BG65802B1 - Устройство за авто - калибриране към железопътна платформа за кинематично заснемане на обекти - Google Patents

Abstract

Устройството за автокалибриране към железопътна платформа за кинематично заснемане на обекти намира приложение при измервания за поддържане, контрол и подновяване на железопътните пътища с бетонно и/или баластово покритие. С използването на устройството за автокалибриране се подобрява точността на измерванията и се осигурява свобода, гъвкавост и възможност за репозициониране на елементите на системата спрямо измерваната среда в реално време. Устройството за автокалибриране (1) включва механизъм за закрепване (10), към който са монтирани под ъгъл алфа оси (11) със закрепени сфери (12) с пластини - бленди (13). Устройството (1) е монтирано към железопътната платформа (2), към която са предвидени сканиращо устройство (3) и навигационно устройство - GPS (4). Могат да бъдат предвидени и други устройства в зависимост от целта на измерванията, като радиоконтролно устройство, задвижващо устройство и други, известни от нивото на техниката. Сканиращото устройство (3) е монтирано върху подвижна стойка (9), свързана със задвижващо устройство (5), което осигурява изместване на сканиращото устройство (3) по височина и с ъгъл на изместване бета в диапазона от 0 до 30 градуса спрямо оста на движение на платформата (2) в съответствие със заснеманите обекти.

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до устройство за автокалибриране към железопътна платформа за кинематично заснемане на обекти и намира приложение за осигуряване на необходимата точност на измерванията при подд ържане, контрол и подновяване на железопътните пътища, както и при редица други изследвания на междуселищни железопътни пътища, трамвайни линии, подземни железници и други видове железни пътища с бетонно и/или баластово покритие.

Предшестващо състояние на техниката

От състоянието на техниката е известно измерванията при поддържане, контрол и подновяване във връзка с осигуряване изправността на железните пътища, както и заснемането на тяхната геометрия и разположение спрямо обкръжаващата ги среда, да се извършва с помощта на лазерни сканиращи устройства, разположени на движещи се железопътни платформи за кинематично заснемане на обекти. За да се осигури нужната точност на измерванията и заснеманията, при досега използваните технологични решения се предлагат две възможности.

При първата от тях сканиращото устройство е фиксирано и неподвижно закрепено върху платформата. При извършване на измерванията е необходимо сканиращото устройство да бъде ориентирано перпендикулярно на посоката на движение на платформата за кинематично заснемане. Нуждата от неподвижно закрепени елементи на платформата се обуславя от самия модел на измерване, при който ситуирането на платформата в пространството се извършва чрез навигационно устройство - електронен тахиметър или диференциален GPS. При тях се предполага и приема за дадено, че положението на сканиращото устройство спрямо железопътната платформа не се изменя и отговаря на конструктивно фиксираното си положение. Калибрирането на известните системи от този вид се извършва на определени периоди преди всяко измерване и заснемане в предназначени за тази цел лаборатории, което е трудоемък и продължителен процес, като настъпилите отклонения от конструктивно фиксираните - за периода между две калибрирания, не се отчитат и влизат като систематична грешка в измерванията.

При втората известна възможност; позициониращият сензор не се намира на платформата, което пречи на непрекъснатия процес на измерване, тъй като налага спиране за определяне на точното положение на платформата спрямо външната среда. При този тип измервания, известни като ‘stop & go’ измервания, не може да се осъществи кинематично, профилно измерване на обекта, при което да се получат необходимите важни параметри за състоянието на железния път

Конкретно от състоянието на техниката съгласно проспект на фирма GI - Consult (Geo Information Consult GmbH), Берлин от 21.02.2007 г. е известна модулна железопътна платформа “Raillakai”, която е предназначена за кинематично заснемане на обекти и извършване на измервания чрез лазерно сканиране при поддържане, контрол и подновяване на железопътните пътища. Известната “Raillakai” платформа е от първия тип, описан по-горе, и с нея могат да бъдат извършвани измервания на междуселищни железопътни пътища, трамвайни линии, подземни железници, както и други видове железни пътища с бетонно и/или баластово покритие. При извършваните измервания се записват широк спектър от данни, като взаимно разположение, съосносг; праволинейност, височинни коти, разстояние между релси от 581 до 1829 mm, както и се заснемат профили, шумови бариери, стълбове, верижни линии, терени, местности и др. обекти в околността.

