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        車體振動對接觸網(wǎng)檢測的影響分析及補(bǔ)償方法研究

        2019-10-18 09:19:48張冬凱高仕斌康高強(qiáng)
        鐵道學(xué)報(bào) 2019年9期
        關(guān)鍵詞:檢測車車體接觸網(wǎng)

        張冬凱, 高仕斌, 于 龍, 占 棟, 康高強(qiáng)

        (西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 四川 成都 610031)

        目前我國軌道交通主要采用受電弓和接觸網(wǎng)滑動接觸的方式對電力機(jī)車供電,其中接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一,它作為牽引供電系統(tǒng)中的無備用設(shè)備,一旦發(fā)生事故,勢必造成列車停運(yùn)甚至更嚴(yán)重的后果[1]。隨著我國軌道交通運(yùn)營里程逐年增加及列車運(yùn)行速度的不斷提高,接觸網(wǎng)維護(hù)壓力不斷增大,面對巨大的接觸網(wǎng)維護(hù)壓力,接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測作為接觸網(wǎng)維護(hù)的重要依據(jù),檢測精度的提高越發(fā)重要。

        文獻(xiàn)[2]通過建立檢測車車體振動數(shù)學(xué)模型,依據(jù)接觸式傳感器測量的弓網(wǎng)相對位移及車體位移數(shù)據(jù),采用最小二乘擬合,得到接觸網(wǎng)拉出值振動補(bǔ)償函數(shù),依此對接觸網(wǎng)拉出值檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)[3]通過在轉(zhuǎn)向架上安裝位移傳感器和加速度傳感器,分別測量車體相對于轉(zhuǎn)向架和轉(zhuǎn)向架相對于軌道的水平和垂直位移及側(cè)滾角,并將測量數(shù)據(jù)應(yīng)用于補(bǔ)償算法進(jìn)行車體振動補(bǔ)償。文獻(xiàn)[4]依據(jù)接觸線模型建立卡爾曼濾波導(dǎo)高修正模型,利用該模型對接觸網(wǎng)導(dǎo)高檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正以補(bǔ)償車體振動。以上關(guān)于接觸網(wǎng)動態(tài)檢測車體振動補(bǔ)償?shù)难芯繉τ谔岣邫z測精度均取得了一定效果,但基于接觸式傳感器檢測接觸網(wǎng)幾何參數(shù)誤差較大,基于多傳感器分別測量轉(zhuǎn)向架及車體偏移和偏角的檢測方法,系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜,容易產(chǎn)生累計(jì)誤差,基于數(shù)學(xué)模型的修正方法難以反映檢測車運(yùn)行時的真實(shí)振動情況,因此以上車體振動補(bǔ)償方法的研究不夠嚴(yán)密,無法有效地解決車體振動帶來的檢測誤差。

        近年來,機(jī)器視覺檢測技術(shù)在軌道交通檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文基于機(jī)器視覺技術(shù)通過激光攝像傳感器跟蹤車體相對軌道的姿態(tài)變化情況,推導(dǎo)補(bǔ)償計(jì)算公式,以提高接觸軌導(dǎo)高、拉出值檢測精度。

        1 檢測原理

        1.1 原理簡介

        接觸網(wǎng)檢測及補(bǔ)償裝置均采用激光攝像傳感器,傳感器由1臺攝像機(jī)和1個激光器組成。檢測車結(jié)構(gòu)示意見圖1,接觸網(wǎng)檢測裝置采用1臺激光攝像傳感器安裝于車頂中央,激光斷面垂直照射接觸網(wǎng),攝像機(jī)捕捉激光斷面圖像并提取特征點(diǎn)圖像坐標(biāo),計(jì)算特征點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的對應(yīng)坐標(biāo)值以計(jì)算接觸網(wǎng)導(dǎo)高和拉出值;補(bǔ)償裝置采用2臺激光攝像傳感器對稱安裝于補(bǔ)償梁兩端,補(bǔ)償梁安裝在車體下方與接觸網(wǎng)檢測裝置位于同一斷面,2臺傳感器分別照射鋼軌內(nèi)側(cè)面,跟蹤車體相對鋼軌軌平面的姿態(tài)變化情況,用以補(bǔ)償車體振動造成的接觸網(wǎng)檢測誤差。

        1.2 檢測裝置標(biāo)定模型

        基于機(jī)器視覺的檢測方法,需對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,建立攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系。本文依據(jù)攝像機(jī)非線性模型[5],通過將已知的圖像坐標(biāo)點(diǎn)和對應(yīng)的世界坐標(biāo)點(diǎn)帶入攝像機(jī)標(biāo)定模型求解攝像機(jī)模型參數(shù),以建立二者的對應(yīng)關(guān)系。

