吳儉民，王慶賢，金順利

(1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅蘭州 730070；2.國網(wǎng)武威供電公司，甘肅武威 733000)

?

基于大功率超聲測量的機車車輛靜態(tài)限界快速自動檢測方法

吳儉民1，王慶賢1，金順利2

(1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅蘭州 730070；2.國網(wǎng)武威供電公司，甘肅武威 733000)

機車靜態(tài)限界是保證機車安全運行的基本條件，針對現(xiàn)有的接觸式檢測手段操作復雜、效率低等問題，基于自動化檢測的要求，設計一種采用大功率超聲波傳感器測距的機車限界檢測系統(tǒng)。介紹了檢測原理，并根據(jù)系統(tǒng)的結構組成，給出了對應的校正公式，保證了測量結果的精度。系統(tǒng)測量過程簡單，測量精度高，實現(xiàn)了自動化測量的目標，滿足機車車輛靜態(tài)限界檢測的要求。

靜態(tài)限界；機車車輛；自動測量；大功率超聲波

0 引言

近年來，隨著社會經(jīng)濟的不斷進步，我國的鐵路運輸系統(tǒng)也在高速發(fā)展，這對鐵路運輸?shù)陌踩耘c可靠性提出了更高的要求。尤其對于高速鐵路，更快的速度和更重的載荷對機車車輛的制造提出了更高的要求[1]。鐵路限界是保證鐵路安全運營的重要標準之一，直接關系到機車車輛在線路上安全運行[2]。鐵路限界可分為機車車輛限界和建筑物接近限界，機車車輛限界則是一個垂直于線路中心線的橫斷面輪廓，是在進行機車車輛設計、制造以及運用過程中的基本參數(shù)。當機車車輛在沿軌道線的直線或曲線上運行到最大可能偏移位置并停留時，車輛最外輪廓各點所形成的凈空稱為機車車輛在直線或曲線上的靜態(tài)限界[3]。

目前常采用接觸式鐵路機車車輛靜態(tài)限界規(guī)[4]對鐵路機車車輛的外形輪廓進行測量，一次測量需要4～5名工作人員，且存在許多問題，如測量累積誤差大、效率低、受人為因素等的影響。隨著目前各種高精度、高效率的非接觸式檢測手段的廣泛成功應用，考慮將傳統(tǒng)的接觸式測量替換為快速、精確的非接觸式限界測量。本文提出了一種采用大功率超聲波作為測距手段[5]的機車車輛靜態(tài)限界非接觸式測量系統(tǒng)，為鐵路機車車輛的靜態(tài)限界測量提供了一種經(jīng)濟而有效的解決方案。

1 檢測系統(tǒng)的組成與檢測原理

1.1 檢測系統(tǒng)的組成

考慮到在檢測過程中，主要檢測目標為機車車輛上部限界，所以設置龍門框架圍繞機車車體，框架上傳感器布置示意圖如圖1所示。

圖1 機車靜態(tài)限界測量系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)由計算機、3個測距傳感器、3個伺服電機以及相應的輔助運動的導軌、相關支撐框架以及全部的軟件系統(tǒng)組成。測距傳感器用于測量傳感器安裝點到車體輪廓表面的距離；支撐框架用來支撐輔助運動的導軌；伺服電機控制測距傳感器沿導軌運動，進而完成對整個車身的全部檢測，可通過相應的單片機記錄相應的位移；計算機承擔最終的數(shù)據(jù)處理，并以三維圖形的方式直觀地反映測量結果。

1.2 檢測系統(tǒng)的檢測原理

根據(jù)機車車輛靜態(tài)限界標準規(guī)定，建立軌道中心坐標系如圖2所示。其中，Y軸為機車行進方向；X軸為軌平面切線，垂直于Y軸；Z軸為XOY平面的法線，三者交與軌道中心。

圖2 軌道中心坐標系

假設圖1中2號傳感器在軌道中心坐標系下的坐標為(x20，y20，z20)，若輔助運動的長、短導軌的位移分別為l長、l短，則有被測點在軌道中心坐標系下的坐標為(x，y，z)為

(1)

在檢測過程中，控制伺服電機，使其沿輔助運動的軌道掃描整個機車輪廓。同時，記錄伺服電機在不同位置時，測距傳感器測得的距離值，為了使測量結果精確，需要盡可能多地采集原始數(shù)據(jù)，對于機車車體的明顯轉折處，更要注意掃描密度。通過串口將3個傳感器得到的原始數(shù)據(jù)傳給主機，由主機融合分析后，計算繪制出檢測機車的輪廓線，并與當前車型的限界標準比較，從而判斷得出，被檢測機車是否發(fā)生超限。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

