CN102180187B - 一种铁路轨道高低高精度检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铁路轨道检测技术，涉及对铁路轨道高低连续检测装置和方法的改进。本发明检测装置包括一个带有检测平台[7]的轨道检测车，在检测平台[7]的上表面安装有包括计算机[1]、位移器数据采集卡[2]、OD数据采集卡[6]和电源的数据处理系统，其特征在于：所说的第一位移器PDT1和第二位移器PDT2是激光位移器，有一个由三个光纤陀螺以及FOG数据采集卡[3]组成的检测平台高低测量系统。本发明检测方法的步骤是：陀螺数据预处理；里程数据预处理；位移器数据预处理；时域空域转换；检测平台[7]高低计算；轨道高低计算。本发明不受检测速度影响，能对左、右轨的高低进行分别测量，测量精度高，适用范围广。

Description

一种铁路轨道高低高精度检测装置和检测方法

技术领域

本发明属于铁路轨道检测技术，涉及对铁路轨道高低连续检测装置和方法的改进。

背景技术

目前，对铁路轨道高低的检测方法主要有弦测法、惯性基准法、激光准直法、三维测量以及视像法等。

1、弦测法是指采用人工拉线的方法在轨道上真实搭建一条弦线，通过测量轨道轨顶面与该弦线的相对位移，评价轨道高低平顺性。这种方法原理简明，但是这种方法的传递函数不恒为1，当需要将测量结果转换成其他弦长的不平顺值时，存在误差；另外。测量精度与工作人员的熟练程度密切相关，且工作效率偏低，不能适应密集的铁路建设、维修。

2、惯性基准法是指通过加速度计二次积分测量得到轨道基准值（载体上下振动频率大大高于自身频率时，质量块不能追随而保持静止的位置。这个静止位置即为惯性基准），与位移器测量到的瞬时载体与基准值的相对位移组合得到轨道平顺测量值。这种方法能够比较如实地反映0.1～50m波长范围内的轨道不平顺。当检测速度过低时，加速度信号比较微弱，信噪比低，并且要作积分运算，低频信号容易引起积分饱和，因此惯性基准法不适合做低速测量。

3、激光准值法是指在两个测量基点之间通过光学视准线建立一条基准线,测量各测点偏离该基准线的偏离值。这种方法对环境要求较为苛刻，不适合强光、雨雪、沙尘等天气情况。

4、三维测量法借助于精密全站仪实现，光学跟踪测量法，指采用全站仪辅助测量的轨道平顺性检测方法。这种方法的基本思路是通过全站仪给出轨道测量点的精确三维坐标，将测量得到的三维坐标与设计值比较，得到轨道平顺性检测结果。这种测量方法的代表产品有瑞士“安伯格”和德国“GEDO”，是目前高铁建设、维护过程中普遍采用的方法，具备测量精度高的优点，但存在以下几点不足：

（1）、由于光在不同介质中的传播速度不同，对空气能见度有要求；

（2）受全站仪跟踪距离限制，每隔固定距离需要重新建站，工作效率较低；

（3）测量结果为离散点，不能反映轨道状态全貌。

5、光学摄像法是大型轨检车T17、GJ-5以及GJ-4改中采用测量方法。光学摄像传感器安装在检测车的检测梁上，在检测过程中，采用4台CCD摄像机对左右两轨高速拍照，之后通过Hub回传到车体内部的PC机中，通过图像重构的方法重现轨道几何外形，分析轨道的高低、轨向、水平等各项参数。该方法具备检测精度高、不受速度影响等优点，是目前最为先进的检测理论。但是它极易受外界光干扰，一旦受干扰整个系统均不能工作。

发明内容

本发明的目的是：提出一种不受检测速度影响、能对左、右轨的高低进行分别测量、测量精度高、适用范围广的铁路轨道高低连续检测装置和方法。

本发明的技术方案是：一种铁路轨道高低高精度检测装置，包括一个带有检测平台的轨道检测车，在检测平台的下表面固定有两个位移器，它们是第一位移器PDT1和第二位移器PDT2，第一位移器PDT1和第二位移器PDT2分别位于轮轴两端的正上方，第一位移器PDT1和第二位移器PDT2的轴线与轮轴的轴线正交，在轮轴的一端安装有里程仪OD，在检测平台的上表面安装有数据处理系统，该数据处理系统包括计算机、位移器数据采集卡、OD数据采集卡和电源，位移器数据采集卡通过USB通讯线与计算机连接，里程仪OD的输出端与OD数据采集卡的输入端连接，OD数据采集卡通过RS422串口通讯线与计算机的第一串口COM1连接；其特征在于：

（1）所说的第一位移器PDT1和第二位移器PDT2是激光位移器，在数据处理系统中有两个激光位移器控制盒，它们是PDT1控制盒和PDT2控制盒，第一位移器PDT1的输出端与PDT1控制盒的输入端连接，PDT1控制盒的输出端与位移器数据采集卡的第一输入端连接，第二位移器PDT2的输出端与PDT2控制盒的输入端连接，PDT2控制盒的输出端与位移器数据采集卡的第二输入端连接；