        如圖2,建立世界坐標(biāo)系OwXwYwZw,攝像機(jī)坐標(biāo)系ocxcyczc;攝像機(jī)圖像像素坐標(biāo)系OEXEYE,XE為水平像素陣列方向,YE為垂直像素陣列方向;同理,以圖像平面π中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立圖像物理坐標(biāo)系OoXoYo。3臺檢測攝像機(jī)的世界坐標(biāo)示意見圖3,坐標(biāo)系Ow1Xw1Yw1Zw1為接觸網(wǎng)檢測攝像機(jī)世界坐標(biāo)系,Ow1Xw1Yw1垂直于軌平面,Ow1Zw1沿軌行方向;同理,坐標(biāo)系Ow2Xw2Yw2Zw2和Ow3Xw3Yw3Zw3為左右對稱的2臺補(bǔ)償用檢測攝像機(jī)世界坐標(biāo)系。

        根據(jù)攝像機(jī)投射定理,即建立坐標(biāo)系ocxcyczc與OEXEYE之間的投影關(guān)系為

        ( 1 )

        式中:α、β分別為XE軸和YE軸的比例因子;γ為橫向與縱向不垂直度因子;(u,v)為圖像平面中心點(diǎn)O的圖像像素坐標(biāo)。

        攝像機(jī)參數(shù)(α,β,γ,u,v)只與攝像機(jī)內(nèi)部的攝像機(jī)坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系相關(guān),故稱為攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)。攝像機(jī)坐標(biāo)系OcXcYcZc可通過旋轉(zhuǎn)和平移變換到世界坐標(biāo)系OwXwYwZw,二者之間的關(guān)系為

        ( 2 )

        式中:R、M分別為旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣,兩矩陣共同作用表征了內(nèi)部攝像機(jī)坐標(biāo)與外部世界坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系;參數(shù)(r1~r9,m1~m3)稱為攝像機(jī)的外部參數(shù)。

        世界坐標(biāo)系為三維坐標(biāo)系,而攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系為二維坐標(biāo)系,故標(biāo)定時設(shè)z=0,并將式( 2 )帶入式( 1 ),可得

        ( 3 )

        由于攝像機(jī)鏡頭存在畸變,設(shè)畸變后圖像像素坐標(biāo)為(ud,vd),畸變前后關(guān)系為

        ( 4 )

        式中:Δu、Δv分別為XE、YE方向的畸變量。

        畸變后圖像物理坐標(biāo)系坐標(biāo)(uo,vo)與圖像像素坐標(biāo)(ud,vd)之間的關(guān)系為

        ( 5 )

        根據(jù)文獻(xiàn)[7]中的攝像機(jī)畸變模型,結(jié)合式( 4 )和式( 5 ),可得畸變量表達(dá)式為

        ( 6 )

        ( 7 )

        通過棋盤格標(biāo)定法進(jìn)行標(biāo)定,采用非線性最小二乘法求解式( 7 )中攝像機(jī)模型參數(shù)(a1,a2,…,a8,k1,k2,s1,s2),即可建立世界坐標(biāo)和圖像像素坐標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系。

        2 車體振動及對檢測系統(tǒng)的影響分析

        2.1 車體振動分析

        由于軌道不平順以及車輛自身結(jié)構(gòu)等因素的激擾作用,車輛在運(yùn)行時不可避免的會發(fā)生隨機(jī)振動。一般講,當(dāng)車輛系統(tǒng)發(fā)生振動時,車體會出現(xiàn)伸縮、沉浮、點(diǎn)頭、橫擺、側(cè)滾和搖頭6種形式的隨機(jī)振動。為方便對車體振動問題的研究,假設(shè)輪軌嚴(yán)密咬合,振動過程中上下心盤之間始終保持平面接觸,并引入一系當(dāng)量彈簧等效車輛轉(zhuǎn)向架的多系彈簧組[6-7]。

        車輛在縱平面內(nèi)的隨機(jī)振動模型見圖4,其中y為車體質(zhì)心的垂向振動偏移;l為車體質(zhì)心到當(dāng)量彈簧的縱向距離;Ksy為當(dāng)量彈簧的垂向懸掛剛度;Jcx為車體繞x軸的轉(zhuǎn)動慣量;M為車體質(zhì)量;φ為車體點(diǎn)頭角。由車體上所受靜力和慣性力之和為零可得

        ( 8 )

        式中:fst為一系當(dāng)量彈簧的靜撓度;2Ksy(y+fst-lφ)和2Ksy(y+fst+lφ)分別為前后轉(zhuǎn)向架的垂向懸掛反力。式( 8 )經(jīng)整理后可得

        ( 9 )

        (10)

        由車體沉浮振動和點(diǎn)頭振動方程式( 9 )和式(10)可知,車體沉浮振動和點(diǎn)頭振動是相互獨(dú)立的。

        車體橫向振動模型見圖5。其中,Ksx為當(dāng)量彈簧的橫向剛度;2b為當(dāng)量彈簧橫向跨距;h為車體中心距懸掛上支撐面垂直距離;θ為側(cè)滾角;φ為搖頭角。

