CN105277129B - 一种激光测距传感器动态无接触轨距测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态非接触轨道轨距测量系统及其方法。基于三角测量原理的激光测距传感器动态无接触轨距测量系统由三个相同的轨距测量组件和可同时控制三个相同的轨距测量组件的多工能伺服控制器组件构成。动态非接触轨道轨距测量系统及其方法在轨道参数动态检测小车上使用，实现无接触轨距检测，最高检测速度达60Kg/h，测量精度可达±0.2mm，具有修正高速轨检车航向功能，结构简单，测量结果稳定度高，有利于在各种轨检小车上推广应用。

Description

一种激光测距传感器动态无接触轨距测量系统

技术领域

本发明涉及一种轨道轨距检测系统，尤其是涉及一种激光测距传感器动态无接触轨距测量系统。

背景技术

目前轨道交通系统在轨道施工验收和常规养护维修过程中普遍采用轨距尺进行轨距测量，在便携式轨检车上，普遍采用直线位移传感器进行接触式测量，传统接触式测量方法要求测量探头与钢轨被测表面紧密接触，这会带来一系列问题，如：测量探头或钢轨磨损影响测量精度问题、因轨道出现肥边使探头接触不到钢轨被测表面问题、因多种因素无法保证探头偏离指向被测点问题、无法满足高速测量的要求问题，采用直线位移传感器接触式测量轨距的方法在高速动态测轨距领域受到了限制。

近年来，国内外研究并装备了现代化大型轨道检测车，配备先进的光电测量方法进行轨距测量，但是，光电测量方法设备复杂造价昂贵，在轨道施工验收和常规养护维修时使用会受到极大限制。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术中的不足，提供一种激光测距传感器动态无接触轨距测量系统。基于三角测量原理的激光测距传感器动态无接触轨距测量系统及其方法在轨道参数动态检测小车上使用，实现无接触轨距检测，最高检测速度达60Kg/h，测量精度可达±0.2mm，具有修正高速轨检车航向功能，结构简单，测量结果稳定度高，有利于在各种轨检小车上推广应用。

为解决现有技术中的问题，本发明一种激光测距传感器动态无接触轨距测量系统由三个相同的轨距测量组件和可同时控制三个相同的轨距测量组件的多功能伺服控制器构成。每个轨距测量组件包括：组件底座、导轨座、左、右限位挡块、力矩伺服电机连轴器、直线导轨、丝杠付、编码器连轴器、力矩伺服电机、电机支架、编码器、激光测距传感器移动支架、激光测距传感器。三个相同的轨距测量组件中有两个成对使用，用于测量轨距。另一个单独使用，用于轨检小车航向修正。根据轨距测量系统及其方法确定的物理数学模型，对激光测距传感器探头的初始位置、编码器初始位置进行标定计算，根据标定结果和物理数学模型解算出轨距和小车航向修正值。

进一步，所述激光测距传感器采用FT50220F型三角测量原理的工业激光测距传感器，实现对轨距相关参数进行无接触测量。

进一步，所述定位伺服机构包括：直线导轨、激光测距传感器移动支架、直线滚珠丝杠传动付、力矩伺服电机、丝杠转角编码器。

进一步，所述装配底座将激光测距传感器、定位伺服机构装配成一个轨距测量组件，进而装配到车架上。

进一步，所述轨距测量系统成对使用的轨距测量组件安装在测量小车车架同一根横梁的下方，其方向垂直于钢轨，激光测距传感器发出的测量光束照射到各自钢轨头部内侧、距顶面下方16mm处的规定测量点D₁，D₂上。

进一步，所述另一个单独使用的轨距测量组件与成对使用的轨距测量组件平行安装在轨检小车车架另一根横梁的下方，激光测距传感器发出的测量光束照射到一条钢轨头部内侧规定测量点上，三个测量点构成三角形分布。

进一步，所述无接触动态测量，三个轨距测量装置组件以2.5kHz的频率提供三个激光测距传感器探头到各自钢轨测量点的距离信息，其中：成对使用的轨距测量组件探头提供的到各自钢轨测量点的距离信息用于计算轨距；单独使用的轨距测量装置组件提供的探头到其对应钢轨测量点的距离信息与成对使用探头到其对应钢轨测量点的距离信息结合，用于确定测量小车航向相对于轨向的变化，用于补偿测量小车在轨道上的蛇形运动。

进一步，所述多功能伺服控制器组件，具有数据采集、数据处理、伺服控制、输出信息等四项功能：其一，采集激光探头到规定测量点处的距离信息，编码器位置状态信息；其二，对采集到的信息进行处理，计算；其三，控制三个定位伺服机构保持三个激光测距传感器发出的测量光束照射到各自钢轨头部内侧规定测量点，其变化范围不影响测距精度，当激光测距传感器探头到钢轨测量点的距离加大时，伺服控制器组件驱动电机使激光测距传感器移动支架向探头靠近轨道的方向转动，当激光测距传感器探头到钢轨测量点的距离减小时，伺服控制器组件驱动电机使激光测距传感器移动支架向远离轨道的方向转动，移动至等于标定值为止；其四，输出轨距信息、测量小车航向相对于轨向的角度变化信息。