（2）有一个由第一光纤陀螺FOG1、第二光纤陀螺FOG2和第三光纤陀螺FOG3三个光纤陀螺以及FOG数据采集卡组成的检测平台高低测量系统，三个光纤陀螺均安装在检测平台的上表面，第一光纤陀螺FOG1与第一位移器PDT1同轴，第三光纤陀螺FOG3与第二位移器PDT2同轴，第二光纤陀螺FOG2位于第一光纤陀螺FOG1和第三光纤陀螺FOG3的中心，三个光纤陀螺的轴线相互平行并共面；第一光纤陀螺FOG1、第二光纤陀螺FOG2和第三光纤陀螺FOG3的输出端分别与FOG数据采集卡的第一至第三输入端连接，FOG数据采集卡通过RS422串口通讯线与计算机的第二串口COM2连接。

使用如上面所述的检测装置检测铁路轨道高低的方法，其特征在于，检测的步骤如下：

1、陀螺数据预处理：

1.1、获取陀螺数据初值：保持检测平台静止m秒，m取值范围为100s至200s，计算机每5ms读取一次第二串口COM2，采集通过FOG数据采集卡传送来的第一光纤陀螺FOG1至第三光纤陀螺FOG3的静止陀螺数据

分别计算m秒内

的均值作为陀螺数据初值，记为ω₁₀、ω₂₀、ω₃₀；

1.2、陀螺数据数据采集：启动轨道检测车在轨道上行驶，计算机每5ms读取一次第二串口COM2，采集通过FOG数据采集卡传送来的第一光纤陀螺FOG1至第三光纤陀螺FOG3的实时陀螺数据ω₁、ω₂、ω₃；

1.3、时域滤波：

将采集到的第一光纤陀螺FOG1至第三光纤陀螺FOG3的实时陀螺数据ω₁、ω₂、ω₃分别做n点滑动平均，n取值范围为50～150的整数，得到时域滤波后的陀螺数据ω₁₁、ω₂₁、ω₃₁；滑动平均的计算公式为：

${\mathrm{\ω}}_{11}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{i=k-n+1}{\overset{i=k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_1\left(i\right)...\left(1\right)$

${\mathrm{\ω}}_{21}=\frac{1}{n}\underset{i=k-n+1}{\overset{i=k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_2\left(i\right)...\left(2\right)$

${\mathrm{\ω}}_{31}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{i=k-n+1}{\overset{i=k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_3\left(i\right)...\left(3\right)$

式中，当k<n时，有ω₁₁(k)＝ω₁(k)，ω₂₁(k)＝ω₂(k)，ω₃₁(k)＝ω₃(k)，k为自然数，是采样的序列号；

1.4、陀螺数据补偿：对经过n点滑动平均的陀螺数据ω₁₁、ω₂₁、ω₃₁按照下式进行补偿，得到补偿后的陀螺数据ω₁₂、ω₂₂、ω₃₂；

ω₁₂(k)＝ω₁₁(k)-ω₁₀-f(ψ(k-1))………………………………………(4)

ω₃₂(k)＝ω₃₁(k)-ω₃₀-f(ψ(k-1))………………………………………(5)

ω₂₂(k)＝ω₂₁(k)-ω₂₀   …………………………………………………(6)

式中，ω₁₂(1)＝ω₁₁(1)，ω₂₂(1)＝ω₂₁(1)，ω₃₂(1)＝ω₃₁(1)，

f(ψ(k-1))为相对航向角函数，ψ(1)＝0；

1.5、相对角度计算：对补偿后的陀螺数据ω₁₂、ω₂₂、ω₃₂进行积分运算，得到左相对俯仰角θ_L、右相对俯仰角θ_R、相对航向角ψ，计算公式如下：

θ_L(k)＝θ_L(k-1)+ω₁₂·T_s1……………………………………………(7)

θ_R(k)＝θ_R(k-1)+ω₃₂·T_s1……………………………………………(8)

ψ(k)＝ψ(k-1)+ω₂₂·T_s1  ……………………………………………(9)

式中，采样间隔T_s1＝5ms；

2、里程数据预处理：在轨道检测车运行过程中，计算机每5ms读取一次第一串口COM1，采集通过OD数据采集卡传送来的里程仪累积脉冲数N_od，根据计算机内事先标定好的里程仪刻度系数k_od计算里程l_od；

l_od＝N_od×k_od………………………………………………………(10)

3、位移器数据预处理：

3.1、获取位移器数据初值：保持检测平台静止m秒，计算机每5ms读取一次USB通信端口，采集通过位移器数据采集卡传送来的第一位移器PDT1和第二位移器PDT2的测量值

和

分别计算m秒内

和的平均值作为初值d₁₀和d₂₀；

3.2、位移器数据采集：在轨道检测车运行过程中，计算机每5ms读取一次USB通信端口，采集通过位移器数据采集卡传送来的第一位移器PDT1和第二位移器PDT2的测量值d₁和d₂；

3.3、位移器数据补偿：补偿后得到时域内位移器数据的预处理数值d_L和d_R，补偿公式为：

d_L(k)＝d₁(k)-d₁₀…………………………………………………(11)

d_R(k)＝d_R(k)-d₂₀…………………………………………………(12)

4、时域空域转换：根据步骤1.5计算得到的相对角度θ_L、θ_R和步骤2计算得到的里程l_od以及步骤3计算得到的位移器数据的预处理数值d_L和d_R进行时域空域转换，转换的步骤如下：

4.1、将根据步骤1.5计算得到的相对角度θ_L、θ_R和步骤2计算得到的里程l_od以及步骤3计算得到的位移器数据的预处理数值d_L和d_R组成时域数据组[l_od，θ_L，θ_R，d_L，d_R]；将对应的空域数据记为[_L、Θ_L、Θ_R、D_L、D_R]，将K作为时域数据组的序列号，将j作为空域数组的序列号；

