吳儉民，王慶賢，金順利

(1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.國(guó)網(wǎng)武威供電公司，甘肅武威 733000)

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基于大功率超聲測(cè)量的機(jī)車車輛靜態(tài)限界快速自動(dòng)檢測(cè)方法

吳儉民1，王慶賢1，金順利2

(1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.國(guó)網(wǎng)武威供電公司，甘肅武威 733000)

機(jī)車靜態(tài)限界是保證機(jī)車安全運(yùn)行的基本條件，針對(duì)現(xiàn)有的接觸式檢測(cè)手段操作復(fù)雜、效率低等問(wèn)題，基于自動(dòng)化檢測(cè)的要求，設(shè)計(jì)一種采用大功率超聲波傳感器測(cè)距的機(jī)車限界檢測(cè)系統(tǒng)。介紹了檢測(cè)原理，并根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，給出了對(duì)應(yīng)的校正公式，保證了測(cè)量結(jié)果的精度。系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測(cè)量的目標(biāo)，滿足機(jī)車車輛靜態(tài)限界檢測(cè)的要求。

靜態(tài)限界；機(jī)車車輛；自動(dòng)測(cè)量；大功率超聲波

0 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，我國(guó)的鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)也在高速發(fā)展，這對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩耘c可靠性提出了更高的要求。尤其對(duì)于高速鐵路，更快的速度和更重的載荷對(duì)機(jī)車車輛的制造提出了更高的要求[1]。鐵路限界是保證鐵路安全運(yùn)營(yíng)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，直接關(guān)系到機(jī)車車輛在線路上安全運(yùn)行[2]。鐵路限界可分為機(jī)車車輛限界和建筑物接近限界，機(jī)車車輛限界則是一個(gè)垂直于線路中心線的橫斷面輪廓，是在進(jìn)行機(jī)車車輛設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)用過(guò)程中的基本參數(shù)。當(dāng)機(jī)車車輛在沿軌道線的直線或曲線上運(yùn)行到最大可能偏移位置并停留時(shí)，車輛最外輪廓各點(diǎn)所形成的凈空稱為機(jī)車車輛在直線或曲線上的靜態(tài)限界[3]。

目前常采用接觸式鐵路機(jī)車車輛靜態(tài)限界規(guī)[4]對(duì)鐵路機(jī)車車輛的外形輪廓進(jìn)行測(cè)量，一次測(cè)量需要4～5名工作人員，且存在許多問(wèn)題，如測(cè)量累積誤差大、效率低、受人為因素等的影響。隨著目前各種高精度、高效率的非接觸式檢測(cè)手段的廣泛成功應(yīng)用，考慮將傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量替換為快速、精確的非接觸式限界測(cè)量。本文提出了一種采用大功率超聲波作為測(cè)距手段[5]的機(jī)車車輛靜態(tài)限界非接觸式測(cè)量系統(tǒng)，為鐵路機(jī)車車輛的靜態(tài)限界測(cè)量提供了一種經(jīng)濟(jì)而有效的解決方案。

1 檢測(cè)系統(tǒng)的組成與檢測(cè)原理

1.1 檢測(cè)系統(tǒng)的組成

考慮到在檢測(cè)過(guò)程中，主要檢測(cè)目標(biāo)為機(jī)車車輛上部限界，所以設(shè)置龍門(mén)框架圍繞機(jī)車車體，框架上傳感器布置示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)車靜態(tài)限界測(cè)量系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、3個(gè)測(cè)距傳感器、3個(gè)伺服電機(jī)以及相應(yīng)的輔助運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌、相關(guān)支撐框架以及全部的軟件系統(tǒng)組成。測(cè)距傳感器用于測(cè)量傳感器安裝點(diǎn)到車體輪廓表面的距離；支撐框架用來(lái)支撐輔助運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌；伺服電機(jī)控制測(cè)距傳感器沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而完成對(duì)整個(gè)車身的全部檢測(cè)，可通過(guò)相應(yīng)的單片機(jī)記錄相應(yīng)的位移；計(jì)算機(jī)承擔(dān)最終的數(shù)據(jù)處理，并以三維圖形的方式直觀地反映測(cè)量結(jié)果。

