CN105300295A - 一种便携式单轨非接触式接触网几何参数检测系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于广角激光扫描雷达的单轨的、便携式铁路接触网几何参数检测系统及方法。本系统选用单轨小车作为载体，选用广角激光扫描雷达为测量设备，车体使用支撑杆承载广角激光扫描雷达。测量时具体步骤为：1）采用单线激光雷达进行扫描，以轨道平面和轨道上两固定点为基准参考，每个测量周期前先对系统自身位置进行校准；2）完成自身位置校准后，利用自身位置和已知点位置计算接触线的位置，获得导高和拉出值。本发明具有轻便简单、测量效率高的特点，能适应各种检测环境；选用轨道平面为参考，每个测量周期前系统会进行自身位置校准，测量结果客观准确，测量精度高。

Description

一种便携式单轨非接触式接触网几何参数检测系统与方法
技术领域
本发明涉及检测领域，尤其是一种铁路或地铁接触网几何参数检测系统与方法。
背景技术
接触网是与电气化铁路安全运营直接相关的架空设备，沿线架设且无备用。铁路或地铁中，为保障接触网供电的安全可靠，需周期性对接触网几何参数进行检测。接触网几何参数检测主要包括接触线高度（以下简称为导高）、接触线拉出值（以下简称为拉出值）等。
当前对于铁路或地铁接触网几何参数检测方案中，一种是采用激光测量仪（例如DJJ-8激光测量仪）进行人工检测，测量前需由人工利用激光进行校准再测距，每次只能进行单点测量。由于人工校准费时麻烦，此类方案测量效率极低，且测量精度易受人工影响；另一种方案是采用双轨测量小车完成检测，车身放置摄像头或激光雷达进行检测。此类方案检测效率高，但测量精度不高，易受多种因素干扰：双轨测量小车的测量精度不仅受测量设备和测量算法影响，而且也与承载车体本身的结构和稳定相关。由于双轨小车检测方案以车身为基准进行测量，假定车身平面与轨道平面平行，这就要求检测前必须先进行人工校准，而且车体轻微倾斜或振动都会给检测结果带来误差，尤其在曲线或缓和曲线区段更为明显。
为尽量减少车体本身结构和稳定对检测精度的影响，双轨检测小车设计较为复杂和笨重，这提升了车体的成本，削弱了车体的便携特性。我国高速铁路的施工规范要求所有的无论已建、在建和将建的高速铁路都必须采用高架桥形式，笨重的设施运上高速铁路上具有一定困难，铁路施工阶段更甚。而且铁路施工环境复杂，铁轨易被占用，往往需要频繁搬运检测小车，这都限制了双轨检测小车的使用。
发明内容
本发明提供一种便携式单轨非接触式接触网几何参数检测系统与方法，能够简化系统的复杂性，去除不必要干扰，提高几何参数检测的精确性而不牺牲效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种便携式单轨非接触式接触网几何参数检测系统，包括单轨小车以及安装于单轨小车上的测量设备与计算设备，测量设备用于测量接触线与自身位置的距离和夹角，计算设备用于根据接触线与自身位置的距离和夹角，利用自身位置和一已知点位置，计算求得接触线的导高和拉出值。
优选地，所述测量设备为广角激光扫描雷达，其扫描角度范围为180°以上。
优选地，所述单轨小车使用支撑杆架设广角激光扫描雷达。
优选地，所述测量设备具有自身位置校准功能，具体为以轨道平面和轨道上两固定点为基准参考，每个测量周期前首先获取到铁轨上两固定点的距离以及夹角，计算求得系统自身位置，对自身位置进行校准。
优选地，具体计算方式为：所述两固定点位于铁轨靠轨道内侧的两点，记为A,B，测量设备位置记为D点，接触线记为C点，D点距A,B两点的距离为a,b及夹角为α；获取激光雷达D距接触线在YZ平面的C点距离c以及CD与BD夹角β；利用距离a,b和夹角α，根据余弦定理计算求得D点在YZ平面直角坐标系中的位置为(xd,yd)，利用距离b,c和夹角β，根据余弦定理求得接触线C点距离B点的距离m；利用接触线C点距离D点的距离c和接触线点C距离铁轨上B点的距离m，以及D点和铁轨上B点的坐标，根据欧几里得距离公式计算求得接触线C点在YZ平面直角坐标系的位置为(xc,yc)，即接触线的拉出值为xc，导高为yc。
一种便携式单轨非接触式接触网几何参数检测方法，包括如下步骤：选用单轨小车作为测量载体，测量时选用轨道平面和铁轨上固定点为参考基准，每个测量周期前先对自身位置进行校准，然后利用自身位置和一已知点位置，计算求得接触线的导高和拉出值。
优选地，使用广角激光扫描雷达进行测量，其扫描角度范围为180°以上。
