張　東，余朝剛

(上海工程技術(shù)大學 城市軌道交通學院，上?！?01620)

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基于激光掃描的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測方法研究

張東，余朝剛

(上海工程技術(shù)大學 城市軌道交通學院，上海201620)

針對當前電氣化鐵路接觸網(wǎng)幾何參數(shù)日常檢測的需求，提出了一種基于激光掃描的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測方法，即結(jié)合激光掃描儀、光電編碼器和工控機等硬件設(shè)備進行編程處理以實現(xiàn)相關(guān)幾何參數(shù)的非接觸式采集、采樣點定位和數(shù)據(jù)處理以獲得接觸網(wǎng)的各個幾何參數(shù)，經(jīng)試驗該方法能有效的提高接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測精度，測量精度達到±3 mm，具有實際意義。

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)；激光掃描；光電編碼器；非接觸式檢測

0　引言

接觸網(wǎng)是電氣化鐵路中重要的供電設(shè)備，列車運行時通過受電弓與接觸網(wǎng)滑動接觸，向車輛牽引系統(tǒng)及其附屬設(shè)備供電。接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)直接影響著列車的行車安全和接觸網(wǎng)及受電弓的使用壽命。為保證鐵路系統(tǒng)的正常運營，需對接觸網(wǎng)各項幾何參數(shù)進行周期性檢測，保證行車安全[1]。

目前國內(nèi)在接觸網(wǎng)參數(shù)檢測方面的測量方法主要有兩種：接觸式檢測和非接觸式檢測。接觸式檢測通常是在受電弓滑條或弓架上安裝傳感器與高壓接觸線直接接觸進行檢測，這樣在檢測過程中就存在很大的安全隱患，而且測量精度較低。非接觸式測量常用CCD成像檢測法，它是利用安裝在列車頂部的高速攝像機對接觸網(wǎng)進行拍攝，通過成像位置計算出接觸線相對攝像機的高度和橫向偏移，從而得到接觸線的導高和拉出值等幾何參數(shù)。這種方法因采集來的圖像包含過多冗余信息及算法過于復(fù)雜而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性[2]。

本文提出采用激光掃描儀對接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，利用光電編碼器得到行駛路程信息來對數(shù)據(jù)進行定位，并通過對數(shù)據(jù)的過濾、處理并計算得到接觸網(wǎng)的各個幾何參數(shù)。

1　測量原理分析

1.1檢測項目及意義

本系統(tǒng)主要是對接觸網(wǎng)的導高和拉出值這兩個參數(shù)進行檢測。導線高度是指接觸導線底端到兩軌道水平面的垂直距離，導高的大小要限定在一個合理的范圍內(nèi)，若導高過大則受電弓易與接觸網(wǎng)脫離發(fā)生離線事故，導高過小時則容易發(fā)生鉆弓事故。拉出值是指接觸導線定位點到兩軌道中心線的水平距離，該參數(shù)表明了接觸導線在受電弓滑板上來回滑動的距離范圍，若拉出值過大，在惡劣天氣(大風天氣)情況條件下，接觸導線容易超出受電弓的工作范圍，發(fā)生鉆弓事故，而拉出值過小時，接觸導線就不能達到均勻磨耗滑板的目的，從而縮短受電弓滑板的使用壽命[3]。

1.2測量原理

激光掃描儀作為現(xiàn)場檢測設(shè)備利用了激光相位測距原理，將測距裝置與光學轉(zhuǎn)動裝置合成為激光掃描系統(tǒng)。相位測距方法是通過測量調(diào)制光波往返于掃描儀與目標點產(chǎn)生的相位延遲，間接測量調(diào)制光波運行的時間，測量出距離，角度測量是通過角位移傳感器完成的[4]。

測量原理如圖1所示，O為激光發(fā)射點，掃描儀通過均勻旋轉(zhuǎn)棱鏡使激光脈沖完成對某一定點截面的掃描，點A點B為掃描到的兩條軌道的位置，激光測距裝置測量出激光發(fā)射點到接觸導線的距離OD，用d表示，角位移傳感器則測量出從掃描中心點到接觸導線棱鏡旋轉(zhuǎn)的角度θ(規(guī)定激光束與軌面垂直時θ=0)，OE為激光發(fā)射點到軌道中心線C的距離，OF為激光發(fā)射點到軌道面AB的距離。

