CN104024081B

CN104024081B - 铁轨的位移检测装置

Info

Publication number: CN104024081B
Application number: CN201280064989.1A
Authority: CN
Inventors: 岛田忠雄; 三津江雅幸; 榎本雅幸
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Rolling Stock Co ltd
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: CN104024081A; US9205850B2; JP2013136352A; US20140341435A1; JP5946272B2; WO2013099612A1

Abstract

本发明提供一种位移检测装置。位移检测装置具备用于检测装置相对于预先设定的基准位置和基准姿态的相对的位置和姿态的自身位置检测部，根据拍摄的轨道表面的图像数据，用光截法计算在轨道的上表面基准点和侧面基准点的轨道相对于预先设定的基准位置的位移，用自身位置检测部得到的数据对计算出的轨道的位移进行校正，从而修正随着车辆行驶而产生的装置的位置和姿态的偏移引起的误差，能够使维护性优秀，不容易发生测定误差。

Description

铁轨的位移检测装置

技术领域

本发明涉及为了计算铁轨的不平顺度(irregularity)而检测轨道的位移的装置。

背景技术

铁轨有时因列车的载荷而在铅垂方向或水平方向上变形。为了可靠地检测该变形(不平顺度)，将其抑制在规定的规格内，而需要对轨道进行维护，从而维持列车的安全性和舒适的乘坐感。

铁轨的不平顺度有左右方向的不平顺度(轨向不平顺度：alignmentirregularity)、上下方向的不平顺度(高低不平顺度：longitudinal levelirregularity)、左右轨道间隔的不平顺度(轨距不平顺度：gaugeirregularity)、左右轨道的高低差(水平不平顺度：cross level irregularity)和线路的扭曲(扭曲不平顺度：twist irregularity)。为了计算这样的轨道的不平顺度，使用这样的装置，该装置在搭载于轨道上行驶的车辆的状态下对轨道照射斑点(spot)型的光从而检测轨道的位移(例如，专利文献1)。

根据图10所示的专利文献1的位移检测装置210，对单侧的轨道201从2台位移检测器202、203照射斑点型的光，使其在反射镜204、205上反射的状态下对轨道201的上表面和内侧侧面分别照射。基于对轨道201的上表面和内侧侧面照射的光，利用三角测量法检测轨道201的位移。

此处，在位移检测装置210的壳体206中，位移检测器202、203在左右各固定一个。另一方面，对于使光反射的反射镜204、205，为了测定轨道201的表面的同一位置，使其能够调节倾斜角度。计测时通过适当控制反射镜204、205的倾斜角度，光对轨道201的表面的同一点持续照射。将进行这样的反射镜204、205的控制的装置称为伺服机构(未图示)。在伺服机构进行的反射镜204、205的动作控制中，左右位移检测器203侧的反射镜205的角度根据从上下位移检测器202得到的轨道201的位置数据而被调节，上下位移检测器202侧的反射镜204的角度根据从左右位移检测器203得到的轨道201的位置数据而被调节。将位移检测器202、203、反射镜204、205和伺服机构合称为计测单元211。

此外，位移检测装置210经由壳体206固定于车辆，但是因为车辆与车轮之间隔着弹簧，所以随着车辆行驶，有时相对于轨道201在壳体206和位移检测装置210中发生位置偏移，计测值产生误差。为了避免这样的误差，在壳体206的中央部搭载有自身位置检测部207。自身位置检测部207具备用于计测上下和左右方向的加速度的2台加速度计208、209，通过对从加速度计208、209得到的加速度进行二重积分(double-integrate)，计算出壳体206和自身位置检测部207相对于预先设定的基准位置的位移。自身位置检测部207还具备计测壳体206和自身位置检测部207相对于预先设定的基准姿态的左右倾斜度的陀螺仪212。采用自身位置检测部207计算出的壳体206和自身位置检测部207的位移和倾斜度数据，对由位移检测器202、203得到的轨道201的位移数据进行校正，计算出正确的值。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2001-63570号公报

发明内容

发明想要解决的技术问题

但是，专利文献1中记载的位移检测装置210具有作为可动部的反射镜204、205，所以需要定期维护。此外，因为位移检测装置210安装在车体上，所以计测单元211相对于轨道201的位移量大，伺服机构无法跟踪，容易发生测定误差。由于这种原因，无法得到稳定的可靠性。