优选地，自身位置校准具体为：以轨道平面和轨道上两固定点为基准参考，每个测量周期前首先获取到铁轨上两固定点的距离以及夹角，计算求得自身位置，对自身位置进行校准。
优选地，具体计算方式为：所述两固定点位于铁轨靠轨道内侧的两点，记为A,B，测量设备位置记为D点，接触线为C点，D点距A,B两点的距离为a,b及夹角为α；获取激光雷达D距接触线在YZ平面的C点距离c以及CD与BD夹角β；利用距离a,b和夹角α，根据余弦定理计算求得D点在YZ平面直角坐标系中的位置为(xd,yd)，利用距离b,c和夹角β，根据余弦定理求得接触线C点距离B点的距离m；利用接触线C点距离D点的距离c和接触线点C距离铁轨上B点的距离m，以及D点和铁轨上B点的坐标，根据欧几里得距离公式计算求得接触线C点在YZ平面直角坐标系的位置为(xc,yc)，即接触线的拉出值为xc，导高为yc。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明通过采用广角单线雷达进行扫描，精度高，速度快；只需要固定雷达扫描范围，不需要进行人工对准，使用方便；雷达扫描频率可以按照采样要求进行设置并得到连续的测量数据，简化了系统，提高了检测效率。
（2）本发明采用单轨小车作为载体，系统更加轻便简单，系统更易维护，便携性更强。整个小车单人能轻松搬运，适应复杂施工环境和其他测量环境。
（3）本发明直接选用轨道平面为基准，以铁轨固定点为基准参考，每个测量周期前会先对自身位置进行校准，保证了测量数据客观准确。测量数据不受小车个体装配差异和车体振动影响，减少了测量误差。
附图说明
图1是采用本发明实施例系统检测接触线几何参数中直线区段检测示意图。
图2是采用本发明实施例方法检测接触线几何参数计算原理示意图。
图3是采用本发明实施例系统检测接触线几何参数中曲线区段检测示意图。
图4是本发明实施例系统中车体结构示意图。
图5是本发明实施例方法流程示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
图1为采用本系统检测接触线几何参数检测示意图。其工作原理是利用检测单轨小车上方架设的激光雷达，首先获取铁轨上A，B两固定点的距离和夹角，对自身位置进行校准。在完成自身位置校准后，在利用自身位置、已知点的位置以及使用激光雷达测量获得的到接触线的距离和夹角，计算求得接触线的位置，从而得到接触线的导高和拉出值。
图2是采用本方法检测接触线几何参数计算原理示意图。通过激光扫描雷达可以获得距离a,b,c和夹角α,β的值。在三角形ABD中，利用余弦定理可以求得AB的长，得到A,B两点的坐标值，并根据这二者的坐标使用欧几里得距离公式求得D点的坐标值。在三角形BCD中，利用余弦定理可以求得BC的长，再利用D点和B点的坐标和欧几里德距离公式求得C点的坐标值。由于A，B两点位于铁轨轨道靠内侧且AB连线与铁轨轨面连线重合，坐标原点位于AB中点，因此C点的横坐标即是接触线的拉出值，纵坐标就是接触线的导高。
具体计算原理如下：
以检测单轨小车架设于相对于车体前进方向铁轨左边轨道为例说明，如图1、2所示：
（1）使用测量设备激光扫描雷达获取激光雷达D点距铁轨YZ平面上两固定点A,B两点（A，B两点位于铁轨靠轨道内侧，两点连线与铁轨轨面连线重合）的距离a,b及夹角α；获取激光雷达D距接触线在YZ平面的C点距离c以及CD与BD夹角β；
（2）利用距离a,b和夹角α，根据余弦定理计算求得激光雷达D点在YZ平面直角坐标系中的位置为(xd,yd)
（3）利用距离b,c和夹角β，根据余弦定理求得接触线C点距离B点的距离m；
（4）利用接触线C点距离激光雷达D的距离c和接触线点C距离铁轨上B点的距离m，以及激光雷达D点和铁轨上B点的坐标，根据欧几里得距离公式计算求得接触线C点在YZ平面直角坐标系的位置为(xc,yc)，即接触线的拉出值为xc，导高为yc。
图3是采用本系统检测接触线几何参数中曲线区段检测示意图。由于系统直接选用轨道平面为基准，以铁轨固定点为基准参考，且每个测量周期前激光雷达都会先对自身位置进行校准，因此系统偏移对于测量结果没有影响，使用本系统依然可以获得接触网准确的几何参数值。
图4是本系统中车体结构示意图。车体为单轨小车1，测量设备为激光雷达3，激光雷达通过支撑杆2架设在单轨小车1车体上方。激光雷达要求为广角扫描激光雷达，扫描角度范围以180°以上为宜。本发明并不限制单轨小车的具体设计和结构，仅要求单轨特性，要求检测小车可以平稳运行于铁轨任一轨道上。
