陳光偉，李春亞

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460)

鐵路軌道參數(shù)的光電測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳光偉，李春亞

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460)

隨著我國鐵路向高速重載的方向發(fā)展，列車對軌道的要求越來越高，目前我國鐵路軌道參數(shù)測量采用的是弦線測量法。在對當(dāng)前軌道參數(shù)測量系統(tǒng)的不足進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)基于嵌入式處理器的數(shù)字化系統(tǒng)，采用高亮度光源作為測量點(diǎn)，結(jié)合線陣CCD的成像特性，完成軌道測量系統(tǒng)的數(shù)字化處理，并通過網(wǎng)絡(luò)完成與上位機(jī)的通訊。該光電測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對軌道參數(shù)的高精度、高速率的實(shí)時(shí)測量，同時(shí)也對線路搗固未來的發(fā)展起著積極作用。

軌道；正矢；CCD；搗固車

軌道質(zhì)量直接影響鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩托?，隨著我國鐵路向高速化、重載化的方向發(fā)展，列車對軌道質(zhì)量的要求越來越高。 軌道的各個(gè)參數(shù)(包括軌距、水平、高低、軌向、三角坑、曲線超高與正矢等)直接影響著鐵路線路養(yǎng)護(hù)的質(zhì)量[1]，軌道參數(shù)的精度測量是否符合要求至關(guān)重要。目前，我國鐵路的養(yǎng)護(hù)已經(jīng)進(jìn)入了大型養(yǎng)路機(jī)械化施工階段，作為線路養(yǎng)護(hù)主要機(jī)型之一的抄平起撥道搗固車，其軌道參數(shù)的測量系統(tǒng)也面臨著新的挑戰(zhàn)。

1 傳統(tǒng)的軌道參數(shù)測量方法

抄平起撥道搗固車現(xiàn)有的軌道參數(shù)測量系統(tǒng)基于三點(diǎn)法或四點(diǎn)法的偏差檢測原理[2]，該系統(tǒng)的檢測機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。搗固車在作業(yè)時(shí)，通過車輛底部的4個(gè)檢測小車加載到左右兩股鋼軌上，在檢測小車A、D之間張緊一根鋼絲弦線作為檢測基準(zhǔn)。作業(yè)時(shí)，弦線穿過檢測小車B、C上測量傳感器的撥叉來測量線路矢距值等參數(shù)。采用三點(diǎn)法檢測時(shí)，測量鋼絲弦線在小車B處被卡于傳感器的中部，此時(shí)通過C點(diǎn)小車上的矢距傳感器對線路的實(shí)際矢距進(jìn)行測量，線路理論矢距需要人工輸入給定，C點(diǎn)的測量矢距值與理論矢距值的差值為方向檢測偏差。采用四點(diǎn)法時(shí)，B點(diǎn)小車的測量矢距值為該處線路矢距的理論值，該值通過一定的比例關(guān)系與C點(diǎn)小車上的測量矢距值進(jìn)行比較，其差值即為方向檢測偏差。

圖1 軌道參數(shù)檢測機(jī)構(gòu)

這種傳統(tǒng)的鋼絲弦線測量法存在著測量精度低，鋼絲易磨損，抗振動(dòng)環(huán)境差等缺點(diǎn)，已難以有效提升搗固車的作業(yè)精度。

2 軌道參數(shù)光電測量系統(tǒng)組成

2.1 與傳統(tǒng)測量方法的比較

搗固車軌道參數(shù)光電測量系統(tǒng)仍采用三點(diǎn)法或四點(diǎn)法的偏差檢測原理，但該系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)視覺測量原理，采用光學(xué)測量的方式，用光路來代替鋼絲弦線，幾個(gè)關(guān)鍵測量點(diǎn)位置用光源來替代。采用這種光電視覺測量方法可以克服鋼絲磨損后產(chǎn)生系統(tǒng)測量誤差的缺點(diǎn)，極大地提高軌道參數(shù)測量的精度和速度。同時(shí)，由于其測量速度快，可以進(jìn)行多次測量，基于數(shù)字處理的方法對數(shù)據(jù)分析和處理后給出最終的測量值，減小了環(huán)境振動(dòng)等因素對測量結(jié)果的干擾。

