基于2D激光位移傳感器的軌底坡動態(tài)檢測系統(tǒng)研究

夏 銀,林建輝,王 鋒,熊仕勇

(1.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院,成都 610031)

為使輪軌受力線通過鋼軌中軸傳至軌道基礎(chǔ)，鋼軌鋪設(shè)需要向內(nèi)傾斜，導(dǎo)致軌底面與地平面形成一定的橫向坡度，即為軌底坡。軌底坡設(shè)置適當(dāng)，可以提高鋼軌的橫向穩(wěn)定性，減少輪軌接觸疲勞損傷，提高輪軌使用壽命，使機車獲得最佳的運行狀態(tài)與效率，還間接減少鋼軌磨耗而生的鐵屑，使軌道結(jié)構(gòu)整潔，減少雜散電流，降低養(yǎng)護維修費用[1-2]。

隨著城市軌道交通的發(fā)展，運營線路越來越長。在鐵路線路養(yǎng)護和維修中，發(fā)現(xiàn)一些線路存在由于軌底坡設(shè)置不合理致使輪對與鋼軌磨耗嚴重的情況，而許多鐵路運營單位還局限于通過人工靜態(tài)檢測，一是通過觀察鋼軌頂面的亮光帶偏離鋼軌中軸的程度，另一是通過觀察軌頂垂直磨耗是否均勻，這兩種檢測方法不僅效率低下，而且精確度難以保證，無法滿足日常檢測需求，因此實現(xiàn)軌底坡動態(tài)檢測是鐵路線路養(yǎng)護和維修的發(fā)展趨勢。

隨著激光技術(shù)與光電檢測技術(shù)的發(fā)展，2D廣泛地被應(yīng)用于鐵路數(shù)字化檢測[3]。2D相比CCD照相檢測法，環(huán)境抗干擾能力強，檢測精度和可靠性高，能顯著提高檢測效率。

針對軌底坡檢測現(xiàn)狀，結(jié)合數(shù)字2D的特點，提出一種基于2D和Cortex-M4處理器，并結(jié)合RT-Thread實時操作系統(tǒng)的非接觸式軌底坡動態(tài)檢測系統(tǒng)。本文通過建立雙2D的空間姿態(tài)關(guān)系模型，利用鋼軌輪廓上特征點推導(dǎo)軌底坡計算公式。考慮車體振動姿態(tài)對軌底坡計算結(jié)果的影響，通過利用基于Kalman濾波算法多傳感器的狀態(tài)空間模型對軌底坡計算結(jié)果進行補償。最后在地鐵線路上進行試驗，驗證了該軌底坡動態(tài)檢測系統(tǒng)的可行性。

1 檢測原理與系統(tǒng)設(shè)計

1.1 基于2D的鋼軌廓形檢測原理

2D激光位移傳感器由激光發(fā)生器、二維CMOS線陣、光學(xué)透鏡、信號處理器與數(shù)據(jù)傳輸模塊組成[4]。2D是基于光學(xué)三角測量原理[5]，如圖1所示，激光發(fā)生器發(fā)射線性梯形激光切面，線性激光投射在鋼軌上并形成鋼軌輪廓線，與激光扇面成一定夾角安裝的光學(xué)器件感知到反射光線并將其投射到CMOS線陣，最終得到鋼軌輪廓上若干個輪廓測點數(shù)據(jù)。這些測點數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器內(nèi)部的信號處理器圖像處理、輪廓提取等，最終以數(shù)據(jù)流的形式通過以太網(wǎng)將輪廓測點數(shù)據(jù)傳輸至工控機。

圖1 2D激光位移傳感器工作示意

1.2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

基于2D的軌底坡動態(tài)檢測系統(tǒng)由4個2D、1個陀螺儀、1個傾角傳感器、檢測梁、交換機、工控機、綜合板、電子標(biāo)簽、RFID天線、RFID讀寫器和速度編碼器組成，檢測梁上傳感器安裝位置如圖2所示。

