地下礦山有軌運(yùn)輸非接觸式動(dòng)態(tài)軌距檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

崔雅婷，王 鵬，李吉民，凡勇剛，詹浩東，任高峰，張聰瑞

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武鋼資源集團(tuán)程潮礦業(yè)有限公司，湖北 鄂州 436050)

0 引 言

隨著無(wú)人駕駛、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)有軌運(yùn)輸系統(tǒng)已在礦山廣泛應(yīng)用[1]。盡管無(wú)人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)運(yùn)輸環(huán)節(jié)管理難度大、作業(yè)環(huán)境差、運(yùn)輸效率低等問(wèn)題，但無(wú)人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)的高效運(yùn)行加速了運(yùn)輸軌道的變形、松動(dòng)[2-3]。軌道運(yùn)輸狀態(tài)是電機(jī)車(chē)安全運(yùn)行、無(wú)人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)高效運(yùn)行的根本保障，無(wú)論是地面鐵路運(yùn)輸軌道還是地下礦山運(yùn)輸軌道，軌距都是重要的檢測(cè)內(nèi)容，軌距的改變將直接導(dǎo)致軌道運(yùn)輸?shù)V車(chē)脫軌或卡道，影響無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸效率[4]。地下礦山運(yùn)輸軌道路徑長(zhǎng)、范圍廣，而傳統(tǒng)的人工巡檢方法工作效率低、耗時(shí)長(zhǎng)，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代化無(wú)人駕駛有軌運(yùn)輸系統(tǒng)的要求，軌道快速檢測(cè)已成為無(wú)人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)的迫切需要。

近年來(lái)，激光掃描技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅速發(fā)展推動(dòng)了有軌運(yùn)輸軌道檢測(cè)的深刻變革，三維激光掃描技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展，高精度掃描儀器的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了軌道檢測(cè)的快速發(fā)展[5-7]，促進(jìn)了高鐵軌檢車(chē)的迅速發(fā)展。盡管地下礦山的外在條件與高鐵有所不同，但高鐵軌檢技術(shù)為地下礦山無(wú)人駕駛軌道檢測(cè)的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也為無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)軌道檢測(cè)系統(tǒng)的研究指明了方向。

閔永智等[8]提出一種基于PNDT提取軌道輪廓中心線(xiàn)定位軌距測(cè)量點(diǎn)的方法，采用距離變換的方法得到了軌道輪廓中心線(xiàn)，并定位軌距測(cè)量點(diǎn)，將激光技術(shù)與CCD圖像式傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線(xiàn)軌距測(cè)量，建立了車(chē)載軌距機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)；鄭樹(shù)彬等[9]提出了一種基于雙目立體視覺(jué)技術(shù)的軌距檢測(cè)方法，采用提取分量的方式對(duì)圖像的目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域進(jìn)行分割，并去除噪聲，通過(guò)膨脹和細(xì)化算法得到軌道的截面輪廓線(xiàn)，有效地實(shí)現(xiàn)了軌距參數(shù)的高精度動(dòng)態(tài)測(cè)量，精度可達(dá)到0.07 mm；史紅梅等[10]研發(fā)了一種安裝于路軌兩棲綜合檢測(cè)車(chē)上的軌距檢測(cè)系統(tǒng)，利用基于CPLD的同步信號(hào)觸發(fā)模塊保證各傳感器數(shù)據(jù)同步，實(shí)時(shí)提取軌距特征點(diǎn)并計(jì)算顯示當(dāng)前斷面軌距值。

1 軌距檢測(cè)原理及算法

1.1 檢測(cè)原理

單個(gè)二維激光位移計(jì)檢測(cè)原理如圖1所示，以梯形(檢測(cè)區(qū)域)中心為原點(diǎn)形成一個(gè)平面二維直角坐標(biāo)系，在一定安裝高度上固定后，二維激光位移計(jì)平面光會(huì)與鋼軌相交形成鋼軌截面幾何輪廓[10-12]。根據(jù)其定義，鋼軌踏面下16 mm范圍內(nèi)兩股鋼軌工作邊之間的最小距離稱(chēng)為軌距[10,12]。在輪廓平面內(nèi)軌頭頂部往下16 mm處，設(shè)置一條水平固定線(xiàn)，水平固定線(xiàn)與鋼軌輪廓線(xiàn)相交于一點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算可得出此交點(diǎn)到X軸和Z軸的距離，實(shí)現(xiàn)激光位移計(jì)對(duì)物體截面距離上的二維檢測(cè)。

圖1 二維激光位移計(jì)檢測(cè)示意圖

1.2 軌距檢測(cè)算法

根據(jù)軌距定義與二維激光位移計(jì)檢測(cè)原理，軌距算法與求解流程如下所述(圖2)。

圖2 軌距檢測(cè)算法示意圖

當(dāng)檢測(cè)梁與軌面平行安裝時(shí)，軌距等于左右兩邊激光位移計(jì)橫向檢測(cè)值與激光位移計(jì)中心距離之和，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

L=GL+GR+D

(1)