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理

根據(jù)機(jī)車車輛靜態(tài)限界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，建立軌道中心坐標(biāo)系如圖2所示。其中，Y軸為機(jī)車行進(jìn)方向；X軸為軌平面切線，垂直于Y軸；Z軸為XOY平面的法線，三者交與軌道中心。

圖2 軌道中心坐標(biāo)系

假設(shè)圖1中2號(hào)傳感器在軌道中心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x20，y20，z20)，若輔助運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)、短導(dǎo)軌的位移分別為l長(zhǎng)、l短，則有被測(cè)點(diǎn)在軌道中心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x，y，z)為

(1)

在檢測(cè)過(guò)程中，控制伺服電機(jī)，使其沿輔助運(yùn)動(dòng)的軌道掃描整個(gè)機(jī)車輪廓。同時(shí)，記錄伺服電機(jī)在不同位置時(shí)，測(cè)距傳感器測(cè)得的距離值，為了使測(cè)量結(jié)果精確，需要盡可能多地采集原始數(shù)據(jù)，對(duì)于機(jī)車車體的明顯轉(zhuǎn)折處，更要注意掃描密度。通過(guò)串口將3個(gè)傳感器得到的原始數(shù)據(jù)傳給主機(jī)，由主機(jī)融合分析后，計(jì)算繪制出檢測(cè)機(jī)車的輪廓線，并與當(dāng)前車型的限界標(biāo)準(zhǔn)比較，從而判斷得出，被檢測(cè)機(jī)車是否發(fā)生超限。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

1.3 檢測(cè)系統(tǒng)傳感器的選擇

常用的超聲波傳感器中的換能器的一般由壓電晶體(電致伸縮)制成，受其材料的影響，超聲波的發(fā)射功率一般不會(huì)很大，造成反射回波的信號(hào)強(qiáng)度太低從而不容易被檢測(cè)到或者因?yàn)榇蟮陌l(fā)射角而得到比實(shí)際距離短的數(shù)值，從而導(dǎo)致測(cè)距失敗。系統(tǒng)選用URM06-RS485大功率超聲波測(cè)距模塊測(cè)量車體到傳感器安裝點(diǎn)的實(shí)際距離，URM06-RS485超聲波測(cè)距模塊的技術(shù)規(guī)格如下所示：

(1)平時(shí)電流為16 mA，發(fā)射時(shí)瞬間電流為2 A；

(2)工作電壓為6～12 V，工作溫度為-10～+70 ℃，測(cè)量范圍為20 cm～10 m，螺紋安裝；

(3)工作頻率為49.5 kHz，探頭方向角為15°(-6 dB)；

(4)接口方式RS485。

2 系統(tǒng)校準(zhǔn)與侵界判斷

2.1 系統(tǒng)校準(zhǔn)

由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，系統(tǒng)中包含多個(gè)測(cè)距傳感器，每個(gè)傳感器負(fù)責(zé)車體一部分輪廓線與傳感器安裝點(diǎn)一維距離的測(cè)量，所以需要將多個(gè)傳感器測(cè)得的一維距離統(tǒng)一于軌道中心坐標(biāo)系內(nèi)，從而保證測(cè)量精度。如圖4所示，由郭寅、劉常杰[6]等人所做的工作可以得知，設(shè)圖1中2號(hào)超聲波測(cè)距傳感器的起始坐標(biāo)為(x0，y0，z0)，長(zhǎng)、短運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌及測(cè)量聲波的矢量分別為(i長(zhǎng)，j長(zhǎng)，k長(zhǎng))、(i短，j短，k短)、(i測(cè)，j測(cè)，k測(cè))，當(dāng)長(zhǎng)、短導(dǎo)軌分別產(chǎn)生l長(zhǎng)、l短的位移時(shí)，超聲波測(cè)距傳感器測(cè)得值為l測(cè)。其中，l長(zhǎng)、l短可由單片機(jī)記錄伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)而得到，則被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)系可表示為下式：

