唐繼民

摘要：本文主要從外觀、穩(wěn)定性、安全性、多功能性幾個(gè)方面著手，研究設(shè)計(jì)了一種用于地鐵隧道快速掃描的自移動(dòng)式三維激光掃描健康檢測車。該小車行駛速度穩(wěn)定、功能完善，設(shè)計(jì)人性化，用戶體驗(yàn)度較高，在地鐵隧道移動(dòng)掃描中有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;地鐵隧道;檢測車;穩(wěn)定性;高效

一、項(xiàng)目概況

（1）研究背景。近年，移動(dòng)三維掃描技術(shù)發(fā)展比較迅速，測量速度、測量精度都有了大幅的提高，而該技術(shù)恰巧能解決目前隧道檢測中碰到的測量時(shí)間窗口期較短以及測量范圍不夠的問題。傳統(tǒng)全站儀的測量速度根據(jù)作業(yè)內(nèi)容的不同大約為每小時(shí)測60300m，且每隔五環(huán)測一個(gè)斷面，而掃描測量移動(dòng)三維掃描技術(shù)用于隧道監(jiān)測最快速度可以達(dá)到2.4km/h，并且是逐環(huán)全覆蓋測量，其作業(yè)效率幾乎是傳統(tǒng)方法的八倍以上。

在隧道移動(dòng)掃描過程中，掃描檢測車作為移動(dòng)掃描的載體，其穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要，同時(shí)還要兼顧便攜性和多功能的配置，本文著重研究設(shè)計(jì)一種適用于地鐵隧道的自移動(dòng)健康檢測小車。

（2）研究內(nèi)容。

本文主要研究內(nèi)容包括以下四方面：a.自移動(dòng)式三維激光掃描健康檢測車的外觀設(shè)計(jì);b.自移動(dòng)式三維激光掃描健康檢測車的安全性設(shè)計(jì);c.自移動(dòng)式三維激光掃描健康檢測車的穩(wěn)定性設(shè)計(jì);d.自移動(dòng)式三維激光掃描健康檢測車的功能設(shè)計(jì)。

二、外觀設(shè)計(jì)研究

目前市面上的軌道小車，基本都是一體式結(jié)構(gòu)，但是這樣的結(jié)構(gòu)會(huì)造成占用空間相對較大，運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候需要采用7人座以上的車輛，而且搬運(yùn)起來不便。如果能將小車分為幾段，則用普通5人座車輛就可以運(yùn)輸，并且單塊車體搬運(yùn)也相對輕便靈活。為此，我們的自移動(dòng)小車采用三段式拼接結(jié)構(gòu)，每一段均為優(yōu)質(zhì)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，連接面由超硬鋁合金做定位銷，加螺栓連接，從而保證了車體的穩(wěn)定性。軌道測量自動(dòng)行駛行進(jìn)車外形如下圖：

（二）設(shè)備配置

（1）主機(jī)：包含左、中、右三段。各段之間采用圓柱銷定位、螺栓連接。左、右段各包含電機(jī)、減速機(jī)與驅(qū)動(dòng)器1套。中間段有控制器、電源模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊及48V/8Ah鋰電池1件。行進(jìn)車操作面板在中間段，配有一個(gè)工控機(jī)，可顯示實(shí)時(shí)速度及存儲(chǔ)測量數(shù)據(jù)功能。

（2）手持遙控面板：包含連接電纜、航空插頭。

（3）掃描儀平臺(tái)：包含602mm、337mm各1段。各段之間采用燕尾槽加鎖緊手柄連接緊固。

三、安全性設(shè)計(jì)研究

（1）車體的絕緣性。

軌道交通有其自身的安全管理細(xì)則，尤其對相關(guān)絕緣設(shè)備的使用和計(jì)軸干擾的敏感性，因此必須首先保證車輛與軌道的絕緣性。所以小車四個(gè)輪子均采用了絕緣材料、輪軸外層也包裹了絕緣材料。

（2）抬高車體底盤高度。

將小車底盤高度提高至軌道面上方7cm，可以順利越過大部分道床障礙物。

（3）安裝障礙物自識(shí)別裝置。

車身前安裝自動(dòng)感應(yīng)裝置，在前方有障礙物且人工干預(yù)不及時(shí)的情況下，其可自行制動(dòng)，確保安全。

（4）操控手柄及緊急停車按鈕設(shè)置。

如圖1所示，在車輛上配置了操作手柄，可以控制小車啟動(dòng)、停止、加減速。同時(shí)，在小車兩側(cè)還配置了兩個(gè)強(qiáng)制制動(dòng)按鈕，以防意外時(shí)能及時(shí)停車。

