王 琦，吳劍鋒，王 森，汪 峰，仇 超

(1.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210096；2.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司，上海 200040；3.上海鐵路局南京橋工段，江蘇南京 210015)

0 引言

現(xiàn)階段，我國大跨度鋼桁梁明橋面上鋪設(shè)的橋枕主要為木枕[1]，其耐久性較差，使用過程中，橋枕高度易變化，從而導(dǎo)致鋼軌軌面高度波動較大，嚴(yán)重危害列車行車安全[2]。為了保障列車安全平穩(wěn)的運行，需根據(jù)橋枕高度來調(diào)整刻槽深度、防磨膠墊厚度等，將鋼軌軌面高度限制在預(yù)先設(shè)定的小范圍內(nèi)波動，以提升整個鐵路軌道線型[3]。在明橋面橋枕高度的傳統(tǒng)的測量方法中，人工測量方式實施不便、耗時費力[4]，同時國內(nèi)大跨度鐵路橋的交通運輸非常繁忙，供人工作業(yè)的“天窗”時間[5]十分有限。

為了快速、準(zhǔn)確地測量明橋面橋枕高度，本文設(shè)計了一種明橋面橋枕高度自動測量系統(tǒng)，其可搭載在軌道小車上。

1 系統(tǒng)測量原理

因明橋面左右兩側(cè)橋枕高度存在差異，需對左右兩側(cè)橋枕高度都進(jìn)行測量，系統(tǒng)由左右對稱的2個橋枕高度測量模塊組成，每個橋枕高度測量模塊均配備相同規(guī)格2個激光測距傳感器，差動地測量軌道的橋枕高度。

1.1 基于MPU6050的姿態(tài)補(bǔ)償

系統(tǒng)先利用激光測距傳感器分別測出激光測距傳感器與鋼軌軌面、鋼梁上蓋板頂面之間的垂直距離。因系統(tǒng)搭載在軌道小車上，測量時，激光測距傳感器常面臨著安裝傾斜與晃動傾斜[6]的干擾，導(dǎo)致測量結(jié)果為激光測距傳感器[7]在傾斜條件下的測量距離。因此，需利用MPU6050對激光測距傳感器的進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償，將傾斜狀態(tài)下的測量距離轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的垂直距離。下面以利用MPU6050對測量左側(cè)鋼軌軌面的激光測距傳感器進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償為例進(jìn)行說明，基于MPU6050的姿態(tài)補(bǔ)償原理圖如圖1所示。

圖1 基于MPU6050的姿態(tài)補(bǔ)償原理圖

在傾斜條件下，激光測距傳感器與左側(cè)鋼軌軌面之間的測量距離為Dlta，MPU6050測出此時激光測距傳感器的俯仰角為αlt、翻滾角為βlt。經(jīng)姿態(tài)補(bǔ)償，可得激光測距傳感器與左側(cè)鋼軌軌面之間的垂直距離Dlt的表達(dá)式如式(1)所示：

Dlt=DItacosαltcosβlt

(1)

同理，激光測距傳感器與左側(cè)鋼梁上蓋板頂面之間的測量距離為Dlba，對應(yīng)的激光測距傳感器的俯仰角為αlb、翻滾角為βlb。經(jīng)姿態(tài)補(bǔ)償，可得激光測距傳感器與左側(cè)鋼梁上蓋板頂面之間的垂直距離Dlb的表達(dá)式如式(2)所示：

Dlb=Dlbacosαlbcosβlb

(2)

因明橋面軌道結(jié)構(gòu)左右對稱，同理，激光測距傳感器與右側(cè)鋼軌軌面之間的測量距離為Drta，對應(yīng)的激光測距傳感器的俯仰角為αrt、翻滾角為βrt。經(jīng)姿態(tài)補(bǔ)償，可得激光測距傳感器與右側(cè)鋼軌軌面之間的垂直距離Drt的表達(dá)式如式(3)所示：

Drt=Drtacosαrtcosβrt

(3)

因明橋面軌道結(jié)構(gòu)左右對稱，同理，激光測距傳感器與右側(cè)鋼梁上蓋板頂面之間的測量距離為Drba，對應(yīng)的激光測距傳感器的俯仰角為αrb、翻滾角為βrb。經(jīng)姿態(tài)補(bǔ)償，可得激光測距傳感器與右側(cè)鋼梁上蓋板頂面之間的垂直距離Drb的表達(dá)式如式(4)所示：

Drb=Drbacosαrbcosβrb

(4)

1.2 差動式橋枕高度測量原理

以左側(cè)明橋面橋枕高度測量為例，差動式橋枕高度測量原理圖如圖2所示。

圖2 差動式橋枕高度測量原理圖

激光測距傳感器與左側(cè)鋼梁上蓋板頂面之間距離Dlb、與左側(cè)鋼軌軌面之間垂直距離Dlt，可得橋枕高度P如式(5)所示：

P=Dlb-Dlt-R

(5)

式中R為鋼軌高度，對于P60規(guī)格鋼軌而言，其R固定為176 mm。

采取上述差動式的測量方法，以提高測量結(jié)果的精確度及穩(wěn)定性。因明橋面橋枕高度由橋枕標(biāo)準(zhǔn)厚度S、鐵墊板厚度T、防磨膠墊厚度J、刻槽深度K組成，因此橋枕高度P也可用式(6)表示：

P=S+T+J-K

(6)