當(dāng)檢測(cè)梁傾斜，傾斜角度為θ時(shí)，整個(gè)軌距一般計(jì)算步驟及公式如下所述。

①初始值求解。將軌距檢測(cè)裝置安裝于標(biāo)準(zhǔn)軌距路段，求得初始軌距。②GL和GR求解。確定檢測(cè)點(diǎn)，通過(guò)平面坐標(biāo)三角關(guān)系，利用角度和距離關(guān)系求得檢測(cè)梁平面的橫向距離GL和GR。③軌距補(bǔ)償值D。 初始軌距值減GL和GR檢測(cè)值，即得軌距補(bǔ)償值的精確值。 ④軌距計(jì)算。 軌距補(bǔ)償值與實(shí)時(shí)檢測(cè)值相加得出軌距實(shí)時(shí)檢測(cè)值，軌距計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。

(2)

2 軌距檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地下礦山非接觸式動(dòng)態(tài)軌距檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成(圖3)。上位機(jī)位于檢測(cè)系統(tǒng)的上端部分，裝載數(shù)據(jù)采集處理軟件，工控機(jī)PC端的分析處理軟件可對(duì)下位機(jī)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，可根據(jù)設(shè)置的閾值范圍對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)超限預(yù)警，工控機(jī)PC端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，完成檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表的輸出，為工人進(jìn)行定點(diǎn)維修提供信息；下位機(jī)位于檢測(cè)系統(tǒng)的下端部分，主要由各種傳感器組成，包括二維激光位移計(jì)、定位基站、定位標(biāo)簽，可輸出軌道檢測(cè)信息，軌檢車(chē)當(dāng)前位置信息。

圖3 軌距檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2.2 系統(tǒng)硬件組成

地下礦山無(wú)人駕駛有軌運(yùn)輸非接觸式動(dòng)態(tài)軌距檢測(cè)系統(tǒng)由二維激光位移計(jì)、檢測(cè)梁、控制器、定位裝置及上位機(jī)軟件系統(tǒng)組成。兩個(gè)滑塊和導(dǎo)軌組成檢測(cè)梁，滑塊在導(dǎo)軌上可以滑動(dòng)到任意位置固定，二維激光位移計(jì)通過(guò)結(jié)構(gòu)件固定于滑塊上，系統(tǒng)硬件組成連接圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件組成連接圖

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

非接觸式動(dòng)態(tài)軌距檢測(cè)系統(tǒng)軟件功能模塊組成如圖5所示。軟件功能模塊包括登錄模塊、檢測(cè)參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)處理、動(dòng)態(tài)檢測(cè)、超限預(yù)警和分類(lèi)報(bào)表6個(gè)模塊。其功能分別為：登錄模塊設(shè)置初始登錄賬號(hào)；檢測(cè)參數(shù)設(shè)置模塊用于初始檢測(cè)輪廓注冊(cè)、激光輪廓檢測(cè)曝光頻率、數(shù)據(jù)輸設(shè)定、檢測(cè)范圍等參數(shù)設(shè)定；數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)及機(jī)車(chē)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理；動(dòng)態(tài)檢測(cè)模塊以窗口的形式實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)；超限預(yù)警模塊主要用于對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)警范圍和預(yù)警方式進(jìn)行設(shè)置；分類(lèi)報(bào)表對(duì)軌距和高差數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇查詢(xún)、分類(lèi)輸出。

圖5 軟件功能模塊組成圖

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用

3.1 礦山現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1.1 檢測(cè)梁安裝

將設(shè)計(jì)的檢測(cè)梁安裝到無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)上(圖6)，二維激光位移計(jì)安裝于檢測(cè)梁上，將二維激光位移計(jì)固定于標(biāo)準(zhǔn)軌距處，連接控制器的24 V電源線(xiàn)與電機(jī)車(chē)PLC控制的電源線(xiàn)，待激光位移計(jì)出現(xiàn)藍(lán)色的線(xiàn)激光后，調(diào)整滑塊使得二維激光位移計(jì)掃描中線(xiàn)在鐵軌內(nèi)側(cè)邊緣處(圖6)，此時(shí)固定滑塊的鎖扣和二維激光位移計(jì)與鐵軌的相對(duì)位置，完成傳感器的固定。 在900 mm的標(biāo)準(zhǔn)軌距軌道上求解軌距補(bǔ)償值，輸入系統(tǒng)，完成標(biāo)準(zhǔn)軌道初始參數(shù)設(shè)置。