圖1　測量原理圖

導高H，即從接觸線上D點到軌道面AB的距離：

(1)

拉出值L，即接觸線到兩軌道中心(C點)的距離：

(2)

其中：OE、OF為常數(shù)，由檢測系統(tǒng)的外形尺寸確定。當接觸線位于掃描儀的左側(cè)時L=d×sinθ+OE。

激光對接觸導線進行掃描時，對輸出距離信息進行高頻率采樣，掃描一周最多可以采樣17 352個點(采樣點個數(shù)可以通過調(diào)節(jié)掃描儀分辨率來改變)。接觸導線的最大高度為6 500 mm，檢測裝置離軌面垂直距離大約為1 700 mm，則以4 800 mm為半徑畫一個圓，圓的周長為2πR=30 144 mm，再等間距采樣17 352次，采樣間隔為1.74 mm，在這個采樣間隔完全可以使激光掃描接觸導線時采樣一次以上，保證激光采樣距離d的正確性。

2　檢測系統(tǒng)的設(shè)計

2.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計

考慮到戶外現(xiàn)場作業(yè)的惡劣環(huán)境因素，本系統(tǒng)采用了成熟的工業(yè)級模塊和測量器件，系統(tǒng)的硬件設(shè)備組成如圖2所示。該系統(tǒng)設(shè)備由激光掃描儀、定位傳感器件(光電編碼器)、計算機實時同步系統(tǒng)、操縱顯示面板以及電源等部分組成。

圖2　檢測系統(tǒng)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

激光掃描儀選用FARO Focus 3D激光掃描儀，其掃描距離范圍為0.6～120 m，掃描最大頻率為97.6萬點/秒，系統(tǒng)距離誤差達到±2 mm，其配備觸摸屏，可以方便直觀地設(shè)置掃描儀的掃描模式和相關(guān)的一些參數(shù)。

光電編碼器選用上海德晶光電公司生產(chǎn)的HTE系列雙通道增量式光電編碼器，它是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出A、B兩路方波脈沖信號。車軸每旋轉(zhuǎn)一圈編碼器會輸出1 024個方波脈沖，根據(jù)記錄到的編碼器的脈沖數(shù)以及車輪的直徑就可以推算出車子行走的距離。

計算機實時同步系統(tǒng)主要由美國國家儀器(NI)公司生產(chǎn)的小型工業(yè)計算機以及數(shù)字采集模塊組成，工控機采用型號NI PXI-1031DC的4槽機箱，機身內(nèi)部配有NI PXI-8110 2.26 GHz四核嵌入式處理器主要完成數(shù)據(jù)處理存儲工作，而數(shù)字采集模塊采用型號為NI PXI-6602數(shù)字采集卡，該采集卡擁有多個計數(shù)器/定時器和與TTL/CMOS兼容的數(shù)字I/O引腳，可執(zhí)行各種諸如事件計數(shù)、脈沖寬度測試、脈沖序列生成以及頻率測量等任務(wù)，在這里主要完成移動位置數(shù)據(jù)采集工作。軟件同樣使用NI公司研發(fā)的LABVIEW開發(fā)環(huán)境編寫實時同步程序完成掃描儀的2D數(shù)據(jù)與車體移動位置數(shù)據(jù)的同步。

2.2系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖3所示。首先將掃描儀設(shè)置成2D掃描模式，并設(shè)置好相關(guān)參數(shù)。之后通過操縱面板給掃描儀發(fā)送一個低電平信號使掃描儀開始掃描記錄二維坐標數(shù)據(jù)。每當反射棱鏡旋轉(zhuǎn)到0°即鏡面正對掃描儀底部時，掃描儀會輸出一個低電平方波脈沖信號，計算機同步系統(tǒng)將該信號作為同步標記信號。

圖3　系統(tǒng)工作原理圖

計算機同步系統(tǒng)在小車移動過程中通過每個編碼器發(fā)出的A、B兩相脈沖實時判斷車輪的轉(zhuǎn)動方向并進行加減計數(shù)。當計算機同步系統(tǒng)接收到掃描儀輸出的脈沖時，以此脈沖信號作為同步標記信號，將此時車輛的位置數(shù)據(jù)與該同步信號綁定形成一個標記文本并進行存儲供線下處理。

