| 标题 | 一种用于地铁隧道快速扫描的自移动健康检测车的设计研究 |
| 范文 | 唐继民 摘要：本文主要从外观、稳定性、安全性、多功能性几个方面着手，研究设计了一种用于地铁隧道快速扫描的自移动式三维激光扫描健康检测车。该小车行驶速度稳定、功能完善，设计人性化，用户体验度较高，在地铁隧道移动扫描中有较强的应用价值。 关键词：三维激光扫描;地铁隧道;检测车;稳定性;高效 一、项目概况 （1）研究背景。近年，移动三维扫描技术发展比较迅速，测量速度、测量精度都有了大幅的提高，而该技术恰巧能解决目前隧道检测中碰到的测量时间窗口期较短以及测量范围不够的问题。传统全站仪的测量速度根据作业内容的不同大约为每小时测60300m，且每隔五环测一个断面，而扫描测量移动三维扫描技术用于隧道监测最快速度可以达到2.4km/h，并且是逐环全覆盖测量，其作业效率几乎是传统方法的八倍以上。 在隧道移动扫描过程中，扫描检测车作为移动扫描的载体，其稳定性和安全性至关重要，同时还要兼顾便携性和多功能的配置，本文着重研究设计一种适用于地铁隧道的自移动健康检测小车。 （2）研究内容。 本文主要研究内容包括以下四方面：a.自移动式三维激光扫描健康检测车的外观设计;b.自移动式三维激光扫描健康检测车的安全性设计;c.自移动式三维激光扫描健康检测车的稳定性设计;d.自移动式三维激光扫描健康检测车的功能设计。 二、外观设计研究 目前市面上的轨道小车，基本都是一体式结构，但是这样的结构会造成占用空间相对较大，运输的时候需要采用7人座以上的车辆，而且搬运起来不便。如果能将小车分为几段，则用普通5人座车辆就可以运输，并且单块车体搬运也相对轻便灵活。为此，我们的自移动小车采用三段式拼接结构，每一段均为优质铝合金焊接结构，连接面由超硬铝合金做定位销，加螺栓连接，从而保证了车体的稳定性。轨道测量自动行驶行进车外形如下图： （二）设备配置 （1）主机：包含左、中、右三段。各段之间采用圆柱销定位、螺栓连接。左、右段各包含电机、减速机与驱动器1套。中间段有控制器、电源模块、数据转换模块及48V/8Ah锂电池1件。行进车操作面板在中间段，配有一个工控机，可显示实时速度及存储测量数据功能。 （2）手持遥控面板：包含连接电缆、航空插头。 （3）扫描仪平台：包含602mm、337mm各1段。各段之间采用燕尾槽加锁紧手柄连接紧固。 三、安全性设计研究 （1）车体的绝缘性。 轨道交通有其自身的安全管理细则，尤其对相关绝缘设备的使用和计轴干扰的敏感性，因此必须首先保证车辆与轨道的绝缘性。所以小车四个轮子均采用了绝缘材料、轮轴外层也包裹了绝缘材料。 （2）抬高车体底盘高度。 将小车底盘高度提高至轨道面上方7cm，可以顺利越过大部分道床障碍物。 （3）安装障碍物自识别装置。 车身前安装自动感应装置，在前方有障碍物且人工干预不及时的情况下，其可自行制动，确保安全。 （4）操控手柄及紧急停车按钮设置。 如图1所示，在车辆上配置了操作手柄，可以控制小车启动、停止、加减速。同时，在小车两侧还配置了两个强制制动按钮，以防意外时能及时停车。 （5）前置大灯设置。 车辆配备了前置大灯，即可以看清隧道前方状况，又可以提醒隧道其他作业人员小车的靠近。 （6）进口元器件的采用。 自行进小车电气元件全部采用质量可靠的汽车级元件，电瓶、驱动器等核心器件更具宽电压工作，耐环境高温等显著特点，而其他操作元件也采用了西门子、施耐德等国际知名品牌元件，有效保证了系统元件可靠性。 四、稳定性设计 （1）后驱设计。 从行进车机械结构上来看，纵向结构采用了前轮为随动轮，后轮为驱动轮的后驱式设计，避免了前后轴同时驱动而造成的转速不同步，有效减少了窜动、打滑等现象 （2）涨紧弹簧设计。 为了适应轨道的正常变化，将行进车的一侧轮子固定，另一侧轮子做成左右滑动，并在这侧加刚度适当的涨紧弹簧，保证轮子在行驶过程中，与轨道的贴合。这样便可适应行进车在弯道、坡道上自由行驶，也有效防止了脱轨、卡轨等故障的发生。 （3）低压大扭矩闭环伺服电机的使用。 从电气控制上来说，行驶驱动轮采用了低压大扭矩闭环伺服电机，这种电机起步和刹车都可设置斜坡时间，确保起步和刹车过程的平稳;而在正常行进过程中，更是采用了双闭环控制，即采用两套高精度的转速编码器分别对电枢相位和电机输出轴转速进行实时检测，并与设定行驶速度进行比较，实时调整伺服电机当前转速，以确保行驶速度的恒定、平稳。 五、功能设计研究 轨道测量自动行驶车，是用于铁路、地铁轨道上平稳行驶的一种轻便式小型纯电驱车体。行进车行驶速度及方向，可通过手持遥控盒有线控制，或手机无線控制。