进一步，所述轨距测量系统及其方法的原理如图2所示，图2中激光测距传感器倾斜测量钢轨内侧D₁、D₂处测量点到探头的距离是A₁、A₂，为30°直角三角形的斜边，在给定设计条件下其数值为常数，该常数可由激光测距传感器探头位置标定获得。a₁，a₂为激光测距传感器探头距钢轨D₁D₂处水平距离，a₁＝A₁xsin30°，a₂＝A₂xsin30°，b₁，b₂为左，右编码器离开限位零点的测量值，b₁＝左编码器读数/4096，b₂＝右编码器读数/4096，c＝L-a₁-b₁-b₂-a₂，其中：c：标定值，L：轨距尺测量值，a₁，a₂，b₁，b₂均为标定时测量值的计算结果。

轨距计算方法如下：

L＝a₁+b₁+c+b₂+a₂

其中：

a₁，a₂：由激光传感器测量值A₁、A₂计算得到；

c：为标定常值；

b₁，b₂：由编码器测量值计算得到。

进一步，所述测量小车航向修正如图3所示，轨检车在正常动态测量过程中，车体会在轨道间左右摆动，可能出现的摆动有三种形式：左右平移摆动、旋转摆动、平移加旋摆动，三种摆动形式造成轨检车的位置、航向相对轨道发生变化，都会因轨检车航向与轨向不一致影响测量结果，有两个影响测量精度的因素。

一个因素是：左右摆动会引起测量光点上下移动，这就会不满足测量钢轨内侧距顶面下方16mm处的测量面的基本要求。为了满足这个基本要求，设计的伺服控制组件的一个重要功能就是通过左右移动激光测距传感器支架，保持上述斜倾距离A不发生影响测量精度的显著变化；车体向右摆动时，斜倾距离A加大，测量光点向下移动，伺服测量组件驱动激光测距仪移动支架向左运动，测量光点向上移动保持测量光点稳定在测量区内，反之，车体向左摆动时，斜倾距离A减小，测量光点向上移动，伺服测量组件驱动激光测距仪移动支架向右运动，测量光点向下移动，保持测量光点稳定在D点附近。

另一个因素是：左右摆动会引起两个成对使用的测距传感器测量光点的连线与轨向不垂直，这会引起轨距测量误差，同时惯性传感器也会产生轨向测量误差，为了减小这两种误差，三个轨距测量组件联合检测轨检车航向与轨向间的夹角，根据该夹角修正轨距测量误差和轨向测量误差。在图3中：

设车体左轮沿与钢轨紧靠时，A₁、A₃相等。

当车体与钢轨不平行时，前轮激光测距仪与钢轨距离为a1，后轮激光测距仪与钢轨距离为a₃，则偏转角为Φ＝actg(a₃-a₁)/s。

则轨距值为：L＝(1+a₂++b₂+b₂)cos(Φ)。

Φ角也可作为航向修正的参考值。

进一步，所述激光测距传感器探头、编码器初始位置标定，当轨道参数动态检测小车装配完成后，将其放在已知轨距的轨道上，令检测小车装车轮轮缘内侧紧靠轨道内侧面，在保持该状态情况下启动伺服控制器组件，令装有两个轨距测量组件一侧的激光测距传感器移动支架靠向轨道中部一侧的限位面，启动力矩伺服电机令激光测距传感器运动载体向外侧运动，同时观察激光测距传感器探头发出的光斑照射到钢轨内侧面的位置，反复测量调整，令三个激光测距传感器发出的测量光束照射到各自钢轨头部内侧、距顶面下方规定测量点上，分别读取各个激光测距传感器测得的数据和编码器离开限位面的距离，该组数据A₁、A₂、b₂、b₁做为物理数学模型中的解算常值。

具备上述结构和工作原理的激光测距传感器动态无接触轨距测量系统及其方法在轨道参数动态检测小车上使用后，可自动完成轨道轨距参数的动态检测，提供测量小车航向相对于轨向的角度变化信息，为轨向修正提供依据。激光测距传感器动态无接触轨距测量系统及其方法克服了现有轨检小车接触式轨距测量方式的缺点，大幅度提高检测速度，为高速轨检车研究提供了有效手段，在动态轨距测量领域具有广泛应用的前景。

附图说明

图1轨距测量系统原理框图

图2轨距测量组件结构

图3轨距测量原理

图4求解车体航向与轨向不同时产生的夹角

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

在本实施例中，如图1所示为轨距测量系统原理框图，激光测距传感器动态无接触轨距测量系统由三个相同的轨距测量组件和可同时控制三个相同的轨距测量组件的多功能伺服控制器组件构成。每个轨距测量组件包括：组件底座1、导轨座2、左、右限位挡块3、力矩伺服电机连轴器4、直线导轨5、丝杠付6、编码器连轴器7、力矩伺服电机8、电机支架9、编码器10、激光测距传感器移动支架11、激光测距传感器12。