3　數(shù)據(jù)處理

采用法如公司的FARO SCENE軟件，通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換將FARO格式(法如fls格式)轉(zhuǎn)化為文本格式(xyz格式)，掃描數(shù)據(jù)格式如圖4所示。Column為掃描儀掃描圈數(shù)，row為每一圈上點個數(shù)，X、Y、Z為每一點的坐標位置。

圖4　掃描數(shù)據(jù)存儲

3.1數(shù)據(jù)濾波

根據(jù)得到的3D空間坐標數(shù)據(jù)，選取其中的一圈數(shù)據(jù)進行分析。如圖5所示為隧道內(nèi)激光掃描一圈的輪廓曲線圖，為了減少數(shù)據(jù)傳輸、提高程序處理速度及系統(tǒng)的運行效率，考慮到接觸線拉出值的測量范圍，設(shè)定掃描儀的掃描范圍為30°，即此時測量系統(tǒng)的角度測量范圍為-15°～15°，圖6所示為掃描范圍30°的輪廓曲線圖。

圖5　激光掃描輪廓曲線

圖6　掃描范圍30°的輪廓曲線圖

在實際的測量過程中通常存在多種因素(如隧道內(nèi)其它非目標物體的遮擋、車輛振動等)的影響，測得數(shù)據(jù)通常不是最理想結(jié)果。因此首先需要對數(shù)據(jù)進行濾波處理，過濾掉一些有明顯粗差的數(shù)據(jù)和一些無效數(shù)據(jù)，從而得到目標物體信息的最佳值。本文選用差分方法進行數(shù)據(jù)濾波，通過MATLAB軟件進行編程來實現(xiàn)濾波算法。

函數(shù)的前向差分通常簡稱為函數(shù)的差分，對于函數(shù)f(x)，如果：

(3)

則稱Δf(x)為函數(shù)f(x)的一階差分，簡稱為差分[5]。

將掃描得到的原始二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為極坐標表示，形成一個二維數(shù)組，包括掃描儀到接觸線的距離R和轉(zhuǎn)過角度θ，數(shù)據(jù)濾波的目標函數(shù)是Rn，n表示掃描點的個數(shù)，由差分定義得到距離的差分表達式為：ΔRn=R(n+1)-R(n)，運算結(jié)果如圖7所示。

圖7　一階差分與原始數(shù)據(jù)對比圖

由圖7可以看出，掃描到目標物附近時，原始數(shù)據(jù)曲線中會出現(xiàn)一個極小值，差分曲線在此極小值的對應(yīng)位置左右有2個尖點，并且左邊的值是小于0的，而右邊的值則大于0，中間部位值近似為0，符合這些條件的尖點則認為是目標物的數(shù)據(jù)邊界。因此，濾波處理的過程可分為如下步驟：

1)過濾背景噪聲數(shù)據(jù)。設(shè)定閾值H，將ΔRn與H比較，將背景噪聲數(shù)據(jù)濾除并存儲大于H的數(shù)據(jù)點，得到了差分曲線中的尖點數(shù)據(jù)。

2)確定原始曲線目標邊界點的位置。逐一比較相鄰的尖點，并記錄滿足ΔRn-1<0且ΔRn>0成立的n值，并且根據(jù)n得數(shù)值確定目標物的邊界點位置。

3)根據(jù)上一步得到的數(shù)據(jù)判斷其是否合理。因接觸線的直徑一定，掃描所得到的點的個數(shù)一定，因此可根據(jù)掃描到的目標點的個數(shù)判斷其數(shù)據(jù)合理性。

通過分析接觸懸掛的類型和接觸導線的位置，取閾值H=0.5，差分曲線中所有大于此值的點全部認為是隨機波動而濾除，過濾后的數(shù)據(jù)點如圖8所示。

圖8　濾波后數(shù)據(jù)點圖

3.2目標識別與提取

對數(shù)據(jù)進行濾波處理后將得到的信息以數(shù)組的形式表現(xiàn)出來，其中dn表示掃描斷面上掃描點與掃描中心之間的距離，θ為各距離所對應(yīng)的角度，如式(4)所示：

(4)

