基于激光傳感器的軌距測量系統研究

高 昂， 柴曉冬， 李立明

(上海工程技術大學 城市軌道交通學院， 上海 201620)

0 引 言

地鐵在現代交通中發揮著重要的作用，是解決城市交通運輸矛盾的有效方法之一。隨著城市的發展，建設的地鐵線路也越來越多，地鐵的安全性也更受關注。軌距的檢測是保障地鐵安全運營的重要內容，軌距定義為鋼軌頂面16 mm范圍內兩股鋼軌之間的最小距離，目前國內城市軌道交通的標準軌距為1 435 mm[1]。早期的軌距檢測主要依靠人工持軌距尺進行檢測，這種檢測方式效率低，工作量大，檢測點少。隨著技術的發展，出現了采取光電傳感器和伺服機構測量軌距的方法，但這種方法容易受到振動、天氣的影響，而且存在伺服機構容易損壞的問題[2]。針對軌距檢測的需求，國內外很多學者展開了相關研究，澳大利亞采用鋼軌斷面掃描裝置測量軌距[3]，美國采用基于視覺檢測原理的TVIS系統，光源系統發出平面光照射到鋼軌上，形成鋼軌的斷面輪廓，由攝像機-電荷耦合器件攝取該斷面輪廓信息，經過計算機處理得到相應的軌距，這種方法測量軌距的不足之處是，計算機處理信息量巨大，系統穩定性受外界光照等因素影響較大，不同的光照環境下，圖像算法的效率和精確度呈現較大的差異[4-6]。隨著電子和光學技術的發展，電子傳感器、尤其是激光傳感器在距離測量中的應用越來越廣泛[7]，為了提高軌距檢測的效率和精度，本文設計了一種安裝于軌距檢測車上的軌距檢測系統，基于三角測距原理，利用高精度激光測距傳感器采集空間幾何參數，傳輸到上位機經過最小二乘算法處理，有效實現了軌距參數的非接觸動態實時測量，誤差小于±0.3 mm，設計成本低，使用效果好，能夠連續地檢測軌距。

1 軌距檢測系統工作原理

本文提出的軌距測量系統由軌距檢測車、激光測距傳感器、電源系統、數據采集系統，數據處理系統構成，軌距檢測車如圖1所示，系統原理如圖2所示。軌距檢測車主要包括檢測裝置和車身本體等部分。檢測車中部設置有手推桿，按照人的步行速度估算，檢測車的走行速度最高可達到10 Km/h。檢測系統采用2臺激光測距傳感器，分別安裝在軌距檢測車中部的箱體橫梁1、2位置上，完成激光測距傳感器到兩側鋼軌的距離參數的采集。采集到的數據經過模數轉換后上傳至上位機軟件，經過算法處理后，得出軌距值。系統采用鋰電池供電電源模板安裝在檢測車的中部箱體內。為了保證激光傳感器發射的激光投射在軌距檢測點位置上，激光傳感器則要按照一定角度進行安裝。

圖1 軌距檢測車

圖2 系統原理框圖

LT3PU型激光測距傳感器根據三角測量原理對目標物的距離進行測量，激光傳感器的技術參數見表1，傳感器內部由激光源和感光芯片組成，三角位移測量的系統中，從光源發射一束光到被測物體表面，在另一方向接收反射光線[8]，當被測物體發生位置移動時，反射光線也會發生相應的位置偏移，入射和反射光構成一個三角形，根據三角形之間的比例關系計算出被測物體的位移[9-10]。這種測量法的突出特點是非接觸性測量，在工業測量領域有著廣泛的應用。激光三角測量原理如圖3所示。

表1 激光傳感器參數

圖3 激光三角測量原理圖

由圖3可知，θ1為激光束光軸與被測面法線之間的夾角，θ2為反射光線與被測面法線之間的夾角，θ3為探測器光軸與反射光線之間的夾角。反射光光點在探測器上的位移為x′，根據相似三角形的比例關系，被測物體的位移為：

(1)

2 傳感器標定與軌距計算

2.1 模數轉換電路設計

圖4 電壓調理電路

圖5 模數轉換電路

圖6 模數轉換流程圖

表2 ADS1256常用命令字

Tab. 2 Common command words for ADS1256

命令描述命令字WAKEUP完成SYNC命令或退出STANDBY模式00h或FFhRDATA讀取數據01hRDATAC連續讀取數據03hSDATAC停止連續讀取數據0FhRREG讀取寄存器 rrrr1xhWREG寫寄存器5xhSYNCAD轉換同步FChRESET復位FEh

2.2 傳感器標定

在計算軌距之前，需要將A/D轉換芯片輸出的數字信號轉換為被測目標的距離參數，這個過程稱為傳感器的標定。激光測距傳感器輸出的電壓值與被測目標的距離近似成一次線性關系，電壓輸出線上的電壓即為被測目標的距離信息，將該電壓信息輸入ADS1256進行模數轉換，發送至上位機進行數據處理，找出輸出模擬量與被測物距離之間的一次函數，這樣，就找出了ADS1256輸出的數字信號與實際的距離之間的對應關系。標定過程中，給激光測距傳感器加上20 V直流電壓，將激光測距傳感器從0.3～5 m進行標定，每隔100 mm測量一次，為了提高傳感器的標定精度，對特定距離連續采集6 000次取平均值，記錄傳感器的原始數據，找出2組數據之間的線性關系。

采用具體的擬合算法，研究給出了激光傳感器數據擬合函數如圖7所示。由圖7可求得，模擬信號與距離參數之間的對應函數為:

y=0.832 8x+571.239 5.