因此，本发明的目的在于解决上述问题，提供一种维护性优秀的不易发生测定误差的轨道的位移检测装置。

用于解决问题的技术方案

为了达成上述目的，本发明如下所述地构成。

根据本发明，提供一种位移检测装置，该位移检测装置为了计算铁路中的左右轨道的不平顺度，而检测轨道相对于预先设定的基准位置的位移，该位移检测装置包括：自身位置检测部，其对装置相对于预先设定的基准位置和基准姿态的相对位置和相对姿态进行检测；照射部，其向轨道的上表面及侧面照射狭缝状的光；拍摄相机，其对从照射部照射了狭缝光的轨道表面进行拍摄；和控制部，其利用光截法，根据由拍摄相机拍摄到的轨道表面的图像数据，计算出轨道的上表面基准点及侧面基准点处的轨道相对于预先设定的基准位置的位移，采用通过自身位置检测部得到的数据对计算出的轨道的位移进行校正，从而对装置随着车辆行驶而产生的位置和姿态的偏移所引起的误差进行修正。

发明效果

根据本发明，通过对轨道应用使用狭缝光的光截法，检测轨道的位移。从而，能够提高装置的可靠性和维护性。

附图说明

本发明的这些方式和特征通过对于附图的与优选实施方式相关的以下描述将显而易见。

图1是本发明的实施方式1的位移检测装置的截面图。

图2是表示本发明的实施方式1的照射部进行的光的照射和轨道的头部的截面图。

图3是本发明的实施方式1的位移检测方法的流程图。

图4是本发明的实施方式1的轨道头部的截面图。

图5是本发明的实施方式2的位移检测装置的截面图。

图6是本发明的实施方式3的轨道的截面图。

图7是本发明的实施方式3的磨耗计算方法的流程图。

图8是本发明的实施方式3的轨道头部的截面图。

图9是本发明的实施方式3的轨道头部的截面图。

图10是现有例的位移检测装置的截面图。

具体实施方式

本发明的第一方式是一种位移检测装置，其为了计算铁路中的左右轨道的不平顺度，而检测轨道相对于预先设定的基准位置的位移，该位移检测装置的特征在于，包括：自身位置检测部，其对装置相对于预先设定的基准位置和基准姿态的相对的位置和姿态进行检测；照射部，其向轨道的上表面及侧面照射狭缝状的光；拍摄相机，其对从照射部照射了狭缝光的轨道表面进行拍摄；和控制部，其利用光截法，根据由拍摄相机拍摄到的轨道表面的图像数据，计算出轨道的上表面基准点及侧面基准点处的轨道相对于预先设定的基准位置的位移，采用通过自身位置检测部得到的数据对计算出的轨道的位移进行校正，从而对装置随着车辆行驶而产生的位置和姿态的偏移所引起的误差进行修正。

本发明的第二方式是如第一方式所述的位移检测装置，其特征在于：控制部基于所检测出的轨道的截面形状确定轨道的轮廓线，根据所确定的轨道的轮廓线上的多个点计算轨道的上表面线和侧面线，求得计算出的上表面线与侧面线的交点，将处于距求得的交点规定距离的上表面线上及侧面线上的点分别设定为上表面基准点和侧面基准点，从而计算出轨道相对于预先设定的基准位置的位移。

本发明的第三方式是如第一方式或第二方式所述的位移检测装置，其特征在于：照射部和拍摄相机在左右方向上，配置在比轨道靠内侧的位置，由照射部照射狭缝状的光的并且由拍摄相机拍摄的轨道的侧面是内侧侧面。

本发明的第四方式是如第一方式至第三方式中任一项所述的位移检测装置，其特征在于：采用控制部所检测的与实际的轨道的截面形状相关的数据、和预先输入到控制部的与原始的轨道的截面形状相关的数据，来检测轨道的磨耗。

本发明的第五方式是如第一方式或第二方式所述的位移检测装置，其特征在于：照射部和拍摄相机在左右方向上，配置在比轨道靠外侧的位置，由照射部照射狭缝状的光的并且由拍摄相机拍摄的轨道的侧面是外侧侧面。

