CN103075976A

CN103075976A - 一种高速列车动态包络线测量方法

Info

Publication number: CN103075976A
Application number: CN2012105846559A
Authority: CN
Inventors: 刘常杰; 马爽; 郭寅; 邾继贵
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: CN103075976B

Abstract

本发明公开了一种高速列车动态包络线测量方法，利用精密靶标、激光跟踪仪建立轨道中心坐标系，求取轨道中心坐标系与测量系统坐标系之间的转换关系；开启反射式的光电开关进入自动触发测量状态；当高速列车进入预设测量范围以内时，大功率一字线激光器和两台高速相机接收同步触发信号，大功率一字线激光器投射线结构光在高速列车车身表面构造测量特征，两台高速相机同步捕捉测量特征图像；对测量特征图像进行处理，解算能反映高速列车动态偏移的被测信息；融合两侧高速列车动态偏移的被测信息，得到高速列车行驶过程中的动态包络线。提高了测量精度，避免了主观取值，为评估高速列车的安全性能提供了技术手段，为高铁动态限界的指定提供了可靠的数据支持。

Description

一种高速列车动态包络线测量方法

技术领域

本发明涉及动态包络线，尤其涉及一种高速列车动态包络线测量方法。

背景技术

动态限界是以轨道线路中心线和轨面为基准的一个轮廓，规定列车安全行驶过程中无论发生多大偏移，都必须始终处于该轮廓范围以内。动态包络线定义为车辆运行过程中受各种不利因素影响所导致的最大极限轮廓。动态包络线是制定动态限界的主要依据，准确得到动态包络线不仅是车辆设计、制造和运用过程中的一项重要内容，更是安全行车的重要保障。

目前国内外普遍采用计算的方法求取动态包络线，例如以地铁车辆断面外形的设计轮廓控制点坐标为基础,，计及柔性系数，轨道的几何偏差等13项要素，分别计算出横向和垂向位移，将轮廓控制点坐标加上(或减去)对应点的缩减量值，即可得到全动态包络线控制点的坐标。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

上述计算方法在计算过程中所涉及的参数多为主观取值，且无法将所有随机因素考虑在内，例如：轨道不平顺、列车制造缺陷和极端恶劣天气等随机因素，且考虑在内的非随机因素的取值也一般取为极限值或经验值，得到的动态包络线的精度不高，不能对高速列车进行实时测量，计算结果不能真正客观地反映实际高速列车的运行情况。

发明内容

本发明提供了一种高速列车动态包络线测量方法，本方法获取到了较高精度的动态包络线，客观的反映了高速列车的运行情况，详见下文描述：

一种高速列车动态包络线测量方法，所述方法包括以下步骤：

（1）在高速列车两侧分别连接两台高速相机、大功率一字线激光器、反射式的光电开关和工业级数字IO扩展卡；

（2）利用基准尺分别对轨道两侧的所述两台高速相机进行校准，建立各自的测量系统坐标系；

（3）利用精密靶标、激光跟踪仪建立轨道中心坐标系，求取所述轨道中心坐标系与所述测量系统坐标系之间的转换关系；

（4）开启反射式的光电开关进入自动触发测量状态；

（5）当高速列车进入预设测量范围以内时，所述大功率一字线激光器和所述两台高速相机接收同步触发信号，所述大功率一字线激光器投射线结构光在高速列车车身表面构造测量特征，所述两台高速相机同步捕捉测量特征图像；

（6）对所述测量特征图像进行处理，解算能反映高速列车动态偏移的被测信息；

（7）融合两侧所述高速列车动态偏移的被测信息，得到高速列车行驶过程中的动态包络线。

所述精密靶标包括：4个激光跟踪仪靶标磁座，4个激光跟踪仪靶标磁座固定在靶标连杆的上表面，所述靶标连杆的两端设置在轨道上，且一端固定不动，另一端活动可调；所述靶标连杆两端断面与下表面的交线，同铁轨轨面与内轨面所形成的交线重合。

所述利用精密靶标、激光跟踪仪建立轨道中心坐标系，求取轨道中心坐标系与测量系统坐标系之间的转换关系具体为：

1）利用激光跟踪仪对所述精密靶标进行测量，得到所述激光跟踪仪靶标磁座在所述激光跟踪仪坐标系下的坐标，从而得到所述精密靶标的固定端与其下表面交线的矢量方向；

2）将所述精密靶标旋转180°固定，重复执行步骤1），通过解算激光跟踪仪靶标磁座的坐标，得到测量断面处两条铁轨轨面与内轨面交线的矢量方向；

3）取两条交线的矢量方向的中线作为轨道中心坐标系的原点所在直线，根据上述测量的矢量方向确定轨道中心面；规定轨道中心坐标系的z轴与y轴分别为轨面与轨道中心面的交线，根据右手坐标系确定x轴的方向，确立所述轨道中心坐标系；

