CN103644843A - 轨道交通车辆运动姿态的检测方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道交通检测领域，具体涉及一种轨道交通车辆运动姿态的检测方法及其应用，其特征在于：所述检测方法至少包括以下步骤：在所述车辆的车厢下方固定连接一激光测距仪以及图像采集装置，在所述车辆的转向架处固定连接一机械标靶，且所述激光测距仪与所述图像采集装置均与所述机械标靶构成位置对应；通过所述激光测距仪与所述机械标靶之间的相对位置，以得到车厢与转向架之间垂直方向上运动姿态的变化；通过所述激光测距仪的激光在所述机械标靶上的线段长度，利用图像灰度像素当量以及相似三角形的算法计算出车厢与转向架之间水平方向上运动姿态的变化；通过所述机械标靶成像的旋转位移，利用空间坐标旋转变换算法得出所述车厢的旋转幅度的姿态变化。本发明的优点是：检测方法简便易行、图像采集频率高、机械结构简洁精密、安装方便、补偿精度高。

Description

轨道交通车辆运动姿态的检测方法及其应用

技术领域

本发明涉及轨道交通检测领域，具体涉及一种轨道交通车辆运动姿态的检测方法及其应用。

背景技术

随着现代轨道交通向高行车密度和高运行速度发展，以线路正常运营速度及时检测轨道交通基础设施结构状态和几何参数正成为指导养护维修、确保行车安全的技术保障。然而客、货车车辆在线路上运行时由于轨道的不平顺以及轮对的运动特征，使车辆产生复杂的振动，这种振动对动态测量产生较大影响，测量设备由于振动而产生6个自由度的不确定性，即俯仰、旋转、侧滚、伸缩、垂直、横向，这种测量设备与测量基准之间的不确定性严重地影响了测量的精度。因此动态测量设备必须能够自动探测其运动过程中的姿态，通过对6个自由度的准确测量来补偿测量基准的偏差。

现有的技术对轨道交通车辆运动姿态确定的方法有如下：基于“数学平台”的摆式列车姿态计算方法，建立“数学平台”的系统数学模型，利用安装在头车转向架的陀螺仪测量列车经过曲线时的角速率值,对摆式列车姿态进行仿真计算。然而陀螺仪作为惯性器件，一般应用在航空航天等高速领域，应用在低速车辆运动姿态测量中，陀螺仪存在闭锁现象，即在低角速度区域里，产生频率牵引，使拍频为零而不能检测旋转角速度；而且，当外界环境温度变化时，光纤陀螺的温度漂移会严重影响其输出精度。基于非线性神经网络的摆式列车检测系统动态补偿方法，根据陀螺仪平台实测超高数据，采用LM算法对所设计的非线性神经网络进行训练，仿真；基于BP网络（人工神经前馈网络）的算法实现拉出值补偿。该方法仅采用统计方法补偿车辆运动姿态，将车体与受电弓当作刚体，考虑到传感器的非线性特性、跟随特性、列车及受电弓弹性等非确定因素的影响，误差较大。利用地面固定点的反射镜组合车载激光器、成像及检测设备，实时测量出运动车辆相对于地面基准的瞬时位置和角度偏差，从而定点修正车载测量基准。该方法只是每隔一段距离对陀螺数据进行修正，无法连续动态的测量车辆运动姿态。还有几种常用接触网补偿装置，采用机械补偿方式，电气化轨道接触网补偿轮滑组、补偿棘轮、弹簧补偿器。这种方法补偿频率太低，精度差，无法有效监测车辆的整个动态变化曲线情况。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种轨道交通车辆运动姿态的检测方法及其应用，该方法在轨道交通车辆的车厢下设置激光测距仪以及图像采集装置，在转向架上设置机械标靶；在车辆处于运动状态或静止时，分别利用激光测距仪以及图像采集装置对机械标靶进行测量，以确定车辆自身的角度、位置的变化，并且具有采集数据密度高，补偿结果数据精确的特点，适合应用于城市地铁、轻轨的接触网、轨道几何状态检测过程中的补偿。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种轨道交通车辆运动姿态的检测方法，用于自动检测轨道交通车辆处于动态状态下的姿态变化，其特征在于：所述检测方法至少包括以下步骤：

在所述车辆的车厢下方固定连接一激光测距仪以及图像采集装置，在所述车辆的转向架处固定连接一机械标靶，且所述激光测距仪与所述图像采集装置均与所述机械标靶构成位置对应；

预先测量所述车辆处于静止时的所述激光测距仪与所述机械标靶之间的相对位置、所述激光测距仪的激光在所述机械标靶上的线段长度，所述机械标靶成像的旋转位移；

测量所述车辆处于运动状态时的所述激光测距仪与所述机械标靶之间的相对位置，以得到车厢与转向架之间垂直方向上运动姿态的变化；

测量所述车辆处于运动状态时的所述激光测距仪的激光在所述机械标靶上的线段长度，以利用图像灰度像素当量以及相似三角形的算法计算出车厢与转向架之间水平方向上运动姿态的变化；

