CN103754235B - 一种高铁测量用惯性定位定向装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高铁测量用惯性定位定向装置机方法。装置包括：T字型检测车、位于其上的光纤惯导测量组件、里程计、轨道尺、定位针以及计算机。方法为：测量前，先以CPII点间距离为参考长度确定待测铁轨路段，并在地面上选取参考点，利用这两个参考点建立测量坐标系；测量时，首先对光纤惯导进行自标定和精对准，然后在起点获取起点定位信息，接着推行小车并获取小车轨迹相关参数信息，到达终点后获取终点定位信息。到达终点时，还对光纤惯导在此精对准，并依据精对准结果以及获取的参数信息完成轨道闭环测量。本发明实现长距离、高效率、高精度的高铁轨道安全检测，减少对控制网CPIII的依赖，易于操作使用和维护保养。

Description

一种高铁测量用惯性定位定向装置及方法

技术领域

本发明涉及轨道安全检测技术领域，具体涉及一种高铁测量用惯性定位定向装置及方法，尤其适用于高速铁路的轨道安全检测。

背景技术

高速铁路的铁轨会因为长期使用、气温变化、路基沉降等原因而发生一些改变；检测这些改变，并将这些参数控制在足够的精度范围内，才能保证高铁安全、平稳、舒适地运营。

目前公开的轨道安全检测相关文献中，一类是轨道检测车；它是将检测设备安装在列车上，利用惯导、激光测距机、里程计、摄像头等作为传感器，可以监测重载、动态条件下的一些轨道参数，但不能解决铁轨静态情况下的有关参数。一类是全站仪测量法；该法首先要求在全程建立多级测量用控制控网，如图1所示，而后以CPIII控制网为准，将全站仪架在自由站点上，对铁轨上离散的待测点进行测量；其优点是测量精度高，但缺点是控制网的建立、维护和管理体系极其庞大而昂贵，测量点离散且作业复杂、进程极慢。还有一类是轨检仪；它利用陀螺、倾角仪和里程计等作为传感器，采用弦测法等手段，检测与轨道平顺性有关的参数，其优点是价格相对便宜，操作简单易行，缺点是测量精度有限，无方位定向能力和弯道检测能力。

总的来说，现有轨道安全检测技术的缺点是，受GPS接收机的精度限制，定位定向能力有限；激光扫描和数码成像属光学类技术，使用时受诸多外部条件限制，而且只有在依托轨道控制网CPIII的条件下对数据进行特殊处理才能将测量精度提升到毫米级；此外，图像数据量庞大、快速运动带来的问题是处理困难和容易失真。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种高铁测量用惯性定位定向装置及方法，实现长距离、高效率、高精度的高铁轨道安全检测。

一种高铁测量用惯性定位定向装置，其特征在于，包括：

T字型检测车，由横杆和纵杆构成；

光纤惯导测量组件，安装于横杆与纵杆的交接点，用于测量检测小车角速度信息和加速度信息；

里程计，安装于T字型检测车的三端点处的车轮上，用于测量车轮运动距离；

轨道尺，安装于T字型检测车的纵杆下表面，用于测量高铁轨道宽度；

定位针，安装于T字型检测车的纵杆下表面，用于为光纤惯导测量组件提供测量基准；

计算机，分别与光纤惯导测量组件、轨道尺和里程计电连接，用于对测量数据进行分析计算得到高铁的相关安全参数。

进一步地，所述光纤惯导测量组件包括光纤惯导、手摇式四位置转位机构、磁屏蔽罩和磁屏蔽底座，光纤惯导位于手摇式四位置转位机构上，光纤惯导和手摇式四位置转位机构一起置于磁屏蔽罩和磁屏蔽底座形成的密闭腔内。

进一步地，所述手摇式四位置转位机构包括转动托盘、摇杆、齿轮传动机构和锁位机构，光纤惯导安装于转动托盘上，转动托盘通过齿轮传动机构连接摇杆，在摇杆驱动下，转动托盘能带动光纤惯导转动到0°、90°、180°、270°位置上并通过锁位机构锁紧，锁紧后角度固定精度优于20＂，其中在0°位置时光纤惯导的前端正对测量的前方。

进一步地，所述光纤惯导包括光纤陀螺和石英加速度计，光纤陀螺在1h内的精度优于0.01°/h，石英加速度计在1h内的精度优于50μg。

进一步地，所述T字型检测车的三端点处的三个车轮直径相同且不超过10cm，与车轮相连接的三个里程计的精度相同且不低于3600线/周。

一种高铁安全性能测量方法，具体为：

(1)在高铁铁路路基地面上设置标记点，标记点尽量与CPII点接近且尽量位于两条铁轨之间的中间位置，利用GPS定位信息确定标记点的坐标值，定位精度优于2cm，且测距误差小于3mm；