4.2、将第一组时域数据组K1作为第一组空域数据组j1；

4.3、读取下一组时域数据组K2，即k=2时的时域数据;

4.4、计算第二组时域数据K2中的时域里程l_od(2)与第一组空域数据的空域里程L(1)之差dL；

4.5、判断下列条件是否成立：

|dL-L_md|＜0.05m……………………………………………(13)

式中，L_md表示检测密度，L_md为0.125m；若成立，则将第二组时域数据作为第二组空域数据；否则，按照以下方法进行计算：

4.6、读取下一组时域数据组K3，即k=3时的时域数据;

4.7、计算第三组时域数据K3中的时域里程l_od(3)与第一组空域数据的空域里程L(1)之差dL；

4.8、判断判定条件是否成立，进行时域/空域数据转换：

|dL-L_md|＜0.05m……………………………………………(14)

若成立，则将第三组时域数据作为第二组空域数据；否则，继续读取下一组时域数据组并进行计算和判断，直到上述判定条件成立为止，设满足判定条件的时域数据为第Kη组时域数据，η为大于3的整数，则将作为第二组空域数据组j2；

4.9、读取时域数据组的下一组时域数据组，计算该组时域数据Kη+1中的时域里程l_od(η+1)与第二组空域数据的空域里程L(2)之差dL；根据步骤4.8的方法进行时域/空域数据转换，直到检测结束为止；

5、检测平台高低计算：计算公式为：

$h_{\mathrm{VL}}\left(j\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;[d{L}_1\&CenterDot;\tan \left(d{\mathrm{\&Theta;}}_1\right)-\frac{1}{2}d{L}_2\&CenterDot;\tan \left(d{\mathrm{\&Theta;}}_2\right)]...\left(15\right)$

$h_{\mathrm{VR}}\left(j\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;[d{L}_1\&CenterDot;\tan \left(d{\mathrm{\&Theta;}}_3\right)-\frac{1}{2}d{L}_2\&CenterDot;\tan \left(d{\mathrm{\&Theta;}}_4\right)]...\left(16\right)$

式中，h_VL为检测平台的左高低，h_VR为检测平台的右高低，α为幅值补偿系数，取0.25;λ为检测弦长，为10m或30m；

dL₁＝L(j)-L(j-d)；

dL₂＝L(j+d)-L(j-d)；

dΘ₁＝Θ_L(j)-Θ_L(j-d)；

dΘ₂＝Θ_L(j+d)-Θ_L(j-d)；

dΘ₃＝Θ_R(j)-Θ_R(j-d)；

dΘ₄＝Θ_R(j+d)-Θ_R(j-d)；

$d=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2L_{\mathrm{md}}};$

6、轨道高低计算：计算公式为：

h_L(j)＝h_VL(j)+D_L(j)……………………………………………(17)

h_R(j)＝h_VR(j)+D_R(j)……………………………………………(18)

式中，h_L为轨道左高低，h_R为轨道右高低。

本发明的优点是：不受检测速度影响，能对左、右轨的高低进行分别测量，测量精度高，适用范围广。

附图说明

图1是本发明测量装置的结构原理框图。

图2是本发明测量装置中传感器安装位置示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。规定方位如下，面对轨道检测车的前进方向，左手边为左方。参见图1、2，一种铁路轨道高低高精度检测装置，包括一个带有检测平台7的轨道检测车，在检测平台7的下表面固定有两个位移器，它们是第一位移器PDT1和第二位移器PDT2，第一位移器PDT1和第二位移器PDT2分别位于轮轴8两端的正上方，第一位移器PDT1和第二位移器PDT2的轴线与轮轴8的轴线正交，在轮轴8的一端安装有里程仪OD，在检测平台7的上表面安装有数据处理系统，该数据处理系统包括计算机1、位移器数据采集卡2、OD数据采集卡6和电源，位移器数据采集卡2通过USB通讯线与计算机1连接，里程仪OD的输出端与OD数据采集卡6的输入端连接，OD数据采集卡6通过RS422串口通讯线与计算机1的第一串口COM1连接；其特征在于：

（1）所说的第一位移器PDT1和第二位移器PDT2是激光位移器，在数据处理系统中有两个激光位移器控制盒，它们是PDT1控制盒4和PDT2控制盒5，第一位移器PDT1的输出端与PDT1控制盒4的输入端连接，PDT1控制盒4的输出端与位移器数据采集卡2的第一输入端连接，第二位移器PDT2的输出端与PDT2控制盒5的输入端连接，PDT2控制盒5的输出端与位移器数据采集卡2的第二输入端连接；

（2）有一个由第一光纤陀螺FOG1、第二光纤陀螺FOG2和第三光纤陀螺FOG3三个光纤陀螺以及FOG数据采集卡3组成的检测平台高低测量系统，三个光纤陀螺均安装在检测平台7的上表面，第一光纤陀螺FOG1与第一位移器PDT1同轴，第三光纤陀螺FOG3与第二位移器PDT2同轴，第二光纤陀螺FOG2位于第一光纤陀螺FOG1和第三光纤陀螺FOG3的中心，三个光纤陀螺的轴线相互平行并共面；第一光纤陀螺FOG1、第二光纤陀螺FOG2和第三光纤陀螺FOG 3的输出端分别与FOG数据采集卡3的第一至第三输入端连接，FOG数据采集卡3通过RS422串口通讯线与计算机1的第二串口COM2连接。