Върху известната платформа “Raillakai” са монтирани освен сканиращо устройство - в частния случай профилен скенер, и GPS и/или общо навигационно устройство, калибриращо устройство, задвижващо устройство, радио- контролно устройство. Опционално могат да бъдат включени и одометрично устройство (километропоказател), образен скенер, дигитална камера, видеокамера и др. Набора от устройства - модули, включени към железопътната платформа е в зависимост от необходимите данни за измерване и целта на заснемане при дадено изследване. При

65802 Bl известната платформа, сканиращото устройство е неподвижно закрепено - фиксирано по време на изследването и ориентирано перпендикулярно. Това от една страна не позволява репозиционирането по вертикала и ротация около вертикалната ос на сканиращото устройство с оглед да не се повлияе и да не се опорочи измерването. От друга страна, скенерът заснема само профили, перпендикулярни на посоката на движение и не заснема обекти с малка дебелина. Калибрирането на известната платформа се извършва по общия принцип на специални стендове в осигурени за целта лаборатории, което е трудоемък и продължителен процес.

При измерванията, извършвани с известната платформа, вторият важен елемент е GPS антената, като тези измервания отново се извършват на база предположението, че положението на GPS антената върху платформата не се изменя. Така елементите - платформа - скенер - GPS антена оформят базова измерваща система и взаимното разположение на измерващите елементи и промените в него се отразяват на точността на подаваните от скенера данни и тяхната интерпретация. Както при другите известни платформи и тук остава отворен въпросът за отчитането на взаимното разположение на рефлектора или фазовия център към скенера, за да могат те да бъдат правилно инкорпорирани в триизмерния модел създаван от скенера. При използваната система, това взаимно разположение се определя посредством предварително зададени параметри, съответстващи на геометричното разположение на измерващите елементи, един спрямо друг, върху платформата. Именно това взаимно разположение на елементите - платформа скенер - GPS антена, което следва да бъде предварително и точно зададено в измерващата система, представлява и нейната ‘ахилесова пета’. Тук се проявява една от важните слабости на известните способи - доколко конструктивните размери на платформата са неизменни и постоянни. От практиката е установено, че при транспортирането, монтирането и работата на елементите върху платформата те са подложени на достатъчен брой влияния, водещи до промяна вследствие възможни деформации на самата платформа, температурни промени, вибрации и други фактори. Промяната във взаимното разположение на измерващите елементи - платформа скенер - GPS антена, води до неточна интерпретация на изходните данни от сканиращото устройство, което в крайна сметка влошава или може изцяло да компрометира направеното измерване.

От своя страна, периодичното демонтиране на скенера от платформата, с цел транспортиране и съответно монтирането му за отделни измервателни сесии е допълнителен рисков фактор за точността на системата от измерващи елементи.

Техническа същност на изобретението

Задача на настоящото изобретение е да се създаде устройство за автокалибриране към железопътна платформа за кинематично заснемане на обекти, което да позволява извършването на точно, сигурно и автономно калибриране на измерващата система с оглед оптимизиране и повишаване точността на измерванията и прецизността на заснеманите обекти, при което устройството за автокалибриране да осигурява свобода, гъвкавост и възможност за репозициониране на елементите на системата спрямо измерваната среда в реално време.

Устройството за автокалибриране е монтирано към железопътна платформа за кинематично заснемане на обекти, към която платформа са предвидени сканиращо устройство, навигационно устройство - сензор (GPS или електронен тахиметър) и задвижващо устройство.

Съгласно изобретението устройството за автокалибриране включва механизъм за закрепване, към който са монтирани под ъгъл алфа оси. В краищата на осите са закрепени сфери, като към всяка от сферите са прикрепени пластини - бленди.

