浅谈激光测距信号灯的设计

汇报车距；SAB距离≥5辆车长而<10辆车长时，应按压5车按钮；SAB距离<5辆车长时，应按压3车按钮汇报。因此测距必须满足10辆车长的距离测试，按最大车辆换长1.3计算，约150米，精度不得低于1米。如此长度的非接触测量，综合设备性能、便携度、投资几方面考虑，反射式激光测距方式是最理想方案。即调车员手持激光测距装置，指向停留车，通过激光反射波测得AB点间距离，在车辆接近过程中连续将实时测得的距离值提示给调车员。

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.

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