CN100585343C - 铁路运输装备超限测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路运输装备超限测量仪及测量方法，该测量仪包括支撑系统、测量系统和保障系统，支撑系统用于为测量系统提供稳定的支撑平台，测量系统用于对被测物体进行测量、监视和数据处理、显示、输出、存储，主要由激光雷达、倾角传感器、角度传感器、步进电机、旋转电机、工控机、CCD摄像机、伺服系统、十字标线轨距尺组成，保障系统用于为系统正常工作提供可靠的保障，测量方法包括确定坐标基准点，将传输的数据在工控机进行处理，从而准确判断超限部位和超限等级。该测量仪采用伸缩、组合方式，可快速展开、撤收；体积小、重量轻，便于携行；测量技术先进，精度高、速度快；适于铁路运输超限的测量，对物体位置和体积及重量的测量。

Description

铁路运输装备超限测量仪及测量方法

技术领域

本发明涉及一种物位及形态重量测量仪及测量方法，尤其涉及一种铁路运输装备超限测量仪及测量方法。

背景技术

大型装备铁路运输超限快速检测是当前铁路军事运输保障急于解决的难点问题之一。目前，部队大型装备越来越多，这些装备铁路运输时外廓尺寸往往超限或接近超限，由于没有适宜的检测手段，无法准确测量，铁路部门从行车安全考虑，只能适当放大超限等级，造成运输效率降低，军运费用增加。

目前，国内在进行大型超限装备的铁路运输时，多数情况下仍使用皮尺、竹竿等传统人工简易测量方法。该方法测量精度低、时间长、劳动强度大，容易造成漏检误查，测量结果缺乏客观准确性。随着铁路电气化建设的发展，检测人员安全受到威胁，这种方法将逐渐停止使用。

还有利用CCD摄像测量方法，该方法采用固定龙门架建筑结构，将CCD摄像机安放在测量场的上方和侧面，形成封闭横断面，对在测量场内运行的货车进行拍摄，将获取的模拟电子图像经采集卡转换为数字信息传入计算机，计算机进行几何尺寸的计算、修正、规划，计算出装载货物的实际高度和宽度，并将其与预先设置在计算机程序内的装载超限限界进行比较，发现超限，即刻报警。该方法架设龙门架需进行地质结构勘测设计，施工难度大、周期长，安装、调试、维护需专业人员进行，维护费用高，测量精度受地质变化影响较大，系统造价高(140～200万元)。

限界规测量采用金属门架结构，安装检测板，当车辆通过时，超限部位将检测板掀起，根据板的旋转角度和高度判断超限级别和部位。该方法必须架设金属门架，安装、调试难度大，对被检车辆行驶速度有严格要求(小于5km/h)，受风力影响大，测量精度低。

红外激光测量按照车辆限界的轮廓布置一系列的红外传感器，形成一个多边形的超限监测架。当车辆有超限部位存在时，相应位置的红外线被隔断，从而大致判断超限位置和等级。该方法结构复杂，调试困难，测量精度低，可靠性差，受气侯影响大，易发生误报。

综合分析上述测量方法，具有以下共同特点：一是均采用固定门架式结构，须在列车移动情况下测量；二是建造、调试难度大，专业性强；三是造价及维护成本高。与大型装备铁路运输超限测量的实际需求不相适应，无法满足使用需要。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本实用新型提供了一种操作简单，测量精度高，便于携行的铁路运输装备超限测量仪。

本发明的技术方案是这样实现的，一种铁路运输装备超限测量仪，包括支撑系统、测量系统和保障系统，支撑系统用于为测量系统提供稳定的可升降支撑平台，支撑系统主要由三脚架、升降杆、云台组成，其中三脚架安装在升降杆上，三脚架与升降杆的连接处设有锁紧装置，防止升降杆径向窜动，升降杆的一端与云台通过连接底座连接，另一端与保障系统的电源箱连接，升降杆上安装有升降器，用于调节升降杆的长度，云台两端有固定支撑架；