本发明检测装置的检测原理是：利用陀螺分别测量轨道车的左右端相对俯仰角，结合里程和检测波长计算得到车体的高低，结合第一激光位移器和第二激光位移器的测量结果，扣除车体相对于轮轴的振动量，计算得到左右股轨道的高低。

使用如上面所述的检测装置检测铁路轨道高低的方法，其特征在于，检测的步骤如下：

1、陀螺数据预处理：

1.1、获取陀螺数据初值：保持检测平台静止m秒，m取值范围为100s至200s，计算机每5ms读取一次第二串口COM2，采集通过FOG数据采集卡传送来的第一光纤陀螺FOG1至第三光纤陀螺FOG3的静止陀螺数据

分别计算m秒内的均值作为陀螺数据初值，记为ω₁₀、ω₂₀、ω₃₀；

1.2、陀螺数据数据采集：启动轨道检测车在轨道上行驶，计算机每5ms读取一次第二串口COM2，采集通过FOG数据采集卡传送来的第一光纤陀螺FOG1至第三光纤陀螺FOG 3的实时陀螺数据ω₁、ω₂、ω₃；

1.3、时域滤波：

将采集到的第一光纤陀螺FOG1至第三光纤陀螺FOG3的实时陀螺数据ω₁、ω₂、ω₃分别做n点滑动平均，n取值范围为50～150的整数，得到时域滤波后的陀螺数据ω₁₁、ω₂₁、ω₃₁；滑动平均的计算公式为：

${\mathrm{\&omega;}}_{11}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{i=k-n+1}{\overset{i=k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_1\left(i\right)...\left(1\right)$

${\mathrm{\&omega;}}_{21}=\frac{1}{n}\underset{i=k-n+1}{\overset{i=k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_2\left(i\right)...\left(2\right)$

${\mathrm{\&omega;}}_{31}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{i=k-n+1}{\overset{i=k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_3\left(i\right)...\left(3\right)$

式中，当k<n时，有ω₁₁(k)＝ω₁(k)，ω₂₁(k)＝ω₂(k)，ω₃₁(k)＝ω₃(k)，k为自然数，是采样的序列号；

1.4、陀螺数据补偿：对经过n点滑动平均的陀螺数据ω₁₁、ω₂₁、ω₃₁按照下式进行补偿，得到补偿后的陀螺数据ω₁₂、ω₂₂、ω₃₂；

ω₁₂(k)＝ω₁₁(k)-ω₁₀-f(ψ(k-1))………………………………………(4)

ω₃₂(k)＝ω₃₁(k)-ω₃₀-f(ψ(k-1))………………………………………(5)

ω₂₂(k)＝ω₂₁(k)-ω₂₀   …………………………………………………(6)

式中，ω₁₂(1)＝ω₁₁(1)，ω₂₂(1)＝ω₂₁(1)，ω₃₂(1)＝ω₃₁(1)，

f(ψ(k-1))为相对航向角函数，ψ(1)＝0；

1.5、相对角度计算：对补偿后的陀螺数据ω₁₂、ω₂₂、ω₃₂进行积分运算，得到左相对俯仰角θ_L、右相对俯仰角θ_R、相对航向角ψ，计算公式如下：

θ_L(k)＝θ_L(k-1)+ω₁₂·T_s1……………………………………………(7)

θ_R(k)＝θ_R(k-1)+ω₃₂·T_s1……………………………………………(8)

ψ(k)＝ψ(k-1)+ω₂₂·T_s1  ……………………………………………(9)

式中，采样间隔T_s1＝5ms；

2、里程数据预处理：在轨道检测车运行过程中，计算机每5ms读取一次第一串口COM1，采集通过OD数据采集卡传送来的里程仪累积脉冲数N_od，根据计算机内事先标定好的里程仪刻度系数k_od计算里程l_od；

l_od＝N_od×k_od………………………………………………………(10)

3、位移器数据预处理：

3.1、获取位移器数据初值：保持检测平台静止m秒，计算机每5ms读取一次USB通信端口，采集通过位移器数据采集卡传送来的第一位移器PDT1和第二位移器PDT2的测量值

和分别计算m秒内

和的平均值作为初值d₁₀和d₂₀；

3.2、位移器数据采集：在轨道检测车运行过程中，计算机每5ms读取一次USB通信端口，采集通过位移器数据采集卡传送来的第一位移器PDT1和第二位移器PDT2的测量值d₁和d₂；

3.3、位移器数据补偿：补偿后得到时域内位移器数据的预处理数值d_L和d_R，补偿公式为：

d_L(k)＝d₁(k)-d₁₀…………………………………………………(11)

d_R(k)＝d_R(k)-d₂₀…………………………………………………(12)

4、时域空域转换：根据步骤1.5计算得到的相对角度θ_L、θ_R和步骤2计算得到的里程l_od以及步骤3计算得到的位移器数据的预处理数值d_L和d_R进行时域空域转换，转换的步骤如下：

4.1、将根据步骤1.5计算得到的相对角度θ_L、θ_R和步骤2计算得到的里程l_od以及步骤3计算得到的位移器数据的预处理数值d_L和d_R组成时域数据组[l_od，θ_L，θ_R，d_L，d_R]；将对应的空域数据记为[L、Θ_L、Θ_R、D_L、D_R]，将K作为时域数据组的序列号，将j作为空域数组的序列号；

4.2、将第一组时域数据组K1作为第一组空域数据组j1；

4.3、读取下一组时域数据组K2，即k=2时的时域数据;

