融合激光雷達與激光測距傳感器的接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測系統(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)的關鍵部件之一,主要作用是通過受電弓為軌道交通運行車輛提供能量,實現(xiàn)車輛的正常運行。接觸網(wǎng)與受電弓的耦合關系非常復雜,在車輛運行過程中二者將產生大量摩擦,可能會造成接觸網(wǎng)的結構損壞,甚至發(fā)生列車斷電、停止運行等系列安全事故。因此,實現(xiàn)接觸網(wǎng)狀態(tài)的快速準確檢測,對提升軌道交通的安全性具有十分重要的意義。

1行業(yè)內現(xiàn)有接觸網(wǎng)測量方式對比

針對接觸網(wǎng)狀態(tài)的準確檢測,目前一般有人工靜態(tài)測量、動態(tài)接觸式檢測和動態(tài)非接觸式檢測三類。

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

(2)接觸式檢測是在列車受電弓上安裝結構、性能、線性度等接觸網(wǎng)檢測裝置,在接觸網(wǎng)與受電弓相互接觸工作過程中,兩者相互作用,通過檢測受電弓的狀態(tài),計算得到接觸網(wǎng)的狀態(tài)。接觸式檢測可以實現(xiàn)24h不間斷檢測,但其受外部設備狀態(tài)、列車運行工況及環(huán)境因素等多方面因素影響較大,對測量設備本身及安裝調試要求非常高,且后期設備維護成本較高。

(3)非接觸式檢測是目前接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測的主流方向,主要有激光雷達掃描法和視覺測量法,其核心思想是通過非接觸式的傳感器對接觸網(wǎng)的參數(shù)進行檢測,實現(xiàn)接觸網(wǎng)的狀態(tài)檢測。視覺測量主要依靠高速相機對接觸網(wǎng)進行錄像,并對導高進行動態(tài)測量:激光測量主要依靠激光傳感器,通過激光測距原理,實現(xiàn)接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測。目前較為先進的非接觸式接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)由德國DB公司研制,國內研究機構在消化吸收國外技術的基礎上,自主研發(fā)了系列弓網(wǎng)檢測系統(tǒng),實現(xiàn)了接觸網(wǎng)狀態(tài)的檢測。但目前非接觸式檢測的方案還不是非常成熟,需要不斷研究改進。

本文設計了一種基于激光雷達的接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測系統(tǒng),通過融合激光雷達與激光測距傳感器的數(shù)據(jù),實現(xiàn)對接觸網(wǎng)準確、高效的非接觸式狀態(tài)檢測。

2系統(tǒng)設計

本文所設計的接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測系統(tǒng)構成如圖1所示。系統(tǒng)主要包括4個部分: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和激光測距傳感器,激光雷達使用杉川3i-T1激光雷達掃描儀,通過以太網(wǎng)RJ45接口與綜合處理單元進行通信:激光測距傳感器使用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行通信。數(shù)據(jù)采集單元使用自制數(shù)據(jù)采集板對激光雷達和激光測距傳感器獲取的接觸網(wǎng)信息進行采集,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,通過對采集單元獲取的數(shù)據(jù)進行融合,確定接觸網(wǎng)狀態(tài),并進行數(shù)據(jù)的存儲與顯示。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檢測關鍵技術

本文所設計的接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測系統(tǒng),主要通過融合激光雷達與激光測距傳感器的測量數(shù)據(jù),實現(xiàn)對接觸網(wǎng)導高與拉出值的測量,其測量的關鍵技術在于定位脈沖式測距技術和精確測量相位式測距技術,下面對這兩種關鍵技術分別進行介紹。

3.1基于時間飛行法的脈沖式測距技術

激光雷達基于飛行時間(TimeofF1ight,ToF)原理進行距離檢測,通過對激光脈沖反射時間的高精度測量,獲取準確的位置信息,同時結合電機旋轉運動實現(xiàn)環(huán)境掃描構圖。脈沖測距的基本原理如圖2所示,高精度計時器通過測量發(fā)送激光和接收激光之間的時間差計算被測目標與傳感器之間的距離,測量距離的表示如下:

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

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

3.2基于時間飛行法的相位式測距技術

相位式激光檢測技術通過調制信號對發(fā)射光波的光強進行調制,根據(jù)測量相位差計算被測目標與傳感器之間的距離,具體原理如圖3所示。

假設激光發(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間為1,則有:

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

式中:N為獲取完整周期波的數(shù)量:Ao為不足一個完整周期的波相位。

綜上可得被測目標與傳感器之間的距離為:

4現(xiàn)場試驗

基于上述方案,研制的接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測系統(tǒng)如圖4所示(已與華東交通大學軌道試驗中心共同研制)。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)檢測系統(tǒng),測量得到接觸網(wǎng)差高和拉出值如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知,所設計的系統(tǒng)可以有效測量接觸網(wǎng)的差高與拉出值,實現(xiàn)對接觸網(wǎng)狀態(tài)的有效檢測。

5結語

本文設計了一種融合激光雷達與激光測距傳感器的城市軌道交通接觸網(wǎng)狀態(tài)檢測系統(tǒng),通過激光雷達粗定位和激光測距傳感器精確測量,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)檢測技術的發(fā)展提供了參考,對提升軌道交通運維能力具有十分重要的現(xiàn)實意義。