1.3 檢測系統(tǒng)傳感器的選擇

常用的超聲波傳感器中的換能器的一般由壓電晶體(電致伸縮)制成，受其材料的影響，超聲波的發(fā)射功率一般不會很大，造成反射回波的信號強度太低從而不容易被檢測到或者因為大的發(fā)射角而得到比實際距離短的數(shù)值，從而導致測距失敗。系統(tǒng)選用URM06-RS485大功率超聲波測距模塊測量車體到傳感器安裝點的實際距離，URM06-RS485超聲波測距模塊的技術規(guī)格如下所示：

(1)平時電流為16 mA，發(fā)射時瞬間電流為2 A；

(2)工作電壓為6～12 V，工作溫度為-10～+70 ℃，測量范圍為20 cm～10 m，螺紋安裝；

(3)工作頻率為49.5 kHz，探頭方向角為15°(-6 dB)；

(4)接口方式RS485。

2 系統(tǒng)校準與侵界判斷

2.1 系統(tǒng)校準

由系統(tǒng)結構可知，系統(tǒng)中包含多個測距傳感器，每個傳感器負責車體一部分輪廓線與傳感器安裝點一維距離的測量，所以需要將多個傳感器測得的一維距離統(tǒng)一于軌道中心坐標系內，從而保證測量精度。如圖4所示，由郭寅、劉常杰[6]等人所做的工作可以得知，設圖1中2號超聲波測距傳感器的起始坐標為(x0，y0，z0)，長、短運動導軌及測量聲波的矢量分別為(i長，j長，k長)、(i短，j短，k短)、(i測，j測，k測)，當長、短導軌分別產(chǎn)生l長、l短的位移時，超聲波測距傳感器測得值為l測。其中，l長、l短可由單片機記錄伺服電機運動而得到，則被測點的坐標系可表示為下式：

(1)

圖4 系統(tǒng)校準計算示意圖

2.2 侵界判斷

根據(jù)段培勇等人[7]的研究成果，可以將判斷機車限界是否侵界等同于判斷軌道中心坐標系下某斷面中有沒有掃描點處于限界標準內，由于鐵路機車限界標準是一個封閉的曲線，可以采用水平射線算法[8]，通過求解該點的水平線與多邊形各邊的交點個數(shù)來判斷是否有侵界發(fā)生。圖5為射線判別算法示意圖。假設圖5中閉合曲線為機車靜態(tài)限界，A、B分別為檢測到的車輛輪廓線的點，圖5中A點在機車限界內，未發(fā)生侵界，作水平射線與閉合曲線的交點只有一個；，圖5中B點在機車限界允許外，發(fā)生侵界，作水平射線與閉合曲線的交點不等于一個，同時可根據(jù)射線方向與交點個數(shù)判斷得出侵界點究竟位于機車的什么位置。

圖5 射線判別算法示意圖

3 檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)

檢測系統(tǒng)除了需要按照圖1中所示布置龍門框架外，還有相應的軟件實現(xiàn)過程，軟件系統(tǒng)除了包括超聲波測距、伺服電機的控制等下位機程序外，還包括檢測系統(tǒng)的上位機程序，主要功能為數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)存儲與讀取等。

3.1 超聲波測距

系統(tǒng)中超聲波測距的主要任務為完成傳感器到車體輪廓表面距離的測量，系統(tǒng)以STC89C51單片機為核心控制芯片，程序采用單片機C語言[9]編寫。單片機與上位機采用RS232串口方式完成數(shù)據(jù)通信。超聲波測距流程如圖6所示。

圖6 超聲波測距流程圖

超聲波測距傳感器安裝固定于短運動導軌上，由伺服電機運動控制，完成對車體全部輪廓線的掃描。伺服電機也稱執(zhí)行電機，受輸入的的脈沖信號控制、并且響應速度很快。檢測系統(tǒng)選用全數(shù)字永磁交流伺服電機CSMS及其驅動系統(tǒng)，功率為1.2 kW.