圖2 傳感器安裝位置示意

為獲得整個鋼軌全截面的輪廓數(shù)據(jù)，檢測梁一端2個2D安裝角度需滿足能夠同時對軌頂、側(cè)面和軌腰進行測量，為避免陽光等干擾，在2D梯形激光切面外圍安裝遮光板。由于動態(tài)檢測下，軌道不平順激勵影響會引起檢測梁左右搖擺、上下沉浮、前后伸縮、側(cè)滾、點頭與搖頭6個方向自由度運動，而在上述6個自由度中，由于2D的梯形激光切面與列車運行方向垂直，檢測梁側(cè)滾運動會直接影響軌底坡的測量精度，因此整套系統(tǒng)中添加了由陀螺儀和傾角傳感器組成的測量補償子系統(tǒng)。傾角傳感器測量側(cè)滾角低頻分量，軌底坡檢測系統(tǒng)中傾角傳感器選用單軸力平衡式伺服傾角傳感器，基于電解質(zhì)原理和電容原理的傾角傳感器相比，單軸力平衡式伺服傾角傳感器在非線性、重復(fù)性、遲滯、溫度飄移、抗沖擊振動等性能上更優(yōu)越[6-7]。陀螺儀適用于動態(tài)測量，主要測量側(cè)滾角高頻分量，軌底坡檢測系統(tǒng)中陀螺儀選用光纖陀螺儀[8]，相比于機械式陀螺儀，光纖陀螺儀耐沖擊、壽命長、精度高。

除上述傳感器，軌底坡動態(tài)檢測系統(tǒng)還包括速度編碼器、RFID讀寫器、RFID天線、綜合板等器件，整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軌底坡測量系統(tǒng)原理框圖

軌底坡檢測系統(tǒng)選用增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器，編碼器每轉(zhuǎn)輸出200個方波脈沖，根據(jù)公式(1)，綜合板統(tǒng)計編碼器輸出脈沖數(shù)，等距觸發(fā)2D，利用編碼器A、B兩相輸出功能，還可以計算出列車運行的方向和車速。為修正里程和定位超限點，電子標(biāo)簽需按照實際線路公里標(biāo)鋪設(shè)，安裝在檢測梁底部的RFID天線識別定位電子標(biāo)簽，RFID讀寫器將公里標(biāo)信息通過以太網(wǎng)傳輸至工控機。

(1)

式中，N為計數(shù)脈沖數(shù)；L為采樣間距；D為檢測車車輪直徑。

從擴展性、重用性、成本方面考慮，軌底坡檢測系統(tǒng)硬件采用模塊化的設(shè)計思想，綜合板由核心板、擴展板、電源板與信息顯示板4部分組成，硬件結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 軌底坡檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

核心板選用帶有FPU的ARM Cortex-M4 32位MCU內(nèi)核的STM32F407ZGT6，16×512K高速SRAM芯片IS61WV51216，容量64G的NAND FLASH芯片MT29F64G08CBABAWP和容量512K的E2PROM芯片AT24C512C，處理器ARM通過FSMC地址訪問SRAM并申請內(nèi)存緩存空間，F(xiàn)ALSH存儲傾角傳感器和陀螺儀的自檢故障數(shù)據(jù)和濾波數(shù)據(jù)，E2PROM存儲設(shè)備編號、軟件版本號等系統(tǒng)參數(shù)。擴展板上集成了JTAG調(diào)試模塊、與工控機、信息顯示板串口通信模塊，系統(tǒng)狀態(tài)、超限狀態(tài)顯示燈的驅(qū)動模塊，數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB接口、SD卡接口與以太網(wǎng)模塊，觸發(fā)2D的電平轉(zhuǎn)換模塊，速度編碼器和電位器信號接收的光耦隔離模塊，運放AD8031構(gòu)成的二階巴特沃斯低通濾波電路以及8通道、16位逐次逼近型AD7606數(shù)采模塊。電源板為2D等傳感器、擴展板、信息顯示板供電，電源板由隔離電源模塊、繼電器、電源狀態(tài)指示燈組成。信息顯示板用于顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)，線路超限信息、檢測車運行速度與里程數(shù)，信息顯示板與擴展板通過串口通信。

檢測系統(tǒng)的硬件平臺采用小型、實時、可剪裁的RT-Thread操作系統(tǒng)，系統(tǒng)上電后進行操作系統(tǒng)初始化(時鐘、I/O口、RTC、線程、硬件設(shè)備等)，網(wǎng)絡(luò)配置等系統(tǒng)配置、傳感器自檢，串口監(jiān)視線程根據(jù)通信協(xié)議，實時與上位機通信，數(shù)據(jù)采集線程實時儲存封裝傳感器數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)收發(fā)線程則是將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。通信協(xié)議里包含輪徑標(biāo)定命令，仿真實驗命令和正式試驗命令，輪徑標(biāo)定是在檢測前標(biāo)定檢測車車輪周長；仿真實驗是為便于調(diào)試，通過電位器電阻變化模擬機車運行速度，靜態(tài)測試傳感器和軟件；正式試驗是指檢測車在試驗線路正常檢測。串口監(jiān)視線程根據(jù)通信協(xié)議的操作流程如圖5所示。