测量系统用于对被测物体进行测量、监视和数据处理显示和输出及存储，主要由激光雷达、倾角传感器、角度传感器、步进电机、旋转电机、工控机、CCD摄像机、示警灯、伺服系统、十字标线轨距尺和测量托架组成，其中测量托架、示警灯安装于云台两端的固定支撑架上，测量托架的底平面上安装倾角传感器，CCD摄像机固定于测量托架底平面中心线位置，测量托架通过步进电机主轴、角度传感器主轴连接，激光雷达安装于CCD摄像机上部，其中心位置与云台中心线平行，水平位置与CCD摄像机保持一致，步进电机、角度传感器分别安装在云台支撑架两端，并保持同轴，激光雷达、倾角传感器、角度传感器、步进电机及伺服系统控制信号通过数据传输线传输到工控机进行控制及处理，工控机安装在升降杆上；

保障系统用于为系统正常工作提供可靠保障，主要由电源箱和电器控制组成，电源箱安装于升降杆的下方，电源线从电源箱引出到工控机，从工控机连接到云台。电源箱在系统中还对体统起到降低重心提高系统的稳定性作用。

所述的云台与升降杆之间、工控机与升降杆之间、云台上的测量系统都是可以拆卸的，在使用时进行组装。

所述的保障系统还包括温控装置和照明组件，温控装置为加热器，加热器分别安装于激光雷达和工控机上，保证其在-20-0℃环境下能正常工作，照明组件安装于激光雷达的顶部，保证CCD摄像机在夜间工作。

所述的三脚架包括主支架、副支架、上部箍套、下部滑套、两个30″水平气泡、锁紧装置和防滑装置，其中主支架和升降杆底杆之间由上部箍套相连接，副支架和升降杆底杆之间由下部滑套相连接且滑套可在升降杆底杆中滑动：滑套下行，下行至三脚架底脚需要的展开状态时，锁紧装置锁死，三脚架展开；滑套上行，锁紧装置打开，三脚架收拢主，三脚架顶部设有2个30″水平气泡，便于快速调整三脚架水平度；接地处设有防滑装置，三脚架采用铝合金复合型材，

所述的升降杆共四级，第一级杆固定，第二、三、四级自上而下依次滑动，还包括固定端头和升降器，各级升降杆顶部安装固定端头，可固定升降杆上的钢丝，升降杆或选用铝合金材料，加工成多孔结构；或选用镁合金材料。

所述的升降杆与云台采用弹性咬合方式连接，升降杆与电源箱采用法兰盘或悬挂方式连接，工控机采用卡接方式连接在升降杆上。

所述的云台包括云台固定支撑架和旋转电机组件，其中固定支撑架安装在升降杆顶部，旋转电机组件安装在支架的预制孔上，旋转电机带动CCD摄像机进行水平定位基准点和监视超限部位物状的工作，同时带动角度传感器工作以保证激光雷达扫描时分度的精确性和数据采集的准确性。

所述的云台上安装有黄色超高亮度LED示警灯、防止雷击的接地保护装置、防止雨水渗入的聚碳酸酯防护罩。

用手动旋转代替旋转电机，并在升降杆与三脚架连接处设置环形光滑支撑，升降杆上安装手旋转手柄。

本发明的另一个目的是提供一种铁路运输装备超限测量仪的测量方法，首先确定坐标基准点，采用十字标线轨距尺辅助手段，确立激光雷达到被测物体的坐标，倾角传感器、角度传感器、十字标线轨距尺传输的数据在工控机进行处理，完成支撑系统极坐标向直角坐标变换，然后将数据进行修正处理，变换为理想水平标准直角坐标系，将此理想水平标准直角坐标系图形与铁路运输标准限界进行比较，从而准确判断超限部位和超限等级，完成对超限货物的测量。

其中，所述传输的数据包括铁轨距离误差、水平高度误差、云台水平倾角误差、支撑系统误差。

本发明的工作流程为，首先把三脚架展开，把三脚架的底角接地线，电源箱与支撑系统的升降杆一端连接，把云台安装在升降杆的另一端，把升降杆展开，把工控机安装在升降杆上，开启电源箱中的电源，开始测量，进行数据和信息的输入输出，最后撤收测量仪，完成测量工作。

