CN105133448B - 一种计算轨道中线坐标与被检测点坐标的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计算轨道中线坐标与被检测点坐标的装置及其方法；其基于高精度的CPⅣ轨道基准网点作为轨道三维检测系统的测量基准，基准全站仪与辅助全站仪直接捕捉CPⅣ基准网棱镜，得出CPⅣ基准网棱镜在两全站仪的坐标值，并计算基准与辅助全站仪的位置差以消除左右车架连接误差对全站仪位置精度的影响，然后结合欧拉角与刚体运动规律的原理计算出轨道被检测点坐标与轨道中线坐标；轨道检测小车，包括右车架、辅助全站仪、基准全站仪、左车架、双倾角传感器，本发明的检测点坐标的方法及轨道检测小车通过欧拉角与刚体运动规律的原理简化了检测系统的数学模型，可以快速计算出轨道被检测点坐标与轨道中线坐标，提升了检测精度与效率。
Description
技术领域
本发明属于铁路轨道的安装质量检测及日常线路维护检测技术领域，具体涉及一种计算轨道中线坐标与被检测点坐标的装置及其方法。
背景技术
现阶段的CPⅢ轨道控制网的轨道三维检测系统，其作业模式都是先对全站仪进行设站，然后依靠全站仪自动跟踪轨道检测小车上的棱镜，静态或动态测量以确定线路坐标，其主要缺点在于CPⅢ轨道控制网点精度不够高，计算轨道被检测点与中线坐标的算法较为繁琐。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种计算轨道中线坐标与被检测点坐标的装置及其方法，通过欧拉角与刚体运动规律的原理简化了检测系统的数学模型，可以快速计算出轨道被检测点坐标与轨道中线坐标，显著提升了检测精度与效率。
本发明基于上述需要解决的技术问题，提出的技术方案是：一种计算轨道中线坐标与被检测点坐标的装置，包括右车架、辅助全站仪、基准全站仪、左车架、双轴倾角传感器，其中辅助全站仪安装在轨道检测小车的右车架上，基准全站仪安装在轨道检测小车的左车架上，左车架与右车架通过螺栓连接在一起，双轴倾角传感器设置在轨道检测小车上。
一种计算轨道中线坐标与轨道被检测点坐标的方法，其特征在于采用高精度的CPⅣ轨道基准网点作为轨道三维检测系统的测量基准，所述用于计算轨道中线坐标与轨道被检测点坐标的方法采用欧拉角与刚体运动规律的原理，步骤如下：
步骤一：选取两个坐标系，然后通过小车固有的几何参数以及轨道检测小车坐标系与CPⅣ基准坐标系的位置关系求解。这里轨道检测小车坐标系o′x′y′z′为csy1，坐标系原点位于两侧行走轮轮缘最低处下16mm处连线的起点；另一个为CPⅣ基准坐标系oxyz为csy0。
步骤二：CPⅣ基准点在全站仪上的测量，其中CPⅣ基准点棱镜在基准全站仪与辅助全站仪上的坐标为(x1″,y1″,z1″)和(x2″,y2″,z2″)，全站仪对CPⅣ基准棱镜测量可得到三个参数，这三个参数为基准棱镜跟测站点之间的距离r、竖直方向角度θ1和水平方向角度θ2，全站仪的测量点即基准棱镜在全站仪坐标系中的坐标值如下：
x″＝rcosθ1 sinθ2 y″＝rcosθ1 cosθ2 z″＝rsinθ1
步骤三：计算基准全站仪与辅助全站仪位置差，基准全站仪坐标系原点到轨道检测小车坐标系原点在x′方向上的距离定义为0，y′方向上的距离定义为s1，z′方向上的距离定义为s2，辅助全站仪位于小车车架的右端，左右车架联接后会有误差存在则不适合直接采用两全站仪在小车的固有参数进行运算，故利用CPⅣ基准网点在两全站仪测得坐标去计算x,y,z三个方向的长度，以消除左右车架连接误差对全站仪位置精度的影响，得辅助全站仪在基准全站仪的x,y,z方向的长度差为：
Δx＝x1″-x2″Δy＝y1″+y2″Δz＝z1″-z2″
