一种接触线实时跟随方法及系统与流程

本发明涉及一种接触线实时跟随方法，尤其涉及一种对接触线自动标定的实时跟随方法及系统。

背景技术：

吊弦是接触网重要组成部分，接触线通过吊弦悬挂在承力索上，利用调节吊弦长短保证接触悬挂的结构高度和接触线高度，从而改善接触悬挂的弹性，提高受电弓的受流质量。吊弦标定机是一种能够替代人工在接触线按照设定参数进行自动标定的智能高空作业施工装备，提高了施工效率低、标定精度，应用前景非常广阔，为了确保喷枪每次能在接触线上完成自动标记，需要解决喷枪能够实时跟随接触线空间轨迹的技术问题，通过实时采集接触线空间轨迹坐标值来实现对喷枪对接触线的实时跟随控制的方式，稳定性差，即在动态跟随过程中会出现撞线或漏标记等技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种接触线实时跟随方法及系统，解决吊弦标定机在动态作业过程中直角坐标机械手末端的喷枪对接触线空间轨迹跟随稳定性差造成的漏标、撞线等问题。

本发明的目的是以下述方式实现的：

一种接触线实时跟随方法，所述方法包括：

步骤一：分别建立2自由度直角坐标机械手的直角坐标系0-yz、3d智能传感器的直角坐标系0-yqzq及单跨度的坐标轴系x，其中x轴表示沿轨道方向，y轴表示垂直轨道方向，z轴表示垂直轨面方向；

步骤二：行走装置启动并按照设定的速度v匀速行驶，通过测距整定装置实时测量和接触线采集点的跨度值xi；

步骤三：3d传感器实时采集接触线在其坐标系0-yqzq中的参数坐标值(yqi、zqi)，通过坐标转换转化为直角坐标机械手的坐标系0-yz中的参数坐标(yi,zi)；

其中，yi＝yqi+a，zi＝zqi+b，自动存储接触线采集点的空间坐标参数(xi,yi,zi)；

其中a表示坐标系0-yqzq相对于坐标系0-yz在y方向的距离，b表示坐标系0-yqzq相对于坐标系0-yz在z方向的距离，i＝1～n；

步骤四：将当前测量点跨度值xn、上次测量点跨度值xn-1分别实时与起始测量点的跨度值x1作比较，xn-x1≥αl且xn-1-x1<αl时，α为常数，则完成设定长度接触线的参数采集；其中，l表示直角坐标机械手坐标系0-yz与3d智能传感器坐标系0-yqzq沿x方向的距离；

步骤五：根据自动存储接触线采集点的空间坐标参数(x1,y1,z1)，…，(xn,yn,zn)和数据拟合算法分别计算出直角坐标机械手的y向直线移动模组的跟随起始位置、结束位置及跟随速度vy，z向直线移动模组的起始位置、结束位置及跟随速度vz；

步骤六：跟随接触线采集线段起始和结束位置分别为:保存触线结束位置为下一接触线段采集点的起始位置，并重回步骤二。

所述数据拟合算法包括对接触线采集点的空间坐标参数(x1,y1,z1)，…，(xn,yn,zn)采用最小二乘法进行计算得：

其中，

将x1、xn分别代入式(1)，分别可得：

由空间矢量合成原理可知：

由式(3)、(4)可得：

跟随接触线采集线段起始和结束位置分别为:其中(x1,y1,z1)，…，(xn,yn,zn),xi,yi,zi分别表示接触线某段采集点的起始空间坐标值、终止空间坐标值及任意位置的空间坐标值；

表示所有采集点坐标的平均值，n表示该段接触线被3d传感器离散采集成点的数量；

表示0-xy坐标系下接触线采集离散点的拟合直线方程的y坐标，表示该拟合直线方程的斜率，表示该拟合直线方程的常量值；

表示坐标系下接触线采集离散点的拟合直线方程的z坐标，表示该拟合直线方程的斜率，表示该拟合直线方程的常量值；

分别表示0-xy坐标系下采集第一段接触线拟合直线方程的起始y坐标指和终止y坐标值，分别表示0-xz坐标系下采集第一段接触线拟合直线方程的起始z坐标指和终止z坐标值，v表示作业平台的行驶速度，vy、vz分别表示y向直线模组和z向直线模组对改直线段进行实时跟随的运动速度。