如图5所示，本发明实施例便携式单轨非接触式接触网几何参数检测方法流程，步骤为：
（1）自身位置校准：采用单线激光雷达进行扫描，每个测量周期前首先获取到铁轨上两固定点的距离以及夹角，利用余弦定理和欧几里德距离公式计算求得系统自身位置，对自身位置进行校准；
（2）测量接触线几何参数：完成自身位置校准后，利用单线激光雷达测量到接触线的距离和夹角，利用自身位置和已知点位置，使用余弦定理和欧几里德距离公式计算求得接触线的位置，获得导高和拉出值。
本发明实施例针对现有检测系统和方法难以在测量精度、测量效率与系统便携性之间取得一个令人满意的平衡的问题，提供一种基于广角激光扫描雷达的，单轨的、便携式铁路接触网几何参数检测系统和方法。该技术方案直接选用铁轨平面为基准，选取铁轨上固定点为参考，每个测量周期前先对系统进行自我校准，求解不受车体本身结构和稳定性影响。该技术方案能够简化系统的复杂性，去除不必要干扰，提高几何参数检测的精确性而不牺牲效率。

Claims (9)

1.一种便携式单轨非接触式接触网几何参数检测系统，其特征在于，包括单轨小车以及安装于单轨小车上的测量设备与计算设备，测量设备用于测量接触线与自身位置的距离和夹角，计算设备用于根据接触线与自身位置的距离和夹角，利用自身位置和一已知点位置，计算求得接触线的导高和拉出值。
2.根据权利要求1所述的便携式单轨非接触式接触网几何参数检测系统，其特征在于，所述测量设备为广角激光扫描雷达，其扫描角度范围为180°以上。
3.根据权利要求2所述的便携式单轨非接触式接触网几何参数检测系统，其特征在于，所述单轨小车使用支撑杆架设广角激光扫描雷达。
4.根据权利要求1所述的便携式单轨非接触式接触网几何参数检测系统，其特征在于，所述测量设备具有自身位置校准功能，具体为以轨道平面和轨道上两固定点为基准参考，每个测量周期前首先获取到铁轨上两固定点的距离以及夹角，计算求得系统自身位置，对自身位置进行校准。
5.根据权利要求4所述的便携式单轨非接触式接触网几何参数检测系统，其特征在于，具体计算方式为：所述两固定点位于铁轨靠轨道内侧的两点，记为A,B，测量设备位置记为D点，接触线记为C点，D点距A,B两点的距离为a,b及夹角为α；获取激光雷达D距接触线在YZ平面的C点距离c以及CD与BD夹角β；利用距离a,b和夹角α，根据余弦定理计算求得D点在YZ平面直角坐标系中的位置为(xd,yd)，利用距离b,c和夹角β，根据余弦定理求得接触线C点距离B点的距离m；利用接触线C点距离D点的距离c和接触线点C距离铁轨上B点的距离m，以及D点和铁轨上B点的坐标，根据欧几里得距离公式计算求得接触线C点在YZ平面直角坐标系的位置为(xc,yc)，即接触线的拉出值为xc，导高为yc。
6.一种便携式单轨非接触式接触网几何参数检测方法，其特征在于，包括如下步骤：选用单轨小车作为测量载体，测量时选用轨道平面和铁轨上固定点为参考基准，每个测量周期前先对自身位置进行校准，然后利用自身位置和一已知点位置，计算求得接触线的导高和拉出值。
7.根据权利要求6所述的便携式单轨非接触式接触网几何参数检测方法，其特征在于，使用广角激光扫描雷达进行测量，其扫描角度范围为180°以上。
8.根据权利要求6所述的便携式单轨非接触式接触网几何参数检测方法，其特征在于，自身位置校准具体为：以轨道平面和轨道上两固定点为基准参考，每个测量周期前首先获取到铁轨上两固定点的距离以及夹角，计算求得自身位置，对自身位置进行校准。
9.根据权利要求8所述的便携式单轨非接触式接触网几何参数检测方法，其特征在于，具体计算方式为：所述两固定点位于铁轨靠轨道内侧的两点，记为A,B，测量设备位置记为D点，接触线记为C点，D点距A,B两点的距离为a,b及夹角为α；获取激光雷达D距接触线在YZ平面的C点距离c以及CD与BD夹角β；利用距离a,b和夹角α，根据余弦定理计算求得D点在YZ平面直角坐标系中的位置为(xd,yd)，利用距离b,c和夹角β，根据余弦定理求得接触线C点距离B点的距离m；利用接触线C点距离D点的距离c和接触线点C距离铁轨上B点的距离m，以及D点和铁轨上B点的坐标，根据欧几里得距离公式计算求得接触线C点在YZ平面直角坐标系的位置为(xc,yc)，即接触线的拉出值为xc，导高为yc。
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