同时，车体上可搭载激光扫描仪，对地铁隧道内的内壁进行均匀、连续的扫描。功能如下： （1）根据隧道内的实际情况，隧道环片腰部两侧均铺设有大量的支架、管线、消防管道以及逃生通道平台，这些平台高度在1米～1.5米间（距道床），为此小车设计的平台高度可分为三档，距离轨道面分别为40cm，80cm，120cm，根据不同的条件可以进行更换; （2）车体上配有里程传感器及车体倾斜传感器，外接电脑可通过网线连接，实时获取里程及倾角数据; （3）可以按指定速度匀速行进，最高时速5km/小时，电池连续工作时间不低于5小时; （4）车体上有操控面板，控制行进车前进、停止、倒退; （5）车上蓝牙可以通过手机app同步来控制行进车的前进停止、倒退和行驶速度、能读取里程传感器数据; （6）智能障碍物识别功能：安装前置倒车雷达，可语音自动报警障碍物距离，当达到设定值时可自动停车; （7）如图4增加后移扫描仪平台功能：可以让扫描仪扫到轨道数据。 六、总结 课题组结合隧道轨道小车行驶的特点着手，从外观、便携性、稳定性、安全性、多功能性等方面设计了“自移动式三维激光扫描健康检测车”，并且经过将近3个月的实际测试和生产，行驶总里程已经达到约30km，其中，包含了小半径、大坡度等较为极端的隧道区段。目前，整个小车已经完全可以满足隧道移动式扫描的要求，行驶速度稳定、功能完善，设计人性化，用户体验度较高。当然，该小车也有可以完善之处，后期主要通过更换轻质材料，进一步降低车身重量，还可以增加一些其他传感器（如轨距传感器）来获得更多的检测数据。 参考文献： [1]黄勤芳HYPERLINK"http：//www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do？_type=perio&id=zbzzjs201603017"，黄丹华HYPERLINK"http：//www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do？_type=perio&id=zbzzjs201603017"，吴宝睿HYPERLINK"http：//www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do？_type=perio&id=zbzzjs201603017".便捷式轨道检测小车结构研究设计.装备制造技术HYPERLINK"http：//www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do？_type=perio&id=zbzzjs201603017"，2016（3）. [2]植立才，杨雪荣HYPERLINK"http：//www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do？_type=perio&id=tdbzsj201604004"，成思源HYPERLINK"http：//www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do？_type=perio&id=tdbzsj201604004"，楊世峰HYPERLINK"http：//www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do？_type=perio&id=tdbzsj201604004".基于CPⅣ轨道基准网轨道三维检测系统的研究.铁道标准设计HYPERLINK"http：//www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do？_type=perio&id=tdbzsj201604004"，2016（4）. [3]张华HYPERLINK"http：//www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do？_type=perio&id=cskc201504030"，移动式三维激光扫描系统在盾构隧道管片椭圆度检测中的应用.城市勘测HYPERLINK"http：//www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do？_type=perio&id=cskc201504030"，2015（4）. |
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