CN102259653B - 基于激光扫描技术的铁路限界检测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于激光扫描技术的铁路限界检测装置，包括激光扫描传感器、旋转编码器、速度里程模块、坐标归算模块、处理主机和显示输出模块。该检测装置结构紧凑，便于安装，应用范围广，适用于铁路限界的车载检测。

Description

基于激光扫描技术的铁路限界检测装置

技术领域

本发明涉及一种铁路限界检测装置，特别是涉及一种基于激光扫描技术的铁路限界检测装置。

背景技术

铁路限界是一个和线路中心线垂直的极限横断面轮廓。在此轮廓内，除机车车辆和与机车车辆有相互作用的设备(车辆减速器，路签授受器，接触电线及其他)外，其他设备或建筑物均不得侵入。

目前铁路限界传统检测方法主要是人工定点测量，存在着测量精度低、速度慢、工作量大、效率低等缺陷，且定点测量的局限性决定了其测量结果并不能详尽描述整条线路的限界状态。

中国专利公开了两种限界动态检测装置，一种是基于数字相机处理技术，在车顶安装两台数字相机及GPS天线，对铁路周边物体进行检测；另一种是综合了激光、微波、摄像等技术的车载式铁路限界在线检测系统。此两种检测装置存在以下缺陷：检测设备数量过多，对铁路限界做到完全检测至少需要安装四台以上设备，且连接关系复杂；数字相机存在边缘效应，降低了限界检测精度，且易受到外界光照影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种安装部署简单、操作方便、测试精度高的基于激光扫描技术的铁路限界检测装置。

本发明由激光扫描传感器、旋转编码器、速度里程模块、坐标归算模块、处理主机和显示输出模块等组成；利用激光扫描传感器来实时获取线路横断面的轮廓，同时利用旋转编码器获取车辆在前进方向移动的距离。

激光扫描传感器安装在车辆端部车钩外侧，在此位置处车辆自身部件不会对测量形成遮挡，该装置可永久或临时安装在铁路车辆上。旋转编码器安装在车轮轴头上，随着车轮的转动等间距地向处理主机提供脉冲信号。速度里程模块接受编码器发出的脉冲信号来计算车辆运行的速度和里程。坐标归算模块根据扫描激光扫描传感器得到的左右侧钢轨轮廓，计算得到轨顶点坐标和轨距点坐标，并将测量数据转换到轨道坐标上。处理主机安装在车辆车厢内，处理主机根据速度里程信息来对激光扫描传感器提供的线路断面尺寸进行里程定位，并将所有检测点的数据与规定的限界值进行比较，就可判断被测点是否满足限界要求。

本发明的工作原理为：

激光扫描传感器的发射镜头在360度范围内高速旋转，使激光束向横断面内各个方向发射。激光束经被测物体反射后返回到激光传感器内的接收器，通过计算从激光脉冲从发出到返回接收所经历的时间，即可测定被测物到激光传感器坐标中心的距离。激光扫描传感器扫描一次，即可获得量程范围内所有被测物基于传感器坐标的轮廓数据。

激光扫描传感器将扫描的检测数据实时传输至坐标归算模块，坐标归算模块对接收到的检测数据进行分析处理，根据钢轨特征识别出钢轨坐标位置后，将检测数据转换为以钢轨顶面连线中点为原点，以钢轨顶面连线为X轴，以垂直于钢轨顶面连线为Y轴的轨道坐标数据。归算后的检测数据传输至处理主机。

处理主机将归算后的铁路线路空间轮廓数据与同一坐标系下的限界尺寸数据进行比较，就可以判断铁路线路空间内是否存在侵入限界的物体，如果侵限，还可以得到侵限的部位和侵限的数值。

旋转编码器发出的脉冲信息经过速度里程模块处理转换为速度、里程信息，传输至处理主机，处理主机实时将里程信息与激光扫描检测数据建立关联，从而确定激光扫描检测数据的具体里程位置(Z坐标)。

至此，通过车载检测就可以连续得到的铁路线路空间限界(X，Y，Z)数据。根据检测数据，显示输出模块可显示铁路空间轮廓的3维立体图像以及各种2维视图。

本发明的特点及优点是：

1.系统集成化程度高，安装方便，适用范围广。

2.限界检测数据实时归算到轨道坐标系上，可有效消除车体振动对检测结果的影响。

3.限界检测数据可准确定位到线路里程，便于指导后续现场处理工作。

4.对于不同线路区段如直线段、曲线段和缓和曲线段，结合里程信息可动态设定相应的限界评价标准。

附图说明

图1是本发明的结构框图

图2是本发明的安装示意图

图3是本发明的检测结果图

具体实施方式

为了对本发明基于激光扫描技术的铁路限界检测装置所具有的特征阐述的更加清楚，下面结合附图以及实施例做进一步详细说明。

图1是基于本发明的结构框图，本装置包括激光扫描传感器(1)、坐标归算模块(2)，旋转编码器(3)、速度里程模块(4)、处理主机(5)，显示输出模块(6)。其中激光扫描传感器安装在车钩前端，旋转编码器(3)安装在铁路车辆的轴箱上；处理主机、显示输出模块、坐标归算模块以及速度里程模块部署在车辆车厢内。该检测装置可通过车载电源或蓄电池来供电。

