technology Based on Laser Displacement Sensor

ZHANG Yi，ZHANG Wenxuan，ZHOU Wei，WANG Yanguo，YANG Zhipeng，XUE Xiantang
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Contact line overhead condition inspection and monitoring device（4C）need to receive triggering signal to inspect the components of contact lines. Using laser ranging sensor to measure the height between locator and car roof, orientation triggering device can accurately trigger the contact line overhead condition inspection camera and light source through encoder pulse frequency, self-recognition of locator, judgement by locator and pulse width modulation. Based on its test data, the device can clearly photograph support device,davit seat, contact suspension with precise signal, and the photos have good repeatability.

contact line；overhead condition；orientation triggering；laser displacement；sensor；locator

U225

A

1001-683X（2017）10-0054-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.054

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2015YJ093、2015YJ098）

張翼（1989—），男，研究實(shí)習(xí)員，碩士。E-mail：zhangyi2015@rails.cn

責(zé)任編輯 李葳

2017-05-16