Устройството за автокалибриране е монтирано върху прът, неподвижно закрепен към платформата, под антената на навигационното устройство, т.е. под GPS антена. Между GPS антената и устройството за авто- калибриране е предвидена пластина - бленда. Сканиращото устройство е монтирано към железопътната платформа за кинематично заснемане на обекти върху подвижна стойка, свързана със задвижващо устройство, което осигурява репозициониране на сканиращото устройство по височина и с ъгъл на изместване бета в диапазона от 0 до 30° спрямо оста на движение на платформата в съ

65802 Bl ответствие със заснеманите обекти.

Съгласно едно изпълнение на устройство за автокалибриране механизмът за закрепване включва двуделна скоба със закрепващи елементи и цилиндър, неподвижно установен към едната част на скобата. Към цилиндъра са монтирани неподвижно осите със сферите, като ъгълът алфа между осите е 90°. Едната ос е хоризонтално разположена и преминава през цилиндъра и в двата й края са закрепени две от сферите с бленди. В средата на хоризонталната ос е установена вертикална ос, в долния край на която е закрепена трета сфера с блендата.

Устройството за автокалибриране за предпочитане е монтирано над вътрешния ръб на дясната отправна релса на платформата за кинематично заснемане на обекти, върху вертикалния прът на който е монтирана GPS антената.

Основното предимство на устройството за автокалибриране към платформата за кинематично заснемане на обекти, съгласно изобретението е, че позволява да се извършва автономно, сигурно и точно калибриране на измерващата система, което от своя страна гарантира оптимизиране и повишаване точността на измерването, на заснемането на железния път и на обекти от околната среда. Това се постига като чрез предлаганото устройство, практически преди всяко измерване се извършва актуално и точно автокалибриране на системата платформа - скенер - GPS сензор и се определя местоположението на елементите върху платформата. При това отпада извършването на задължително калибриране на платформата на изпитателен стенд в предназначени за тази цел лаборатории, което значително намалява времевия ресурс, необходим за пълно и точно заснемане на измервания обект.

Другото основно технологично предимство на устройството се състои във възможността му да ‘улавя’ своевременно евентуалните промени във взаимното положение на елементите на измерващата система - платформа - GPS сензор - измерващ скенер. Устройството за автокалибриране съгласно изобретението осигурява възможност за отчитане и внасяне на корекции в изходящите данни, вследствие настъпили по време на кинематичния процес на измерването деформации на платформата, променящи взаимното разположение на сензорите. Калибрирането може да се извършва в началото и в края на вся ко измерване, като предлаганата технология осигурява високо ниво на автоматизиране на този процес и същевременно драстично намалява времето за извършването му.

Устройството за автокалибриране към платформата осигурява и гъвкавост и възможност за репозициониране на елементите на системата спрямо измерваната среда в реално време, като се постига свобода при взаимното разполагане на измерващите елементи. Поради бързината на автокалибриращия процес, измерващата система има възможност да променя взаимното разположение на елементите и по-специално с предлаганото устройство е осигурена възможност за промяна на ориентацията и височината на разполагане на сканиращото устройство върху платформата. Репозиционирането на сканиращото устройство чрез предварително монтирани задвижващи механизми към платформата гарантира гъвкавост и отчитане на измененията в измерваната среда, както и покриване на значително по-голям спектър от изследвания. В този смисъл, репозиционирането на сканиращото устройство не само по височина, а и възможността за изместване на скенера под свободно избран ъгъл бета спрямо посоката на движение на платформата е едно голямо преимущество. То позволява ‘заснемането’ на малогабаритни обекти, чиято дебелина попада под отстоянието между два скан - профила. При досега използваните технологии това се решава компромисно, с помощта на допълнително фотозаснемане, при което освен оскъпяването на процеса, се налага допълнителна последваща обработка на снимковия материал за откриване на пропуснати обекти, които се довнасят в базата данни. Монтирането на устройството за автокалибриране върху железопътната платформа дава възможност ефективно да бъдат отстранени подобни пропуски, което значително повишава точността на измерване на външната среда и пълнотата на изградения триизмерен модел.