4.4、计算第二组时域数据K2中的时域里程l_od(2)与第一组空域数据的空域里程L(1)之差dL；

4.5、判断下列条件是否成立：

|dL-L_md|＜0.05m……………………………………………(13)

式中，L_md表示检测密度，L_md为0.125m；若成立，则将第二组时域数据作为第二组空域数据；否则，按照以下方法进行计算：

4.6、读取下一组时域数据组K3，即k=3时的时域数据;

4.7、计算第三组时域数据K3中的时域里程l_od(3)与第一组空域数据的空域里程L(1)之差dL；

4.8、判断判定条件是否成立，进行时域/空域数据转换：

|dL-L_md|＜0.05m……………………………………………(14)

若成立，则将第三组时域数据作为第二组空域数据；否则，继续读取下一组时域数据组并进行计算和判断，直到上述判定条件成立为止，设满足判定条件的时域数据为第Kη组时域数据，η为大于3的整数，则将作为第二组空域数据组j2；

4.9、读取时域数据组的下一组时域数据组，计算该组时域数据Kη+1中的时域里程l_od(η+1)与第二组空域数据的空域里程L(2)之差dL；根据步骤4.8的方法进行时域/空域数据转换，直到检测结束为止；

5、检测平台高低计算：计算公式为：

$h_{\mathrm{VL}}\left(j\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;[d{L}_1\&CenterDot;\tan \left(d{\mathrm{\&Theta;}}_1\right)-\frac{1}{2}d{L}_2\&CenterDot;\tan \left(d{\mathrm{\&Theta;}}_2\right)]...\left(15\right)$

$h_{\mathrm{VR}}\left(j\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;[d{L}_1\&CenterDot;\tan \left(d{\mathrm{\&Theta;}}_3\right)-\frac{1}{2}d{L}_2\&CenterDot;\tan \left(d{\mathrm{\&Theta;}}_4\right)]...\left(16\right)$

式中，h_VL为检测平台的左高低，h_VR为检测平台的右高低，α为幅值补偿系数，取0.25;λ为检测弦长，为10m或30m；

dL₁＝L(j)-L(j-d)；

dL₂＝L(j+d)-L(j-d)；

dΘ₁＝Θ_L(j)-Θ_L(j-d)；

dΘ₂＝Θ_L(j+d)-Θ_L(j-d)；

dΘ₃＝Θ_R(j)-Θ_R(j-d)；

dΘ₄＝Θ_R(j+d)-Θ_R(j-d)；

$d=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2L_{\mathrm{md}}};$

6、轨道高低计算：计算公式为：

h_L(j)＝h_VL(j)+DL(j)……………………………………………(17)

h_R(j)＝h_VR(j)+D_R(j)……………………………………………(18)

式中，h_L为轨道左高低，h_R为轨道右高低。

实施例

在装有检测平台的轨道车上安装如权利要求书1中所述检测装置，其中关键传感器的技术指标分别为：FOG1、FOG2、FOG3均选用0.05°/h的陀螺,PDT1和PDT2均选用测量精度为0.05mm的LK-400G激光位移器，OD选用3600脉冲/转的光电编码器；对采集来的数据作如下处理：

1、陀螺数据预处理：

1.1、获取陀螺数据初值：保持检测平台[7]静止m秒，m取值范围为100s至200s，计算机[1]每5ms读取一次第二串口COM2，采集通过FOG数据采集卡[3]传送来的第一光纤陀螺FOG1至第三光纤陀螺FOG3的静止陀螺数据

分别计算m秒内

的均值作为陀螺数据初值，记为ω₁₀、ω₂₀、ω₃₀；

1.2、陀螺数据数据采集：启动轨道检测车在轨道上行驶，计算机[1]每5ms读取一次第二串口COM2，采集通过FOG数据采集卡[3]传送来的第一光纤陀螺FOG1至第三光纤陀螺FOG3的实时陀螺数据ω₁、ω₂、ω₃；

1.3、时域滤波：

将采集到的第一光纤陀螺FOG1至第三光纤陀螺FOG3的实时陀螺数据ω₁、ω₂、ω₃分别做n点滑动平均，n取值范围为50～150的整数，得到时域滤波后的陀螺数据ω₁₁、ω₂₁、ω₃₁；滑动平均的计算公式为：

${\mathrm{\&omega;}}_{11}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{i=k-n+1}{\overset{i=k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_1\left(i\right)...\left(1\right)$

${\mathrm{\&omega;}}_{21}=\frac{1}{n}\underset{i=k-n+1}{\overset{i=k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_2\left(i\right)...\left(2\right)$

${\mathrm{\&omega;}}_{31}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{i=k-n+1}{\overset{i=k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_3\left(i\right)...\left(3\right)$

式中，当k<n时，有ω₁₁(k)＝ω₁(k)，ω₂₁(k)＝ω₂(k)，ω₃₁(k)＝ω₃(k)，k为自然数，是采样的序列号；

1.4、陀螺数据补偿：对经过n点滑动平均的陀螺数据ω₁₁、ω₂₁、ω₃₁按照下式进行补偿，得到补偿后的陀螺数据ω₁₂、ω₂₂、ω₃₂；

ω₁₂(k)＝ω₁₁(k)-ω₁₀-f(ψ(k-1))………………………………………(4)

ω₃₂(k)＝ω₃₁(k)-ω₃₀-f(ψ(k-1))………………………………………(5)

ω₂₂(k)＝ω₂₁(k)-ω₂₀   …………………………………………………(6)