圖5 串口通信工作流程

2 軌底坡計算

2.1 雙2D空間姿態(tài)標(biāo)定模型

以測量左軌軌底坡為例，2D的空間姿態(tài)標(biāo)定[9-11]是指建立鋼軌兩側(cè)傳感器的空間幾何關(guān)系。

如圖6所示，2D傳感器坐標(biāo)系分別為oe1xe1ye1ze1和oe2xe2ye2ze2，R、T分別為Sensor2的坐標(biāo)系oe2xe2ye2ze2到Sensor1的坐標(biāo)系oe1xe1ye1ze1的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，理想情況下，假設(shè)在Sensor1和Sensor2可視范圍內(nèi)任意一點坐標(biāo)為(xw,yw,zw)，該坐標(biāo)在Sensor1坐標(biāo)系中對應(yīng)點坐標(biāo)為(xe2,ye1)，在Sensor2坐標(biāo)系中對應(yīng)坐標(biāo)為(xe2,ye2)。由于2D安裝在同一平面，Sensor1與Sensor2傳感器坐標(biāo)系在同一空間平面，于是存在如下關(guān)系

根據(jù)標(biāo)定原理與投射定理[12-13]：

(2)

圖6 2D激光位移傳感器坐標(biāo)示意

2.2 軌底坡計算方法

首先，在靜態(tài)調(diào)試中，在軌底坡為零的軌道上放置一塊貼有足夠多吸光紙的反光板(標(biāo)定尺)，標(biāo)定操作[14-16]如圖7所示。標(biāo)定會得到若干個間斷的、基于2D自身坐標(biāo)系的標(biāo)定數(shù)據(jù)對，通過這些數(shù)據(jù)對可以求出參數(shù)(r1,r2,…,ty)，并利用最小二乘法擬合得到水平直線在Sensor1傳感器坐標(biāo)系中的斜度值，該值會作為以后計算的基準(zhǔn)值k0。

圖7 2D激光位移傳感器標(biāo)定操作

(3)

2.3 基于Kalman濾波數(shù)據(jù)的坡度角修正

動態(tài)檢測過程中，為保證坡度角的精度，還必須考慮車體的振動[17-18]。車體側(cè)滾運動是影響軌底坡角度測量的直接因素，因此需要陀螺儀和傾角傳感器補償。陀螺儀測量側(cè)滾角高頻成分，傾角傳感器測量側(cè)滾角低頻成分，結(jié)合補償角度φ，實際軌底坡真實值為

(4)

利用卡爾曼濾波數(shù)據(jù)[19-21]建立陀螺儀與傾角傳感器的數(shù)據(jù)模型，實時跟蹤軌檢梁的振動狀態(tài)。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型如下

(5)

α∈[0,1]；nωk為陀螺儀狀態(tài)轉(zhuǎn)移噪聲，nθk為傾角傳感器狀態(tài)轉(zhuǎn)移噪聲。

由于陀螺儀實際測的是車體角速度，欲得到實際角度值，需要通過積分，因此建立如下空間模型

(6)

若nωk,nθk,ωωk，ωθk是相互獨立的零均值高斯白噪聲，它們的方差對應(yīng)為Qnω，Qnθ，Qωω，Qωθ,x(0)=0。則系統(tǒng)驅(qū)動白噪聲序列Nk=[0nωk0nθk]T和系統(tǒng)觀測噪聲序列Nk=[ωωkωθk]T滿足

其中協(xié)方差矩陣

初始條件x-1(0|-1)=0、P(0|-1)=0，狀態(tài)x(k)的估計為x(k+1|k)，則第k次迭代中狀態(tài)協(xié)方差信息更新P(k+1|k)，為下次迭代用。

e(k)=Z(k)-Hx(k|k-1)

(7)

Re(k)=HP(k|k-1)HT+Rk

(8)

Kp(k)=(FP(k|k-1)FT+QkHTRe(k)-1)