对于基准全站仪，其测出的CPⅣ基准棱镜在轨道检测小车坐标系中的坐标值为(x1′,y1′,z1′)，同理对于辅助全站仪(x2′,y2′,z2′)，则得到：
(x1′,y1′,z1′)＝(x1″,y1″-S1,z1″+S2)
(x2′,y2′,z2′)＝(x1″+Δx,y1″-S1+Δy,z1″+S2+Δz)
步骤四：刚体坐标与欧拉角定义，取轨道检测小车坐标系原点作为刚体坐标系原点，即轨道检测小车坐标系csy1作为刚体坐标系，确定其在CPⅣ基准坐标系csy0的刚体坐标；计算刚体坐标系原点o′在CPⅣ基准坐标系oxyz中的坐标值(x′0,y′0,z′0)，以及坐标轴x′，y′，z′分别与坐标轴x，y，z的方向余弦，运用欧拉角进行求解；以o′为原点，各坐标轴分别与绝对坐标系oxyz的坐标轴对应平行，建立一个直角坐标系o′ξην。平面ξo′η与x′o′y′的交线o′N称为节线，在定义进动角ψ、自转角章动角θ时，方向均按照逆时针方向进行计算，则进动角ψ取在ξo′η平面中轴o′ξ与节线o′N之间的夹角；自转角取在x′o′y′平面中节线o′N与o′x′之间的夹角；章动角θ取轴o′ξ与o′z′之间的夹角。
步骤五：轨道被检测点坐标计算，确定轨道检测小车坐标系csy1在CPⅣ基准坐标系csy0下的坐标和角度，需确定x′0,y′0,z′0，以及ψ,θ六个刚体坐标。由于CPⅣ轨道基准网在轨道检测小车坐标系csy1上的坐标为(x′,y′,z′)，轨道检测小车坐标系csy1在CPⅣ基准坐标系csy0下的坐标为(x′0,y′0,z′0)，轨道基准网点在CPⅣ基准坐标系csy0下的是(x,y,z)，结合倾角传感器测得的纵向倾角Ω1和横向倾角Ω2，可得到六个刚体坐标，并由刚体运动规律得：
其中α1,β1,γ1,α2,β2,γ2,α3,β3,γ3为CPⅣ基准坐标系x轴、y轴、z轴分别于轨道检测小车坐标系x′轴、y′轴、z′轴的方向余弦，则得：
结合双轴倾角传感器测量得到的两个方向角度Ω1和Ω2，有：
γ1＝cos(90°-Ω1)
γ2＝cos(90°-Ω2)
计算得：
两个CPⅣ轨道基准网的棱镜坐标为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，而其在轨道检测小车坐标系中的坐标为(x1′,y1′,z1′)和(x2′,y2′,z′2)。
z1＝z′0+γ1′x1′+γ2y1′+γ3z1′
z2＝z′0+γ1′x′2+γ2y′2+γ3z′2
结合一系列式子可以得到；
由此得轨道检测小车坐标系csy1在CPⅣ基准坐标系csy0下的坐标(x′0,y′0,z′0)为：
由于轨道检测小车固连的坐标系原点位于两侧行走轮轮缘最低处下16mm处连线的起点，即轨道被检测点的坐标为(x′0,y′0,z′0)；
步骤六：轨道中线坐标计算，由于轨道检测小车轨距传感器所测得的轨距为L,则将坐标(x1′+L/2,y1′,z1′)和(x2′+L/2,y2′,z2′)代入上式就可以求得轨道中线坐标为：(x′0中,y′0中,z′0中)。
本发明的有益效果：
1、采用高精度的CPⅣ轨道基准网点作为轨道三维检测系统的测量基准，检测精度有了较大提升。
2、CPⅣ轨道三维检测系统利用轨道检测小车上的双全站仪直接捕捉CPⅣ基准网棱镜，消除了CPⅢ轨道三维检测系统对全站仪实施后方交会设站与跟踪轨道检测小车上的棱镜所带来的繁琐与误差。
3、CPⅣ轨道三维检测系统采用欧拉角与刚体运动规律的原理简化了检测系统的数学模型，可以快速计算出轨道被检测点坐标与轨道中线坐标，显著提升了检测效率。
附图说明
图1为用于配合测量的双全站仪轨道检测小车结构图；
图2为基准全站仪与辅助全站仪测量CPⅣ轨道基准网棱镜示意图；
图3为轨道三维坐标系定义示意图；
图4为刚体坐标与欧拉角定义示意图。