На база на изложеното по-горе, устройството позволява измерването да достигне качествено нова динамика, като същевременно дава достатъчно гаранции и на практика подобрява точността на измерването, сравнено с досега използваните технологични решения.

Не на последно място, автокалибриращото устройство предлага много по-голяма гьвка

65802 Bl вост при транспортиране на платформата от един до друг обект за изследване.

Пояснение на приложените фигури

Фигура 1 изобразява схематично общия вид на железопътна платформа за кинематично заснемане на обекти с монтирани измерващ скенер, GPS сензор и устройство за автокалибриране съгласно изобретението;

фигура 2 - поглед отгоре на железопътната платформа за кинематично заснемане на обекти, дадена на фиг. 1;

фигура 3 - схематично поглед отгоре на устройството за автокалибриране съгласно изобретението;

фигура 4 - схематично поглед отстрани на устройството за автокалибриране съгласно изобретението;

фигура 5 - триизмерен модел на устройството за автокалибриране съгласно изобретението;

фигура 6 - блок схема на алгоритъма на действие с предложеното устройство за калибриране при кинематично заснемане на обекти.

Примери за изпълнение на изобретението

Съгласно изобретението устройството за автокалибриране, обозначено най-общо с позиция 1, е монтирано върху железопътна платформа 2 за кинематично заснемане на обекти, показана на фигури 1 и 2. Към платформата 2 са предвидени сканиращо устройство - скенер 3 и навигационно устройство - GPS антена 4. Предвидено е и задвижващо устройство 5 с електродвигателни и хидравлични бутални механизми, широко използвани от нивото на техниката. Опционално могат да бъдат предвидени и/ или други необходими устройства в зависимост от целта и вида на измерванията като радио-контролно устройство, и съответни механизми, също познати от нивото на техниката.

Устройството за автокалибриране 1 е монтирано върху прът 6, предвиден към платформата 2, така както е показано на фигура 1. Прътът 6 е неподвижно закрепен над вътрешния ръб на дясната отправна релса 7 на платформата 2 и под GPS антената 4. Между GPS антената 4 и устройството за автокалибриране 1 е предвидена пластина - бленда 8, която служи за унифициране разпознаването на антената/рефлектор.

Скенерът 3 е монтиран към железопътната платформа 2 за кинематично заснемане на обекти върху подвижна стойка 9, свързана с бутален механизъм от задвижващото устройство 5, което осигурява възможност за репозициониране на сканиращото устройство по височина в съответствие със заснеманите обекти.

Предвид монтирането на устройството за автокалибриране към платформата, за провеждането на заснемането е отпаднала необходимостта скенерът 3 да бъде ориентиран перпендикулярно по посока на движение. Ето защо в конкретното изпълнение скенерът 3 е монтиран на ъгъл на изместване бета = 30° спрямо оста на движение на платформата 2.

Така скенерът 3 е монтиран на определена текущо височина и ъгъл на изместване спрямо посоката на движение на платформата 2, (по хоризонтала и по вертикала спрямо платформата 2), с оглед заснемане на обекти с различна височина, например гарови перони, както и на “малогабаритни” обекти по трасето - табели и др.

Устройството за автокалибриране 1 съгласно изобретението, показано детайлно на фигури 3, 4 и 5, включва механизъм за закрепване 10, към който са монтирани под ъгъл оси 11, в краищата на които са закрепени сфери 12. Към всяка от сферите 12 са прикрепени пластини бленди 13.

При конкретното примерно изпълнение, механизмът за закрепване 10 на устройството за автокалибриране 1 се състои от двуделна скоба 14, показана на фигура 3, със закрепващи елементи 15. Към скобата 14 е установен неподвижно цилиндър 16, през който преминава оста 1Г, хоризонтално разположена, с диаметър 10 mm и дължина 500 mm. На двата края на хоризонталната ос 1Г са монтирани прецизно изработени сфери 12 с диаметър 55 mm. На средата на хоризонталната ос 1Г, под зададен ъгъл алфа, в конкретния случай - 90°, е закрепена вертикална ос 11 с дължина 250 mm, в края на която е монтирана също прецизно изработена сфера 12. Зад всяка от сферите 12 са монтирани пластини - бленди с размери 100 х 100 mm, изработени от материал с оптимални рефлекционни свойства. Всички посочени размери на конкретното примерно изпълнение имат условен характер.