测量所述车辆处于运动状态时的所述机械标靶成像的旋转位移，利用空间坐标旋转变换算法得出所述车厢的旋转幅度的姿态变化。

所述相似三角形的算法是指，所述机械标靶具有一标准三角形，所述标准三角形内部具有一基准线，通过相似三角形计算得到所述激光测距仪的激光在所述车辆处于运动状态下时，于所述标准三角形内的激光线段长度。

所述机械标靶上具有一标准三角形，所述机械标靶成像的旋转位移是指所述标准三角形成像的旋转位移。

所述激光测距仪与所述图像采集装置均与所述机械标靶构成位置对应是指，所述图像采集装置与所述激光测距仪的轴线与所述机械标靶垂直相对，所述机械标靶水平放置，且静态下三者相对位置不变。

两套由所述激光测距仪、所述图像采集装置以及所述机械标靶构成的检测组合分别设置于所述车辆的两侧。

所述激光测距仪采用的是高精度点式激光测距仪；所述图像采集装置采用的是面阵列CCD或者CMOS像机结合线结构光源；所述机械标靶采用的是高强度带三角形或者相关特征的标准机械标靶。

一种如上述轨道交通车辆运动姿态的检测方法在接触网的导高、接触网拉出值测量中的应用。

一种如上述轨道交通车辆运动姿态的检测方法在轨道几何状态检测过程中的应用。

本发明的优点是：检测方法简便易行、图像采集频率高、机械结构简洁精密、安装方便、补偿精度高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明机械标靶的A向示意图；

图3是本发明的检测原理图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-3示，图中标记1-10分别为：激光测距仪1、面阵列相机2、机械标靶3、车厢4、车轮5、钢轨6、车轮轴固定架7、托架8、标准三角形9、基准线10。

实施例：如图1所示，本实施例中的轨道交通车辆运动姿态的检测方法如下：

于轨道交通车辆的两侧相同位置设置有两套运动姿态检测装置，其中每套运动姿态检测装置由机械标靶3，激光测距仪1、作为图像采集装置的面阵列相机2构成，其中机械标靶3通过一托架8呈水平放置与作为转向架一部分的车轮轴固定架7相连接，激光测距仪1以及面阵列相机2分别通过各自的吊架安装于车厢4的下端；面阵列相机2和激光测距仪1的轴线与托架8上的机械标靶3垂直相对，静态下相对位置不变。如图2、3所示，机械标靶2上具有一标准三角形9，标准三角形内具有一基准线10，基准线10为车辆4处于静止状态下，激光测距仪1所投射的激光位置及其线段长度。激光测距仪1测量激光到托架8上机械标靶3的距离，面阵列相机2测量机械标靶3上标准三角形9内的激光测距仪1投射的激光线段长度，两者配合使用以测出车厢4和钢轨6之间位姿，即通过激光照射到标准三角形9，面阵列相机2可根据采集到图像的变化，标准三角形9的图像轮廓线的灰度,以及激光照射的轮廓线、来确定车辆自身的角度位置的变化。

预先采用高精度的激光测距仪1和高频高分辨率的面阵列相机2测量轨道交通车辆处于静止时，激光测距仪1与机械标靶3之间的距离，以及激光测距仪1投射的激光在机械标靶3之上线段长度。

通过激光测距仪1测量轨道交通车辆处于运动状态时，激光测距仪1与机械标靶3之间的相对位置，计算该相对位置与轨道交通车辆处于静止时激光测距仪1与机械标靶3间的相对位置之差，即是车轮轴固定架7与车厢4之间在垂直方向上所产生的相对运动，也就是轨道交通车辆处于运动状态时，其车厢4与钢轨6之间的位姿在竖直方向上的变化。

通过面阵列相机2测量轨道交通车辆处于运动状态时，激光测距仪1投射至机械标靶3上标准三角形9内成像的线段长度；利用采集得到的图像的灰度像素当量以及相似三角形等的算法计算出该线段长度与车辆处于静止时激光测距仪1投射于标准三角形9内的激光线段长度之间的差异。如图3所示，随着车辆左右位置的变化，激光在标准三角形9（即三角形ABC）内的直线由标准的位置EE’（即基准线10）变为FF’或GG’等直线，由此可以根据激光直线在面阵列相机2中的成像，像素当量的变化和相似三角形的几何运算计算得到轨道交通车辆处于运动状态时与其处于静止时，激光测距仪1投射的激光的线段长度差值，即是车厢与转向架之间水平方向上运动姿态的变化，也就是轨道交通车辆处于运动状态时，其车厢4与钢轨6之间的位姿在水平方向上的变化。

