DC-32型搗固車加裝二維激光準直系統設計

關 偉，王發燈，牛懷軍

(1.廣州鐵路(集團)公司 工務處，廣東 廣州 510095;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

DC-32型搗固車加裝二維激光準直系統設計

關 偉1，王發燈2，牛懷軍2

(1.廣州鐵路(集團)公司 工務處，廣東 廣州 510095;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

介紹了DC-32型搗固車激光準直系統的工作原理，分析激光準直系統在DC-32型搗固車上的使用情況，對現有的一維激光準直系統進行了改進設計，闡述了改進設計方案及軟硬件設計，并通過現場試驗驗證了二維激光準直功能達到設計要求，提高了搗固車作業效率。

搗固車 改造 二維激光準直系統 設計

1 概述

在我國大型養路機械中搗固車保有數量是最多的。我國引進的第一臺大型養路機械就是08-32型搗固車(國產化后為DC-32型)。搗固車通過對軌道進行撥道、起道抄平、石砟搗固及道床肩部石砟的夯實作業，使軌道方向、左右水平和前后高低均達到線路設計標準或線路修理規則的要求，從而改善線路條件，保障列車運行安全。

1.1 搗固車作業模式

搗固車的起撥道及搗固作業有4種作業模式:

1)搗固車利用自身檢測系統的測量弦作為基準線，將檢測到的信號值輸入到運放電路進行比較，再將偏差值輸出到伺服閥進行控制，修正線路幾何尺寸。

2)由工務段人員根據個人經驗指揮大型養路機械操作人員進行作業。

3)由工務段每隔2.5 m(5根軌枕)把線路方向、高低偏差值用油漆或粉筆標注在軌枕上，再由人工輸入起撥道數據，實現精確撥道。

4)利用搗固車配備的激光測量系統，通過激光發射和接收裝置，根據三點法作業原理對線路幾何尺寸進行測量，測量弦長度得到延長，激光發射器就相當于原來的D點測量小車，測量精度得到很大提高。

上述4種作業模式，第1種已經較少采用;第2種已經基本不用;第3種在新線建設時使用較多，在運營線路中使用較少;第4種在新線建設和線路的日常運營中使用較多。

DC-32搗固車激光準直作業目前僅限用于線路方向偏差的測量，而沒有針對線路高低的激光測量矯平系統。目前只能利用激光對長距離的線路方向偏差進行測量矯正，而無法對線路上存在的長距離高低偏差進行測量矯正。測量線路高低偏差的基準線仍然是張緊于B，D兩臺測量小車中間的兩根鋼弦線，基準長度只有15.785 m，對于長直線路其精度是遠遠不夠的，無法將距離較長的高低不良(俗稱慢塘)起平。

1.2 激光準直原理

目前DC-32型搗固車上安裝的激光準直系統為一維系統，如圖1所示。

圖1 JZT-B型激光準直系統

一維激光準直系統的工作原理為:定位在搗固車前方數百米處的激光發射器，向搗固車前端下方的激光接收器射出一束基準激光束，激光接收器將收到的光信號轉換成相應的電信號，經控制電路處理后，指導搗固車的撥道機構進行作業。當激光束準確對準接收器中央時，接收電路處于平衡狀態，無任何信號輸出，搗固車中位指示燈亮(遠距離時，由于激光束在空氣中會有規則漂移，搗固車的左右指示燈有節奏地交替閃爍)。當搗固車沿著左右彎曲的軌道前進，接收器隨之偏離激光束中心。這時接收器立即輸出左路或右路控制信號，通過接收控制電路板觸發接收跟蹤架的伺服電機啟動，驅動接收器向激光束中心移動，同時牽動位移傳感器，向搗固車撥道控制系統輸出相應的位移值，操縱撥道裝置將軌道撥至正確的位置。隨著搗

固車向前作業，激光接收器自動跟蹤基準激光束，撥道裝置相應動作，從而實現搗固車自動撥道的功能。

為了提高搗固車的作業效率，實現自動起撥道功能，需要對DC-32型搗固車上的激光電路系統進行升級改造。

2 加裝二維激光準直系統方案設計

由于二維激光準直系統在數據處理上與一維激光準直系統原理不同，需要對電氣系統進行改造設計。二維激光的撥道、起道值為模擬量，需要接入前端模擬輸入板合適位置。由于增加了起道功能，需要在前司機室合適位置內外各增加上、中、下指示燈，并且要設計能夠實現數據采集與輸出控制的電路板，實現正常的起撥道作業。為了實現直線與豎曲線作業模式的選擇，需要增加一個作業選擇開關。

2.1 前端模擬量輸入方案

搗固車上的手動起道量和手動撥道量為模擬量，通過手動起道碼盤和手動撥道碼盤調節滑線電阻，輸入前端模擬信號板。激光撥道量為模擬量值，通過激光撥道傳感器輸入前端模擬信號板。為了能夠實現改造后激光撥道、起道兩路模擬量數值的正常輸入，將原車激光撥道傳感器與4U5前端模擬量信號處理板的連線斷開，并將二維激光的撥道值輸出回路與10d連接。為了實現手動起道和激光起道數值通過一個通道進入4U5前端模擬量信號處理板，將手動起道碼盤與4U5電路板接線斷開。手動起道碼盤與新增指示燈控制板接線相連，激光起道輸出與4U5前端模擬量信號處理板20d相連。通過改造，能夠實現搗固車手動、手動加激光的不同作業模式。