以下，基于附图，对本发明的实施方式进行详细说明。

(实施方式1)

图1表示以截面观察本发明的实施方式1的轨道的位移检测装置1的结构图。

位移检测装置1是在搭载于轨道2上行驶的车辆(未图示)的状态下检测轨道2的位移的装置。位移检测装置1的外框由作为刚体的壳体3构成，壳体3固定在车辆。通过在壳体3的各处固定以下说明的位移检测装置1的结构部件，随着车辆行驶，位移检测装置1的整体一体地移动。本实施方式1中，用壳体3作为位移检测装置1的外框，但在壳体3以外也能够采用框架等结构。即，只要是位移检测装置1所具有的计测器的位置关系不变的刚体即可。

位移检测装置1具备用于检测轨道2的位置的计测单元4。计测单元4具备对轨道2头部的上表面和内侧侧面照射狭缝(slit)状的光的照射部5、和拍摄轨道2的表面的拍摄相机6。位移检测装置1具备2台计测单元4，照射部5和拍摄相机6在壳体3的左侧和右侧各固定有1个。此外，因为对轨道2的上表面和内侧侧面进行狭缝光的照射和图像的拍摄，所以照射部5和拍摄相机6在左右方向上朝向外侧地倾斜。本实施方式1中，在左右设置有一组计测单元4，但也可以在左右中任一方设置1个计测单元4，检测与单侧的轨道相关的位移。其中，本说明书中的左右方向指的是相对于车辆的前进方向的左右方向(与车辆的前进方向垂直并且与地面平行的方向)。

位移检测装置1还具备用于检测随着车辆行驶产生的位移检测装置1和壳体3的位移偏移的自身位置检测部10、和进行位移检测装置1中的信号等的传输的控制部11。自身位置检测部10具备计测位移检测装置1和壳体3的上下方向的加速度的上下加速度计7、计测位移检测装置1和壳体3的左右方向的加速度的左右加速度计8、计测位移检测装置1和壳体3的左右倾斜度的陀螺仪9。

图2是表示照射部5对右轨道2进行的狭缝光的照射和此时的轨道2头部的截面图。将图2中的横向和纵向分别设定为X轴和Y轴。

以下，按照图3的流程图，说明进行左右各轨道2的位置测定的流程。其中，图3的流程图所示的各步骤中的动作，通过由控制部11对位移检测装置1的各结构部件等进行动作控制而实施。此外，该位置测定在左右轨道2上的车辆正在行驶的状态下进行。

首先，在图3的流程图中的步骤S1中，从位移检测装置1的各计测单元4具备的照射部5，对左右轨道2头部的上表面和内侧侧面照射狭缝光。

接着，由各拍摄相机6，拍摄轨道2的上表面和内侧侧面的狭缝光的照射部分的图像(步骤S2)。拍摄的图像数据被输入控制部11。

在控制部11中，对于输入的图像数据，使用光截法进行确定左右轨道2的轮廓线的处理(步骤S3)。具体而言，通过利用拍摄相机6观测照射到轨道2表面的狭缝光的反射光，利用三角测量求得轨道2表面的形状。基于该信息，确定左右轨道2的头部的上表面和内侧侧面的轮廓线，作为二维的坐标数据。其中，确定后的数据被保存在控制部11内的存储器等存储装置中，在之后的处理时从存储装置读取使用。

接着，如图4所示，利用确定后的数据，抽取(设定)轮廓线上的多个计测点P1(x1，y1)，P2(x2，y2)，……Pn(xn，yn)的坐标数据(步骤S4)。优选计测点P1～Pn的抽取，以在轮廓线上各个计测点大致均匀地配置的方式进行。

接着，用这些计测点P1～Pn，计算出根据轨道2的轮廓线得到的上表面线和侧面线。具体而言，选择显然位于轨道2的轮廓线的上表面的一个计测点(例如P1)，抽取相对于所选择的计测点(P1)的Y坐标位于规定的范围(例如±d1)内的计测点的组(步骤S5)。