图2是传感器安装示意图。激光扫描传感器(1)由安装支架固定在轨道车(7)的车钩(8)前端，安装支架保证了激光扫描传感器的扫描断面垂直于轨道，且扫描区域内无车辆自身部件；旋转编码器(4)安装在铁路车辆的轴箱上。

激光扫描传感器(1)将实时采集的检测数据实时传输至坐标归算模块后(2)，坐标归算模块(2)首先根据钢轨特征识别出钢轨的轨顶点(轨顶最高点)和轨距点(钢轨侧面距轨顶点12mm处)位置，左轨顶点(X1，Y1)、轨距点(X3，Y3)，右轨顶点(X2，Y2)、轨距点(X4，Y4)。

激光扫描传感器(1)实时采集的点数据(x，y)是基于其自身坐标系的，坐标归算模块(2)根据下述公式将检测数据自动转换为以钢轨顶面连线中点为原点，以钢轨顶面连线为X轴，以垂直于钢轨顶面连线为Y轴的轨道坐标数据(x′，y′)。

x′＝(x-x_center)*cosθ+(y-y_center)*sinθ；

y′＝(y-y_center)*cosθ-(x-x_center)*sinθ；

其中：

x_center＝X3+(X4-X3)/2

y_center＝min(Y1，Y2)+abs(Y1-Y2)/2

θ＝arcsin((Y2-Y1)/sqrt((Y2-Y1)²+(X2-X1)²))。

对于每次扫描数据，坐标归算模块(2)都进行上述计算将检测数据转换到轨道坐标系，因此就从根本上消除了车体振动对检测数据的影响，通过对同一坐标系下的建筑限界规定值和检测数据进行比较，当被测物的数值小于限界规定值时，则可判定该处有物体侵入限界。

图3是检测结果示意图，图中蓝线所示为建筑限界(9)示意值，红色点为线路横断面内所有建筑物与设备的轮廓点(10)。图中右下部有红色点小于建筑限界值，即为相关建筑物侵入建筑限界。

建筑限界(9)为预先设定的一组数据点，可根据线路区段的不同进行动态设定。

旋转编码器(3)发出的脉冲信息经过速度里程模块(4)转换为速度、里程信息，传输至处理主机(5)，处理主机(5)将接收到的里程信息与激光扫描数据建立关联，则每条扫描数据都可以对于到实际的线路里程上；在显示输出模块上就可显示铁路线路空间轮廓的3维立体数据了。

以上所述仅为本发明的实施例，但不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依照本发明申请专利范围及说明书内容所做的等同变化及修饰，皆属于本发明专利所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种基于激光扫描技术的铁路限界检测装置，其特征在于所述铁路限界检测装置包括：

实时获取线路断面轮廓的激光扫描传感器；

获取车辆在前进方向移动距离的旋转编码器；

接收旋转编码器发出的脉冲信号来计算车辆运行的速度和里程的速度里程模块；

根据扫描激光扫描传感器得到的左右侧钢轨轮廓，计算得到轨顶点坐标和轨距点坐标，并将线路断面轮廓测量数据转换到轨道坐标上的坐标归算模块；

根据速度里程信息来对线路断面进行里程定位，并将所有检测点的数据与规定的限界值进行比较，判断被测点是否满足限界要求的处理主机；

显示输出模块，所述显示输出模块提供检测结果的图形化显示和打印输出。

2.如权利要求1所述的铁路限界检测装置，其特征在于所述激光扫描传感器的激光束在360度范围内高速旋转，从而可获取铁路线路横断面内被测物的轮廓。

3.如权利要求1所述的铁路限界检测装置，其特征在于：所述激光扫描传感器安装在车辆端部车钩外侧，避免车体本身对激光传感器的遮挡，该装置可永久或临时安装在铁路车辆上。

4.如权利要求1所述的铁路限界检测装置，其特征在于：所述旋转编码器安装在车轮轴头上，随着车轮的转动等间距地向速度里程模块提供脉冲信号。

5.如权利要求1所述的铁路限界检测装置，其特征在于：所述坐标归算模块基于钢轨扫描数据来拟合得到左右钢轨的轨顶点、轨距点坐标，并进而将原始检测数据转换到轨道坐标系上。

6.如权利要求1所述的铁路限界检测装置，其特征在于：处理主机和显示输出模块安装在车辆车厢内。

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