(2)

圖7 激光傳感器數據擬合函數

2.3 軌距計算算法

在軌距測量系統中，激光傳感器測量出單側鋼軌到激光傳感器的距離，2個激光傳感器到兩側鋼軌的距離記作L1,L2，激光傳感器的光線路徑和水平線的夾角記作θ1，θ2，在系統測量中，L1和L2的值由激光傳感器發送的數據中得出，θ1和θ2的值由于工藝的原因在安裝時不能精確測量，本系統的研究重點就是如何尋找合適的算法求出θ1和θ2的值，并在此基礎上建立θ1，θ2，L1，L2和軌距值之間方程，也就是軌距計算算法。最小二乘算法在優化問題理論和算法中有著重要的應用[14]，在本研究的系統中，可以運用最小二乘算法擬合系統需要的曲線方程，如圖8所示，激光傳感器1和激光傳感器2分別掃描2條走行軌的幾何輪廓。找出激光測距傳感器采集的數值與軌距之間曲線方程的原理可表述為：測量10組激光傳感器1采集到的距離參數記為L11,L12,...,L110，激光傳感器2采集到的距離參數記為L21,L22,...,L210，同時測量10組軌距參數記為L1,L2…,L10，激光傳感器1的激光路徑和走行軌平面形成的夾角為θ1，激光傳感器2的激光路徑和走行軌平面形成的夾角為θ2，β1=cosθ1，β2=cosθ2，則有方程組：

(3)

分析可知，式(3)可以表達為矩陣形式，即：

Lβ=ΔL，

(4)

其中，

θ1=arccosβ1,θ2=arccosβ2,

(5)

根據激光傳感器1的測量值L1和激光傳感器2的測量值L2，可以得到軌距的計算公式如下所示：

L=L1cosθ1+L2cosθ2+L0.

(6)

其中，L0為2個激光傳感器之間的距離。

圖8 軌距計算原理圖

3 實驗與誤差分析

3.1 系統實驗

為驗證該軌距檢測系統的精度，在具備實際軌道的實驗平臺上進行了實驗，實驗室的軌道為60 kg/m標準鋼軌，選取25 m長度的軌道作為檢測對象，并選取25個不同位置進行軌距尺測量和檢測系統測量，人工測量采用0級數顯軌距尺，測量范圍為1 407～1 470mm，精度為±0.25 mm，從實驗數據發現，選取的25個檢測位置的平均誤差為0.15 mm,標準差為0.38 mm，在編號為11～16的6個實驗點測量誤差較大，主要原因是，在這段鋼軌區間檢測時，對檢測車施加了較大的振動，剔除這些誤差較大的點后，平均誤差為0.002 mm，標準差為0.25 mm，系統測量與人工測量數據見表3。

由表3分析可知，通過數顯軌距尺測量的數據與軌距檢測系統的結果進行對比并經過多次重復性試驗發現，系統能夠達到的精度為±0.3 mm，完全可以滿足現有軌道交通維修標準的要求。

3.2 誤差分析

本文設計的軌距測量系統產生的測量誤差涉及的因素主要有：傳感器標定誤差、激光傳感器測量誤差、車體振動造成的誤差。這里對此可做闡釋分述如下。

(1)激光傳感器測量誤差。激光傳感器的測量誤差是傳感器的精度帶來的誤差，激光傳感器的線性度為±0.12%，傳感器安裝位置與鋼軌的最大距離為500 mm，則激光傳感器的最大測量誤差為0.6 mm。

(2)傳感器標定誤差。激光傳感器經過模數轉換之后進行標定，在模數轉換過程中，模數轉換芯片的精度會給系統帶來誤差，標定過程也會帶來一定的系統誤差。

(3)車體的振動。利用激光傳感器進行軌距測量的前提是激光傳感器與檢測車之間是沒有振動位移的，但在檢測過程中，激光傳感器和車體之間不是完全沒有振動的，會給系統帶來測量誤差。

表3 系統測量與手動測量數據表

4 結束語

軌距參數的非接觸檢測方式不同于傳統的手持軌距尺測量方式，結合軌距動態檢測的需求，本文基于激光測距技術和最小二乘法對軌距進行檢測，并基于該方案的檢測原理成功實現了非接觸式軌距幾何參數檢測功能。在實驗室進行試驗調試，從試驗數據分析，在動態檢測過程中精度達到0.3 mm，并具有較好的重復性，反映效果良好，但系統的穩定性和可靠性，尤其是檢測車振動較大時檢測的穩定性還有待進一步驗證。