(1)

圖4 系統(tǒng)校準(zhǔn)計(jì)算示意圖

2.2 侵界判斷

根據(jù)段培勇等人[7]的研究成果，可以將判斷機(jī)車限界是否侵界等同于判斷軌道中心坐標(biāo)系下某斷面中有沒(méi)有掃描點(diǎn)處于限界標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，由于鐵路機(jī)車限界標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)封閉的曲線，可以采用水平射線算法[8]，通過(guò)求解該點(diǎn)的水平線與多邊形各邊的交點(diǎn)個(gè)數(shù)來(lái)判斷是否有侵界發(fā)生。圖5為射線判別算法示意圖。假設(shè)圖5中閉合曲線為機(jī)車靜態(tài)限界，A、B分別為檢測(cè)到的車輛輪廓線的點(diǎn)，圖5中A點(diǎn)在機(jī)車限界內(nèi)，未發(fā)生侵界，作水平射線與閉合曲線的交點(diǎn)只有一個(gè)；，圖5中B點(diǎn)在機(jī)車限界允許外，發(fā)生侵界，作水平射線與閉合曲線的交點(diǎn)不等于一個(gè)，同時(shí)可根據(jù)射線方向與交點(diǎn)個(gè)數(shù)判斷得出侵界點(diǎn)究竟位于機(jī)車的什么位置。

圖5 射線判別算法示意圖

3 檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

檢測(cè)系統(tǒng)除了需要按照?qǐng)D1中所示布置龍門(mén)框架外，還有相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程，軟件系統(tǒng)除了包括超聲波測(cè)距、伺服電機(jī)的控制等下位機(jī)程序外，還包括檢測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)程序，主要功能為數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取等。

3.1 超聲波測(cè)距

系統(tǒng)中超聲波測(cè)距的主要任務(wù)為完成傳感器到車體輪廓表面距離的測(cè)量，系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為核心控制芯片，程序采用單片機(jī)C語(yǔ)言[9]編寫(xiě)。單片機(jī)與上位機(jī)采用RS232串口方式完成數(shù)據(jù)通信。超聲波測(cè)距流程如圖6所示。

圖6 超聲波測(cè)距流程圖

超聲波測(cè)距傳感器安裝固定于短運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上，由伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制，完成對(duì)車體全部輪廓線的掃描。伺服電機(jī)也稱執(zhí)行電機(jī)，受輸入的的脈沖信號(hào)控制、并且響應(yīng)速度很快。檢測(cè)系統(tǒng)選用全數(shù)字永磁交流伺服電機(jī)CSMS及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，功率為1.2 kW.

3.2 串口通信

檢測(cè)系統(tǒng)中共有3個(gè)用以控制伺服電機(jī)和超聲波傳感器測(cè)距的單片機(jī)，都選用9針串口方式(RS232)與上位機(jī)通信。LabVIEW中具有串行通信方式的的相關(guān)控件，只需設(shè)置好相應(yīng)的波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位即可。通信程序截圖如圖7所示。

圖7 串口通信程序截圖

3.3 檢測(cè)系統(tǒng)的操作界面

系統(tǒng)通過(guò)基于LabVIEW編程的上位機(jī)軟件程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)車車輛橫斷面輪廓測(cè)量的自動(dòng)化控制。LabVIEW由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開(kāi)發(fā)，使用圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，具有界面友好、直觀，便于操作等優(yōu)點(diǎn)[10]。檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)通訊模塊、主控模塊、超限警告模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取模塊，檢測(cè)系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8 機(jī)車車輛靜態(tài)限界檢測(cè)界面

4 結(jié)果分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，首先對(duì)各傳感器進(jìn)行重復(fù)性精度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差小于5 mm，滿足鐵路機(jī)車車輛靜態(tài)限界檢測(cè)的要求。圖8右側(cè)部分為系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果生成的一部分。系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與人工測(cè)量相比，測(cè)量精度更貼近機(jī)車的設(shè)計(jì)參數(shù)，且檢測(cè)時(shí)間明顯降低。