一种接触线实时跟随系统，包括

一测距整定装置，设置在行走装置沿轨道前进方向的左右两侧，用于实时测量和接触线采集点的跨度值xi；

一直角坐标机械手和一3d传感器，所述直角坐标机械手和3d传感器分别通过固定支架安装在上装平台上并沿轨道放线前后布置。

所述测距整定装置包括在轨道上行走的行走轮、编码器、连接单元和施力单元，所述连接单元的一端与所述行走轮的转轴连接，另一端与所述施力单元连接，所述行走轮的转轴通过联轴器与编码器连接；所述施力单元用于向所述连接单元施力，将所述行走轮向下压。

所述直角坐标机械手包括相互垂直的y向直线移动模组和z向直线移动模组，所述安装架设于所述y向直线移动模组或z向直线移动模组上，所述z向直线移动模组和所述y向直线移动模组的移动方向均与所述行走装置的行走方向垂直。

本发明的有益效果：相对于现有技术，本发明能够本发明适应于高铁、普铁接触网施工，能够应用于普通铁路施工、高速铁路施工及所有精确定位、自动跟随、自动标定的高空作业场合，能进一步提高自动化施工质量、可靠性及安全性。

附图说明

图1是本发明实施例中的自动吊弦标定系统的主视图。

图2是本发明中测距整定装置的结构示意图。

图3是图2的其它视角图。

图4是本发明接触线实时跟随系统示意图。

图5是接触线实时跟随方法流程图。

其中，1-行走装置；2-测距整定装置，201-行走轮；202-第一连接件；203-第二连接件；202a-第一连接板；202b-第一连接杆；202-安装杆；205-弹簧；203a-安装部；3-升降装置；4-接触线；5-3d传感器；6-上装平台；7-零点定位单元；8-喷码装置；801-直角坐标机械手；801a-y向直线移动模组；801b-z向直线移动模组；802-喷枪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

应该指出，以下详细说明都是例式性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的技术含义相同。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，是本实施例提供的自动吊弦标定系统的主视图，吊弦标定系统中包括行走装置1、升降装置3、喷码装置8，行走装置1具有行走轮组和主平台，行走轮组通过动力机构驱动带动主平台在轨道上方移动，所述测距整定装置2安装在行走装置前进方向的左右两侧，测距整定装置为沿轨道独立行走、与轨道贴紧并保持恒定压力的轮结构。升降装置3设置在主平台上，升降装置上方设置上装平台，喷码装置设置在上装平台上，可以随升降装置的升降而上下移动位置，喷码装置8根据接触线的位置参数在预设位置对接触线进行喷码，实现对吊弦悬吊位置的标定。喷码装置8包括直角坐标机械手801、3d传感器和喷枪802，其中直角坐标机械手801、3d传感器分别通过固定支架安装在上装平台上，并沿轨道放线前后布置。直角坐标机械手801包括相互垂直的两个直线移动模组，定义行走装置1在轨道的行走方向为x向，两个直线移动模组的移动方向分别是与x向垂直的y向和z向，通过行走装置在x向的移动，升降装置3和z向直线移动模组801b在z向的移动，y向直线移动模组801a在y向的移动，可实现喷枪802在三维空间的运动。

如图2和图3所示，测距整定装置2包括可在轨道上行走的行走轮201、编码器、连接单元和施力单元，连接单元的一端与行走轮的转轴连接，另一端与施力单元连接，行走轮的转轴通过联轴器与编码器连接；施力单元向行走轮施加压力，使行走轮201随着行走装置1的移动在轨道上转动。行走轮201是根据轮子转动的圈数来计算行程，如果行走轮201发生空转则行程计算就会不准确，采用施力单元将行走轮压紧在轨道上，保证在行走装置1行走的过程中，行走轮201始终随着行走装置1的行走在转动，因此，计算的行程更加准确。