之后，对抽取的组内的计测点的坐标数据应用最小二乘法，计算直线(步骤S6)。这样计算出的直线成为轨道上表面线12。其中，轨道上表面线12如下述数1所示那样表示。

(数1)

a1x+b1y+c1＝0

同样，对于侧面也进行步骤S5和S6，计算轨道2的侧面线。具体而言，选择显然位于轨道2的轮廓线的侧面的一个计测点(例如Pn)，抽取相对于所选择的计测点(Pn)的X坐标位于规定的范围(例如±d2)内的计测点的组(步骤S5)。之后，对抽取的组内的计测点的坐标数据应用最小二乘法，计算直线(步骤S6)。这样计算出的直线成为轨道侧面线13。其中，轨道侧面线13如下述数2所示那样表示。

(数2)

a2x+b2y+c2＝0

接着，抽取计算出的轨道上表面线12与轨道侧面线13的交点R(Xr，Yr)的坐标数据(步骤S7)。

接着，计算出在轨道上表面线12和轨道侧面线13上作为测定轨道2的位移的位置的基准点。具体而言，将从交点R起在X方向上相距距离Lx的轨道上表面线12上的点设定为上表面基准点Sx(步骤S8)。

之后，基于控制部11内保存的轮廓线的二维坐标数据，计算轨道2在上表面基准点Sx处相对于预先设定的基准位置的Y方向位移(步骤S9)。基准位置指的是作为用于测定轨道2的位移的基准而预先设定的任意的点，例如，可以将没有发生位移和磨耗的原始的轨道2的轮廓线上的点设定为基准位置。

同样，对于侧面也进行步骤S8和S9。具体而言，将从交点R起在Y方向上相距距离Ly的轨道侧面线13上的点设定为侧面基准点Sy(步骤S8)。之后，基于控制部11内保存的轮廓线的二维坐标数据，计算轨道2在侧面基准点Sy处相对于预先设定的基准位置的X方向位移(步骤S9)。

由上述步骤S9计算出的轨道2的位移数据包含随着位移检测装置1和壳体3的位置和姿态因车辆行驶而发生变化而产生的误差。为了消除这样的误差，接着，由自身位置检测部10进行校正。具体而言，首先，由自身位置检测部10具备的上下加速度计7测定位移检测装置1和壳体3的上下方向加速度，由自身位置检测部10具备的左右加速度计8计测位移检测装置1和壳体3的左右方向加速度。通过在控制部11内对这两个方向的加速度分别进行二重积分，计算与位移检测装置1和壳体3相对于预先设定的基准位置的位移相关的数据。进而，用陀螺仪9计算与位移检测装置1和壳体3相对于预先设定的基准姿态的左右方向的倾斜度相关的数据。

基于这样计算出的位移数据和左右方向倾斜度数据，在控制部11中，对步骤S9中得到的数据(轨道2在上表面基准点Sx处相对于预先设定的基准位置的Y方向位移，和轨道2在侧面基准点Sy处相对于预先设定的基准位置的X方向位移)进行校正。由此，消除相对于预先设定的基准位置和基准姿态的位移检测装置1自身的位置偏移引起的误差(步骤S10)。

最后，从控制部11向其他装置输出步骤S10中得到的数据(步骤S11)。其他装置指的是计算轨道2的不平顺度的装置，其基于步骤S10中得到的数据，例如利用10米弦正矢法等评价轨道2的不平顺度。轨道2的不平顺度指的是左右方向的不平顺度(轨向不平顺度)、上下方向的不平顺度(高低不平顺度)、左右轨道的间隔的不平顺度(轨距不平顺度)、左右轨道的高低差(水平不平顺度)和线路的扭曲(扭曲不平顺度)等。通过实施步骤S11，图3所示的流程结束。

实施图3所示的流程时，位移检测装置1的各结构部件之间的信号等的传输，由与位移检测装置1的各结构部件连接的控制部11管理。

本实施方式1中，令计测点的数量为n个(n是自然数)，而计测点的数量能够设定为任意的数量。增大n时能够取得高精度的数据。另一方面，减小n时控制部11的处理负担减小。从而，考虑期望的计测精度和处理速度设定n即可。