(2)选取两个标记点作为测量的起点和终点，建立测量坐标系，测量坐标系的原点O位于起点上，X轴穿过起点和终点并由起点指向终点方向；

(3)将权利要求1～5任意一项所述的装置放置于高铁轨道上，定位针位于原点O，轨道尺顶紧两侧轨道的侧面；

(4)启动光纤惯导；将光纤惯导转至270°位置并锁紧，光纤惯导采集数据；再将光纤惯导转至90°位置并锁紧，光纤惯导采集数据；光纤惯导利用270°和90°位置采集的数据完成粗对准和自标定；自标定完成后，光纤惯导继续采集数据，利用该数据完成90°位置上的第一次精对准；90°位置精对准完成后，控制光纤惯导处于导航状态；将光纤惯导转至0°位置并锁紧，光纤惯导采集数据并完成0°位置第一次精对准，再利用90°位置精对准时的采集数据以及90度转至0度位置时采集的数据对0°位置第一次精对准结果进行修订；

(5)调整检测车前后位置与定位针的左右位置，使定位针正对测量起点，计算机接收起点定位参数信息即定位针相对两侧铁轨的距离、定位针相对测量起点的距离；

(6)推行T字型检测车，在推行的过程中计算机实时接收光纤惯导输出的检测小车角速度信息和加速度信息、里程计的距离增量信息、轨道尺输出的轨道宽度信息，依据这些信息进行检测小车在轨道上轨迹相关参数计算；

(7)检测车到达终点，调整检测车前后位置与定位针的左右位置，使定位针正对测量终点，计算机接收终点定位参数信息即定位针相对量侧铁轨的距离、定位针相对终点的距离；

(8)光纤惯导在0°位置处进行第二次精对准；将光纤惯导转动到90°位置，进行第二次精对准，利用0°位置第二次精对准时采集的数据对90°位置第二次精对准结果进行修正；

(9)计算机依据起点定位参数、检测小车在轨道上轨迹相关参数、终点定位参数以及90°位置第二次精对准修正结果进行轨道闭环测量。

本发明的技术效果体现在：

本发明以光纤惯导、轨道尺、里程计等作为传感器，实现了长距离、高效率、高精度的高铁轨道参数测量。测量前，先以CPII点间距离为参考长度确定待测铁轨路段，并在路段两头的地面上选取两个固定点作为参考点，参考点尽量位于两条铁轨的中间位置，用高精度卫星导航系统或导线测量法定位这2个参考点的地理坐标；测量时利用这两个参考点建立测量坐标系，本发明输出的测量结果均以该测量坐标系为准输出，且精度均达到毫米级水平；因为这些参考点直接依附于CPI、CPII控制网，从而在测量时取消了对CPIII控制网的依赖。

由于本发明采用了精度较高的光纤惯导，可以比轨检仪提供更全面的空间角速度、加速度信息；手摇式四位置转位机构不但可以屏蔽外部电磁干扰对光纤惯导的影响，而且辅助光纤惯导完成自标定可提高其使用精度数倍，辅助光纤惯导完成自对准可提高其自对准精度数倍，有效提升了发明装置的测量精度，因此在测量时一次就可以推行更远的距离；小直径车轮和里程计的辅助使用有效降低了石英加速度计带来的位移测量误差；参考点的精确定位以及定位针的使用，可以使建立和使用的地面测量坐标系更准确；检测车的T字型构造消除了车轮悬空的隐患；3个车轮上均安装里程计、轨道尺的使用不但使轨距测量得到保证，也解决了侧滑带来的测量误差。

本发明不但可以取代轨检仪、全站仪的功能，而且还能够连续测量，提供出轨道的姿态角(俯仰、横滚)和航向角(与地理北向夹角)；操作上非常简单易行，效率极高；测量时无需CPIII控制网的辅助，测量精度与全站仪一致，且测量距离长；由于减少了CPIII控制网的建立和维护，也使高铁建设、运行和维护成本大幅度降低。

测试启动和结束时，对光纤惯导进行多角度位置的精对准以及对准结果修正，达到缩短对准时间和提高对准精度的目的。

在测量的参数上，本发明装置可以给出轨检仪、全站仪、倾角传感器所有的测量参数，测量参数的精度高于轨检仪，与全站仪相同；此外还可以给出高铁轨道的航向角(相对于当地真北的夹角)、俯仰角、横滚角，测量更全面。