更进一步的，在本公开的一些实施例中，连接单元包括第一连接件202和第二连接件203，第一连接件202包括两块平行设置的第一连接板202a和连接在两块第一连接板202a之间的第一连接杆202b，且第一连接杆202b连接在两块第一连接板202a的端部，两块第一连接板202a的另外一端分别与行走轮201的轮轴两端连接。具体的，第一连接板202a的一端设有用于与行走轮201的轮轴连接的第一连接部，第一连接板202a的另一端设有通孔，第一连接杆202b的两端分别与两个第一连接板202a的通孔转动连接。在本公开的一些实施例中，第一连接杆202b的两端分别设有沿周向设置的环形卡槽，第一连接杆202b在环形卡槽的位置与通孔转动连接。为了保护第一连接杆202b，在第一连接杆202b位于两块第一连接板202a之间的部分套设保护套。第二连接件203固定在行走装置1上，且第二连接件203包括两块平行设置的第二连接板和连接在两块第二连接板之间的第三连接板，两块第二连接板分别设置在两块第一连接板的外侧，且两块第二连接板分别与两块第一连接板的中部通过转轴转动连接，第三连接板的一侧向外延伸形成安装部203a，安装部203a上设有第一安装孔。施力单元还包括弹性件、安装杆202和固定件安装杆202的下端设有第二连接部，第二连接部上设有供第一连接杆202b穿过的第二安装孔，安装杆202的上端穿过安装部203a上的第二安装孔后与固定件连接，弹性件选用弹簧205，设于固定件与安装部203a之间，且弹簧套设在安装杆202上在不受外力时，弹簧205处于压缩状态，由于安装部203a的位置是固定不能动的，因此，弹簧205的弹力会带动弹簧安装杆202向上运动，进而将第一连接件202远离行走轮201的一端向上拉起，进一步的，会给行走轮201一个向下的压力，将行走轮201始终压在轨道上。

需要说明的是，本公开的一些实施例中，弹簧也可以换成其他弹性件。弹簧安装杆的上端设置螺纹，固定件选用与螺纹配合的螺母，弹簧的两端设置弹簧垫片，便于弹簧的安装。

测距整定装置2安装在行走装置1前进方向的左右两侧，行走轮201在弹簧205的作用下，可始终保持与轨道接触，行走轮201随着行走装置1的行使旋转，由于行走轮201是从动轮，所以不会出现打滑的情况，因而，可以通过行走轮201进行车辆行驶速度和里程的准确测量。

在对弹簧安装杆202和弹簧205进行安装时，先使弹簧安装杆202的上端自下而上穿过第一安装孔，然后在安装部203a的上方，将弹簧205套在弹簧安装杆202上，再安装螺母，随着螺母不断的往下拧紧，使弹簧205处于压缩状态，这样弹簧205的弹力就会带动弹簧安装杆202向上运动，进而将行走轮201压紧在轨道上。

直角坐标机械手为2自由度直角坐标机械手，2自由度直角坐标机械手、3d传感器分别通过固定支架安装在上装平台上，测距整定装置固定在行走装置底部，其中3d传感器、直角坐标机械手沿轨道放线前后布置，分别建立2自由度直角坐标机械手的直角坐标系0-yz、3d智能传感器的直角坐标系0-yqzq及单跨度的坐标轴系x，其中x表示沿轨道方向，y表示垂直轨道方向，z表示垂直轨面方向，a表示坐标系0-yqzq相对于坐标系0-yz在y方向的距离，b表示坐标系0-yqzq相对于坐标系0-yz在z方向的距离，l表示坐标系0-yqzq相对于坐标系0-yz在x方向的距离，v表示沿轨道方向的匀速运行速度；在行走动态测量过程中，当零点定位单元检测到腕臂定位器时，作为单跨度的零点，3d智能传感器一定频率实时采集接触线(yq，zq)，(yq，zq)通过坐标转换可转化为坐标系0-yz中的参数坐标(yi,zi)，并实时触发测距单元获取接触线采集点在单跨度内的xi值，因此对接触线采集点的空间坐标参数(x1,y1,z1)，…，(xn,yn,zn)采用最小二乘法拟合出接触线在空间内某段的2维线性回归方程，单个跨度接触线可被拟合成包含起点、终点及直线方程的多条线段。