4）建立所述轨道中心坐标系与所述激光跟踪仪坐标系的转换关系；

5）在测量现场，布置至少3个测量公共点，分别用所述激光跟踪仪及所述两台高速相机进行拍摄，解算测量公共点的坐标，得到相机坐标系与所述激光跟踪仪坐标系的转换关系；

6）通过所述轨道中心坐标系与所述激光跟踪仪坐标系的转换关系、所述相机坐标系与所述激光跟踪仪坐标系的转换关系确定所述轨道中心坐标系与所述相机坐标系之间的转换关系。

所述大功率一字线激光器和所述两台高速相机接收同步触发信号具体为：

所述反射式的光电开关产生触发信号传输至所述工业级数字IO扩展卡，所述工业级数字IO扩展卡产生同步触发信号控制两台高速相机和所述大功率一字线激光器。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明通过基准尺、反射式的光电开关、公共点测量和双目视觉测量等，结合现场校准技术，得到准确的高速列车动态偏移的被测信息，最终获取到较高精度的包络线；提高了测量精度，避免了主观取值，为评估高速列车的安全性能提供了技术手段，为高铁动态限界的指定提供了可靠的数据支持；并且本方法还可以直接应用到列车交汇、穿梭隧道、货物超限等复杂情况下的列车动态包络线测量；更加合理准确的动态限界为缩小建筑接近限界提供理论依据，在保证安全性的同时不必像过往那样设置较大的安全裕量，可创造较大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为设备现场布置的示意图；

图2为精密靶标的结构示意图；

图3为现场校准的示意图；

图4为设备连接的示意图；

图5为高速相机拍摄到的某一时刻测量特征图像；

图6为一种高速列车动态包络线测量方法的流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：高速相机； 2：大功率一字线激光器；

3：反射式的光电开关； 4：工业级数字IO扩展卡；

5：精密靶标； 6：激光跟踪仪靶标磁座；

7：靶标连杆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了获取到较高精度的动态包络线，客观反映高速列车的运行情况，本发明实施例提供了一种高速列车动态包络线测量方法，参见图6，详见下文描述：

101：在高速列车两侧分别连接两台高速相机1、大功率一字线激光器2、反射式的光电开关3和工业级数字IO扩展卡4；

其中，高速相机1通常为200fps以上；由于本系统要求具有便携性，该系统要求高速相机1具有以太网接口，并具有较大的内存。本方法所使用的高速相机为MIKROTRON公司的MotionBLITZ Cube6。

大功率一字线激光器2通常为瞬时光功率100W以上的红外激光器并配备有专用的激光同步驱动电源，本发明实施例以海特光电有限责任公司的LDAQ1-0808-100W为例进行说明，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

反射式的光电开关3为通用的反射式红外调制光电开关即可。工业级数字IO扩展卡4通常为USB接口的工业数字量IO输入输出设备，本发明实施例中使用的工业级数字IO扩展卡4的型号为NI公司的USB-6501。

参见图1和图4，在轨道两侧分别布置两台高速相机1、大功率一字线激光器2、反射式的光电开关3和工业级数字IO扩展卡4。以其中一侧为例，两台高速相机1以60°-120°交汇角对准被测空间；大功率一字线激光器2布置在两台高速相机1中间，调整角度，使光条大致位于两台高速相机1的视场中心；正确连接高速相机1、大功率一字线激光器2、反射式的光电开关3和工业级数字IO扩展卡4之间的电源线及信号线。

102：利用基准尺分别对轨道两侧的两台高速相机1进行校准，建立各自的测量系统坐标系；

同样以其中一侧为例，两台高速相机1对不同位置下已知精确长度的基准尺进行测量，基于光束平差原理，求取两台高速相机1之间的旋转矩阵和平移矩阵，根据旋转矩阵和平移矩阵建立该侧的测量系统坐标系。

103：利用精密靶标5、激光跟踪仪建立轨道中心坐标系，求取轨道中心坐标系与测量系统坐标系之间的转换关系；

参见图2，本方法所采用的精密靶标5根据轨距尺的测量原理设计，精密靶标5包括：4个激光跟踪仪靶标磁座6，

4个激光跟踪仪靶标磁座6固定在靶标连杆7的上表面，靶标连杆7的两端设置在轨道上，且一端固定不动，另一端活动可调；靶标连杆7两端断面与下表面的交线，同铁轨轨面与内轨面所形成的交线重合。

实际应用中上述靶标连杆7两端可分别与轨道及其内轨面紧密接触，通过机械加工严格控制精度，由此，可认为靶标连杆7两端断面与下表面的交线，同铁轨轨面与内轨面所形成的交线重合。

1）利用激光跟踪仪对精密靶标5进行测量，得到激光跟踪仪靶标磁座6在跟踪仪坐标系下的坐标，从而得到精密靶标5固定端与其下表面交线的矢量方向；

在现场测量时，将精密靶标5固定在铁轨之间，保证靶标与轨面及内轨面紧密贴合。利用激光跟踪仪测量固定好的靶标磁座的坐标，进而可得到轨面及内轨面的交线在激光跟踪仪下的矢量方向。