        根據(jù)車體上各力的平衡條件可得

        (11)

        式中:x-θh+φl和x-θh-φl為前后轉(zhuǎn)向架橫向變形量。

        經(jīng)整理得

        (12)

        (13)

        由車體橫擺、側(cè)滾和搖頭振動方程式(12)和式(13)可知,搖頭振動是獨(dú)立的,而車體橫擺振動和側(cè)滾振動是相互耦合的,這種耦合的振動成為滾擺振動。滾擺振動根據(jù)所擾軸心位置的不同通常分為上心滾擺和下心滾擺。

        車輛的伸縮振動為沿車輛行進(jìn)方向即z軸方向的振動,其與沉浮、點(diǎn)頭、滾擺和搖頭振動相互獨(dú)立。

        2.2 車體振動對檢測系統(tǒng)的影響

        由1.1節(jié)中所述的檢測原理可知,檢測斷面為垂直于線路方向的橫向斷面,車體伸縮振動方向與檢測斷面正交,對檢測系統(tǒng)不產(chǎn)生影響,而橫擺和沉浮振動會使車體產(chǎn)生水平位移Δx′和垂直位移Δy′,從而影響檢測系統(tǒng)精度。

        (14)

        (15)

        當(dāng)發(fā)生側(cè)滾振動時相機(jī)世界坐標(biāo)系變化見圖6(c)。其中θ為側(cè)滾角;A為接觸線。則由于側(cè)滾振動產(chǎn)生的檢測誤差為

        (16)

        文獻(xiàn)[13]對模擬試驗(yàn)車點(diǎn)頭角、側(cè)滾角和搖頭角的研究試驗(yàn),點(diǎn)頭角最大3.1°,側(cè)滾角最大4.7°;文獻(xiàn)[14]中論述搖頭角為3°時輪軌接觸點(diǎn)會發(fā)生明顯跳躍。在實(shí)測中非極限情況下側(cè)滾角一般小于2°,點(diǎn)頭角和搖頭角則更小。高鐵接觸網(wǎng)檢測中,激光攝像傳感器安裝高度約為5 000 mm,接觸網(wǎng)導(dǎo)高約為5 300 mm,最大拉出值約為300 mm,現(xiàn)按照上述極限情況計(jì)算誤差,即點(diǎn)頭角3.1°,搖頭角3°,側(cè)滾角4.7°,Ow1B為300 mm,Ow1C為300 mm,帶入上述計(jì)算式(14)~式(16),可估計(jì)側(cè)滾、搖頭和點(diǎn)頭振動對檢測數(shù)據(jù)可能造成的最大誤差,見表1。

        表1 振動誤差分析

        由表1可知,點(diǎn)頭和搖頭振動對檢測系統(tǒng)產(chǎn)生的影響較小,而側(cè)滾振動對檢測系統(tǒng)影響較大,故可不考慮點(diǎn)頭和搖頭對檢測系統(tǒng)的影響,又因?yàn)闄M擺和側(cè)滾是相互耦合的,統(tǒng)稱為滾擺振動,故實(shí)際車體振動補(bǔ)償只需要對車體的滾擺和沉浮振動進(jìn)行補(bǔ)償,忽略點(diǎn)頭和搖頭振動影響。

        3 振動補(bǔ)償方法

        接觸網(wǎng)檢測車體振動補(bǔ)償裝置見圖7(a),由補(bǔ)償梁和2組激光攝像傳感器組成。激光攝像傳感器2#和3#安裝于補(bǔ)償梁上,補(bǔ)償梁安裝于車體下方與接觸網(wǎng)檢測裝置位于同一斷面,補(bǔ)償梁與車體剛性連接,其與車體看作剛體,動態(tài)下車體及補(bǔ)償梁產(chǎn)生的彈性形變忽略不計(jì)。傳感器2#和3#跟蹤左右鋼軌特征點(diǎn),以車體靜態(tài)姿態(tài)為基準(zhǔn),計(jì)算動態(tài)過程中車體姿態(tài)的變化所產(chǎn)生的水平、垂向偏移和偏移角,對振動誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

        如圖7(b),建立以檢測梁中心為原點(diǎn)的世界坐標(biāo)系OwXwYw:OwXw為水平方向,OwYw為垂直方向。靜態(tài)時2#和3#攝像機(jī)世界坐標(biāo)系O2X2Y2和O3X3Y3,其中Ow為O2O3中點(diǎn),即補(bǔ)償梁中心,接觸網(wǎng)檢測裝置世界坐標(biāo)系為O1X1Y1,1#攝像機(jī)到檢測梁中心的垂直距離為OwO3,根據(jù)幾何關(guān)系,將3個傳感器各自的世界坐標(biāo)系通過平移統(tǒng)一到世界坐標(biāo)系OwXwYw下為