根据轨距测量系统及其方法确定的物理数学模型，对激光测距传感器探头的初始位置、编码器初始位置进行标定计算：

将其放在已知轨距的轨道上，令轨检小车装车轮轮缘内侧紧靠钢轨7内侧面，在保持该状态情况下启动伺服控制力矩伺服电机8，令轨距测量组件(1)5、轨距测量组件(3)9轨距测量组件(2)4的激光测距传感器移动支架11靠向限位面3、6、8后停止；再启动力矩伺服电机8，令激光测距传感器移动支架11向外侧运动，同时观察激光测距传感器12发出的光斑照射到钢轨7、2内侧面的位置，反复测量调整，令三个激光测距传感器发出的测量光束照射到各自钢轨头部内侧、距顶面下方16m规定测量点上；分别读取3个激光测距传感器12测得的数据A1、A2、A3，和编码器离开限位面的距离b1、b2、b3，

b₃＝编码器10读数/4096

该组数据做为为物理数学模型中的控制和解算常值。

图3所示为轨距测量原理，三个相同的轨距测量组件(1)(2)(3)中，轨距测量组件(1)(2)两个成对使用，用于轨距测量。轨距计算式：

L＝a₁+b₁+c+b₂+a₂(1)

其中：

a₁，a₂：由激光传感器测量值A₁、A₂计算得到，a₁＝A₁xsin30°，a₂＝A₂xsin30°；

c：为标定常值，c＝L(轨距尺测量值)-a1-b1-b2-a2；

b₁，b₂：由编码器测量值计算得到，b₁＝左编码器读数/4096，b₂右编码器读数/4096。

图4所示为求解车体航向与轨向不同时产生的夹角Φ的示意，轨检车车架1、右钢轨2、左钢轨7、轨距测量组件(2)4、轨距测量组件(2)4后挡块3、轨距测量组件(1)5、轨距测量组件(1)5后挡块6、轨距测量组件(3)9、轨距测量组件(3)9后挡块8。

采用轨距测量组件(3)9与轨距测量组件(1)5求解轨检车车架1航向与左钢轨7间的夹角：

Φ＝actg((a₃-a₁)/s)

其中：a₃＝A₃xsin30°

根据夹角Φ修正轨距测量误差和轨向测量误差。

修正轨距测量误差计算式：

L＝(a₁+b₁+c+b₂+a₂)cosΦ。

Φ也可用于测量小车航向修正。

总之，本发明的实施例公布的是其较佳的实施方式，但并不限于此。本领域的普通技术人员极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光测距传感器动态无接触轨距测量系统，其特征在于 ：激光测距传感器基于三角测量原理，包括三个相同的轨距测量组件和可同时控制三个相同的轨距测量组件的多功能伺服控制器构成；每个轨距测量组件包括：组件底座、导轨座、左限位挡块、右限位挡块、力矩伺服电机连轴器、直线导轨、丝杠付、编码器连轴器、力矩伺服电机、电机支架、编码器、激光测距传感器移动支架、激光测距传感器；两个轨距测量组件成对使用，用于测量轨距；另一个轨距测量组件与成对使用的轨距测量组件配合使用，用于轨检小车航向修正；根据激光测距传感器动态无接触轨距测量系统确定的物理数学模型，对激光测距传感器探头的初始位置、编码器初始位置进行标定计算，根据标定结果和物理数学模型解算出轨距和轨检小车航向修正值。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述轨距测量组件可实现无接触距离测量，其测距光束以特定的倾斜角度射向被测钢轨轨头内测面、距顶面 16mm 处规定测距点上。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多功能伺服控制器具有数据采集、数据处理、伺服控制、输出信息等四项功能。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，成对使用的两个轨距测量组件测量光束分别射向各自规定测距点上，多功能伺服控制器控制轨距测量组件的测量光束保持在各自规定测距点上。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：轨距计算式是：L＝a₁+b₁+c+b₂+a₂。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于 ：偏转角为 Φ ＝ actg(a₃-a₁)/s，则修正后的轨距值为：L＝(1+a₂++b₂+b₂)cos(Φ)。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：当轨道参数动态检测小车装配完成后，将其放在已知轨距的轨道上，在保持检测小车装车轮轮缘内侧紧靠轨道内侧面的状态情况下启动伺服控制器，令装有两个轨距测量组件一侧的激光测距传感器移动支架靠向轨道中部一侧的限位面，启动力矩伺服电机令激光测距传感器运动载体向外侧运动，同时观察激光测距传感器探头发出的光斑照射到钢轨内侧面的位置，反复测量调整，令三个激光测距传感器发出的测量光束照射到各自钢轨头部内侧、距顶面下方规定测量点上，分别读取各个激光测距传感器测得的数据和编码器离开限位面的距离，数据A₁、A₂、A₃、b₁、b₂、b₃做为物理数学模型中的解算常值。