基于激光传感器的高铁雪深多点测量研究
基于激光传感器的高铁雪深多点测量研究
作者:阚成勇;高旭东;邢宗义;张永;石奋义;
0 引言
随着高速铁路的快速发展,列车行驶速度越来越快,确保列车在恶劣天气下的行车安全显得尤为重要。降雪发生之后轨道内形成厚厚的积雪,若列车仍以原有速度运行,发生交通事故的概率会大大增加,严重威胁旅客的生命安全。因此对积雪深度进行实时监测并把数据传给控制中心,控制中心根据实际雪深大小采取降速、停运措施,保障列车安全快速的运行、乘客人生安全具有重要的意义。目前常见的雪深测量有:人工测量法、超声波测量法、激光测距传感器法、视频图像法。人工测量方法费时费力,数据不能实现连续输出。为提高观测质量和自动连续输出测量结果,中外学者做了很多实验研究。梁延伟利用超声波原理测量积雪深度,但超声波传感器受温度、风速影响很大,造成测量误差在1.5 c m 左右;中国专利C N 101762832[5]公开了一种雪深测量方法及装置,该装置通过使用摄像机对垂直插人到积雪底部的雪标尺进行拍摄,利用图像处理求出积雪深度。此装置虽然结构简单,但不适用于测量轨道内积雪深度。激光测距精度高,工作时不受环境温度、风速影响,广泛应用于积雪深度的测量并取得了良好效果。王柏林采用激光测距原理测量积雪深度,解决了超声雪深传感器易受环境温度、风和降雪过程影响的问题,测量误差在1 c m。H a iji M d e利用S H M 30激光传感器做了现场连续试验,测量误差在8 m m ;目前在用的激光雪深仪只能实现单点测量,而高速铁路轨道内积雪面是高低不平的,单点测量不能有效反映出轨道内的积雪深度,影响测量结果的准确性。本文设计一套雪深监测系统及方法,测量轨道内多个位置点的积雪深度。该系统装置包括云台、安装支架、激光位移传感器和倾角仪,通过把激光位移传感器安装在云台内,控制云台旋转带动激光位移传感器转动实现对轨道内多个点的积雪深度进行测量。
1 雪深监测系统概括
1 . 1 激光雪深监测系统
雪深多点监测系统由激光位移传感器、云台、倾角仪、加热单元组成。云台具有巡航和重复定位的功能,可以在设置好的多个点进行往复转动,重复定位的精度是0.01°,在误差要求范围内。激光位移传感器安装在云台护罩内,随云台的转距离雪面之间的距离;倾角仪安装在护罩内与激光位移传感器保持水平,用于测量出激光位移传感器倾斜的角度(与水平面的夹角).
1.2 激光测距原理
激光测距方法有:干涉法、反馈法、脉冲法、相位法。一般常用的2种工作方式是脉冲法和相位法.1)脉冲法其原理由激光发射器对被测目标发射一个光脉冲,然后由接收器接收目标反射回来的光脉冲,根据光速C,通过测定脉冲激光经被测物往返所经过的时间t 计算距离D.2)相位式测距方法为发射器发出经过调制的激光,经被测物返回。返回光与测量光相比产生了相移,通过测量调制的光信号在待测距离D 上往返传播形成的相移的相位A p,结合激光的角速度《和频率/,间接测出激光在测量点与目标间的往返时间t,根据光速c,求出待测距离D 。
1.3 行车速度限制
按照铁路行车管制办法,列车行车速度依据雪深大小限制。
1) 9 c m矣轨面积雪深度< 17 c m,限速245 km /h 以下;
2) 17 c m矣轨面积雪深度< 19 c m,限速210 km /h 以下;
3) 19 c m矣轨面积雪深度<22 c m,限速160 km /h 以下;
4) 22 c m矣轨面积雪深度<30 c m,限速110 km /h 以下;
5) 轨面积雪深度大于30 c m,停运;
为使雪情对列车运行速度影响降到最小,对雪深测量精度要求较高。
2 雪深多点测量概述
2 . 1 雪深单点测量原理