在测量的速度上，它远远超过利用全站仪进行光学测量的速度；以一个全站仪光学测量为例，6小时内最多只能检测300m左右的铁轨长；若利用本发明装置，即使以最低速度进行推行测量，6小时内至少可以检测3.6km以上，操作上也无需依赖CPIII控制网。

附图说明

图1为高铁的多级测量用控制网示意图；

图2为本发明装置的硬件组成示意图；

图3为光纤惯导与手摇式四位置转位机构的组合体构成示意图；

图4为测量时建立的测量坐标系示意图；

图5为作业准备流程示意图；

图6为作业准备完成后就自动转入测试流程状态示意图；

图7为作业后处理流程图。

1——检测车，2——光纤惯导测量组件，3——摇杆，4——里程计，5——轨道尺，6——定位针，7——电池，8——检测车的手推杆，9——计算机，10——光纤惯导，11——磁屏蔽外罩，12——手摇式四位置转位机构的转动托盘，13——手摇式四位置转位机构，14——磁屏蔽底座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图2所示，本发明涉及的高铁测量用惯性定位定向装置包括T字型检测车1、光纤惯导测量组件2、里程计4、轨道尺5、定位针6和计算机9。

T字型检测车1由横杆和纵杆构成，横杆与纵杆的交接点处安装有光纤惯导测量组件2，T字型检测车1的纵杆下表面安装有轨道尺5和定位针6，T字型检测车1的三端点处的车轮上安装有里程计4。光纤惯导测量组件2、轨道尺5和里程计4分别与计算机9电连接。光纤惯导测量组件2测量小车角速度信息和加速度信息以便计算小车相对轨道的三维姿态角、速度、位移，轨道尺5测量轨道宽度，里程计4测量车轮运动的距离，测量的数据传送给计算机9，计算机对测量数据进行分析计算得到高铁的相关参数；定位针6用于为光纤惯导测量组件2提供测量基准。

光纤惯导测量组件2包括光纤惯导10、手摇式四位置转位机构、磁屏蔽罩11和磁屏蔽底座14；磁屏蔽材料可采用坡膜合金、不锈钢、高导磁率非晶合金、铁镍合金等。手摇式四位置转位机构包括转动托盘12、摇杆3、齿轮传动机构和锁位机构。光纤惯导安装于手摇式四位置转位机构的转动托盘12上，且可随转动托盘12一起转动、锁紧，光纤惯导固定到手摇式四位置转位机构后采用标定的方法消除安装误差，标定精度优于2＂。光纤惯导主要由3个光纤陀螺、3个石英加速度计、信号采集电路、嵌入式导航计算机构成，光纤陀螺在1h内的精度优于0.01°/h，石英加速度计在1h内的精度优于50μg；手摇式四位置转位机构固定在检测车一侧横梁的中心，可以带着光纤惯导转动到0°、90°、180°、270°位置上并锁紧，锁紧后角度固定精度优于20＂，其中在0°位置时光纤惯导的前端正对测量的前方；

轨道尺5安装在检测车上，其轨宽的测量精度优于1mm，且相对于定位针6的数据是可以精确计算和测量的。

检测车为T字型构造，安装的3个车轮，直径相同且不超过10cm，目的是避免车轮直径过大造成滚动时偏摆过大，其中2个车轮位于同一侧铁轨上，第3个车轮位于另一侧铁轨上；与车轮相连接的3个里程计4的精度相同且不低于3600线/周，这样不但使测量距离时当量相同，而且即使移动极小的距离，里程计也可以敏感到并输出测量信号。

定位针6是一个安装在检测车1横杆下方的一个针形装置，且相对横杆的位置可调，调整带来的位置相对变化、定位针针尖相对地面上参考点的距离均可以用尺子测量出来，这样便于在测量时对正参考点，提供更加准确的测量基准。

计算机9实时接收光纤惯导处理后的光纤陀螺和石英加速度计信息、3个里程计信息、轨道尺的轨宽信息，通过计算机上的软件操作界面人工输入2个参考点的定位信息、定位针的位置信息；最后利用这些信息，配合手摇式四位置转位机构以及推行等动作，在专用软件上完成相关运算并输出测量结果。

如图4：测量前，先在铁路路基的地面上为设置一些固定点作为标记点(图中只画了2个作为示意)，标记点尽量与CPII点接近且尽量位于2条铁轨的中间位置；标记点的坐标值(纬度、经度、海拔)定位精度优于2cm，且测距中误差小于3mm，相关数据可以事先用高精度卫星导航定位仪器或导线测量法仪器等获取；