5 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)的接觸式車輛限界檢測(cè)手段的不足，設(shè)計(jì)了一種基于大功率超聲波的非接觸式檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化檢測(cè)的目標(biāo)，提高了檢測(cè)效率，極大降低了測(cè)量分析人員的工作量；采用由磁致伸縮材料制成的大功率超聲波傳感器，保證了測(cè)量的可靠度；總結(jié)前人所做工作，給出了多個(gè)傳感器同時(shí)測(cè)量時(shí)的校準(zhǔn)公式，使測(cè)量結(jié)果的精度更高；利用單片機(jī)系統(tǒng)高性能、低功耗、低價(jià)格等特點(diǎn)，結(jié)合PC機(jī)較強(qiáng)大的數(shù)據(jù)圖像處理功能，將二者取長(zhǎng)補(bǔ)短，有機(jī)融為一體；很好地滿足了鐵道機(jī)車車輛靜態(tài)限界測(cè)量系統(tǒng)的需求。

[1] 吳斌,莊洵,劉常杰,等.鐵路機(jī)車車輛靜態(tài)限界測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法研究.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26(1)：58-62.

[2] 鄭天中.高武鐵路限界有關(guān)問(wèn)題探討.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，1996，6(5)：4-8.

[3] 鞠殿銘,郭維鴻,胡安洲.關(guān)于機(jī)車車輛靜態(tài)限界若干問(wèn)題的探討.北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，21(6)：625-628.

[4] GB/T16904.2—2006 標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路機(jī)車車輛檢查 第2部分：限界規(guī).

[5] 劉升平,王劍,葛紅.超聲波測(cè)距系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009，45(25)：78-81.

[6] 郭寅,劉常杰,劉剛,等.機(jī)車車輛靜態(tài)限界非接觸式自動(dòng)測(cè)量測(cè)量系統(tǒng).中國(guó)鐵道科學(xué)，2013，34(1)：135-138.

[7] 段培勇,薛峰,謝錦妹,等.激光掃描技術(shù)在鐵路限界檢測(cè)中的應(yīng)用研究.鐵道建筑，2013(8)：89-92.

[8] 鄒有建,肖龍?chǎng)?陳鼎.判斷某點(diǎn)是否在任意多邊形內(nèi)兩種算法的比較.地礦測(cè)繪，2009(3)：28-30.

[9] 趙建領(lǐng)，薛圓圓.零基礎(chǔ)學(xué)單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[10] 鄭對(duì)元等.精通LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2012.

Fast and Automatic Vehicle Static Margin Based on High-power Ultrasonic Measurement

WU Jian-min1,WANG Qing-xian1，JIN Shun-li2

(1.School of Automation and Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong Uniwersity,Lanzhou 730070,China; 2.State Grid Gansu Electric Power Company Wuwei Power Supply Company,Wuwei 733000,China)

The static margin of the railway vehicle is a basic condition to ensure the safe operation of vehicles.In view of the problems such as operation complex and low efficiency of the existing contact test methods,based on the demand of automatic detection,this paper designed a vehicle clearance gauge detection system using high-power ultrasonic.The paper introduced the detection principle and then according to the structure of the system gave the corresponding correction formula,and ensured the accuracy of the measurement results.The system has simple measurement process and high measurement precision;it has achieved the goal of automatic measurement and can meet the requirements of tunnel limit test well.

static margin;vehicle;automatic measurement;high-power ultrasonic

甘肅省聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(211158)

2014-01-08 收修改稿日期：2014-10-20

TP399

A

1002-1841(2015)02-0085-03

吳儉民(1990—)，碩士研究生，主要從事智能檢測(cè)與控制、電力電子與電力傳動(dòng)領(lǐng)域的研究。E-mail：yboxuan@126.com 王慶賢(1955—)，高級(jí)工程師，主要從事智能檢測(cè)與控制、碳化硅節(jié)能減排等領(lǐng)域的研究。