（5）前置大燈設(shè)置。

車輛配備了前置大燈，即可以看清隧道前方狀況，又可以提醒隧道其他作業(yè)人員小車的靠近。

（6）進(jìn)口元器件的采用。

自行進(jìn)小車電氣元件全部采用質(zhì)量可靠的汽車級(jí)元件，電瓶、驅(qū)動(dòng)器等核心器件更具寬電壓工作，耐環(huán)境高溫等顯著特點(diǎn)，而其他操作元件也采用了西門子、施耐德等國際知名品牌元件，有效保證了系統(tǒng)元件可靠性。

四、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

（1）后驅(qū)設(shè)計(jì)。

從行進(jìn)車機(jī)械結(jié)構(gòu)上來看，縱向結(jié)構(gòu)采用了前輪為隨動(dòng)輪，后輪為驅(qū)動(dòng)輪的后驅(qū)式設(shè)計(jì)，避免了前后軸同時(shí)驅(qū)動(dòng)而造成的轉(zhuǎn)速不同步，有效減少了竄動(dòng)、打滑等現(xiàn)象

（2）漲緊彈簧設(shè)計(jì)。

為了適應(yīng)軌道的正常變化，將行進(jìn)車的一側(cè)輪子固定，另一側(cè)輪子做成左右滑動(dòng)，并在這側(cè)加剛度適當(dāng)?shù)臐q緊彈簧，保證輪子在行駛過程中，與軌道的貼合。這樣便可適應(yīng)行進(jìn)車在彎道、坡道上自由行駛，也有效防止了脫軌、卡軌等故障的發(fā)生。

（3）低壓大扭矩閉環(huán)伺服電機(jī)的使用。

從電氣控制上來說，行駛驅(qū)動(dòng)輪采用了低壓大扭矩閉環(huán)伺服電機(jī)，這種電機(jī)起步和剎車都可設(shè)置斜坡時(shí)間，確保起步和剎車過程的平穩(wěn);而在正常行進(jìn)過程中，更是采用了雙閉環(huán)控制，即采用兩套高精度的轉(zhuǎn)速編碼器分別對電樞相位和電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并與設(shè)定行駛速度進(jìn)行比較，實(shí)時(shí)調(diào)整伺服電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，以確保行駛速度的恒定、平穩(wěn)。

五、功能設(shè)計(jì)研究

軌道測量自動(dòng)行駛車，是用于鐵路、地鐵軌道上平穩(wěn)行駛的一種輕便式小型純電驅(qū)車體。行進(jìn)車行駛速度及方向，可通過手持遙控盒有線控制，或手機(jī)無線控制。同時(shí)，車體上可搭載激光掃描儀，對地鐵隧道內(nèi)的內(nèi)壁進(jìn)行均勻、連續(xù)的掃描。功能如下：

（1）根據(jù)隧道內(nèi)的實(shí)際情況，隧道環(huán)片腰部兩側(cè)均鋪設(shè)有大量的支架、管線、消防管道以及逃生通道平臺(tái)，這些平臺(tái)高度在1米～1.5米間（距道床），為此小車設(shè)計(jì)的平臺(tái)高度可分為三檔，距離軌道面分別為40cm，80cm，120cm，根據(jù)不同的條件可以進(jìn)行更換;

（2）車體上配有里程傳感器及車體傾斜傳感器，外接電腦可通過網(wǎng)線連接，實(shí)時(shí)獲取里程及傾角數(shù)據(jù);

（3）可以按指定速度勻速行進(jìn)，最高時(shí)速5km/小時(shí)，電池連續(xù)工作時(shí)間不低于5小時(shí);

（4）車體上有操控面板，控制行進(jìn)車前進(jìn)、停止、倒退;

（5）車上藍(lán)牙可以通過手機(jī)app同步來控制行進(jìn)車的前進(jìn)停止、倒退和行駛速度、能讀取里程傳感器數(shù)據(jù);

（6）智能障礙物識(shí)別功能：安裝前置倒車?yán)走_(dá)，可語音自動(dòng)報(bào)警障礙物距離，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)可自動(dòng)停車;

（7）如圖4增加后移掃描儀平臺(tái)功能：可以讓掃描儀掃到軌道數(shù)據(jù)。

六、總結(jié)

課題組結(jié)合隧道軌道小車行駛的特點(diǎn)著手，從外觀、便攜性、穩(wěn)定性、安全性、多功能性等方面設(shè)計(jì)了“自移動(dòng)式三維激光掃描健康檢測車”，并且經(jīng)過將近3個(gè)月的實(shí)際測試和生產(chǎn)，行駛總里程已經(jīng)達(dá)到約30km，其中，包含了小半徑、大坡度等較為極端的隧道區(qū)段。目前，整個(gè)小車已經(jīng)完全可以滿足隧道移動(dòng)式掃描的要求，行駛速度穩(wěn)定、功能完善，設(shè)計(jì)人性化，用戶體驗(yàn)度較高。當(dāng)然，該小車也有可以完善之處，后期主要通過更換輕質(zhì)材料，進(jìn)一步降低車身重量，還可以增加一些其他傳感器（如軌距傳感器）來獲得更多的檢測數(shù)據(jù)。

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