        (17)

        靜態(tài)時,測得左右股鋼軌軌距點(diǎn)上方16 mm處的軌平面特征點(diǎn)A和B分別在2#和3#攝像機(jī)世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x2,y2)和(x3,y3),接觸網(wǎng)檢測傳感器測得接觸線特征點(diǎn)C在1#攝像機(jī)世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x1,y1),車體靜態(tài)傾斜角θ′為

        θ′=arctan[(y2-y3)/(x3-x2)]

        (18)

        θ″=arctan[(yw2-yw3)/(xw3-xw2)]

        (19)

        接觸線上上任意特征點(diǎn)C在接觸網(wǎng)檢測攝像機(jī)世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(xw1,yw1)。

        根據(jù)靜態(tài)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和動態(tài)檢測數(shù)據(jù),可計(jì)算出車體震動補(bǔ)償角θ、軌距AB為

        (20)

        由圖7(c)幾何關(guān)系可得,特征點(diǎn)C到接觸網(wǎng)檢測攝像機(jī)世界坐標(biāo)系原點(diǎn)的水平和垂直距離為

        (21)

        根據(jù)式(21)、式(20)和圖7幾何關(guān)系,可得接觸網(wǎng)導(dǎo)高D和拉出值L振動補(bǔ)償后的計(jì)算式

        (22)

        4 試驗(yàn)

        4.1 鄭徐客專高速鐵路接觸網(wǎng)檢測試驗(yàn)

        選取鄭徐客專線蘭考南至民權(quán)北上行區(qū)間進(jìn)行檢測試驗(yàn),檢測攝像機(jī)的檢測頻率為80幀/s,檢測車檢測運(yùn)行速度為80 km/h,抽取該區(qū)段K299+447~K308+786支柱位置處接觸線拉出值數(shù)據(jù)點(diǎn)200個,通過比較重復(fù)性[11]和比照人工測量值對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,其中重復(fù)性精度是檢測車以相同速度和方向?qū)ν痪€路同一區(qū)段進(jìn)行2次檢測,2次檢測數(shù)據(jù)的對應(yīng)誤差值滿足95%以上的差值不超過測量精度限值。

        表2 補(bǔ)償前后數(shù)據(jù)對比

        表3 拉出值檢測數(shù)據(jù)和對比

        表4 拉出值檢測數(shù)據(jù)和對比

        表5 實(shí)測數(shù)據(jù) mm

        表6 數(shù)據(jù)均值、方差統(tǒng)計(jì)

        4.2 杭州地鐵2號線接觸網(wǎng)檢測試驗(yàn)

        選取杭州地鐵2號線K12+255~K12+474區(qū)間進(jìn)行檢測試驗(yàn),通過比照人工測量值對補(bǔ)償前后檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,驗(yàn)證補(bǔ)償方法有效性,試驗(yàn)方式與4.1所述相同。

        接觸網(wǎng)檢測車補(bǔ)償前后的剛性接觸網(wǎng)檢測拉出值數(shù)據(jù)及人工檢測數(shù)據(jù)對比曲線見圖11,補(bǔ)償前接觸網(wǎng)拉出值檢測數(shù)據(jù)與人工檢測數(shù)據(jù)對比的誤差曲線見圖12(a),補(bǔ)償后拉出值檢測數(shù)據(jù)誤差曲線見圖12(b)。分析誤差曲線可知補(bǔ)償前檢測數(shù)據(jù)最大誤差25.4 mm,誤差均值11.92 mm,補(bǔ)償后檢測數(shù)據(jù)最大誤差-5.7 mm,誤差均值1.67 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,補(bǔ)償后數(shù)據(jù)更接近于人工測量值,可信度更高,從而進(jìn)一步證明車體振動補(bǔ)償?shù)挠行浴?/p>

        5 結(jié)論

        (1) 論述了基于機(jī)器視覺技術(shù)的接觸網(wǎng)檢測車車體振動補(bǔ)償檢測裝置及其檢測原理,建立了檢測攝像機(jī)的非線性標(biāo)定模型。

        (2) 分析了車體運(yùn)行過程中的多自由度振動的相互關(guān)系及其對接觸網(wǎng)檢測的影響,得出了一種基于機(jī)器視覺的接觸網(wǎng)檢測車車體振動補(bǔ)償方法,對補(bǔ)償車體振動帶來的檢測誤差具有良好效果。

        (3) 將接觸網(wǎng)檢測車車體振動補(bǔ)償裝置應(yīng)用于接觸網(wǎng)檢測車,在鄭徐客專線以及杭州地鐵2號線進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,車體振動補(bǔ)償方法效果良好。

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