浅谈激光测距信号灯的设计

摘 要：本文阐述了用于调车作业时可精确测量推送作业车辆头部与停留车间距离的远距离激光测距装置的设计。装置内置于现场使用的手持式信号灯，可满足夜间或天气不良情况下，连接员对推送车辆与停留车之间距离的及时掌握，确保调车作业安全。

关键词：激光测距；推送作业；停留车

0 引言

在调车联挂作业时，连接员随推送车列站在头部车辆外侧直梯位置，其根据当前车列距待联挂停留车的目测距离，按压平调电台十车、五车、三车距离按钮，提示相关调车人员车列接近停留车程度，注意控速。然而在夜间，或天气不良时，调车员无法根据目视准确判断两者距离，容易误判或延误十、五、三车调车提示，增加了司机联挂控速的难度，甚至可能造成调车冲突事故。因此有必要采用一种技术手段使调车员在全天候下及时、准确掌握推送车辆距停留车的距离。

1 设计原理

调车连挂作业示意图如图1所示，需要测量的距离是线段AB。

图1 调车连挂作业示意图

根据《铁路调车作业标准》调车员在SAB距离≥10辆车长时，应按平调电台十车按钮向司机汇报车距；SAB距离≥5辆车长而

2 设计方案

该装置的设计应遵循以下三点要求：

①不额外增加调车员作业时需携带的设备。

②不额外增加调车员作业的操作程序。

③在调车员作业过程中以直观、方便的方式提示其测距结果。

因此我们设计在调车员随身携带的信号灯上开发激光测距功能，当信号灯正常显示红、绿、白灯时自动进行测距检测，以数码管和发光管两种形式为调车员显示距离信息；信号灯关机后，测距和显示功能自动关闭。显示内容除绝对距离米数外，根据作业习惯和作业环境特点，按车辆换长换算为辆数，用发光管进行分级显示，即十车（绿灯）、五车（黄灯）、三车（红灯）信息提示。根据故障――安全设计原则，当测距单元故障、超量程、受干扰时关闭显示，避免造成信息误导。

激光测距信号灯实物见图2。

图2 激光测距信号灯

装置结构设计图如图3所示，所有测距硬件部分均内置于信号灯电池盒内部，不改变信号灯的结构和使用方法，自动完成测距和显示功能，信号灯关机，则测距功能自动关闭。信号灯故障或测距模块故障均可单独更换，互不影响。

图3 装置结构示意图

测距功能由CPU控制器控制实现，软件设计根据图3所示流程进行。装置软件充分考虑了电池供电设备的微功耗设计，自动检测设计并预留测距信息无线发送接口。

系统上电工作后，随时检查信号灯是否开机。一旦信号灯点亮，CPU立即控制为激光测距传感器供电，数据稳定后实时计算距离数据，随后打开显示单元供电并发送显示数据。系统检测到信号灯关机，CPU立即关闭激光测距传感器和显示单元供电，返回待机状态，以节约电池消耗。

装置硬件电路的设计，根据实现功能和降低成本的需要，选择ATMEL公司AVR系列MEGA16单片机作为主控制CPU。MEGA16为单时钟周期执行的高性能、低功耗微处理器。具有16K字节10000 次擦写寿命的系统内可编程Flash存储器和1K 字节的片内 SRAM存储器，及AD转换、定时、串口通信、显示控制、休眠、触发中断、在线编程等本装置控制所需的全部功能。（图4）

3 装置设计的关键技术

该装置设计的难点在于远距离激光测距的稳定性。这主要取决于激光源和镜头的选取、测距检测频率和软件纠错设计三个因素。

远距离激光测距需要激光器提供足够功率的光源和折射镜头的扩散，才能保证在各种光线干扰环境下车辆外壁反射测量要求；同时根据铁路调车作业要求和安全考虑，应采用905nm波长以上的无红曝激光光源。

测距检测频率反映的是每秒内测量的次数，频率过低会导致测量结果时有时无，影响判断。经实测检测频率至少应在100Hz以上才可满足后期处理要求。检测频率取决于CPU处理能力和激光驱动电路的设计。

本装置的应用属于连续测距模式，由于信号灯使用过程中的颠簸，测量的干扰，最终都会导致显示结果非正常跳变。这时需要通过软件算法设计，过滤掉无用数据，为使用者提供一个稳定而有序变化的显示结果。通常可采用平均值法滤除干扰项，即在一定时间内连续采集若干次数据，剔除最大值和最小值，剩余数据取平均值。

4 主要技术指标

设备重量，0.6kg；电池，7.2V/2Ah；测量距离，150m；测量精度1m；测距建立时间，0.5s；激光安全等，1级；装置持续供电时间，8h。

5 使用方法

夜间调车作业或天气不良情况下作业，当推送车列行进过程中调车员无法准确判断距停留车的距离时，应使用激光测距信号灯辅助判断“十车”、“五车”、“三车”。

激光测距信号灯使用时，调车员根据需求打开信号灯显示（红灯、绿灯或白灯），测距功能同时自动开启。将测距镜头对准停留车前部，LED显示屏即刻显示当前位置距停留车实际距离，精确到米级。同时按调车要求将米数换算为“十车”、“五车”、“三车”调车预警信息的绿色、黄色、红色指示灯，方便调车员及时进行判断。

信号灯使用完毕，关闭电源，测距功能及显示部分自动关闭。信号灯和测距单元相互独立，无电缆连接，维修互不影响。

6 结束语

该装置的研发，综合了现场使用环境、使用习惯、测量精度和装置稳定性多方面因素，可在不增加调车员携带设备的数量和额外操作到基础上，为其提供连挂作业距停留车距离的精确信息。在调车作业时，特别是夜间、天气不良情况下，能有效防范车距人工确认的误判，防止调车冲突事故的发生，具有良好的推广使用价值。后期在应用成熟后，还可研究增加无线发送功能，使之与平调电台进行联动，进一步减少调车员的操作。

参考文献：

[1]GB/T 7178.7-2006.《铁路调车作业》第7部分《列车摘挂作业》.

[2]钟声远，李松山.脉冲串激光测距技术研究[J].激光与红外，2006.

[3]王幸之，王雷，钟爱琴，王闪.单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术[M].北京航空航天大学出版社，2006.