一種用于地鐵隧道快速掃描的自移動健康檢測車的設計研究

唐繼民

摘要：本文主要從外觀、穩定性、安全性、多功能性幾個方面著手，研究設計了一種用于地鐵隧道快速掃描的自移動式三維激光掃描健康檢測車。該小車行駛速度穩定、功能完善，設計人性化，用戶體驗度較高，在地鐵隧道移動掃描中有較強的應用價值。

關鍵詞：三維激光掃描;地鐵隧道;檢測車;穩定性;高效

一、項目概況

（1）研究背景。近年，移動三維掃描技術發展比較迅速，測量速度、測量精度都有了大幅的提高，而該技術恰巧能解決目前隧道檢測中碰到的測量時間窗口期較短以及測量范圍不夠的問題。傳統全站儀的測量速度根據作業內容的不同大約為每小時測60300m，且每隔五環測一個斷面，而掃描測量移動三維掃描技術用于隧道監測最快速度可以達到2.4km/h，并且是逐環全覆蓋測量，其作業效率幾乎是傳統方法的八倍以上。

在隧道移動掃描過程中，掃描檢測車作為移動掃描的載體，其穩定性和安全性至關重要，同時還要兼顧便攜性和多功能的配置，本文著重研究設計一種適用于地鐵隧道的自移動健康檢測小車。

（2）研究內容。

本文主要研究內容包括以下四方面：a.自移動式三維激光掃描健康檢測車的外觀設計;b.自移動式三維激光掃描健康檢測車的安全性設計;c.自移動式三維激光掃描健康檢測車的穩定性設計;d.自移動式三維激光掃描健康檢測車的功能設計。

二、外觀設計研究

目前市面上的軌道小車，基本都是一體式結構，但是這樣的結構會造成占用空間相對較大，運輸的時候需要采用7人座以上的車輛，而且搬運起來不便。如果能將小車分為幾段，則用普通5人座車輛就可以運輸，并且單塊車體搬運也相對輕便靈活。為此，我們的自移動小車采用三段式拼接結構，每一段均為優質鋁合金焊接結構，連接面由超硬鋁合金做定位銷，加螺栓連接，從而保證了車體的穩定性。軌道測量自動行駛行進車外形如下圖：

（二）設備配置

（1）主機：包含左、中、右三段。各段之間采用圓柱銷定位、螺栓連接。左、右段各包含電機、減速機與驅動器1套。中間段有控制器、電源模塊、數據轉換模塊及48V/8Ah鋰電池1件。行進車操作面板在中間段，配有一個工控機，可顯示實時速度及存儲測量數據功能。

（2）手持遙控面板：包含連接電纜、航空插頭。

（3）掃描儀平臺：包含602mm、337mm各1段。各段之間采用燕尾槽加鎖緊手柄連接緊固。

三、安全性設計研究

（1）車體的絕緣性。

軌道交通有其自身的安全管理細則，尤其對相關絕緣設備的使用和計軸干擾的敏感性，因此必須首先保證車輛與軌道的絕緣性。所以小車四個輪子均采用了絕緣材料、輪軸外層也包裹了絕緣材料。

（2）抬高車體底盤高度。

將小車底盤高度提高至軌道面上方7cm，可以順利越過大部分道床障礙物。

（3）安裝障礙物自識別裝置。

車身前安裝自動感應裝置，在前方有障礙物且人工干預不及時的情況下，其可自行制動，確保安全。

（4）操控手柄及緊急停車按鈕設置。

如圖1所示，在車輛上配置了操作手柄，可以控制小車啟動、停止、加減速。同時，在小車兩側還配置了兩個強制制動按鈕，以防意外時能及時停車。

（5）前置大燈設置。

車輛配備了前置大燈，即可以看清隧道前方狀況，又可以提醒隧道其他作業人員小車的靠近。

（6）進口元器件的采用。

自行進小車電氣元件全部采用質量可靠的汽車級元件，電瓶、驅動器等核心器件更具寬電壓工作，耐環境高溫等顯著特點，而其他操作元件也采用了西門子、施耐德等國際知名品牌元件，有效保證了系統元件可靠性。

四、穩定性設計

（1）后驅設計。

從行進車機械結構上來看，縱向結構采用了前輪為隨動輪，后輪為驅動輪的后驅式設計，避免了前后軸同時驅動而造成的轉速不同步，有效減少了竄動、打滑等現象

（2）漲緊彈簧設計。

為了適應軌道的正常變化，將行進車的一側輪子固定，另一側輪子做成左右滑動，并在這側加剛度適當的漲緊彈簧，保證輪子在行駛過程中，與軌道的貼合。這樣便可適應行進車在彎道、坡道上自由行駛，也有效防止了脫軌、卡軌等故障的發生。

（3）低壓大扭矩閉環伺服電機的使用。

從電氣控制上來說，行駛驅動輪采用了低壓大扭矩閉環伺服電機，這種電機起步和剎車都可設置斜坡時間，確保起步和剎車過程的平穩;而在正常行進過程中，更是采用了雙閉環控制，即采用兩套高精度的轉速編碼器分別對電樞相位和電機輸出軸轉速進行實時檢測，并與設定行駛速度進行比較，實時調整伺服電機當前轉速，以確保行駛速度的恒定、平穩。

五、功能設計研究

軌道測量自動行駛車，是用于鐵路、地鐵軌道上平穩行駛的一種輕便式小型純電驅車體。行進車行駛速度及方向，可通過手持遙控盒有線控制，或手機無線控制。同時，車體上可搭載激光掃描儀，對地鐵隧道內的內壁進行均勻、連續的掃描。功能如下：

（1）根據隧道內的實際情況，隧道環片腰部兩側均鋪設有大量的支架、管線、消防管道以及逃生通道平臺，這些平臺高度在1米～1.5米間（距道床），為此小車設計的平臺高度可分為三檔，距離軌道面分別為40cm，80cm，120cm，根據不同的條件可以進行更換;

（2）車體上配有里程傳感器及車體傾斜傳感器，外接電腦可通過網線連接，實時獲取里程及傾角數據;

（3）可以按指定速度勻速行進，最高時速5km/小時，電池連續工作時間不低于5小時;

（4）車體上有操控面板，控制行進車前進、停止、倒退;

（5）車上藍牙可以通過手機app同步來控制行進車的前進停止、倒退和行駛速度、能讀取里程傳感器數據;

（6）智能障礙物識別功能：安裝前置倒車雷達，可語音自動報警障礙物距離，當達到設定值時可自動停車;

（7）如圖4增加后移掃描儀平臺功能：可以讓掃描儀掃到軌道數據。

六、總結

課題組結合隧道軌道小車行駛的特點著手，從外觀、便攜性、穩定性、安全性、多功能性等方面設計了“自移動式三維激光掃描健康檢測車”，并且經過將近3個月的實際測試和生產，行駛總里程已經達到約30km，其中，包含了小半徑、大坡度等較為極端的隧道區段。目前，整個小車已經完全可以滿足隧道移動式掃描的要求，行駛速度穩定、功能完善，設計人性化，用戶體驗度較高。當然，該小車也有可以完善之處，后期主要通過更換輕質材料，進一步降低車身重量，還可以增加一些其他傳感器（如軌距傳感器）來獲得更多的檢測數據。

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