这种方法的工作步骤：

步骤一：行走作业平台启动并按照设定的速度v匀速行驶，通过测距整定装置能实时测量和接触线采集点的跨度值xi；

步骤二：3d传感器能实时采集接触线在其坐标系0-yqzq中的参数坐标值(yqi、zqi)，通过坐标转换可转化为直角坐标机械手的坐标系0-yz中的参数坐标(yi,zi)；其中，yi＝yqi+a，zi＝zqi+b，自动存储接触线采集点的空间坐标参数(xi,yi,zi)(a，b为已知固定参数值，与直角坐标机械手、3d传感器的相对安装位置有关系,且i＝1～n)；

步骤三：将当前测量点跨度值xn、上次测量点跨度值xn-1分别实时与起始测量点的跨度值x1作比较，xn-x1≥αl且xn-1-x1<αl(如α＝0.8)时，则完成设定长度接触线的参数采集(l表示直角坐标机械手坐标系0-yz与3d智能传感器坐标系0-yqzq沿x方向的距离)；

步骤四：根据自动存储接触线采集点的空间坐标参数(x1,y1,z1)，…，(xn,yn,zn)和数据拟合算法分别计算出y向直线移动模组的跟随起始位置、结束位置及跟随速度vy，z向直线移动模组的起始位置、结束位置及跟随速度vz；

数据拟合算法为：

具体建立如图1所示的直角机械手坐标系0-yz、3d传感器坐标系0-yqzq及跨度坐标轴系x，其中x表示沿轨道方向，y表示垂直轨道方向，z表示垂直轨面方向，对接触线采集点的空间坐标参数(x1,y1,z1)，…，(xn,yn,zn)采用最小二乘法进行计算得：

其中，

将x1、xn分别入式(1)，分别可得：

由空间矢量合成原理可知：

由式(3)、(4)可得：

跟随接触线采集线段起始和结束位置分别为:保存触线为下一接触线段采集点的起始位置，并重回步骤一；

其中(x1,y1,z1)，…，(xn,yn,zn),xi,yi,zi分别表示接触线某段采集点的起始空间坐标值、终止空间坐标值及任意位置的空间坐标值

表示所有采集点坐标的平均值，n表示该段接触线被3d传感器离散采集成点的数量。

表示0-xy坐标系下接触线采集离散点的拟合直线方程的y坐标，表示该拟合直线方程的斜率，表示该拟合直线方程的常量值。

表示坐标系下接触线采集离散点的拟合直线方程的z坐标，表示该拟合直线方程的斜率，表示该拟合直线方程的常量值。

分别表示0-xy坐标系下采集第一段接触线拟合直线方程的起始y坐标指和终止y坐标值，分别表示0-xz坐标系下采集第一段接触线拟合直线方程的起始z坐标指和终止z坐标值，v表示作业平台的行驶速度，vy、vz分别表示y向直线模组和z向直线模组对改直线段进行实时跟随的运动速度。

本发明提供的接触线实时跟随方法，解决吊弦标定机在动态作业过程中直角坐标机械手末端的喷枪对接触线空间轨迹实时跟随稳定性差造成的漏标、撞线等问题。本发明适应于高铁、普铁接触网施工，能够应用于普通铁路施工、高速铁路施工及所有精确定位、自动跟随、自动标定的高空作业场合，能进一步提高自动化施工质量、可靠性及安全性。

通过3d传感器、2自由度直角坐标机械手、零点定位单元、测距整定单元及控制单元进行系统搭建，其中3d传感器、直角坐标机械手沿轨道放线前后布置，建立直角坐标机械手的直角坐标系0-yz、3d智能传感器的直角坐标系0-yqzq，在行走动态测量过程中，3d智能传感器能实时按一定频率采集接触线的(yq，zq)，通过坐标转换可转化坐标系0-yz中的参数坐标(yi,zi)，同时触发测距单元获取接触线采集点在单跨度内的xi值，即可连续获得接触线采集点的空间坐标值(x1，y1，z1)，(x2，y2，z3)…(xn，yn，zn),根据最小二乘法拟合出接触线在空间内某段的2维线性回归方程,单个跨度接触线可被拟合成包含起始位置、终止位置及直线方程的多条线段，为直角坐标机械手的实时精确跟随控制稳定性和平滑性提供运动参数，避免漏标或撞线等问题的发生。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。