图中：1.右车架；2.辅助全站仪；3.基准全站仪；4.左车架；5.双轴倾角传感器。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种计算轨道中线坐标与被检测点坐标的装置，包括右车架1、辅助全站仪2、基准全站仪3、左车架4、双轴倾角传感器5，其中辅助全站2仪安装在轨道检测小车的右车架1上，基准全站仪3安装在轨道检测小车的左车架4上，左车架4与右车架1通过螺栓连接在一起，双轴倾角传感器5设置在轨道检测小车上。
如图2、3、4所示，一种计算轨道中线坐标与被检测点坐标的方法，其特征在于采用高精度的CPⅣ轨道基准网点作为轨道三维检测系统的测量基准，所述用于计算轨道中线坐标与轨道被检测点坐标的方法采用欧拉角与刚体运动规律的原理，步骤如下：
步骤一：选取两个坐标系，然后通过小车固有的几何参数以及轨道检测小车坐标系与CPⅣ基准坐标系的位置关系求解。这里轨道检测小车坐标系o′x′y′z′为csy1，坐标系原点位于两侧行走轮轮缘最低处下16mm处连线的起点；另一个为CPⅣ基准坐标系oxyz为csy0，如图3所示。
步骤二：CPⅣ基准点在全站仪上的测量，如图2所示，其中CPⅣ基准点棱镜在基准全站仪3与辅助全站仪2上的坐标为(x1″,y1″,z1″)和(x2″,y2″,z2″)，全站仪对CPⅣ基准棱镜测量可得到三个参数，这三个参数为基准棱镜跟测站点之间的距离r、竖直方向角度θ1和水平方向角度θ2，全站仪的测量点即基准棱镜在全站仪坐标系中的坐标值如下：
x″＝rcosθ1 sinθ2 y″＝rcosθ1 cosθ2 z″＝rsinθ1
步骤三：计算基准全站仪3与辅助全站仪2位置差，基准全站仪3坐标系原点到轨道检测小车坐标系原点在x′方向上的距离定义为0，y′方向上的距离定义为s1，z′方向上的距离定义为s2，辅助全站仪2位于小车车架的右端，左右车架1,4联接后会有误差存在则不适合直接采用两全站仪在小车的固有参数进行运算，故利用CPⅣ基准网点在两全站仪测得坐标去计算x,y,z三个方向的长度，以消除左右车架连接误差对全站仪位置精度的影响，得辅助全站仪2在基准全站仪3的x,y,z方向的长度差为：
Δx＝x1″-x2″Δy＝y1″+y2″Δz＝z1″-z2″
对于基准全站仪3，其测出的CPⅣ基准棱镜在轨道检测小车坐标系中的坐标值为(x1′,y1′,z1′)，同理对于辅助全站仪2(x2′,y2′,z2′)，则得到：
(x1′,y1′,z1′)＝(x1″,y1″-S1,z1″+S2)
(x2′,y2′,z2′)＝(x1″+Δx,y1″-S1+Δy,z1″+S2+Δz)
步骤四：刚体坐标与欧拉角定义，取轨道检测小车坐标系原点作为刚体坐标系原点，即轨道检测小车坐标系csy1作为刚体坐标系，确定其在CPⅣ基准坐标系csy0的刚体坐标。计算刚体坐标系原点o′在CPⅣ基准坐标系oxyz中的坐标值(x′0,y′0,z′0)，以及坐标轴x′，y′，z′分别与坐标轴x，y，z的方向余弦，运用欧拉角进行求解。如图4所示，以o′为原点，各坐标轴分别与CPⅣ基准坐标系oxyz的坐标轴对应平行，建立一个直角坐标系o′ξην。平面ξo′η与x′o′y′的交线o′N称为节线，在定义进动角ψ、自转角章动角θ时，方向均按照逆时针方向进行计算，则进动角ψ取在ξo′η平面中轴o′ξ与节线o′N之间的夹角；自转角取在x′o′y′平面中节线o′N与o′x′之间的夹角；章动角θ取对着节线o′N正上方的正向看去的轴o′ξ与o′z′之间的夹角。