工作原理：用支撑架将激光雷达和CCD摄像机升至适当高度，CCD摄像机对于轨距尺进行基准定位后，激光雷达进行扫描测量，通过工控机进行数据分析处理，得到三维数据图像，将三维数据图像进行修正后，与铁路运输标准限界进行对比运算，确定超限部位和等级，并辅以摄像监视，查明超限物状。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、系统采用伸缩、组合方式，可快速展开、撤收；

2、体积小、重量轻，便于携行；

3、测量技术先进，精度高、速度快；

4、适应不同气候环境，抗干扰能力强；

5、操作简便，作业安全可靠。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为云台整体结构示意图；

图3为云台组件结构示意图；

图4为升降杆结构示意图；

图5为三脚架结构示意图；

图6为工作流程图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细描述，但不作为对本实用新型的限定。

如图1所示，铁路运输装备超限测量仪，包括支撑系统、测量系统和保障系统，其中支撑系统用于为测量系统提供稳定的支撑平台，支撑系统主要由三角支架2、升降杆5、云台8组成，其中三脚架2安装在升降杆5上，三脚架2与升降杆5的连接处设有锁紧装置4，防止升降杆5径向窜动，三脚架2接地处设有防滑装置，升降杆5的一端与云台8通过连接底座6采用弹性咬合方式连接，另一端与保障系统的电源箱1采用法兰盘或悬挂方式连接，升降杆5上安装有升降器3，用于调节升降杆5的长度。工控机17采用卡接方式连接在升降杆5上。

所述的三脚架包括主支架36、副支架37、上部箍套38、下部滑套39、两个30″水平气泡40、锁紧装置4和防滑装置41，其中主支架36和升降杆5之间由上部箍套38相连接，副支架37和升降杆5之间由下部滑套39相连接且下部滑套39可在升降杆5中滑动：下部滑套39下行，下行至三脚架2底脚需要的展开状态时，锁紧装置4锁死，三脚架2展开；下部滑套39上行，锁紧装置4打开，三脚架2收拢主，三脚架2采用铝合金复合型材，通用性好，重量轻、强度高，便于加工制作；水平展开角度设计为可调型，使作业更加灵活方便；三脚架2顶部设有2个30″水平气泡40，便于快速调整三脚架2水平度；接地处设有防滑装置41，增大了附着能力，提高了稳定性；重心位置降低，平稳性大大提高。

三脚架2收拢时的外形尺寸为：1980×200×200mm

质量                ≤20Kg

展开时间            ≤2min

收拢时间            ≤2min

系统窜动误差        ≤4mm

承重                ≤15kg

最大升起高度        5400mm

颜色                无光或亚光军绿色

升降杆5共四级，第一级杆固定，第二、三、四级自上而下依次滑动，还包括固定端头35和升降器3，各级升降杆5顶部安装固定端头，可固定升降装置中的钢丝。通过升降装置，第二、三、四级各级杆可依次在下级杆中滑动，实现升降，升降杆5选用铝合金材料，重量：6kg，升降、锁紧操作灵活方便，无异响、卡阻现象，可加工成多孔结构；或选用镁合金材料，升降杆5支撑其上所有部件、保证平衡、提供一个测量高度的稳定平台。

所述的云台8包括云台固定支撑架31和旋转电机组件42(与旋转电机有没有区别)，其中固定支撑架31安装在升降杆5顶部，旋转电机组件42安装在固定支撑架31预制孔上，旋转电机7带动CCD摄像机15进行定位基准点和监视超限部位物状的工作，同时带动角度传感器9工作以保证激光雷达10扫描时分度的精确性和数据采集的准确性，云台8选用铝合金材料。