圖6 二維激光位移計(jì)的安裝

3.1.2 測(cè)試過(guò)程

設(shè)置軌距檢測(cè)范圍為895～905 mm，初始參數(shù)設(shè)置完成后，動(dòng)態(tài)檢測(cè)窗口3實(shí)時(shí)顯示軌距動(dòng)態(tài)，窗口6實(shí)時(shí)顯示高差動(dòng)態(tài)，檢測(cè)值在閾值范圍內(nèi)窗口數(shù)據(jù)顯示為綠色，超限數(shù)據(jù)顯示紅色。電機(jī)車(chē)駛?cè)氡粶y(cè)軌道，在被測(cè)路段進(jìn)行三個(gè)往返的測(cè)試，窗口顯示動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)，完成地下礦山軌道運(yùn)輸軌距檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，輸出檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表，根據(jù)報(bào)表對(duì)軌距超限位置，用軌距尺進(jìn)行人工復(fù)測(cè)。維修工人可以根據(jù)此次測(cè)試產(chǎn)生數(shù)據(jù)報(bào)表(表1)進(jìn)行軌道的定點(diǎn)維修。

表1 軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表

3.2 測(cè)試結(jié)果與誤差分析

3.2.1 數(shù)據(jù)分析

軌距動(dòng)態(tài)檢測(cè)變化如圖7所示。由圖7可知，軌距測(cè)量值在892～905 mm范圍內(nèi)波動(dòng)，相鄰點(diǎn)之間的波動(dòng)范圍在0.5 mm以?xún)?nèi)，曲線(xiàn)平滑，從整個(gè)軌距檢測(cè)過(guò)程來(lái)看，測(cè)試路段基于二維激光位移計(jì)的軌距檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)精準(zhǔn)完成地下礦山有軌運(yùn)輸軌道軌距檢測(cè)。

圖7 軌距動(dòng)態(tài)檢測(cè)曲線(xiàn)圖

高差檢測(cè)變化如圖8所示，圖中顯示軌道高差在1 mm左右，波動(dòng)范圍在1.075～1.115 mm之間，檢測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，符合實(shí)際軌道的檢測(cè)要求。

圖8 高差檢測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖

對(duì)軌距檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)超限位置及誤差較大處進(jìn)行人工復(fù)測(cè)，對(duì)比分析見(jiàn)表2。通過(guò)分析比較，軌距檢測(cè)系統(tǒng)與人工復(fù)測(cè)結(jié)果相差均在1 mm以?xún)?nèi)，誤差較小。結(jié)果表明，軌距檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

表2 檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表

3.2.2 誤差分析

1) 非接觸式動(dòng)態(tài)軌距檢測(cè)系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是解決了電機(jī)車(chē)左右晃動(dòng)而引起的偏差補(bǔ)償問(wèn)題。由于兩個(gè)傳感器與電機(jī)車(chē)近似剛性連接，因此受電機(jī)車(chē)動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)左右晃動(dòng)的影響很小，其間距基本保持不變，從而能夠準(zhǔn)確檢測(cè)軌距變化，與其他檢測(cè)方法相比，沒(méi)有補(bǔ)償誤差的影響，數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠。

2) 通過(guò)數(shù)據(jù)分析認(rèn)為大部分?jǐn)?shù)據(jù)均在檢測(cè)范圍內(nèi)，部分?jǐn)?shù)據(jù)超出檢測(cè)閾值范圍，經(jīng)過(guò)人工復(fù)核測(cè)量分析認(rèn)為，軌距偏大位置是由于機(jī)車(chē)長(zhǎng)期運(yùn)行造成的軌距偏大。

3) 檢測(cè)過(guò)程中傳感器與檢測(cè)梁不能實(shí)現(xiàn)完全剛性連接，在振動(dòng)情況下導(dǎo)致激光傳感器會(huì)產(chǎn)生微小偏移，從而影響檢測(cè)精度，對(duì)系統(tǒng)組裝提出了更高要求。

4 結(jié) 論

1) 基于二維激光位移計(jì)的動(dòng)態(tài)非接觸式軌道檢測(cè)方案解決了礦山無(wú)人駕駛有軌運(yùn)輸?shù)能壍罊z測(cè)問(wèn)題。根據(jù)軌距動(dòng)態(tài)檢測(cè)方案設(shè)計(jì)檢測(cè)梁，并將其安裝于無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)上，在礦山現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用，軌距檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)當(dāng)前位置軌距和高差，并可實(shí)現(xiàn)超限預(yù)警，能夠適應(yīng)地下振動(dòng)、潮濕、塵多等特殊環(huán)境。

2) 基于二維激光位移計(jì)的動(dòng)態(tài)非接觸式軌道檢測(cè)系統(tǒng)在礦山地下環(huán)境能夠準(zhǔn)確識(shí)別軌道參數(shù)變化。設(shè)計(jì)的檢測(cè)梁可以很好地連接電機(jī)車(chē)和檢測(cè)傳感器，在軌道軌距檢測(cè)過(guò)程中識(shí)別精度高達(dá)0.001 mm。

3) 利用井下無(wú)人駕駛電機(jī)車(chē)改造的軌檢車(chē)，能夠生成數(shù)據(jù)報(bào)表，可精確定位到軌道檢測(cè)地點(diǎn)，指導(dǎo)檢修工人對(duì)問(wèn)題路段進(jìn)行檢修，定位精度為0.5 m，提高了軌道檢測(cè)效率，為無(wú)人駕駛有軌運(yùn)輸?shù)母咝н\(yùn)行保駕護(hù)航。