式中，ω₁₂(1)＝ω₁₁(1)，ω₂₂(1)＝ω₂₁(1)，ω₃₂(1)＝ω₃₁(1)，

f(ψ(k-1))为相对航向角函数，ψ(1)＝0；

1.5、相对角度计算：对补偿后的陀螺数据ω₁₂、ω₂₂、ω₃₂进行积分运算，得到左相对俯仰角θ_L、右相对俯仰角θ_R、相对航向角ψ，计算公式如下：

θ_L(k)＝θ_L(k-1)+ω₁₂·T_s1……………………………………………(7)

θ_R(k)＝θ_R(k-1)+ω₃₂·T_s1……………………………………………(8)

ψ(k)＝ψ(k-1)+ω₂₂·T_s1  ……………………………………………(9)

式中，采样间隔T_s1＝5ms；

2、里程数据预处理：在轨道检测车运行过程中，计算机[1]每5ms读取一次第一串口COM1，采集通过OD数据采集卡[6]传送来的里程仪累积脉冲数N_od，根据计算机内事先标定好的里程仪刻度系数k_od计算里程l_od；

l_od＝N_od×k_od………………………………………………………(10)

3、位移器数据预处理：

3.1、获取位移器数据初值：保持检测平台[7]静止m秒，计算机[1]每5ms读取一次USB通信端口，采集通过位移器数据采集卡[2]传送来的第一位移器PDT1和第二位移器PDT2的测量值

和

分别计算m秒内

和

的平均值作为初值d₁₀和d₂₀；

3.2、位移器数据采集：在轨道检测车运行过程中，计算机[1]每5ms读取一次USB通信端口，采集通过位移器数据采集卡[2]传送来的第一位移器PDT1和第二位移器PDT2的测量值d₁和d₂；

3.3、位移器数据补偿：补偿后得到时域内位移器数据的预处理数值d_L和d_R，补偿公式为：

d_L(k)＝d₁(k)-d₁₀…………………………………………………(11)

d_R(k)＝d_R(k)-d_R0…………………………………………………(12)

4、时域空域转换：根据步骤1.5计算得到的相对角度θ_L、θ_R和步骤2计算得到的里程l_od以及步骤3计算得到的位移器数据的预处理数值d_L和d_R进行时域空域转换，转换的步骤如下：

4.1、将根据步骤1.5计算得到的相对角度θ_L、θ_R和步骤2计算得到的里程l_od以及步骤2.3计算得到的位移器数据的预处理数值d_L和d_R组成时域数据组[l_od，θ_L，θ_R，d_L，d_R]；将对应的空域数据记为[L、Θ_L、Θ_R、D_L、D_R]，将K作为时域数据组的序列号，将j作为空域数组的序列号；

4.2、将第一组时域数据组K1作为第一组空域数据组j1；

4.3、读取下一组时域数据组K2，即k=2时的时域数据;

4.4、计算第二组时域数据K2中的时域里程l_od(2)与第一组空域数据的空域里程L(1)之差dL；

4.5、判断下列条件是否成立：

|dL-L_md|＜0.05m……………………………………………(13)

式中，L_md表示检测密度，L_md为0.125m；若成立，则将第二组时域数据作为第二组空域数据；否则，按照以下方法进行计算：

4.6、读取下一组时域数据组K3，即k=3时的时域数据;

4.7、计算第三组时域数据K3中的时域里程l_od(3)与第一组空域数据的空域里程L(1)之差dL；

4.8、判断判定条件是否成立，进行时域/空域数据转换：

|dL-L_md|＜0.05m……………………………………………(14)

若成立，则将第三组时域数据作为第二组空域数据；否则，继续读取下一组时域数据组并进行计算和判断，直到上述判定条件成立为止，设满足判定条件的时域数据为第Kη组时域数据，η为大于3的整数，则将作为第二组空域数据组j2；

4.9、读取时域数据组的下一组时域数据组，计算该组时域数据Kη+1中的时域里程l_od(η+1)与第二组空域数据的空域里程L(2)之差dL；根据步骤2.4.8的方法进行时域/空域数据转换，直到检测结束为止；

5、检测平台[7]高低计算：计算公式为：

$h_{\mathrm{VL}}\left(j\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;[d{L}_1\&CenterDot;\tan \left(d{\mathrm{\&Theta;}}_1\right)-\frac{1}{2}d{L}_2\&CenterDot;\tan \left(d{\mathrm{\&Theta;}}_2\right)]...\left(15\right)$

$h_{\mathrm{VL}}\left(j\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;[d{L}_1\&CenterDot;\tan \left(d{\mathrm{\&Theta;}}_3\right)-\frac{1}{2}d{L}_2\&CenterDot;\tan \left(d{\mathrm{\&Theta;}}_4\right)]...\left(16\right)$

式中，h_VL为检测平台[7]的左高低，h_VR为检测平台[7]的右高低，α为幅值补偿系数，取0.25;λ为检测弦长，为10m或30m；

dL₁＝L(j)-L(j-d)；

dL₂＝L(j+d)-L(j-d)；

dΘ₁＝Θ_L(j)-Θ_L(j-d)；

dΘ₂＝Θ_L(j+d)-Θ_L(j-d)；

dΘ₃＝Θ_R(j)-Θ_R(j-d)；

dΘ₄＝Θ_R(j+d)-Θ_R(j-d)；

$d=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2L_{\mathrm{md}}};$

6、轨道高低计算：计算公式为：

h_L(j)＝h_VL(j)+D_L(j)……………………………………………(17)

h_R(j)＝h_VR(j)+D_R(j)……………………………………………(18)