这样，根据本发明的位移检测装置1，能够高精度地检测用于计算轨道2的不平顺度的与轨道2的位移相关的数据。此外，利用自身位置检测部10对位移检测装置1的位置偏移所引起的误差进行校正，所以能够更高精度地检测与轨道2的位移相关的数据。此外，因为不具有反射镜这样的可动部，所以维护负担减少。进而，因为不具有伺服机构，所以也不容易发生测定误差。从而，能够取得具有稳定的可靠性的计测值。此外，因为利用使用狭缝状的光的光截法，所以能够不以单独的点而是以连续的点检测出轨道2的轮廓线。此外，通过在上述流程中按规定的时间间隔持续实施步骤S1～S10，能够持续测定轨道2的同一位置处的位移。

(实施方式2)

本发明的实施方式2中，使用与实施方式1同样的位移检测装置101，检测轨道2的位移。以下，仅说明与实施方式1的不同点。

图5是以截面观察本发明的实施方式2的位移检测装置101的结构图。在实施方式1中，对轨道2的上表面和内侧侧面照射狭缝光，与此相对，在本实施方式2中，对轨道2的上表面和外侧侧面照射狭缝光。由此，如图5所示，计测单元104在壳体3上固定在比轨道2靠外侧的位置，照射部105和拍摄相机106从上方朝向内侧地配置。

本实施方式2中，只有固定在比轨道2靠外侧的位置的计测单元104对轨道2的上表面和外侧侧面照射狭缝光这一点与实施方式1不同，此外的结构和测定方法等与实施方式1相同。

轨道2的外侧侧面与车轮接触较少，所以基本不会磨耗。从而，根据本实施方式2，能够基本不受到磨耗的影响地检测轨道2的位移，计算出更准确的计测值。

(实施方式3)

图6是右轨道2的截面图。如图6所示，在实际的轨道2中，存在与车轮接触的部位即上表面侧和内侧侧面根据使用频度发生磨耗的情况，设虚线为原始的轨道2时，磨耗后的轨道2是实线。本发明的实施方式3中，用实施方式1的位移检测装置1，与轨道2的上下位移和左右位移不同地计算轨道2的磨耗量。以下，按照图7的流程图，说明计算轨道2的磨耗量的流程。

首先，在本实施方式3中，如图7所示，步骤S1至S4的流程与实施方式1相同，从轨道轮廓线抽取n个计测点P1～Pn(步骤S4)。接着，本实施方式3中，进行实施方式1中作为步骤S10进行的位移检测装置1自身的位移所引起的误差的校正。具体而言，基于通过自身位置检测部10得到的位移检测装置1和壳体3的位移数据和左右方向倾斜度数据，在控制部11中，对步骤S4中得到的计测点的数据进行校正，从而消除位移检测装置1相对于预先设定的基准位置和基准姿态的位置偏移引起的误差(步骤S12)。

接着，进行与实施方式1的步骤S5和S6相同的流程。即，进行计测点的抽取后(步骤S13)，如图6所示，计算轨道上表面线12和轨道侧面线13(步骤S14)。接着，求得使轨道上表面线12在Y方向上偏移距离Dy后的直线X1、和使轨道侧面线13在X方向上偏移距离Dx后的直线Y1，计算出直线X1与Y1的交点作为基准点O(步骤S15)。其中，本实施方式3中，以直线X1通过轨道2侧面的下端附近、直线Y1通过轨道2上表面的中央附近的方式，确定Dx和Dy。

图8是着眼于右轨道2的头部的截面图。此处，在定义磨耗量时，如图8所示令要求得磨耗量的位置的角度为θ时，抽取对于角度θ以下的数3成立的计测点Pm(角度θm)和计测点Pm+1(角度θm+1)(步骤S16)。

(数3)

θm≥θ>θm+1

接着，计算连结步骤S16中抽取的计测点Pm和Pm+1的直线与从基准点O延伸的角度θ的直线的交点t(步骤S17)。进而，计算预先存储在控制部11中的未磨耗的状态的轨道的轮廓线(设计数据)与从基准点O延伸的角度θ的直线的交点t0(步骤S18)。此外，交点t0也能够在测定轨道2的磨耗量之前预先求得。

令步骤S18中计算出的交点t与基准点O的距离为r，交点t0与基准点O的距离为r0时，要求得的磨耗量Z用以下的数4计算(步骤S19)。

(数4)