В даденото примерно изпълнение устройс

65802 Bl твото за автокалибриране 1 е закрепено върху прът 6, който е с височина 1850 mm, като поставената кръгла пластина - бленда 8 между GPS антената 4 и устройството за автокалибриране 1 е с дебелина от 1 mm и диаметър 120 mm и е боядисана с боя с оптимални рефлекционни свойства.

Използване на изобретението

Процесът на извършване на дадено измерване и заснемане на железния път, прилежащите съоръжения около него, местността, както и други обекти от трасето с железопътната платформа 2 за кинематично заснемане на обекти, на която е монтирано устройството за автокалибриране 1, съгласно изобретението, протича както следва:

1. Разполагане на измерващите елементи - скенер 3, GPS антена 4 и други необходими устройства за съответното изследване, върху платформата 2;

2. Поставяне на платформата 2 върху релсите на ж.п. трасето, което ще бъде изследвано и заснемано;

3. Оптимизиране височината и ъгъла бета на скенера 3 спрямо платформата и посоката на движение чрез подвижната стойка 9 и механизма за задвижване 5, съобразно профила и вида на заснеманите обекти;

4. Извършване на вътрешно-системен скан (автокалибриращо сканиране за установяване параметрите на системата) чрез устройството за автокалибриране 1, съгласно изобретението;

5. Извършване замервания на зададените външни обекти;

6. Последващ вътрешно-системен скан (контролно вътрешно-системно сканиране) с цел извършване на контрол на първоначалните данни от автокалибрирането;

7. Обработка на данните от измерването и данните от вътрешно-системния скан, като данните от вътрешно-системния скан се инкорпорират при интерпретацията на изходните данни от обработващата програма.

При извършване на изследванията принципът на действие на предлаганото устройство за автокалибриране 1 се основава на така нареченото в геодезията ‘свръх-измерване’ за оценка на точността. Това измерване се подсигурява, като след монтиране върху платформата 2 на всички измерващи елементи - сканиращо устройство 3, навигационно устройство 4 и/или други в зависимост от вида на провежданото изследване, по зададена команда се извършва вътрешно-системен скан (вътрешно-системно сканиране), при което оперативното положение на измерващите елементи се ‘заснема’ с помощта на монтираните сфери 12 и пластини/бленди 13 от монтирания на платформата скенер 3.

Вътрешно-системното сканиране протича през следните фази:

1. Извършване на “калибриращ скан” на елементите на системата и автокалибриращото устройство 1 съгласно изобретението;

2. Изчисляване на зададени координатни точки на изчисляващата система;

3. Изчисляване на предварително зададени точки на автокалибриращото устройство 1 с предварително известно взаимно разположение;

4. Обработка на резултатите в общ модел;

5. Определяне на параметрите на калибрирането - 3 транслации и 2 ротации.

Получените от скенера 3 данни, при това вътрешно-системно сканиране, което по същество е базата за осигуряване на автокалибриращия процес, се обработват с помощта на изчисляваща програма, ползваща за алгоритъм предварително заложени и прецизирани, известни от нивото на техниката геометрични съотношения и пропорции. На фигура 6 е показана блок схемата на алгоритъма на действие с устройството за калибриране съгласно изобретението при кинематично заснемане на обекти с железопътната платформа.

Изчисляващата програма позволява автоматичното разпознаване на автокалибриращото устройство 1, определяне параметрите на взаимното разположение на елементите на изчисляващата система - платформа, скенер и GPS антена, и включването им в по-нататъшната обработка на данните от сканирането, така както е показано на фигура 6. Използваните методи на изчисление и обработка се базират на апроксимации и изравняване със статистическа оценка на резултата, която може да се използва като гаранция за постигнатите точност и качество на проведеното изследване.