激光雷达10的性能指标如下：

扫描范围            (最大值/10％反射率)80m/30m

扫描角度            180°

角度分辨率          0.25°可调

响应时间            53ms

分辨率/系统误差     10mm/±35mm

数据接口            RS232/RS422

开关量输出          3×PNP，DC24V

激光防护等级        1级(人安全)

运行环境等级        0～50□

封装等级            IP65

尺寸(L×W×H)       185×156×155mm

倾角传感器16

为修正系统工作时的水平度误差、提高测量精度，并考虑量轻系统重量，选用精度高、体积小的SCE-115T型倾角传感器16，其性能指标如下：

量程                0～15°

工作电              24V

输出信号            4～20mA、1～5V

重复                ≤±0.05

分辨率              ≤±0.01

使用温度            -25～65□

输出接口            RS422

角度传感器9

为精确测量激光雷达10直扫描的分度角，确保数据采集处理的准确性，并考虑量轻系统重量，选用精度高、体积小的JDMX-16型角度传感器9，其性能指标如下：

工作温度            -40□～50□

存温度              -50□～70□

精度                40″

分辨率              20″

输出接口            RS422

外 防护等级         IP67

步进电机14

为实现激光雷达10直方向的分度扫描、保证测量精度，并量轻系统重量，选用精度高、体积小、低的57BYG型步进电机14，其性能指标如下：

输入电              DC 24V

率                  40W

转速            1000rpm

步距角          0.3°

自重            1kg

便携式工控机17

为实现测量数据的采集、运算、分析、处理、储存、显示、传输等能，考虑适应外作业环境件，选用重量轻、体积小、安全可靠的便携式工控机17，工控机内安装有数据采集卡和图像采集卡，工控机的性能指标如下：

盘              80G

内存            512M

CPU             P4

显示            6寸

数据采集卡

为保证各种测量数据与计算机的合理，实现数据信号的采集、转换，选用与激光雷达套的CP132型数据采集卡，其性能指标如下：

口              422/485两个

PCI 线          支持WINDOWS操作系统

图像采集卡

为实现测量数据的图形显示，选用高性能、通用型图像采集卡，其性能指标如下：

接口            AV

PCI 线          支持WINDOWS操作系统

CCD摄像机

为辅助定位测量基准点，监视超限部位物状，选用重量轻、体积小、视角宽、带有十字标线的1/2寸CCD摄像机，其性能指标如下：

有效像(H×V)    768×596

单位尺寸(H×V)  6.45μm×6.45μm

速率            25FPS

同步            HD：15.733KHz；VD：14.998Hz

模拟数字信号输出    1Vp-p，75(BNC or 12 pin Hirose)

信比                于50dB

最小照度            0.02Lux(在F1.2)

增益                AGC/MGC

度系数              1.0

电子快门            1/1,000

头接口              C或CS接口

工作温度            -20□～50□

电源制式            DC 12V，280mA，3.4W

低速快门            2FLD～16FLD(Optional)

为准确定位铁轨中心以及倾角度，进行误差修正。选用JTGC-G铁路轨距尺进行造。重量轻，精度高，结构简单，通用性好，操作简便，成本低。

电源箱

选用12V/45Ah  维护酸电1对，为系统提供DC24V电力保障。

电源安装于支撑系统的下方位置，可增加系统的稳定性便于人员的操作。

加热器12

为保证测量仪在低温件下能正常工作，分别在激光雷达和工控机内加装4个CQ14型加热器，其性能指标如下：

率                20～0W

重量              20g

照明灯11

为保证在光照度不足时，测量仪能正常工作，选用MQ106型聚光照明灯11，其性能指标如下：

率                15W

光通量            300Lm

保护装置

为保证测量时人员和设备的作业安全，依据铁路相关安全施工和保护标准，选用合要求的黄色荧光反射标志、黄色超高亮度LED示警灯、防止雷击的接地保护装置、防止雨水渗入的聚碳酸酯防护罩。