2）将精密靶标5旋转180°固定，重复执行步骤1），通过解算激光跟踪仪靶标磁座6的坐标，得到测量断面处两条铁轨轨面与内轨面交线的矢量方向；

3）取两条交线的矢量方向的中线作为轨道中心坐标系的原点所在直线，根据上述测量的矢量方向确定轨道中心面。规定轨道中心坐标系的z轴与y轴分别为轨面与轨道中心面的交线，根据右手坐标系确定x轴的方向。确立轨道中心坐标系；

参见图3，例如：例如：给出X_C2、Y_C2、Z_C2向X_s1、Y_s1、Z_s1翻转的示意图，同理给出了X_C4、Y_C4、Z_C4向X_s2、Y_s2、Z_s2翻转的示意图。

4）建立轨道中心坐标系与激光跟踪仪坐标系的转换关系；

即通过激光跟踪仪靶标磁座6在跟踪仪坐标系下的坐标、轨道中心坐标系建立轨道中心坐标系与激光跟踪仪坐标系的转换关系。

5）在测量现场，布置至少3个测量公共点，分别用激光跟踪仪及两台高速相机进行拍摄，解算测量公共点的坐标，得到相机坐标系与激光跟踪仪坐标系的转换关系；

其中，测量公共点的数量根据实际应用中的需要进行设定，通常选用5个，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

6）通过轨道中心坐标系与激光跟踪仪坐标系的转换关系、相机坐标系与激光跟踪仪坐标系的转换关系确定轨道中心坐标系与相机坐标系之间的转换关系。

104：开启反射式的光电开关3进入自动触发测量状态；

具体实现时，打开测量软件，设置测量等参数，并发送开始测量命令，即可启动反射式的光电开关3，使系统进入自动触发测量状态，完成系统的初始化，等待高速运行的车体进入。该步骤为本领域技术人员所公知，本发明实施例在此不做赘述。

105：当高速列车进入预设测量范围以内时，反射式的光电开关3产生触发信号传输至工业级数字IO扩展卡4，工业级数字IO扩展卡4产生同步触发信号控制两台高速相机1和大功率一字线激光器2同时工作，大功率一字线激光器2投射线结构光在高速列车车身表面构造测量特征，两台高速相机1同步捕捉测量特征图像；

具体实现时，以一侧为例，被测车体高速通过反射式的光电开关3时，反射式的光电开关3可精确计算出车体速度，与此同时，反射式的光电开关3根据预先设定的触发时序，输出触发信号给工业级数字IO扩展卡4，工业级数字IO扩展卡4可同时启动两台高速相机1和大功率一字线激光器2，大功率一字线激光器2在高速列车车身表面投射较强的线结构光，构造测量特征，高速相机1可以同步捕捉被测车体上的测量特征图像。

106：对测量特征图像进行处理，解算能反映高速列车动态偏移的被测信息；

具体实现时，当被测车体通过后，两台高速相机1将拍摄到的图像传输到测量工作站，经过图像处理和坐标转换可得到能反映高速列车动态偏移的被测信息。其中，图像处理通常包括：两台高速相机1对测量特征进行中心提取，双极线匹配，基于双目视觉测量模型解算三维坐标等处理步骤，该些处理步骤为本领域技术人员所公知，本发明实施例在此不做赘述。

107：融合两侧高速列车动态偏移的被测信息，得到高速列车行驶过程中的动态包络线。

具体实现时，本方法还可以直接应用到列车交汇、穿梭隧道和货物超限等复杂情况下的列车动态包络线测量，提高了测量精度，具有重要的意义。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高速列车动态包络线测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（4）开启反射式的光电开关进入自动触发测量状态；

2.根据权利要求1所述的一种高速列车动态包络线测量方法，其特征在于，所述精密靶标包括：4个激光跟踪仪靶标磁座，

所述4个激光跟踪仪靶标磁座固定在靶标连杆的上表面，所述靶标连杆的两端设置在轨道上，且一端固定不动，另一端活动可调；所述靶标连杆两端断面与下表面的交线，同铁轨轨面与内轨面所形成的交线重合。

3.根据权利要求2所述的一种高速列车动态包络线测量方法，其特征在于，所述利用精密靶标、激光跟踪仪建立轨道中心坐标系，求取轨道中心坐标系与测量系统坐标系之间的转换关系具体为：

4.根据权利要求2所述的一种高速列车动态包络线测量方法，其特征在于，所述大功率一字线激光器和所述两台高速相机接收同步触发信号具体为：

所述反射式的光电开关产生触发信号传输至所述工业级数字IO扩展卡，所述工业级数字IO扩展卡产生同步触发信号控制所述两台高速相机和所述大功率一字线激光器。