步骤五：轨道被检测点坐标计算，确定轨道检测小车坐标系csy1在CPⅣ基准坐标系csy0下的坐标和角度，需确定x′0,y′0,z′0，以及ψ,θ六个刚体坐标。由于CPⅣ轨道基准网在轨道检测小车坐标系csy1上的坐标为(x′,y′,z′)，轨道检测小车坐标系csy1在CPⅣ基准坐标系csy0下的坐标为(x′0,y′0,z′0)，轨道基准网点在CPⅣ基准坐标系csy0下的是(x,y,z)，结合双轴倾角传感器测得的纵向倾角Ω1和横向倾角Ω2，可得到六个刚体坐标，并由刚体运动规律得：
其中α1,β1,γ1,α2,β2,γ2,α3,β3,γ3为CPⅣ基准坐标系x轴、y轴、z轴分别于轨道检测小车坐标系x′轴、y′轴、z′轴的方向余弦，则得：
结合双轴倾角传感器5测量得到的两个方向角度Ω1和Ω2，有：
γ1＝cos(90°-Ω1)
γ2＝cos(90°-Ω2)
计算得：
两个CPⅣ轨道基准网的棱镜坐标为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，而其在轨道检测小车坐标系中的坐标为(x1′,y1′,z1′)和(x2′,y2′,z2′)。
z1＝z′0+γ1′x1′+γ2y1′+γ3z1′
z2＝z′0+γ1′x′2+γ2y′2+γ3z′2
结合一系列式子可以得到；
由此得轨道检测小车坐标系csy1在CPⅣ基准坐标系csy0下的坐标(x′0,y′0,z′0)为：
由于轨道检测小车固连的坐标系原点位于两侧行走轮轮缘最低处下16mm处连线的起点，即轨道被检测点的坐标为(x′0,y′0,z′0)
步骤六：轨道中线坐标计算，由于轨道检测小车轨距传感器所测得的轨距为L,则将坐标(x1′+L/2,y1′,z1′)和(x2′+L/2,y2′,z2′)代入上式就可以求得轨道中线坐标为：(x′0中,y′0中,z′0中)
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (1)
1.一种用于计算轨道中线坐标与轨道被检测点坐标的方法，其特征在于，计算轨道中线坐标与被检测点坐标的装置，包括右车架(1)、辅助全站仪(2)、基准全站仪(3)、左车架(4)、双轴倾角传感器(5)，其中辅助全站仪(2)安装在轨道检测小车的右车架(1)上，基准全站仪(3)安装在轨道检测小车的左车架(4)上，左车架(4)与右车架(1)通过螺栓连接在一起，双轴倾角传感器(5)设置在轨道检测小车上；
所述用于计算轨道中线坐标与轨道被检测点坐标的方法采用高精度的CPIV轨道基准网点作为轨道三维检测系统的测量基准，并采用欧拉角与刚体运动规律的原理，步骤如下：
步骤一：选取两个坐标系，然后通过轨道检测小车固有的几何参数以及轨道检测小车坐标系与CPⅣ基准坐标系的位置关系求解；这里轨道检测小车坐标系o′x′y′z′为csy1，坐标系原点位于两侧行走轮轮缘最低处下16mm处连线的起点，另一个为CPⅣ基准坐标系oxyz为csy0；
步骤二：CPⅣ轨道基准网点在全站仪上的测量，其中CPⅣ轨道基准网点棱镜在基准全站仪(3)与辅助全站仪(2)上的坐标为(x″1,y″1,z″1)和(x″2,y″2,z″2)，全站仪对CPⅣ轨道基准网点棱镜测量可得到三个参数，这三个参数为CPⅣ轨道基准网点棱镜跟测站点之间的距离r、竖直方向角度θ1和水平方向角度θ2，全站仪的测量点即CPⅣ轨道基准网点棱镜在全站仪坐标系中的坐标值如下：
x″＝r cosθ1sinθ2y″＝r cosθ1cosθ2z″＝r sinθ1；
步骤三：计算基准全站仪(3)与辅助全站仪(2)位置差，基准 全站仪(3)坐标系原点到轨道检测小车坐标系原点在x′方向上的距离定义为0，y′方向上的距离定义为S1，z′方向上的距离定义为S2，辅助全站仪(2)位于轨道检测小车车架的右端，轨道检测小车的右车架(1)和左车架(4)联接后会有误差存在则不适合直接采用两全站仪在小车的固有参数进行运算，故利用CPⅣ轨道基准网点在两全站仪测得坐标去计算x,y,z三个方向的长度，以消除左右车架连接误差对全站仪位置精度的影响，得辅助全站仪(2)在基准全站仪(3)的x,y,z方向的长度差为：