如图4所示，选取2个标记点作为测量的起点和终点，建立测量坐标系，测量坐标系的原点O位于起点上，X轴穿过起点和终点并由起点指向终点方向，Y轴位于当地水平面内并指向右侧，Z轴与X轴、Y轴垂直并指向下方。

测量开始，将本发明装置架设到高铁钢轨上，定位针位于原点O附近，确认架设可靠，轨道尺严格顶紧两侧钢轨的侧面，然后转入如图5作业准备流程；

如图5：操作员首先通电，装置运行自检程序；若发现不正常，就通过笔记本电脑上的软件发出告警；若检测正常，笔记本电脑上的软件会提示操作员输入待检路段2个标记点的坐标值(即纬度、经度、海拔值，误差<2cm)；坐标值正确输入并确认后，软件会自动建立测量坐标系；操作员在软件的提示下将光纤惯导转至270°位置并锁紧；确认后操作员不动，软件自动采集数据3min并将数据保存下来，而后操作员在软件的提示下将光纤惯导转至90°位置并锁紧；确认后操作员不动，软件先采集3in数据并完成粗对准，同时将这3min数据保存下来；在完成粗对准的同时，利用存储的数据完成光纤惯导的自标定，之后在自标定的基础上自动采集数据5min以完成90°位置上的精对准；精对准输出的数据一方面作为装置转导航的初始条件，另一方面作为内部存储数据暂时保留；软件转导航后自动提示操作员将光纤惯导转至0°位置，转动过程中软件一直属于导航状态；操作员将光纤惯导转至0°位置并锁紧，然后在软件界面上点击确认，软件会自动转入5min精对准；0°位置上精对准后，再利用90°位置精对准时的采集数据以及90度转至0度位置时采集的数据对0°位置精对准结果进行修订，以达到缩短对准时间和提高对准精度的目的；本次精对准完成后，软件在此转导航，并提示操作员进入了测试状态，软件也自动转入了如图6的测试流程状态。

如图6：作业准备完成后就自动转入测试流程状态；在软件处于导航的状态下，调整检测车前后位置与定位针的左右位置，使定位针正对起始位置地面标记点的中心(误差小于0.5mm)，之后将定位针和检测车锁紧不动，通过计算机将定位针相对两侧铁轨的距离、定位针相对地面上标记点的距离等初始定位参数输入到软件中，同时这些数据也存入数据文件中，而后软件提示可以推行；操作员根据软件提示开始推行检测车，推行速度小于4km/h即可，直至推行到终点附近；在推行的过程中软件将接收惯导输出的角速度信息和加速度信息、里程计的距离增量信息、轨道尺输出的轨道宽度信息进行轨道上轨迹相关参数计算，计算后的信息业存储到数据文件中；

到达终点附近后，调整检测车前后位置与定位针的左右位置，使定位针正对终点位置地面标记点的中心(误差小于0.5mm)，之后将定位针和检测车锁紧不动，通过计算机将定位针相对两侧铁轨的距离、定位针相对地面上标记点的距离等终点定位参数输入到软件中，同时这些数据也存入数据文件中；该操作过程中软件也始终处于开环计算状态；至此，测试流程结束，软件自动转入如图7的作业后处理流程。

如图7：作业后处理流程是为提高测量精度、输出最终测量结果而设置的；其与上一个流程衔接过程中，软件始终处于导航状态；根据软件提示，待操作员确认后进行0°位置上5min精对准，其对准结果一方面作为装置转导航的初始条件，另一方面作为内部存储数据暂时保留；软件继续处于导航状态并提示操作员转动到90°位置并锁紧，确认后软件再进行5min精对准，对准时使用0°位置精对准输出的内部存储数据进行精确修正；精对准完成后，软件调用90°位置上精对准的数据和开环测量时存储的数据进行闭环测量和参数精确修正，以消除测量中的姿态误差、速度误差、位置误差，平滑掉推行中由于车体振动、轨道尺抖动等因素带来的动态误差，输出最终的测量结果。输出的参数包括铁轨轨迹上各点的航向角(相对于真北)、俯仰角、滚动角、轨道里程、轨道中线坐标、轨面高程、轨距、轨距变化率、超高、轨道扭曲(三角坑)、轨向、钢轨高低以及轨道外部几何参数。

根据实际需要，一次测量完成后，操作人员可以根据需要选择转下一次测量或结束测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高铁测量用惯性定位定向装置，其特征在于，包括：