2.2 作業模式選擇

為了實現激光光點和光條作業的不同需要，增加一個作業選擇開關。在直線段作業時，選擇“起撥道”，激光發射器發出光點信號，激光接收器輸出撥道和起道數值到前端模擬輸入系統。在豎曲線段作業時，選擇“只撥道”，激光發射器發出光條信號，激光接收器輸出撥道數值到前端模擬輸入系統。作業選擇開關選擇帶指示燈的開關，“起撥道”位指示燈滅，“只撥道”位指示燈亮。由于車載電源為直流24 V，故選用24 V的作業選擇開關。

2.3 外部指示燈選型

由于新增起道功能，需要在前司機室內外各新增上、中、下三個指示燈。由于車載電源為直流24 V，并參考原有撥道系統的指示燈，司機室內B4箱面板上的指示燈選用24 V二極管，司機室外對光指示燈選用24 V，8 W工作燈。

前端模擬改造后電氣系統原理如圖2所示。

圖2 電氣系統改造原理

3 電路的硬件設計及濾波算法

3.1 硬件設計(圖3)

圖3 硬件設計

如圖3所示，系統電路共有8個子電路:①單片機。單片機作為控制核心，采用20 M晶振，另有1路指示燈用于指示系統是否正常工作。②232通訊。232通訊電路以MAX232芯片為核心，通過6N137實現信號隔離，再通過 74HC244實現信號遠程增大。③開關量輸入。系統具有6路24 V開關量輸入采集功能，通過TLP521-4芯片實現開關量信號隔離及信號電平轉換。④開關量輸出。系統具有8路24 V開關量輸出功能，通過繼電器實現開關量信號隔離及信號電平轉換。⑤模擬量采集。系統具有6路 ±10 V模擬量輸入采集功能，以芯片 AD7656為核心，通過LM747芯片實現模擬量信號濾波，再通過 OP37實現信號隔離。⑥模擬量輸出。系統具有4路 ±10 V模擬量輸出功能，以芯片MAX532為核心實現DA轉換，再通過OP177實現信號隔離輸出。⑦里程采集。系統具有1路里程脈沖信號采集功能，通過74HC244芯片實現里程信號增強及隔離輸入。⑧電源模塊。系統通過DC-DC轉換模塊實現電壓轉換，同時具有極性保護功能，防止接錯電源正負極。

3.2 軟件濾波及軟件設計

3.2.1 異常噪聲處理

由于整個系統的數據采集密度不需很大，2 Hz的采樣頻率就可以滿足規范要求。所以本系統測量單元的采樣頻率都比較低。因此，本文采用了3σ法則和滑動平均濾波的復合處理方式來剔除異常噪聲。

滑動平均濾波法把N個測量數據看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每進行一次新的采樣，把測量結果放入隊尾，而去掉原來隊首的一個數據，這樣在隊列中始終有N個最新的數據。

應用3σ法則來剔除粗差。凡殘余誤差大于3倍標準差的都被認為是粗差，其所對應的測量值就是壞值，應予以舍棄。

如圖4所示，系統對接收器圖像信號(該數據樣本是在野外有大風的情況下采樣得到的)采用復合濾波技術進行處理后，噪聲得到了比較明顯的剔除，不但提高了系統測量精度，而且使遠距離測量時激光光束的穩定性得到了很好的控制，減少了由于空氣擾動給光束帶來的隨機誤差，延長了激光測量行程。

圖4 濾波處理前后數據對比

3.2.2 軟件設計

系統軟件設計流程圖如圖5所示。

4 試驗驗證

4.1 測試方案

1)開關量輸入輸出測試

開關量輸入測試可通過電路板上的指示燈來進行，通過給6路開關量輸入24 V高電平，若相應的指示燈會發光則認為開關量輸入正常。同樣地，通過單片機往外發出開關量輸出指令，若相應的繼電器會吸合則對應的指示燈也會點亮。

2)模擬量采集精度測試

AD芯片AD7656的量程設置為－10～+10 V，采集的數值0～32 767對應0～10 V;32 768～65 535對應－10～0 V。通過直流穩壓電源輸入特定電壓，然后根據單片機采集到的數據量換算為模擬量，比較輸入值和換算值可得到采集精度。

3)模擬量輸出精度測試

DA芯片MAX532可輸出－10～10 V范圍內的電壓，通過單片機設定輸出值，再利用萬用表測量實際輸出值，然后對輸出數據進行擬合，繼而修改單片機程序，可使輸出值更加接近設定值。擬合前后的效果如圖6所示。

4.2 現場試驗

二維激光準直系統現場試驗如圖7所示。DC-32型搗固車加裝二維激光自動起撥道系統后，作業效果良好，滿足現場需要，體現在:①作業時數值輸出穩定，參數顯示符合作業要求。②與整車兼容性好，沒有給其他系統帶來干擾。③能夠在直線段進行自動起撥道作業，減輕了操作人員的勞動強度。④作業完成后，采用其他設備對線路進行測量，線路不平順減小。

圖5 軟件設計流程

圖6 數字濾波前后效果對比

圖7 二維激光準直系統現場試驗

5 結語

對現有的DC-32型搗固車激光準直系統進行了分析，設計了加裝二維激光準直系統的改進方案，并研發了相關電路板，進行了試驗和性能檢測。現場試驗結果表明設計方案實現了DC-32型搗固車的二維激光準直功能，提高了線路作業質量。

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(責任審編 李付軍)

U216.63

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.32

2015-04-06;

:2015-05-12

關偉(1969— )，男，湖南長沙人，工程師。

1003-1995(2015)09-0114-04