背包

为便于测量仪各部件的携行，置3个背包，采用布制作，颜色为军绿色。

铁路运输装备超限测量仪的主要技术指标如下：

1、测量误差

激光雷达的固有测量精度和支撑系统可能生的积误差，确定系统测量误差为：0.03m。

2、作业时间

根据系统结构，2人作业，支架展开时间不大于1min，云台组装时间不大于1min，电源组装时间不大于1min，支架升起时间不大于2min，确定系统展开时间不大于5min。

收拢是展开的过程，其作业量和作业难度小于展开过程，由此确定系统收拢时间不大于5min。

根据测量方式，系统启动及始定位时间不大于1min，激光雷达扫描单车一侧计时间不大于1min，步进电机计伺服时间不大于1min，由此确定系统扫描时间不大于3min。

3、自持能力

电源系统供电制式为24V，定容量为45Ah；用电设备：激光雷达50W，便携式工控机40W，步进电机40W，旋转电机40W，照明灯15W，加热器150W，其20W，共计355W。由此确定系统满连测量时间□3h。

4、自然环境件适应性

根据系统实际使用的环境件，考虑各组成部分自的环境适应性，并采取必要的辅助施，确定系统工作温度为-20□～40□；存极限温度为-40□、55□；度□90(25□)；可在小雨(降雨量≤5mm/h)件下使用；可在车、货场、专用线等平直轨区间展开作业。

5、携行性

从作业人员、便于外作业考虑，设计上应量降低各部件的外形尺寸和重量，以便于携行。照GJB113-1986中国人解放军

单兵负荷量标准，操作人员限于2人，系统总重量限定为不大于50kg，人均负荷量不大于25kg。

6、标准化

为提高产品标准化程度，设计上应贯彻标准化要求，系统构成应尽量选用标准零部件，使标准化系数不小于0.8。

7、可靠性

根据后勤装备可靠性要求，经系统可靠性分析，并采取可靠性设计措施，使系统平均故障间隔时间不小于240h。

8、外形尺寸

根据GB146.1-1983标准轨距铁路机车车辆限界，为满足测量需要，系统工作状态最大升起高度距轨面不应小于5.3m；考虑到在电气化铁路区间的测量安全性，作业高度应尽可能降低，距接触网带电部分距离不应小于2m，由此确定系统最大升起高度为距轨面5.4m。为便于2人携行，支撑架收拢后长度不大于2m。

一种铁路运输装备超限测量仪的测量方法，首先确定坐标基准点，采用十字标线轨距尺辅助手段，确立激光雷达到被测物体的坐标，倾角传感器、角度传感器、十字标线轨距尺传输的数据在工控机进行处理，完成支撑系统极坐标向直角坐标变换，然后将数据进行修正处理，变换为理想水平标准直角坐标系，将此理想水平标准直角坐标系图形与铁路运输标准限界进行比较，从而准确判断超限部位和超限等级，完成对超限货物的测量。

其中，所述传输的数据包括铁轨距离误差、水平高度误差、云台水平倾角误差、支撑系统误差。

Claims (10)

1、铁路运输装备超限测量仪，包括支撑系统、测量系统和保障系统，其特征在于：

支撑系统用于为测量系统提供稳定的可升降支撑平台，支撑系统主要由三脚架、升降杆、云台组成，其中三脚架安装在升降杆上，三脚架与升降杆的连接处设有锁紧装置，防止升降杆径向窜动，升降杆的一端与云台通过连接底座连接，另一端与保障系统的电源箱连接，升降杆上安装有升降器，用于调节升降杆的长度，云台两端有云台固定支撑架；

测量系统用于对被测物体进行测量、监视和数据处理显示、输出、存储，主要由激光雷达、倾角传感器、角度传感器、步进电机、旋转电机、工控机、数据采集卡、图像采集卡、CCD摄像机、示警灯、伺服系统、十字标线轨距尺和测量托架组成，其中测量托架、示警灯安装于云台两端的固定支撑架上，测量托架的底平面上安装倾角传感器，CCD摄像机固定于测量托架底平面中心线位置，托架通过步进电机主轴、角度传感器主轴连接，激光雷达安装于CCD摄像机上部，所述激光雷达的中心位置与云台中心线平行，所述激光雷达水平位置与CCD摄像机保持一致，步进电机、角度传感器分别安装在云台固定支撑架两端，并保持同轴，激光雷达、倾角传感器、角度传感器、步进电机及伺服系统控制信号通过数据传输线传输到工控机进行控制及处理，工控机安装在升降杆上；