T字型检测车(1)，由横杆和纵杆构成；

光纤惯导测量组件(2)，安装于横杆与纵杆的交接点，用于测量检测小车角速度信息和加速度信息；

里程计(4)，安装于T字型检测车(1)的三端点处的车轮上，用于测量车轮运动距离；

轨道尺(5)，安装于T字型检测车(1)的纵杆下表面，用于测量高铁轨道宽度；

定位针(6)，安装于T字型检测车(1)的纵杆下表面，用于为光纤惯导测量组件(2)提供测量基准；

计算机(9)，分别与光纤惯导测量组件(2)、轨道尺(5)和里程计(4)电连接，用于对测量数据进行分析计算得到高铁的相关安全参数；

所述光纤惯导测量组件(2)包括光纤惯导(10)、手摇式四位置转位机构、磁屏蔽罩(11)和磁屏蔽底座(14)，光纤惯导(10)位于手摇式四位置转位机构上，光纤惯导(10)和手摇式四位置转位机构一起置于磁屏蔽罩(11)和磁屏蔽底座(14)形成的密闭腔内；

所述手摇式四位置转位机构包括转动托盘(12)、摇杆(3)、齿轮传动机构和锁位机构，光纤惯导安装于转动托盘(12)上，转动托盘(12)通过齿轮传动机构连接摇杆(3)，在摇杆(3)驱动下，转动托盘(12)能带动光纤惯导转动到0°、90°、180°、270°位置上并通过锁位机构锁紧，锁紧后角度固定精度优于20＂，其中在0°位置时光纤惯导的前端正对测量的前方。

2.根据权利要求1所述的高铁测量用惯性定位定向装置，其特征在于，所述光纤惯导包括光纤陀螺和石英加速度计，光纤陀螺在1h内的精度优于0.01°/h，石英加速度计在1h内的精度优于50μg。

3.根据权利要求1所述的高铁测量用惯性定位定向装置，其特征在于，所述T字型检测车的三端点处的三个车轮直径相同且不超过10cm，与车轮相连接的三个里程计的精度相同且不低于3600线/周。

4.利用权利要求1～3任意一项所述的装置进行高铁安全性能测量的方法，其特征在于，具体为：

(1)在高铁铁路路基地面上设置标记点，标记点尽量与CPII点接近且尽量位于两条铁轨之间的中间位置，利用GPS定位信息确定标记点的坐标值，定位精度优于2cm，且测距误差小于3mm；

(2)选取两个标记点作为测量的起点和终点，建立测量坐标系，测量坐标系的原点O位于起点上，X轴穿过起点和终点并由起点指向终点方向；

(3)将权利要求1～5任意一项所述的装置放置于高铁轨道上，定位针位于原点O，轨道尺顶紧两侧轨道的侧面；

(4)启动光纤惯导；将光纤惯导转至270°位置并锁紧，光纤惯导采集数据；再将光纤惯导转至90°位置并锁紧，光纤惯导采集数据；光纤惯导利用270°和90°位置采集的数据完成粗对准和自标定；自标定完成后，光纤惯导继续采集数据，利用该数据完成90°位置上的第一次精对准；90°位置精对准完成后，控制光纤惯导处于导航状态；将光纤惯导转至0°位置并锁紧，光纤惯导采集数据并完成0°位置第一次精对准，再利用90°位置精对准时的采集数据以及90度转至0度位置时采集的数据对0°位置第一次精对准结果进行修订；

(5)调整检测车前后位置与定位针的左右位置，使定位针正对测量起点，计算机接收起点定位参数信息即定位针相对两侧铁轨的距离、定位针相对测量起点的距离；

(6)推行T字型检测车，在推行的过程中计算机实时接收光纤惯导输出的检测小车角速度信息和加速度信息、里程计的距离增量信息、轨道尺输出的轨道宽度信息，依据这些信息进行检测小车在轨道上轨迹相关参数计算；

(7)检测车到达终点，调整检测车前后位置与定位针的左右位置，使定位针正对测量终点，计算机接收终点定位参数信息即定位针相对量侧铁轨的距离、定位针相对终点的距离；

(8)光纤惯导在0°位置处进行第二次精对准；将光纤惯导转动到90°位置，进行第二次精对准，利用0°位置第二次精对准时采集的数据对90°位置第二次精对准结果进行修正；

(9)计算机依据起点定位参数、检测小车在轨道上轨迹相关参数、终点定位参数以及90°位置第二次精对准修正结果进行轨道闭环测量。