新型配砟車避障系統的研發與應用

游彥輝，高春雷，王發燈

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

新型配砟車避障系統的研發與應用

游彥輝，高春雷，王發燈

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

研究發了一種新型的配砟車輔助避障系統，該系統可實現作業時對前方障礙物加以規避及作業后對道床輪廓予以檢測，其采用了傳感器測量技術、AD采集技術、非接觸測量技術及可視化人機界面，既能實時采集障礙物信息，又可結合側犁外伸參數對車輛前方的障礙物進行智能判斷并記錄相關信息。現場應用表明該系統精度高，性能穩定，簡單易用。

激光掃描 障礙判斷 自動報警

大型養路機械普遍缺少在作業時對障礙物進行檢測的裝置，常采用人工觀察障礙物的方法。由于人員誤操作以及觀察不及時等原因，導致各種機型大型養路機械作業時經常出現與障礙物發生碰撞的情況。因此，結合DPZ-440型單向配砟整形車的特點，研發了一套輔助避障系統，既可有效提高配砟車作業時的安全性，又可提高作業效率。本文介紹所研發的避障系統的組成及工作原理。

1 避障系統組成

1.1 位移傳感器

位移傳感器用來測量側犁外伸參數，是避障系統重要的組成部分。經比選，采用如圖1所示的拉繩位移傳感器，其線性度能達到≤0.15%，轉換系數為11.9 mV/mm。該傳感器具有易安裝、性能穩定、牢固、不易損壞等特點。

圖1 位移傳感器

避障系統共安裝10個位移傳感器，分別安裝在左右側犁的10個油缸上，可保證測量精度。

1.2 激光傳感器

選用SICK公司的LMS511型激光傳感器，如圖2所示。該傳感器掃描角度達180°，最大掃描距離為40 m，掃描頻率75次/s，角度分辨率可達0.25°，測量精度為±24 mm。該傳感器采用非接觸式測量，主要用于室外的物體測量及防撞。

圖2 LMS511型激光傳感器

相較于傳統的紅外傳感器、超聲波傳感器等測距方式，采用激光傳感器不受灰塵影響，測距精度更高，更適用于作業時的惡劣環境。

1.3 工控機

工控機是避障系統的核心控制部件。選擇了型號為NISE2100A的工控機，如圖3所示。其支持9～36 V寬壓輸入，有兩個千兆網口，2個485口，4個USB口，具有良好的抗震性。

2 測量原理

2.1 側犁外伸值測量原理

在避障系統中，對側犁外伸參數的測量是實時性的，通過左右共10個位移傳感器得到左右側犁最外端距軌心的距離值和距軌面的高度值。測量原理見圖4。

如圖4所示，以伸縮筒油缸旋轉軸為原點建立坐標系，通過坐標轉換，再與X1，Y1點距離軌道中心的高度值和水平距離值進行計算，就可以把側犁最外端距離軌道中心的高度值和外伸值計算出來。

圖3 工控機

圖4 側犁外伸參數測量原理

2.2 掃描原理

測量障礙物采用了激光傳感器，障礙物掃描原理見圖5。

圖5 障礙物掃描原理(單位:mm)

避障傳感器安裝于車頭距軌面2 770 mm高的地方，α為安裝角，約為14°，保證光束平面在道床上返回的長度值不超過16 m。光束平面與水平面的夾角為α，這樣每次掃描都會有多個點的返回值，Lth為掃描到道床上的點應返回的理論值，Lr為實際測量值，則測量出的障礙物高度d=(Lth－Lr)/sinα。若d大于設定的障礙高度，則可以判定前面遇到高出道床輪廓的障礙物了，這就是該避障系統檢測障礙物的基本原理。

2.3 障礙判斷

避障系統的檢測部分要測量障礙物及側犁的外伸參數。障礙物的測量除了使用激光傳感器以外，還要結合里程傳感器的里程信息，根據速度來判斷障礙物距離車頭的距離，同時，再依據側犁外伸的參數，來判斷側犁是否會碰到障礙物。

如果在側犁外伸的范圍內發現前方有障礙物，且該障礙物在側犁的安全距離之內時，在自動避障的模式下，將輸出停車信號，實現自動停車，實時報警并給出文字提示。如果是在手動避障的模式下，將提供文字提示及聲音報警。

3 避障系統應用及探討

3.1 系統應用

打開PC控制系統后，可根據現場作業的實際情況對避障系統參數進行設置，如障礙物的高度、避障模式(自動避障或手動避障)，并輸入作業線路的信息(線路名稱、起始里程等)。

激光傳感器啟動成功以后，開始實時檢測前方的物體，結合側犁外伸的參數對前方掃描到的障礙物進行判斷。避障系統軟件界面如圖6所示，內部的紅色區域(圖中深色線內)是側犁外伸參數的形象展示，外側兩根豎線則為測量范圍，上方為道床輪廓演示曲線。在內框紅色區域內的障礙物為危險障礙物，將會碰到側犁，如果該障礙物不在紅色區域內，將顯示為黃色。如果碰到危險障礙物，除了在軟件界面上方有紅色文字提示操作人員以外，還有聲音報警，直到將側犁收回到安全范圍以后紅色提示框以及聲音報警才會消失，這樣就避免了操作人員在沒有消除障礙的情況下繼續行車。

避障系統軟件還提供了保存功能，可以將碰到的障礙物及其里程信息保存下來，并可實現數據回放。這樣既方便了現場排除障礙，也利于后續的作業分析。

3.2 大機避障技術探討

在大機作業時，除了配砟車以外，其余車型還普遍缺乏安全保護系統。將來可以在各種車型上結合作業情況，安裝相應的避障系統，采用測量和監測于一體的集成系統，并利用可視化界面實現障礙的實時檢測，進一步與車上的外伸裝置的控制信號進行集成，從而實現自動收車避障。

如果大型養路機械均采用了避障系統，不但可以保障作業安全，還可以提高作業效率，從而減少人力物力成本，延長大機使用壽命。

圖6 避障系統軟件界面

4 結語

根據現場使用經驗，本文介紹的大型養路機械避障控制系統具有如下特點:

1)實時檢測。激光傳感器可進行掃描角度180°、頻率75次/s的掃描，對前方障礙物進行全面監視。

2)非接觸測量。激光傳感器通過發射激光并接收返回的激光從而判斷障礙物的距離。該方法高效、實用。

3)自動檢測側犁參數。通過位移傳感器檢測側犁的外伸值和距軌面高度，為判斷障礙提供依據。

4)自動報警。通過計算傳感器返回的數據，結合側犁的外伸值給出障礙物的文字及聲音報警信息。

近幾年的使用效果證明了該系統具有穩定可靠、速度快、安裝方便、操作靈活等特點。

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(責任審編李付軍)

U216.63

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.41

1003-1995(2015)06-0160-03

2014-10-06;

2014-12-10

游彥輝(1983—)，男，云南鎮雄人，助理研究員，碩士。