基于線陣CCD的線路方向測量系統(tǒng)的開發(fā)
摘要:該系統(tǒng)硬件設(shè)備采用長距離準(zhǔn)直激光光源、CCD圖像傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、系統(tǒng)終端PC等器件,利用線陣CCD測量技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、多信息傳感融合技術(shù)等高新技術(shù),能夠?qū)﹁F路路軌區(qū)段(長度≤200m)軌道幾何形狀進(jìn)行高精度檢測,將線路軌向測量結(jié)果直接數(shù)字化顯示,為線路設(shè)備維修提供可靠的測量數(shù)據(jù),解決了既有,方法測量精度差、效率低的問題,能滿足鐵路工務(wù)系統(tǒng)作業(yè)要求、提高作業(yè)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞:線陣CCD;旋轉(zhuǎn)編碼器;準(zhǔn)直激光
1 系統(tǒng)概述
隨著鐵路列車的不斷提速,鐵路軌道在列車的動力作用下,變形不斷積累。曲線軌道的受力情況比直線軌道復(fù)雜,變形較快。一種最常見的表現(xiàn)方式為曲線軌道方向的錯亂。為確保行車的平穩(wěn)和安全,必須要定期檢查曲線軌道的方向,及時把它整正到原來的設(shè)計位置,并恢復(fù)其原來的曲率。
整正曲線的方法很多,目前在鐵路維修工作中,最常用的是繩正法,它利用曲線上正矢與曲率之間的關(guān)系,改正正矢,使之恢復(fù)原有的設(shè)計曲率。但采用繩正法時,長弦線不易拉直,人工對直尺讀數(shù)誤差較大,費(fèi)時費(fèi)力,精度不高。隨著列車速度的提高,對鐵路曲線軌道方向的要求越來越高,因此很有必要研制一種快速、便捷、智能化、高精度、基于線陣CCD的線路方向測量系統(tǒng)。
2 國內(nèi)現(xiàn)狀及系統(tǒng)建設(shè)的必要性
2.1 國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀
目前,國內(nèi)對線路方向測量的現(xiàn)有方法:
一是通過軌檢車、添乘儀的打分,但里程不準(zhǔn)確而且沒有量化的偏差值;
二是工人現(xiàn)場對直線地段進(jìn)行目測,曲線地段采用繩正法測量正矢,效率低、精度差;
三是在特殊區(qū)段采用水準(zhǔn)儀定線穿焦點(diǎn)的方法測量方向,操作復(fù)雜,效率較低。
2.2 系統(tǒng)建設(shè)的必要性
隨著鐵路第六次大提速的結(jié)束,中國正式走向高鐵時代。行車速度已有很大的提高,即對既有鐵路線路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有了更高的要求,尤其是對既有鐵路曲線的維修提出了更高的要求。同時原來的鐵路線路維修方式日益被機(jī)械化維修所取代,尤其是大型養(yǎng)路機(jī)械的廣泛使用,這就要求維修人員改變觀念,改變傳統(tǒng)的維修方式,運(yùn)用機(jī)械化進(jìn)行線路維修養(yǎng)護(hù),特別是線路方向維修養(yǎng)護(hù)。
隨著鐵路提速、重載的不斷發(fā)展,鐵路軌道受到列車的沖擊力越來越大,引起線路在水平和豎向方向的變形也相應(yīng)增大,變形積累到一定程度就會引起列車晃車,嚴(yán)重影響旅客乘坐舒適性和列車運(yùn)行安全。因此,鐵路部門工務(wù)段一直把線路方向整治和消滅三角坑作為線路維修的重點(diǎn)。但目前現(xiàn)場作業(yè)只能采用目測和繩正法進(jìn)行測量,效率較低且精度不高,難以滿足鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展,因此,研制開發(fā)一種快速、便捷、智能化、高精度、基于線陣CCD的線路方向測量系統(tǒng)是十分必要的。
3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
研究一種可在鋼軌上移動的基座,一端安裝準(zhǔn)直激光光源,一端安裝CCD測量裝置,測量時安裝準(zhǔn)直激光光源的基座固定,安裝CCD測量裝置的基座沿鋼軌移動,通過安裝在移動基座上的編碼器測量距離,CCD通過光學(xué)系統(tǒng)接收編碼標(biāo)尺的像素位移信號,并將編碼器測量的1 m(或任意設(shè)定值)整數(shù)倍位置的像素位移信號進(jìn)行記錄,數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)把像素位移信號進(jìn)行二值化處理后,將被測目標(biāo)的中心值從背景中分離出來。從而得到目標(biāo)相對CCD中心像元的偏離值。將測量數(shù)據(jù)傳輸至終端PC進(jìn)行分析計算,判斷線路的方向并給出偏差量。
其關(guān)鍵技術(shù)為:
(1)CCD測量裝置的選擇和控制;
(2)編碼標(biāo)尺的設(shè)計和制作;
(3)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究;
(4)編碼器精度的控制;
(5)基座的設(shè)計。
4 系統(tǒng)實現(xiàn)目標(biāo)及主要研究內(nèi)容
4.1 主要目標(biāo)
(1)研制開發(fā)一種快速、便捷、智能化、高精度、基于線陣CCD的線路方向測量裝置。要求便攜、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、適用性強(qiáng)。
(2)自動完成測量作業(yè),測量過程自動化,減少人為因素干擾,測量結(jié)果可在屏幕顯示并儲存,如測量過程中出現(xiàn)異常,可給出提示并顯示異常的原因。
(3)測量精度小于1 mm。
4.2 主要研究內(nèi)容
基于線陣CCD的線路方向測量系統(tǒng)中測量裝置的測量原理是在鋼軌上架設(shè)線路方向測量裝置,線路方向測量裝置由光學(xué)系統(tǒng)(準(zhǔn)直激光光源)、線陣CCD相機(jī)、圖像采集電路、信號處理電路、控制及顯示電路、軟件等組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1。
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