融合激光雷达与激光测距传感器的接触网状态检测系统研究

引言

随着我国高铁、城际铁路、城市地铁等轨道交通方式的快速发展,越来越多的人们选择将其作为主要出行方式,因此轨道交通的安全性就显得越发重要。接触网是电气化铁路牵引供电系统的关键部件之一,主要作用是通过受电弓为轨道交通运行车辆提供能量,实现车辆的正常运行。接触网与受电弓的耦合关系非常复杂,在车辆运行过程中二者将产生大量摩擦,可能会造成接触网的结构损坏,甚至发生列车断电、停止运行等系列安全事故。因此,实现接触网状态的快速准确检测,对提升轨道交通的安全性具有十分重要的意义。

1行业内现有接触网测量方式对比

针对接触网状态的准确检测,目前一般有人工静态测量、动态接触式检测和动态非接触式检测三类。

(1)人工静态测量主要依靠检修人员通过传统设备测量接触网接触悬挂部分的静态几何尺寸,并通过测量得到的静态几何尺寸判断接触网的运行状态。使用人工静态检测法可以有效保证车辆在运行初期满足线路的设计要求,是一种最为传统的接触网状态检测方法,但无法实现接触网状态的动态测量且效率较低下。

(2)接触式检测是在列车受电弓上安装结构、性能、线性度等接触网检测装置,在接触网与受电弓相互接触工作过程中,两者相互作用,通过检测受电弓的状态,计算得到接触网的状态。接触式检测可以实现24h不间断检测,但其受外部设备状态、列车运行工况及环境因素等多方面因素影响较大,对测量设备本身及安装调试要求非常高,且后期设备维护成本较高。

(3)非接触式检测是目前接触网状态检测的主流方向,主要有激光雷达扫描法和视觉测量法,其核心思想是通过非接触式的传感器对接触网的参数进行检测,实现接触网的状态检测。视觉测量主要依靠高速相机对接触网进行录像,并对导高进行动态测量:激光测量主要依靠激光传感器,通过激光测距原理,实现接触网状态检测。目前较为先进的非接触式接触网检测系统由德国DB公司研制,国内研究机构在消化吸收国外技术的基础上,自主研发了系列弓网检测系统,实现了接触网状态的检测。但目前非接触式检测的方案还不是非常成熟,需要不断研究改进。

本文设计了一种基于激光雷达的接触网状态检测系统,通过融合激光雷达与激光测距传感器的数据,实现对接触网准确、高效的非接触式状态检测。

2系统设计

本文所设计的接触网状态检测系统构成如图1所示。系统主要包括4个部分:传感器单元、数据采集单元、综合处理单元和通信单元。传感器单元包括激光雷达和激光测距传感器,激光雷达使用杉川3i-T1激光雷达扫描仪,通过以太网RJ45接口与综合处理单元进行通信:激光测距传感器使用GALAxYZ的GLs-B40+,其为电容式传感器,可通过485总线与综合处理单元进行通信。数据采集单元使用自制数据采集板对激光雷达和激光测距传感器获取的接触网信息进行采集,并将其发送给综合处理单元。综合处理单元使用研华ARK-3500P工控机,通过对采集单元获取的数据进行融合,确定接触网状态,并进行数据的存储与显示。通信单元使用京宁DA5114GDTU模块,可将综合处理得到的接触网状态信息发送给远端监控中心,方便管理人员查看与分析使用。系统主要组成部分参数如表1所示。

3检测关键技术

本文所设计的接触网状态检测系统,主要通过融合激光雷达与激光测距传感器的测量数据,实现对接触网导高与拉出值的测量,其测量的关键技术在于定位脉冲式测距技术和精确测量相位式测距技术,下面对这两种关键技术分别进行介绍。

3.1基于时间飞行法的脉冲式测距技术

激光雷达基于飞行时间(TimeofF1ight,ToF)原理进行距离检测,通过对激光脉冲反射时间的高精度测量,获取准确的位置信息,同时结合电机旋转运动实现环境扫描构图。脉冲测距的基本原理如图2所示,高精度计时器通过测量发送激光和接收激光之间的时间差计算被测目标与传感器之间的距离,测量距离的表示如下:

式中:L为被测目标与传感器之间的距离:c为光在空气中传播的速度:A1为计时器采集到的发送激光和接收激光间的时间差。

由式(1)可知,ToF测距的精度主要取决于时间间隔测量的精度,但受限于计时装置的精度和其他非线性因素,该方法测距精度较低,但响应速度快,适用于快速定位。为提高测量精度,可通过多次测量求平均值的方式计算时间间隔,但该方法需要更长的处理时间。

3.2基于时间飞行法的相位式测距技术

相位式激光检测技术通过调制信号对发射光波的光强进行调制,根据测量相位差计算被测目标与传感器之间的距离,具体原理如图3所示。

假设激光发射处与反射处之间的距离为x,光在空气中传播的速度为c,光在两者之间的往返时间为1,则有:

调制信号的周期为T,频率为f,激光发射处与反射处接收信号的相位差为o,则o可以表示为:

式中:N为获取完整周期波的数量:Ao为不足一个完整周期的波相位。

综上可得被测目标与传感器之间的距离为:

4现场试验

基于上述方案,研制的接触网状态检测系统如图4所示(已与华东交通大学轨道试验中心共同研制)。系统工作流程如图5所示。

使用所研制的接触网状态检测系统,测量得到接触网差高和拉出值如表2所示。由表中数据可知,所设计的系统可以有效测量接触网的差高与拉出值,实现对接触网状态的有效检测。

5结语

本文设计了一种融合激光雷达与激光测距传感器的城市轨道交通接触网状态检测系统,通过激光雷达粗定位和激光测距传感器精确测量,获取接触网的差高与拉出值。该系统为城市轨道交通接触网状态检测技术的发展提供了参考,对提升轨道交通运维能力具有十分重要的现实意义。