3.2 串口通信

檢測系統(tǒng)中共有3個用以控制伺服電機和超聲波傳感器測距的單片機，都選用9針串口方式(RS232)與上位機通信。LabVIEW中具有串行通信方式的的相關控件，只需設置好相應的波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、停止位即可。通信程序截圖如圖7所示。

圖7 串口通信程序截圖

3.3 檢測系統(tǒng)的操作界面

系統(tǒng)通過基于LabVIEW編程的上位機軟件程序實現(xiàn)機車車輛橫斷面輪廓測量的自動化控制。LabVIEW由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)，使用圖形化編輯語言G編寫程序，具有界面友好、直觀，便于操作等優(yōu)點[10]。檢測系統(tǒng)上位機軟件系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)通訊模塊、主控模塊、超限警告模塊、數(shù)據(jù)存儲與讀取模塊，檢測系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8 機車車輛靜態(tài)限界檢測界面

4 結果分析

系統(tǒng)設計完成后，首先對各傳感器進行重復性精度試驗，試驗結果表明，傳感器實驗測量誤差小于5 mm，滿足鐵路機車車輛靜態(tài)限界檢測的要求。圖8右側部分為系統(tǒng)檢測結果生成的一部分。系統(tǒng)測量結果與人工測量相比，測量精度更貼近機車的設計參數(shù)，且檢測時間明顯降低。

5 結論

針對傳統(tǒng)的接觸式車輛限界檢測手段的不足，設計了一種基于大功率超聲波的非接觸式檢測系統(tǒng)。實現(xiàn)了自動化檢測的目標，提高了檢測效率，極大降低了測量分析人員的工作量；采用由磁致伸縮材料制成的大功率超聲波傳感器，保證了測量的可靠度；總結前人所做工作，給出了多個傳感器同時測量時的校準公式，使測量結果的精度更高；利用單片機系統(tǒng)高性能、低功耗、低價格等特點，結合PC機較強大的數(shù)據(jù)圖像處理功能，將二者取長補短，有機融為一體；很好地滿足了鐵道機車車輛靜態(tài)限界測量系統(tǒng)的需求。

[1] 吳斌,莊洵,劉常杰,等.鐵路機車車輛靜態(tài)限界測量系統(tǒng)校準方法研究.傳感技術學報，2013，26(1)：58-62.

[2] 鄭天中.高武鐵路限界有關問題探討.鐵道標準設計，1996，6(5)：4-8.

[3] 鞠殿銘,郭維鴻,胡安洲.關于機車車輛靜態(tài)限界若干問題的探討.北方交通大學學報，1997，21(6)：625-628.

[4] GB/T16904.2—2006 標準軌距鐵路機車車輛檢查 第2部分：限界規(guī).

[5] 劉升平,王劍,葛紅.超聲波測距系統(tǒng)的開發(fā)與研究.計算機工程與應用，2009，45(25)：78-81.

[6] 郭寅,劉常杰,劉剛,等.機車車輛靜態(tài)限界非接觸式自動測量測量系統(tǒng).中國鐵道科學，2013，34(1)：135-138.

[7] 段培勇,薛峰,謝錦妹,等.激光掃描技術在鐵路限界檢測中的應用研究.鐵道建筑，2013(8)：89-92.

[8] 鄒有建,肖龍鑫,陳鼎.判斷某點是否在任意多邊形內兩種算法的比較.地礦測繪，2009(3)：28-30.

[9] 趙建領，薛圓圓.零基礎學單片機C語言程序設計.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[10] 鄭對元等.精通LabVIEW虛擬儀器程序設計.北京：清華大學出版社，2012.

Fast and Automatic Vehicle Static Margin Based on High-power Ultrasonic Measurement

WU Jian-min1,WANG Qing-xian1，JIN Shun-li2

(1.School of Automation and Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong Uniwersity,Lanzhou 730070,China; 2.State Grid Gansu Electric Power Company Wuwei Power Supply Company,Wuwei 733000,China)

The static margin of the railway vehicle is a basic condition to ensure the safe operation of vehicles.In view of the problems such as operation complex and low efficiency of the existing contact test methods,based on the demand of automatic detection,this paper designed a vehicle clearance gauge detection system using high-power ultrasonic.The paper introduced the detection principle and then according to the structure of the system gave the corresponding correction formula,and ensured the accuracy of the measurement results.The system has simple measurement process and high measurement precision;it has achieved the goal of automatic measurement and can meet the requirements of tunnel limit test well.

static margin;vehicle;automatic measurement;high-power ultrasonic

甘肅省聯(lián)合基金資助項目(211158)

2014-01-08 收修改稿日期：2014-10-20

TP399

A

1002-1841(2015)02-0085-03

吳儉民(1990—)，碩士研究生，主要從事智能檢測與控制、電力電子與電力傳動領域的研究。E-mail：yboxuan@126.com 王慶賢(1955—)，高級工程師，主要從事智能檢測與控制、碳化硅節(jié)能減排等領域的研究。