Z＝r0-r

最后，从控制部11向其他装置输出步骤S19中得到的数据(步骤S20)。

根据本实施方式3，不仅能够计算轨道2的上下位移和左右位移，还能够计算轨道2的磨耗量。

其中，如图9所示，轨道2发生磨耗的情况下，关于测定轨道2的位移时将哪一点用作计测点这一点而言，通过使上述实施方式的步骤S13中的d2充分小，可以获得不包括磨耗部分的侧面线23，所以通过在侧面线23上取计测点Sy1，能够得到不受到磨耗的影响的计测点Sy1。即，无需求得受到磨耗的影响的计测点Sy2，能够通过直接求得计测点Sy1，实施使磨耗的影响缓和的轨道2的位移测定。

此外，本发明不限于上述实施方式，能够以其他各种方式实施。例如，关于位移检测装置1自身的位置偏移引起的误差的校正，能够在数学上能够进行校正的任意步骤中进行。

通过将上述各实施方式中的任意的实施方式适当组合，能够实现各自具有的效果。

本发明的位移检测装置能够应用于准备用于计算铁轨的不平顺度的轨道的位移数据的装置。特别是，能够应用于通过对轨道应用使用狭缝光的光截法而检测轨道的位移的装置。

本发明参考附图，与优选的实施方式关联地进行了充分的记载，但很显然，对于本领域技术人员而言能够进行各种变形和修正。这样的变形和修正应理解为只要不脱离附加的权利要求范围决定的本发明的范围，就被包括在其中。

2011年12月28日申请的日本国专利申请No.2011-289171号的说明书、附图以及权利要求书的公开内容，其整体作为参照援引于本说明书中。

Claims

1.一种位移检测装置，所述位移检测装置为了计算铁路中的左右轨道的不平顺度，而检测轨道相对于预先设定的基准位置的位移，其特征在于，包括：

自身位置检测部，所述自身位置检测部对装置相对于预先设定的基准位置和基准姿态的相对位置和相对姿态进行检测；

照射部，所述照射部向轨道的上表面及侧面照射狭缝状的光；

拍摄相机，所述拍摄相机对从照射部照射了狭缝光的轨道表面进行拍摄；和

控制部，所述控制部利用光截法，根据由拍摄相机拍摄到的轨道表面的图像数据，计算出轨道的上表面基准点及侧面基准点处的轨道相对于预先设定的基准位置的位移，采用通过自身位置检测部得到的数据对计算出的轨道的位移进行校正，从而对装置随着车辆行驶而产生的位置和姿态的偏移所引起的误差进行修正，

控制部基于所检测出的轨道的截面形状确定轨道的轮廓线，根据所确定的轨道的轮廓线上的多个点计算轨道的上表面线和侧面线，求得计算出的上表面线与侧面线的交点，将处于距求得的交点规定距离的上表面线上及侧面线上的点分别设定为上表面基准点和侧面基准点，从而计算出轨道相对于预先设定的基准位置的位移。

2.如权利要求1所述的位移检测装置，其特征在于：

控制部从轨道的轮廓线上的多个计测点中，选择位于轨道的轮廓线的上表面部分及侧面部分的各一个计测点，抽取相对于所选择的计测点分别位于规定的范围内的计测点的组，从而分别计算轨道的上表面线和侧面线。

3.如权利要求2所述的位移检测装置，其特征在于：

控制部对所抽取的组内的计测点的坐标数据应用最小二乘法，从而分别计算轨道的上表面线和侧面线。

4.如权利要求1所述的位移检测装置，其特征在于：

照射部和拍摄相机在左右方向上，配置在比轨道靠内侧的位置，由照射部照射狭缝状的光的并且由拍摄相机拍摄的轨道的侧面是内侧侧面。

5.如权利要求1所述的位移检测装置，其特征在于：

采用控制部所检测的与实际的轨道的截面形状相关的数据、和预先输入到控制部的与原始的轨道的截面形状相关的数据，来检测轨道的磨耗。

6.如权利要求1所述的位移检测装置，其特征在于：

照射部和拍摄相机在左右方向上，配置在比轨道靠外侧的位置，由照射部照射狭缝状的光的并且由拍摄相机拍摄的轨道的侧面是外侧侧面。