式中，h_L为轨道左高低，h_R为轨道右高低。

处理得到的结果，30m波长的轨道左高低测量精度为±1mm，右高低测量精度为±1mm。

Claims (2)

1.一种铁路轨道高低高精度检测装置，包括一个带有检测平台[7]的轨道检测车，在检测平台[7]的下表面固定有两个位移器，它们是第一位移器PDT1和第二位移器PDT2，第一位移器PDT1和第二位移器PDT2分别位于轮轴[8]两端的正上方，第一位移器PDT1和第二位移器PDT2的轴线与轮轴[8]的轴线正交，在轮轴[8]的一端安装有里程仪OD，在检测平台[7]的上表面安装有数据处理系统，该数据处理系统包括计算机[1]、位移器数据采集卡[2]、OD数据采集卡[6]和电源，位移器数据采集卡[2]通过USB通讯线与计算机[1]连接，里程仪OD的输出端与OD数据采集卡[6]的输入端连接，OD数据采集卡[6]通过RS422串口通讯线与计算机[1]的第一串口COM1连接；其特征在于：

（1）所说的第一位移器PDT1和第二位移器PDT2是激光位移器，在数据处理系统中有两个激光位移器控制盒，它们是PDT1控制盒[4]和PDT2控制盒[5]，第一位移器PDT1的输出端与PDT1控制盒[4]的输入端连接，PDT1控制盒[4]的输出端与位移器数据采集卡[2]的第一输入端连接，第二位移器PDT2的输出端与PDT2控制盒[5]的输入端连接，PDT2控制盒[5]的输出端与位移器数据采集卡[2]的第二输入端连接；

（2）有一个由第一光纤陀螺FOG1、第二光纤陀螺FOG2和第三光纤陀螺FOG3三个光纤陀螺以及FOG数据采集卡[3]组成的检测平台高低测量系统，三个光纤陀螺均安装在检测平台[7]的上表面，第一光纤陀螺FOG1与第一位移器PDT1同轴，第三光纤陀螺FOG3与第二位移器PDT2同轴，第二光纤陀螺FOG2位于第一光纤陀螺FOG1和第三光纤陀螺FOG3的中心，三个光纤陀螺的轴线相互平行并共面；第一光纤陀螺FOG1、第二光纤陀螺FOG2和第三光纤陀螺FOG3的输出端分别与FOG数据采集卡[3]的第一至第三输入端连接，FOG数据采集卡[3]通过RS422串口通讯线与计算机[1]的第二串口COM2连接。

2.使用如权利要求1所述的检测装置检测铁路轨道高低的方法，其特征在于，检测的步骤如下：

2.1、陀螺数据预处理：

2.1.1、获取陀螺数据初值：保持检测平台[7]静止m秒，m取值范围为100s至200s，计算机[1]每5ms读取一次第二串口COM2，采集通过FOG数据采集卡[3]传送来的第一光纤陀螺FOG1至第三光纤陀螺FOG3的静止陀螺数据

分别计算m秒内

的均值作为陀螺数据初值，记为ω₁₀、ω₂₀、ω₃₀；

2.1.2、陀螺数据数据采集：启动轨道检测车在轨道上行驶，计算机[1]每5ms读取一次第二串口COM2，采集通过FOG数据采集卡[3]传送来的第一光纤陀螺FOG1至第三光纤陀螺FOG3的实时陀螺数据ω₁、ω₂、ω₃；

2.1.3、时域滤波：

将采集到的第一光纤陀螺FOG1至第三光纤陀螺FOG3的实时陀螺数据ω₁、ω₂、ω₃分别做n点滑动平均，n取值范围为50～150的整数，得到时域滤波后的陀螺数据ω₁₁、ω₂₁、ω₃₁；滑动平均的计算公式为：

${\mathrm{\&omega;}}_{11}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{i=k-n+1}{\overset{i=k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_1\left(i\right)...\left(1\right)$

${\mathrm{\&omega;}}_{21}=\frac{1}{n}\underset{i=k-n+1}{\overset{i=k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_2\left(i\right)...\left(2\right)$

${\mathrm{\&omega;}}_{31}\left(k\right)=\frac{1}{n}\underset{i=k-n+1}{\overset{i=k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&omega;}}_3\left(i\right)...\left(3\right)$

式中，当k<n时，有ω₁₁(k)＝ω₁(k)，ω₂₁(k)＝ω₂(k)，ω₃₁(k)＝ω₃(k)，k为自然数，是采样的序列号；

2.1.4、陀螺数据补偿：对经过n点滑动平均的陀螺数据ω₁₁、ω₂₁、ω₃₁按照下式进行补偿，得到补偿后的陀螺数据ω₁₂、ω₂₂、ω₃₂；

ω₁₂(k)＝ω₁₁(k)-ω₁₀-f(ψ(k-1))………………………………………(4)

ω₃₂(k)＝ω₃₁(k)-ω₃₀-f(ψ(k-1))………………………………………(5)

ω₂₂(k)＝ω₂₁(k)-ω₂₀   …………………………………………………(6)

式中，ω₁₂(1)＝ω₁₁(1)，ω₂₂(1)＝ω₂₁(1)，ω₃₂(1)＝ω₃₁(1)，

f(ψ(k-1))为相对航向角函数，ψ(1)＝0；

2.1.5、相对角度计算：对补偿后的陀螺数据ω₁₂、ω₂₂、ω₃₂进行积分运算，得到左相对俯仰角θ_L、右相对俯仰角θ_R、相对航向角ψ，计算公式如下：

θ_L(k)＝θ_L(k-1)+ω₁₂·T_s1……………………………………………(7)