(9)

x(k+1|k)=Fx(k|k-1)+KP(k)e(k)

(10)

P(k+1|k)=

(FP(k|k-1)FT+Qk)(I-Kp(k)H)

(11)

3 試驗驗證

本系統(tǒng)安裝在GJ-4型軌道檢測車上，傾角傳感器、陀螺儀、天線與電子標(biāo)簽讀寫器安裝如圖8(a)所示，2D安裝位置如圖8(b)所示。傾角傳感器選用LCF-100，測量范圍為±14.5°，滿量程輸出為±5 V; 陀螺儀選用VG035P，測量精度為20 mV/deg/s，最大測量范圍為60 deg/s; 2D選用ELAG定制2D，測量范圍為350～650 mm，最高采樣頻率為200 Hz。試驗線路為地鐵線路，根據(jù)地鐵線路工務(wù)維修規(guī)則，該段設(shè)置的軌底坡為1/40，坡度角計算約為0.025 0 rad。

圖8 檢測梁實物圖

以左股鋼軌(外軌)為例，首先進行雙2D空間姿態(tài)標(biāo)定操作，標(biāo)定會得到水平直線(標(biāo)定尺)在Sensor1坐標(biāo)中的斜率值，并以此作為軌底角計算的基準(zhǔn)值。正式試驗中，2D等距提取實際線路鋼軌的全軌廓數(shù)據(jù)，剔除陽光等外界因素產(chǎn)生的干擾數(shù)據(jù)后，提取的全軌廓數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像處理算法，與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌輪廓匹配，匹配結(jié)果如圖9所示。

圖9 左軌軌形匹配

尋找左股鋼軌左右兩側(cè)的對稱點，通過軌底坡計算公式即式(3)和Kalman濾波即式(4)，可獲得軌底坡計算值大小，最終與人工復(fù)核值比較。其中傾角傳感器的原始數(shù)據(jù)如圖10所示，陀螺儀的原始數(shù)據(jù)如圖11所示，Kalman濾波補償前后的數(shù)據(jù)如圖12、圖13所示。

圖10 傾角傳感器原始數(shù)據(jù)

圖11 陀螺儀原始數(shù)據(jù)

圖12 左軌軌底坡計算補償前結(jié)果

圖13 左軌軌底坡計算補償后結(jié)果

誤差分析：2D本身存在一定的測量精度，陀螺儀和傾角傳感器本身存在檢測誤差和因環(huán)境變化產(chǎn)生的零漂；2D、陀螺儀與傾角傳感器標(biāo)定存在誤差，傾角傳感器與陀螺儀受自身沉浮、側(cè)滾也會產(chǎn)生誤差；實際安裝中，傳感器與檢測梁、檢測梁與車體轉(zhuǎn)向架非剛性連接也是誤差來源。從圖13與表1的結(jié)果可知，本文軌底坡檢測系統(tǒng)應(yīng)用于地鐵線路試驗，能夠反映線路軌底坡的變化趨勢，檢測結(jié)果與人工復(fù)核值基本一致，具有一定精度。該系統(tǒng)可以集成于軌道檢測系統(tǒng)，對軌道狀態(tài)實施動態(tài)檢測，對指導(dǎo)現(xiàn)場養(yǎng)護與維修工作，不斷保持和提高線路設(shè)備的質(zhì)量具有十分重要的意義。

表1 左軌軌底坡結(jié)果統(tǒng)計

注：人工復(fù)核平均值是在檢測區(qū)間1 200～2 500區(qū)間抽取3個點，在區(qū)間3 500～4 500抽取4個點，測量軌底坡值并求均值。

4 結(jié)論

針對軌底坡靜態(tài)檢測的不足，設(shè)計了一套基于2D的軌底坡動態(tài)測量系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)采用雙2D獲得鋼軌輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用雙2D的空間姿態(tài)標(biāo)定模型計算軌底坡。該測量系統(tǒng)還考慮到，在動態(tài)檢測過程中車體側(cè)滾對軌底坡計算結(jié)果的影響，應(yīng)用Kalman濾波算法動態(tài)補償修正軌底坡結(jié)果的方法。在地鐵正線試驗中，實測軌底坡數(shù)據(jù)與人工復(fù)核數(shù)據(jù)吻合度較高，動態(tài)反應(yīng)靈敏，試驗結(jié)果驗證了該軌底坡動態(tài)檢測系統(tǒng)的可行性。