2.2 光電測量系統(tǒng)的工作原理

搗固車光電測量系統(tǒng)由光源單元和測量單元組成。光源單元提供用于測量的高亮度光源，是測量的標(biāo)志點(diǎn)；測量單元采集光源圖像[3]，計(jì)算出光源標(biāo)志點(diǎn)相對于測量基準(zhǔn)點(diǎn)的位置信息，是測量的核心部件。

光電設(shè)備安裝于車輛底盤，檢測系統(tǒng)仍由4臺檢測小車組成，如圖2所示。光學(xué)測量器件CCD相機(jī)安裝于C點(diǎn)小車上，另外3個(gè)小車上分別裝有高亮度光源A點(diǎn)，B1、B2點(diǎn)，D點(diǎn)。點(diǎn)光源通過柱面的透鏡配合線陣CCD進(jìn)行光源圖像采樣。被測點(diǎn)沿車行方向與C點(diǎn)距離的變化由編碼器提供。成像系統(tǒng)通過兩個(gè)分別與水平面左右傾斜45°的柱面鏡將點(diǎn)光源成像為左右傾斜45°的光條紋，而兩個(gè)線陣CCD與柱面鏡方向垂直布置。根據(jù)兩個(gè)方向的光條紋與對應(yīng)線陣CCD的交點(diǎn)，可以計(jì)算出被測點(diǎn)光源與C點(diǎn)的相對精確位置，進(jìn)而計(jì)算出C點(diǎn)位置軌道的正矢、超平、超高等線路參數(shù)[4]。

圖2 光電測量系統(tǒng)組成

3 光電測量系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制結(jié)構(gòu)

光電測量控制系統(tǒng)主要用于搗固車作業(yè)期間實(shí)時(shí)測量鐵路軌道參數(shù)。由于搗固車作業(yè)環(huán)境存在振動(dòng)，對正矢、超平、超高等線路參數(shù)的采集要實(shí)時(shí)進(jìn)行，利用線陣CCD的成像特性[3]，將各檢測點(diǎn)的位置信息通過CCD成像，把光信號轉(zhuǎn)換為電荷信號，經(jīng)過信號處理電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳輸給CPU處理。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 控制結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)中的點(diǎn)光源為高亮度光源，通過485總線線纜與測量系統(tǒng)相連，若光源在工作過程中出現(xiàn)故障，可非常方便地用備用光源進(jìn)行替換。替換前，需要在上位機(jī)中單獨(dú)對該光源進(jìn)行地址修改。圖像傳感器芯片選用Toshiba公司的高靈敏度線陣CCD芯片TCD1500C，其測量精度高，分辨率高，內(nèi)置有驅(qū)動(dòng)和采樣保持電路，可以直接輸出除了調(diào)幅脈沖成分的圖像信號。CCD只需要SH、Φ、RS等3路驅(qū)動(dòng)信號，信號處理系統(tǒng)主要用于對線陣CCD[5]的輸出信號進(jìn)行數(shù)字化處理以方便嵌入式處理器處理?？刂葡到y(tǒng)中的嵌入式處理器選用TMS320F2812，它是TI家族C2000系列中的高檔產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于測試、信號處理、通訊等大運(yùn)算量的領(lǐng)域，并且具有SP、SPI、DMA、PCI、USB接口，也可以與上位機(jī)和下位機(jī)通訊，具有如下主要特點(diǎn)：

(1)高性能的32位CPU，哈佛總線結(jié)構(gòu)，極快的中斷響應(yīng)和處理能力。

(2)3.3 V編程電壓，低功耗設(shè)計(jì)，且具有3種低功耗模式。

(3)運(yùn)算速度快，時(shí)鐘周期為6.67ns，指令豐富，適于復(fù)雜控制算法。

(4)片內(nèi)集成128K*16BitFlashEEPROM，18K*16BitRAM。

(5)高達(dá)56個(gè)可配置通用目的I/O引腳。

(6)片內(nèi)集成3種通信接口，包括CAN控制器、SPI、SCI。

(7)片內(nèi)集成16通道的12位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。

嵌入式處理模塊主要用于處理4路圖像輸入，同時(shí)位移傳感器信號和前后電子擺信號也輸入嵌入式處理模塊。嵌入式處理模塊完成數(shù)據(jù)輸入、圖像預(yù)處理、坐標(biāo)計(jì)算的工作，并通過網(wǎng)絡(luò)端口以UDP協(xié)議向上位機(jī)發(fā)送結(jié)果。在上位機(jī)的軟件中設(shè)計(jì)有相應(yīng)的界面和接口，可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)查詢、結(jié)果測量，包括：