實際中，S有220 mm、240mm、260mm 3種不同規(guī)格，鐵墊板厚度T為18 mm，防磨膠墊的厚度J為4～12 mm，刻槽深度為K不超過30 mm。結(jié)合式(5)、式(6)，當(dāng)激光測距傳感器測出各路段橋枕高度P波動較大時，可通過調(diào)整防磨膠墊的厚度J與刻槽深度為K以改變目標(biāo)橋枕高度P，以維持各路段鋼軌軌面等高，從而保持軌道線型。

2 系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

整個橋枕高度測量系統(tǒng)包括左右對稱的2個橋枕測量模塊，分別測量軌道兩側(cè)橋枕高度。主要有以下5個部分組成，其硬件系統(tǒng)功能圖如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)功能圖

(1)激光測距傳感器：采用型號為CHT-30的相位式激光測距傳感器，其成本低、性能穩(wěn)定[8]。

(2)姿態(tài)補(bǔ)償模塊：采用MPU6050傳感器[9]，通過IIC接口與STM32單片機(jī)通信，每1個激光測距傳感器都配備1個MPU6050，測出對應(yīng)激光測距傳感器角度信息后傳輸至STM32單片機(jī)。

(3)微控制器：硬件系統(tǒng)的核心處理單元采用搭載高性能[10]內(nèi)核Cortex-M3的STM32單片機(jī)[11]，最高工作頻率可達(dá)72 MHz。從機(jī)STM32負(fù)責(zé)將采集相關(guān)數(shù)據(jù)后傳輸至主機(jī)STM32，主機(jī)STM32負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制并將數(shù)據(jù)整合后通過USB-TTL傳輸至PC端。

(4)液晶顯示模塊：采用LCD12864點陣式液晶顯示器，可以實時顯示激光測距傳感器測量距離和MPU6050的測量角度信息。

(5)藍(lán)牙：采用型號為HC-06的藍(lán)牙模塊，實現(xiàn)STM32主、從機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要軟件流程主要可以分為以下4個過程，其工作流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件工作流程圖

(1)系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)初始化用于判斷系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)，若初始化成功則表明系統(tǒng)工作正常，否則應(yīng)檢查系統(tǒng)并重新初始化。

(2)數(shù)據(jù)采集：激光測距傳感器和MPU6050采集距離和角度信息后存入STM32從機(jī)并編碼，并通過LCD12864將數(shù)據(jù)顯示出來，便于操作者直接觀察實時測量信息。

(3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與系統(tǒng)控制：左右兩側(cè)的STM32從機(jī)數(shù)據(jù)編碼后發(fā)送至STM32主機(jī)，STM32主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的解碼、整合、編碼、存儲，然后STM32主機(jī)將簡單處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端，同時STM32主機(jī)也承擔(dān)著整個下位機(jī)系統(tǒng)的控制任務(wù)。

(4)PC端：PC端接收到數(shù)據(jù)后，解碼并通過上位機(jī)軟件完成進(jìn)一步運算，并實現(xiàn)測量結(jié)果的圖形化顯示。

3 系統(tǒng)測試

橋枕測量模塊安裝在軌道小車上，為了便于觀察，用LCD12864液晶屏將姿態(tài)補(bǔ)償后的結(jié)果Dlr、Dlb、Drr、Drb集中顯示出來，系統(tǒng)樣機(jī)圖如5所示。

圖5 系統(tǒng)樣機(jī)圖

課題組與上海鐵路局南京橋工段開展合作，在南京長江大橋鐵路橋練功場進(jìn)行了實驗。所有實驗數(shù)據(jù)均是以10 Hz的采樣頻率連續(xù)采樣8 h得到的，已知待測橋枕高度為260 mm。

3.1 差動與非差動式激光測距對比實驗

在利用MPU6050對激光測距傳感器進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償?shù)臈l件下，對比差動式與非差動式激光測距的方法的實驗結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，采用非差動式的測量方法時，數(shù)據(jù)波動幅度大，均值為264.29 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.70 mm，即測量結(jié)果偏大且穩(wěn)定性差；采用差動式的測量方法時，數(shù)據(jù)波動幅度小，均值為260.05 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.37 mm。

圖6 差動式與非差動式激光測距實驗結(jié)果對比

3.2 激光測距傳感器的姿態(tài)檢測實驗

在采用差動式激光測距的方法的條件下，對比MPU6050對激光測距傳感器進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償前后實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 姿態(tài)補(bǔ)償前后實驗結(jié)果對比

由圖7可知，姿態(tài)補(bǔ)償前，測量結(jié)果略大于橋枕高度真實值，均值為261.20 mm，數(shù)據(jù)波動幅度較大；姿態(tài)補(bǔ)償后，均值為260.03 mm，與姿態(tài)補(bǔ)償前相比，數(shù)據(jù)波動幅度較小，標(biāo)準(zhǔn)差為0.36 mm。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種明橋面橋枕高度自動測量系統(tǒng)，其中采用差動式的測量方法提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性及精度，建立基于MPU6050的姿態(tài)補(bǔ)償機(jī)制消除了因激光測距傳感器傾斜對測量結(jié)果的影響。相比于人工測量方式，該系統(tǒng)實現(xiàn)了明橋面橋枕高度快速、準(zhǔn)確的測量，對維持鐵路橋上線路平順度、提高列車運營安全性具有重要意義。