θ_R(k)＝θ_R(k-1)+ω₃₂·T_s1……………………………………………(8)

ψ(k)＝ψ(k-1)+ω₂₂·T_s1  ……………………………………………(9)

式中，采样间隔T_s1＝5ms；

2.2、里程数据预处理：在轨道检测车运行过程中，计算机[1]每5ms读取一次第一串口COM1，采集通过OD数据采集卡[6]传送来的里程仪累积脉冲数N_od，根据计算机内事先标定好的里程仪刻度系数k_od计算里程l_od；

l_od＝N_od×k_od………………………………………………………(10)

2.3、位移器数据预处理：

2.3.1、获取位移器数据初值：保持检测平台[7]静止m秒，计算机[1]每5ms读取一次USB通信端口，采集通过位移器数据采集卡[2]传送来的第一位移器PDT1和第二位移器PDT2的测量值和

分别计算m秒内

和

的平均值作为初值d₁₀和d₂₀；

2.3.2、位移器数据采集：在轨道检测车运行过程中，计算机[1]每5ms读取一次USB通信端口，采集通过位移器数据采集卡[2]传送来的第一位移器PDT1和第二位移器PDT2的测量值d₁和d₂；

2.3.3、位移器数据补偿：补偿后得到时域内位移器数据的预处理数值d_L和d_R，补偿公式为：

d_L(k)＝d₁(k)-d₁₀…………………………………………………(11)

d_R(k)＝d_R(k)-d₂₀…………………………………………………(12)

2.4、时域空域转换：根据步骤2.1.5计算得到的相对角度θ_L、θ_R和步骤2.2计算得到的里程l_od以及步骤2.3计算得到的位移器数据的预处理数值d_L和d_R进行时域空域转换，转换的步骤如下：

2.4.1、将根据步骤2.1.5计算得到的相对角度θ_L、θ_R和步骤2.2计算得到的里程l_od以及步骤2.3计算得到的位移器数据的预处理数值d_L和d_R组成时域数据组[l_od，θ_L，θ_R，d_L，d_R]；将对应的空域数据记为[L、Θ_L、Θ_R、D_L、D_R]，将K作为时域数据组的序列号，将j作为空域数组的序列号；

2.4.2、将第一组时域数据组K1作为第一组空域数据组j1；

2.4.3、读取下一组时域数据组K2，即k=2时的时域数据;

2.4.4、计算第二组时域数据K2中的时域里程l_od(2)与第一组空域数据的空域里程L(1)之差dL；

2.4.5、判断下列条件是否成立：

|dL-L_md|＜0.05m……………………………………………(13)

式中，L_md表示检测密度，L_md为0.125m；若成立，则将第二组时域数据作为第二组空域数据；否则，按照以下方法进行计算：

2.4.6、读取下一组时域数据组K3，即k=3时的时域数据;

2.4.7、计算第三组时域数据K3中的时域里程l_od(3)与第一组空域数据的空域里程L(1)之差dL；

2.4.8、判断判定条件是否成立，进行时域/空域数据转换：

|dL-L_md|＜0.05m……………………………………………(14)

若成立，则将第三组时域数据作为第二组空域数据；否则，继续读取下一组时域数据组并进行计算和判断，直到上述判定条件成立为止，设满足判定条件的时域数据为第Kη组时域数据，η为大于3的整数，则将作为第二组空域数据组j2；

2.4.9、读取时域数据组的下一组时域数据组，计算该组时域数据Kη+1中的时域里程l_od(η+1)与第二组空域数据的空域里程L(2)之差dL；根据步骤2.4.8的方法进行时域/空域数据转换，直到检测结束为止；

2.5、检测平台[7]高低计算：计算公式为：

$h_{\mathrm{VL}}\left(j\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;[d{L}_1\&CenterDot;\tan \left(d{\mathrm{\&Theta;}}_1\right)-\frac{1}{2}d{L}_2\&CenterDot;\tan \left(d{\mathrm{\&Theta;}}_2\right)]...\left(15\right)$

$h_{\mathrm{VR}}\left(j\right)=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;[d{L}_1\&CenterDot;\tan \left(d{\mathrm{\&Theta;}}_3\right)-\frac{1}{2}d{L}_2\&CenterDot;\tan \left(d{\mathrm{\&Theta;}}_4\right)]...\left(16\right)$

式中，h_VL为检测平台[7]的左高低，h_VR为检测平台[7]的右高低，α为幅值补偿系数，取0.25;λ为检测弦长，为10m或30m；

dL₁＝L(j)-L(j-d)；

dL₂＝L(j+d)-L(j-d)；

dΘ₁＝Θ_L(j)-ΘL(j-d)；

dΘ₂＝Θ_L(j+d)-Θ_L(j-d)；

dΘ₃＝Θ_R(j)-Θ_R(j-d)；

dΘ₄＝Θ_R(j+d)-Θ_R(j-d)；

$d=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2L_{\mathrm{md}}};$

2.6、轨道高低计算：计算公式为：

h_L(j)＝h_VL(j)+D_L(j)……………………………………………(17)

h_R(j)＝h_VR(j)+D_R(j)……………………………………………(18)

式中，h_L为轨道左高低，h_R为轨道右高低。

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