保障系统用于为系统正常工作提供可靠保障，主要由电源箱和电器控制组成，电源箱安装于升降杆的下方，电源线从电源箱引出到工控机，从工控机连接到云台。

2、根据权利要求1所述的铁路运输装备超限测量仪，其特征在于所述的云台与升降杆之间、工控机与升降杆之间、云台上的测量系统都是可以拆卸的，在使用时进行组装。

3、根据权利要求1所述的铁路运输装备超限测量仪，其特征在于所述的保障系统还包括温控装置和照明组件，各升降杆端部均有黄色荧光反射标志，温控装置为氮化硅陶瓷加热器，氮化硅陶瓷加热器分别安装于激光雷达和工控机上，保证激光雷达及工控机在-20-0℃环境下能正常工作，照明组件安装于激光雷达的顶部，保证CCD摄像机在夜间工作。

4、根据权利要求1所述的铁路运输装备超限测量仪，其特征在于所述的三脚架包括主支架、副支架、上部箍套、下部滑套、两个30″水平气泡、锁紧装置和防滑装置，其中主支架和升降杆之间由上部箍套相连接，副支架和升降杆之间由下部滑套相连接且下部滑套可在升降杆中滑动：下部滑套下行，下行至三脚架底脚需要的展开状态时，锁紧装置锁死，三脚架展开；下部滑套上行，锁紧装置打开，三脚架收拢，三脚架顶部设有2个30″水平气泡，便于快速调整三脚架水平度；接地处设有防滑装置，三脚架采用铝合金复合型材。

5、根据权利要求1所述的铁路运输装备超限测量仪，其特征在于所述的升降杆共多级，第一级升降杆固定，第二、三、四级升降杆自上而下依次滑动，还包括固定端头和升降器，各级升降杆顶部安装固定端头，固定升降杆上的钢丝，升降杆选用铝合金材料，加工成多孔结构；或选用镁合金材料。

6、根据权利要求1所述的铁路运输装备超限测量仪，其特征在于所述的升降杆与云台采用弹性咬合方式连接，升降杆与电源箱采用法兰盘或悬挂方式连接，工控机采用卡接方式连接在升降杆上。

7、根据权利要求1所述的铁路运输装备超限测量仪，其特征在于所述的云台包括云台固定支撑架和旋转电机组件，其中固定支撑架安装在升降杆顶部，旋转电机组件安装在固定支撑架的预制孔上，旋转电机带动CCD摄像机进行水平定位基准点和监视超限部位物状的工作，同时带动角度传感器工作以保证激光雷达扫描时分度的精确性和数据采集的的准确性。

8、根据权利要求1所述的铁路运输装备超限测量仪，其特征在于在所述的云台上安装有黄色超高亮度示警灯、防止雷击的接地保护装置、防止雨水渗入的聚碳酸酯防护罩。

9、根据权利要求7所述的铁路运输装备超限测量仪，其特征在于在用手动旋转代替旋转电机，并在升降杆与三脚架连接处设置环形光滑支撑，升降杆上安装手旋转手柄。

10.一种根据权利要求1所述的铁路运输装备超限测量仪的测量方法，首先确定坐标基准点，采用十字标线轨距尺辅助手段，确立激光雷达到被测物体的坐标，倾角传感器、角度传感器、十字标线轨距尺传输的数据在工控机进行处理，完成支撑系统极坐标向直角坐标变换，然后将数据进行修正处理，变换为理想水平标准直角坐标系，将此理想水平标准直角坐标系图形与铁路运输标准限界进行比较，从而准确判断超限部位和超限等级，完成对超限货物的测量；

其中，所述传输的数据包括铁轨距离误差、水平高度误差、云台水平倾角误差、支撑系统误差。

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