(1)基本信息：工作模式(三、四點(diǎn)法)，加載方式(左、右加載)。

(2)曝光時(shí)間：各個(gè)相機(jī)的曝光時(shí)間可以單獨(dú)設(shè)定，但設(shè)定值必須在11～255之間。

(3)通信參數(shù)：端口和IP地址等信息。

(4)發(fā)送模式：包括發(fā)送速率和濾波方式等。

(5)拓展查詢：用于查詢拓展參數(shù)。

(6)標(biāo)定軌道參數(shù)：可以用于標(biāo)定軌道參數(shù)的信息，包括初始軌道參數(shù)偏移量、軌道計(jì)算參數(shù)和修正量等。

3.2 光電測量系統(tǒng)的電氣接口

在電氣連接上，我們將光電測量系統(tǒng)分為3個(gè)部分。第一部分是測量箱，它包含整個(gè)嵌入式處理模塊和線陣CCD，是整個(gè)圖像采集和測量系統(tǒng)的核心。在測量箱箱體側(cè)面有4個(gè)航空插頭，主要用于AD轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)調(diào)試、系統(tǒng)電源、網(wǎng)絡(luò)通信。其中，AD插頭可輸入4路傳感器模擬信號，用于位移傳感器和2個(gè)電子擺信號，以及預(yù)留1路輸入；網(wǎng)絡(luò)通信主要通過雙層屏蔽四芯網(wǎng)線連接上位工控機(jī)。第二部分為電源盒，包括電源的輸入和輸出，2個(gè)DC/DC隔離電源。它不僅向測量箱供電，還承擔(dān)外部傳感器的供電，同時(shí)通過485通信線纜連接外部光源。第三部分是點(diǎn)光源，系統(tǒng)中獨(dú)立的4個(gè)點(diǎn)光源與測量箱通過電源盒實(shí)現(xiàn)電氣連接，共同組成485串行通信網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)出現(xiàn)點(diǎn)光源故障時(shí)可方便更換備用光源。

4 結(jié)語

軌道參數(shù)光電測量系統(tǒng)作為搗固車的核心部件之一，可安裝于步進(jìn)式、連續(xù)式和道岔搗固車上，可在搗固車靜止、走行和搗固作業(yè)期間實(shí)時(shí)測量鐵路軌道參數(shù)。采用光電測量系統(tǒng)的搗固車具有作業(yè)質(zhì)量好、運(yùn)行效率高、車輛結(jié)構(gòu)簡單、可維護(hù)性好的優(yōu)點(diǎn)，是鐵路搗固車的發(fā)展方向。

[1]張念淮，李勇.高速鐵路線路軌道維修技術(shù)的探討[J].鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015,27(4):1-3 .

[2]傅文智,毛必顯.抄平起撥道搗固車[M].北京：中國鐵道出版社, 2010:01.

[3]邱有森.集成多路獨(dú)立光源控制的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通訊世界，2016(13):239-240.

[4]張念.鐵路軌道幾何不平順趨勢預(yù)測的關(guān)鍵算法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2015.

[5]雷陽陽，程維明，何康華.基于線陣CCD的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2016,24(11):215-218.

[責(zé)任編輯：趙 偉]

Design of Photoelectric Measuring System on Track Parameters

CHEN Guangwei， LI Chunya

(Zhengzhou Railway Vocational and Technical College,Zhengzhou 451460,China)

With the development of the highspeed and heavy haul railway,the quality requirement of railway track is higher and higher.Up till now, the method for measuring the parameters of railway track is chord measurement. According to measurement and analysis of the current orbit parameters, we use high brightness light source as a measurement point, in combination with the linear CCD imaging features, completed the orbit measurement system of the digital processing, and through the network to complete the communication with PC, a digital system is designed to realize the high accuracy and real time measurement， which plays an active role in the further development of the tamping train.

track;versine;CCD;the tamping train

2016 -09 -29

陳光偉(1983—)，男，河南漯河人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電控制技術(shù)。 李春亞(1988—)，女，河南周口人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系助教，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程技術(shù)。

TP29

A

1008-6811(2017)02-0003-03