雪深测量是观测垂直于地面的积雪深度,雪深单点测量的原理图。雪深&是激光雪深传感器探头到基准面(地面或测雪板)之间的距离>1与探头到雪面之间的垂直距离&之差,即:& =^1-^2.在倾斜安装时雪深传感器测距单元不能直接测得垂直距离^和&,而是测得探头到基准面之间的直线距离[1和探头到雪面的直线距离[2,三角变换关系,可由式2通过距离值[1、[2和垂直倾角
算得雪深值^:hs = ( [1 -[2 ) cosa (2)其中人为雪深,单位m ; [1为探头到基准面的直线距离,单位m ; [2为探头到雪面的直线距离,单位m ; a 为垂直径角。
2 . 2 雪深多点测量原理
雪深多点测量是在单点测量的基础上实现的,其测量原理相同,多点测量的实现过程是:记录下雪前被测量各点的倾角度数、激光位移作为初始值;再测量下雪后各点的激光位移值,各测量点的倾角值保持不变。根据下雪前后测量的激光位移值再进行求解。
2 . 3 雪深监测系统测量步骤
雪深多点监测的测量步骤如下:第1 步:搭建多点雪深测量装置,将激光位移传感器和倾角仪均固定在云台的护罩内,云台底部通过螺栓固定在安装支架上,并通过安装支架固定在立柱上。第2 步:调平激光位移传感器和倾角仪。第3 步:标定倾角仪与激光传感器之间的夹角,具体步骤为:,)搭建多点雪深测量装置后,确定一个测量点,记录下激光测量值和倾角值。2 ) 在上述测量点放置高度为h6 的标准块,记录激光测量值和倾角值。A a = 0 , - acrsin( ( L3- L4 )/ h b) ( 3)3 ) 在上述测量点放置高度为^的标准块,记录激光测量值和倾角值。第4步:设置基准面,聚四氟乙烯板的透光性与雪类似,以其作为基准面。第5 步:记录云台巡航各点初始激光位移传感器和倾角仪。第6 步:云台连续巡航,再记录下激光位移传感器和倾角的值。第7 步:同一倾角下,根据2 次记录的激光测量值和倾角值得到测量点坐标。
2 . 4 针对轨道水泥平面采取的措施
激光雪深测量的是轨道内的积雪深度,需要参考基准面。起初利用水泥平板作为参考面,经测试发现当激光传感器照射在其表面时,激光位移不能输出有效值,从而说明水泥表面的反射效果较差。通过在轨道内放置P V C平板作为参考基准面,这种材料的透视效果与雪的最相似,激光照射在其表面可以正常输出位移值,同时可以减少测量误差,提高测量精度。
2 . 5 针对室外低温采取的措施
考虑到本系统的实际工作环境是在室外且温度在-20。以下,激光传感器不能正常工作,因此护罩内安装一加热单元,通过给密闭空间进行加热使位移传感器正常工作。加热单元由温控器和加热器组成,设置温度在10尤,温控器感知密闭空间内的温度自动控制加热器开关,当低于设置温度时加热器开始加热,高于预定温度时加热器停止加热,使密闭空间内的温度控制在预定温度范围内,保证激光传感器在低温下正常工作。
2 . 6 软件实现
利用组态王软件编程实现激光传感器和倾角仪数据的采集、存储、计算,并把计算的结果实时显示在界面上。界面上显示的参数:当前各点的雪深值、倾角值、绘制出多点雪深曲面图。云台的控制由自身的软件进行控制,当各巡航位置确定后,由输人待测量的角度到云台中,控制云台巡航。
3 现场实验
为测试雪深测量系统的应用效果,选择在某高铁工务段现场做试验,将雪深测量系统安装在轨道旁供电柱上,对轨道雪深做静态测量。通过2次测量对比得出本雪深监测系统的平均误差在0.004 7 m。对表2、表3误差较大的测量结果分析其原因:一是人工测量自身有误差,需多次测量求平均值;二是激光倾斜角度在21。左右,人射角偏小,而雪面是颗粒状晶体会把激光点分散,导致激光漫反射时不能正常输出正确的位移值,使测量结果输出有误。测量效果好,在此角度范围内激光位移传感器可以覆盖轨道内的所以位置。
4 结语
现场试验得出雪深测量的好的测量角度范围,同时与人工测量多次对比试验,测量误差在5 m m 范围内,雪深多点测量系统能够满足高铁雪深测量的需要,具有一定的市场价值。
本文章转自爱学术(aixueshu.com),如有侵权,请联系删除