Δx＝x″1-x″2Δy＝y″1+y″2Δz＝z″1-z″2
对于基准全站仪(3)，其测出的CPⅣ轨道基准网点棱镜在轨道检测小车坐标系中的坐标值为(x′1,y′1,z′1)，同理对于辅助全站仪(2)为(x′2,y′2,z′2)，则得到：
(x′1,y′1,z′1)＝(x″1,y″1-S1,z″1+S2)
(x′2,y′2,z′2)＝(x″1+Δx,y″1-S1+Δy,z″1+S2+Δz)；
步骤四：刚体坐标与欧拉角定义，取轨道检测小车坐标系原点作为刚体坐标系原点，即轨道检测小车坐标系csy1作为刚体坐标系，确定其在CPⅣ基准坐标系csy0的刚体坐标；计算刚体坐标系原点o′在CPⅣ基准坐标系oxyz中的坐标值(x′0,y′0,z′0)，以及坐标轴x′，y′，z′分别与坐标轴x，y，z的方向余弦，运用欧拉角进行求解；以o′为原点，各坐标轴分别与CPⅣ基准坐标系oxyz的坐标轴对应平行，建立一个直角坐标系o′ξην；平面ξo′η与x′o′y′的交线o′N称为节线；
步骤五：轨道被检测点坐标计算，确定CPⅣ轨道基准网点在轨道检测小车坐标系csy1上的坐标为(x′,y′,z′)，轨道检测小车坐标系csy1的 坐标原点在CPⅣ基准坐标系csy0下的坐标为(x′0,y′0,z′0)，CPⅣ轨道基准网点在CPⅣ基准坐标系csy0下的是(x,y,z)，以及六个刚体坐标；并结合双轴倾角传感器测得的纵向倾角Ω1和横向倾角Ω2，可得到六个刚体坐标，并由刚体运动规律得：
其中α1,β1,γ1,α2,β2,γ2,α3,β3,γ3为CPⅣ基准坐标系x轴、y轴、z轴分别与轨道检测小车坐标系x′轴、y′轴、z′轴的方向余弦，则得：
结合双轴倾角传感器(5)测量得到的两个方向角度Ω1和Ω2，有：
γ1＝cos(90°-Ω1)
γ2＝cos(90°-Ω2)
计算得：
两个CPⅣ轨道基准网点的棱镜坐标为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，而其在轨道 检测小车坐标系中的坐标为(x′1,y′1,z′1)和(x′2,y′2,z′2)，z1、z2的计算如下：
z1＝z′0+γ1x′1+γ2y′1+γ3z′1
z2＝z′0+γ1x′2+γ2y′2+γ3z′2
结合一系列式子可以得到；
由此得轨道检测小车坐标系csy1的坐标原点在CPⅣ基准坐标系csy0下的坐标(x′0,y′0,z′0)为：
由于轨道检测小车固连的坐标系原点位于两侧行走轮轮缘最低处下16mm处连线的起点，即轨道被检测点的坐标为(x′0,y′0,z′0)；
步骤六：轨道中线坐标计算，由于轨道检测小车轨距传感器所测得的轨距为L,则将坐标(x′1+L/2,y′1,z′1)和(x′2+L/2,y′2,z′2)代入步骤五中轨道检测小车坐标系csy1的坐标原点在CPⅣ基准坐标系csy0下的坐标(x′0,y′0,z′0)的计算公式就可以求得轨道中线坐标为：(x′0中,y′0中,z′0中)；
其中，在定义进动角ψ、自转角章动角θ时，方向均按照逆时针方向进行计算，则进动角ψ取在ξo′η平面中轴o′ξ与节线o′N之间的夹角；自转角取在x′o′y′平面中节线o′N与o′x′之间的夹角；章动角θ取对着节线o′N正上方的正向看去的轴o′ξ与o′z′之间的夹角。
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| 便携式轨道检测车—总体设计及机械系统设计;王新国;《中国学位论文全文数据库》;20090115;正文第9-13页 * |
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