车厢4在倾斜状态下，根据左右两边对称的托架8的上下位移、标准三角形9内激光线段的左右位移，标准三角形9的旋转位移，利用立体几何变换算法便得出车厢倾斜的角度、幅度等数据，从而全面检测得到轨道交通车辆的运动姿态。

本实施例在具体实施时：激光测距仪1、面阵列相机2与机械标靶3各自的设置位置可互换，例如将机械标靶3设置于车厢4下侧，而降激光测距仪1与面阵列相机2通过托架8设置于车轮轴固定架7之上，其宗旨只需保证三者之间的相对位置满足激光测距仪1的测量面、面阵列相机2的照准面均对准于机械标靶3之上即可，但本实施例中采用的布置结构为最优方案。

安装于轨道交通车辆两侧的运动姿态检测设备边缘部分不超出车厢外侧，结构坚固，对车体正常运行无任何影响。面阵列相机2和激光测距仪1安装在车厢4一侧的备用吊架上并与车厢4的位置一致，托架8和车轮轴固定架7通过螺栓紧固相连并与车轮5的轴线位置一致。运动姿态检测装置在设计时，充分考虑运动中转向架、车体（包括车厢4）和车轮5的运动位置，以保证托架8位置不与转向架干涉，面阵列相机2的安装位置也不与车轮5位置干涉。

本实施例应用于接触网几何状态检测系统中作为补偿，比如可以将其运用于接触网的导高、拉出值的测量补偿，修正接触网几何参数检测系统检测过程中由车辆运动带来的检测数据偏差，并具有系统精度和可靠性，原理简单实用、应用方便、满足使用要求的特点，此外本实施例同样适用于城市地铁、轻轨的接触网几何状态检测过程中的补偿，以提高上述检测的测量精度。

Claims (8)

1.一种轨道交通车辆运动姿态的检测方法，用于自动检测轨道交通车辆处于动态状态下的姿态变化，其特征在于：所述检测方法至少包括以下步骤：

在所述车辆的车厢下方固定连接一激光测距仪以及图像采集装置，在所述车辆的转向架处固定连接一机械标靶，且所述激光测距仪与所述图像采集装置均与所述机械标靶构成位置对应；

预先测量所述车辆处于静止时的所述激光测距仪与所述机械标靶之间的相对位置、所述激光测距仪的激光在所述机械标靶上的线段长度，所述机械标靶成像的旋转位移；

测量所述车辆处于运动状态时的所述激光测距仪与所述机械标靶之间的相对位置，以得到车厢与转向架之间垂直方向上运动姿态的变化；

测量所述车辆处于运动状态时的所述激光测距仪的激光在所述机械标靶上的线段长度，以利用图像灰度像素当量以及相似三角形的算法计算出车厢与转向架之间水平方向上运动姿态的变化；

测量所述车辆处于运动状态时的所述机械标靶成像的旋转位移，利用空间坐标旋转变换算法得出所述车厢的旋转幅度的姿态变化。

2.根据权利要求1所述的一种轨道交通车辆运动姿态的检测方法，其特征在于：所述相似三角形的算法是指，所述机械标靶具有一标准三角形，所述标准三角形内部具有一基准线，通过相似三角形计算得到所述激光测距仪的激光在所述车辆处于运动状态下时，于所述标准三角形内的激光线段长度。

3.根据权利要求1所述的一种轨道交通车辆运动姿态的检测方法，其特征在于：所述机械标靶上具有一标准三角形，所述机械标靶成像的旋转位移是指所述标准三角形成像的旋转位移。

4.根据权利要求1所述的一种轨道交通车辆运动姿态的检测方法，其特征在于：所述激光测距仪与所述图像采集装置均与所述机械标靶构成位置对应是指，所述图像采集装置与所述激光测距仪的轴线与所述机械标靶垂直相对，所述机械标靶水平放置，且静态下三者相对位置不变。

5.根据权利要求1所述的一种轨道交通车辆运动姿态的检测方法，其特征在于：两套由所述激光测距仪、所述图像采集装置以及所述机械标靶构成的检测组合分别设置于所述车辆的两侧。

6.根据权利要求1、4或5所述的一种轨道交通车辆运动姿态的检测方法，其特征在于：所述激光测距仪采用的是高精度点式激光测距仪；所述图像采集装置采用的是面阵列CCD或者CMOS像机结合线结构光源；所述机械标靶采用的是高强度带三角形或者相关特征的标准机械标靶。

7.一种如权利要求1-6所述的轨道交通车辆运动姿态的检测方法在接触网的导高、接触网拉出值测量中的应用。

8.一种如权利要求1-6所述的轨道交通车辆运动姿态的检测方法在轨道几何状态检测过程中的应用。

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