По този начин, чрез предлаганото автокалибриращо устройство 1 с висока точност се възпроизвежда разположението на фазовия

65802 Bl център, обозначен с позиция 17 на фигура 1, на GPS антената 4, по трите му координатни компоненти в системата на скенера 3. След което се преминава и отчита централната точка 18 на скенера 3, в която е разположена сканиращата леща в глобалната GPS система. Най-накрая, се отчитат и изместването на скенера 3 спрямо посоката на движение на платформата 2 по хоризонтала и евентуалния наклон на скенера 3 по вертикала, спрямо платформата 2. Това позволява, преди всяко измерване, скенерът 3 да бъде поставен на оптималната за проекта височина, при която да се получи оптимално заснемане на измерваната външна среда.

Като краен резултат, посоченото устройство за автокалибриране предлага триизмерно изображение на изследвания обект (в общия случай железопътно трасе и прилежащите съоръжения), в действителни размери, с крайни параметри в националната GPS мрежа или в използваната от съответните железници референтна система, а не спрямо локалната система на платформата.

С устройството за автокалибриране и описаните стъпки за използването му при кинематично заснемане на обекти и по-конкретно чрез възможността за провеждане на вътрешно-системното сканиране се постига:

- определяне положението на скенера 3 върху подвижната платформа 2 непосредствено преди всяко измерване с по-голяма гъвкавост и бързина, като с това отпада и нуждата от продължително и трудоемко калибриране в лаборатории;

- отчитане и внасяне на корекции в изходящите данни, вследствие настъпили по време на кинематичния процес на измерване деформации на платформата 2, променящи взаимното разположение на сензорите;

- определяне на всички параметри на външно ориентиране на скенера, позволяващи доказване на качеството в процеса на измерването;

- автоматизиране на работа и по-голяма бързина при подготовката за кинематично заснемане;

- свобода при ориентацията и височината на скенера 3 върху платформата 2, позволяваща покриване на значително по-голям спектър от задачи.

Claims (3)

Патентни претенции

1. Устройство за автокалибриране към железопътна платформа за кинематично заснемане на обекти, към която платформа са предвидени сканиращо устройство, навигационно устройство - сензор, и задвижващо устройство, характеризиращо се с това, че включва механизъм за закрепване (10), към който са монтирани под ъгъл алфа оси (11), в краищата на които са закрепени сфери (12) с пластини - бленди (13), като устройството за автокалибриране (1) е монтирано към платформата (2) за кинематично заснемане на обекти върху неподвижно закрепен прът (6), при което между устройството за авто-калибриране (1) и GPS антена (4) на навигационното устройство е предвидена пластина - бленда (8), а сканиращото устройство (3) е монтирано към железопътната платформа (2) върху подвижна стойка (9), свързана със задвижващо устройство (5) за осигуряване репозициониране на сканиращото устройство (3) по височина, и с ъгъл на изместване бета в диапазона от 0 до 30° спрямо оста на движение на платформата (2) в съответствие със заснеманите обекти.

2. Устройство за автокалибриране съгласно претенция 1, характеризиращо се с това, че механизмът за закрепване (10) включва двуделна скоба (14) със закрепващи елементи (15) и цилиндър (16), закрепен неподвижно към едната част на скобата (14), при което към цилиндъра (16) са монтирани осите (11) под ъгъл алфа от 90°, като едната ос (11’) е хоризонтална и преминава през цилиндъра (16) и в двата й края са закрепени две от сферите (12) с бленди (13), а в средата на хоризонталната ос (1Г) е установена вертикална ос (И”), в края на която е закрепена трета сфера (12) с блендата (13).

3. Устройство за автокалибриране съгласно претенция 1 или 2, характеризиращо се с това, че е разположено над вътрешния ръб на дясната отправна релса (7) на платформата (2), върху вертикалния прът (6) на който е монтирана GPS антената (4).