設(shè)定某條距離線為閾值，生成與數(shù)組A同維的向量，對其元素賦值的規(guī)則為：所有大于閾值的距離值標示為0，其余連續(xù)在閾值內(nèi)的距離依次標示為1,2,3,…m，若值相同則認為它們是輪廓線上的同一個凸起，將此向量附于A1形成向量A2。

(5)

剔除掉非凸起物后得到向量A3：

(6)

每個凸起點的最低點生成如下數(shù)組：

(7)

以通過各凸起最低點且平行于X軸的直線為下界，以某一距離為高度限制，以受電弓滑板的長度為寬度容限，生成如圖9所示區(qū)域①，接觸線就是此區(qū)域內(nèi)的凸起點，再根據(jù)此其高度及距離判斷其為哪種類型(單支接觸線、雙支接觸線、剛

表1　上海南站現(xiàn)場隧道部分線路導高檢測結(jié)果

圖9　目標識別區(qū)域

性懸掛、柔性懸掛等)[6]，最后將判斷出的接觸導線凸起點的最低點坐標代入公式(1)和公式(2)可以得到接觸導線的導高和拉出值。

4　實驗結(jié)果與分析

該系統(tǒng)在上海地鐵1號線上海南站的隧道內(nèi)進行了現(xiàn)場實驗，以接觸網(wǎng)導線高度為例，表1所示為部分線路導高測量結(jié)果，由表中可以看出與以精度為1 mm的人工測量結(jié)果相比，本測量系統(tǒng)的導高測量結(jié)果基本相同，驗證了接觸網(wǎng)幾何參數(shù)激光測量系統(tǒng)的正確性，同時采用激光掃描法的平均絕對誤差為±3 mm，表明測量結(jié)果具有較高的準確度。

5　結(jié)論

接觸網(wǎng)的參數(shù)檢測及其檢測方法的提高與完善是電氣化鐵道快速發(fā)展的重要組成部分，其中非接觸式無損測量和數(shù)據(jù)智能化處理將是接觸網(wǎng)日常參數(shù)檢測的主要發(fā)展方向。本文介紹了一種基于激光掃描的接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)，能夠滿足接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的非接觸式測量，可完全取代傳統(tǒng)接觸式的人工道尺測量模式，且測量精度高達±3 mm，運行可靠，操作簡單，具有廣闊的推廣前景和很好的經(jīng)濟效益。

[1]陳忠斌,周燕芳,韋寶泉. 便攜式接觸網(wǎng)幾何參數(shù)激光測量儀的研制[J]. 傳感器與微系統(tǒng),2013,32(4):103-105.

[2] 羅亞敏. 地鐵接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測方式的對比[J]. 鐵道技術(shù)監(jiān)督,2012,40(2):30-31.

[3] 馬劍波. 接觸網(wǎng)導高及拉出值激光測量儀的研究[D].北京：北京交通大學,2006.

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[5] 王建利,劉晉浩,王典,等. 基于差分計算的林木測量二維點云數(shù)據(jù)濾波[J]. 西北林學院學報,2012,27(3):193-196.

[6] 牛大鵬. 非接觸式接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測系統(tǒng)研究[D].成都：西南交通大學,2008.

Catenary Geometry Parameter Detection Method Based on Laser Scanning

Zhang Dong，Yu Chaogang

(College of Urban Railway Transportation, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai201620, China)

In view of the current electrified railway catenary geometry parameters daily testing requirements, this paper proposes a catenary geometry parameter detection method based on laser scanning, the combination of hardware, such as laser scanner and industrial control, photoelectric encoder, programming processing to achieve the relevant geometric parameters of the non-contact sampling, sampling point positioning and data processing for catenary of various geometric parameters, through the experiment the method can effectively improve the catenary geometry parameters detection precision, measurement accuracy is ±3 mm, has practical significance.

catenary geometry parameters；laser scanning；photoelectric encoder；non-contact detection

2015-07-13；

2015-08-25。

上海市研究生教育創(chuàng)新計劃學位點引導布局與建設(shè)培育項目(13sc002)。

張東(1989-)，男，山東省棗莊市人，碩士研究生，主要從事軌道車輛狀態(tài)檢測方向的研究。

余朝剛(1967-)，男，貴州省普安市人，副教授，碩士研究生導師，主要從事工業(yè)自動化方向的研究。

1671-4598(2016)01-0057-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.015

U226.8

A