CN106274981B - 一种轨道检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道检测装置，其包括：车体，其包括垂直轨道方向布置的两根横梁以及设置在两根横梁之间的呈网格框架结构的台架；设置在至少一根横梁的至少一端的端部末端的编码器，其用于测量车体检测中的行驶里程；设置在至少一根横梁的至少一端端部的位移传感器，其设置在横梁端部的下表面，用于测量车体行驶过程中轨距变化分量；设置在至少一根横梁上的倾角传感器，其位于横梁端部的上表面，用于测量行驶过程中的车体倾角变化，从而可计算得出车体水平值；以及设置在至少一根横梁上的倾角传感器，其位于横梁端部的上表面，用于测量车体行驶过程中航向角和侧滚角的角度变化，从而可以根据姿态测控及轨迹测量原理计算得出轨向和高低值。

Description

一种轨道检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于轨道检测领域，更具体地，涉及一种用于轨道检测的装置及方法。

背景技术

随着铁路交通向高速度、高密度的方向发展，铁路维护工人可以有效作业的无车时间越来越短，其线路日常的静态检测工作变得越来越艰巨。按线路养护维修规则要求，线路静态检测必须按固定周期强制进行。检测的参数有：轨距、水平(超高)、轨向(正矢)、高低、三角坑和里程。

传统的检测方式是采用机械式道尺和人工拉玄的方式进行，工作量很大。近几年出现了轨检仪，通过人工推动轨检仪在轨道上移动以进行检测。但是，这种轨检仪需要人在轨道上推行，体力消耗大，同时对使用者操作具有很高的要求，推行速度过快或不均匀都会造成检测结果不准，产品的自动化和智能化程度有待提高。

近年来业内出现了自动化的轨检设备，例如专利文献CN 205589249U公开了一种轨道检测小车，车架总成包括平行排列的前横梁、中横梁、后横梁，纵梁与三个横梁相垂直并依次连接三个横梁的中部形成王字形结构；前横梁和后横梁的两侧分别安装有行走轮；中横梁上安装有滚珠丝杠机构，滚珠丝杠机构的螺母上方固定连接有测量台，测量台上安装有激光测距传感器，中横梁两端的下方分别安装有一个轨距传感器；纵梁上安装有主控单元、电池单元、倾角传感器和用于驱动电机的电机驱动器，主控单元分别与电机驱动器、倾角传感器、激光测距传感器和轨距传感器电连接，电池单元为电机驱动器和主控单元提供电源。该小车能保证在直线段轨距和曲线段轨距的测量时均能具有良好的精度，其能够实现轨距、轨道倾角、轨道超高、接触网导高、拉出值的测量。

但是该检测小车由于车体以及滚轮结构方式，同时距传感器、轨距传感器以及倾角传感器的布局，依然存在无法精确稳定测量轨道参数的检测，数据，同时也不能实现与检测人员的实时交互查阅。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种轨道检测装置及方法，其通过优化的结构设计以及检测器件布局位置的优化改进，从而可以实现对轨道数据的精测测量和检测。

为实现上述目的，按照本发明一个方面，提供一种轨道检测装置，其包括：

车体，其包括垂直轨道方向布置的两根横梁以及设置在两根横梁之间的呈网格框架结构的台架，其中，各所述横梁两侧端部上设置有滚轮，用于与轨道接触并以在轨道上移动，其中一横梁的两端端部设置有驱动电机用于驱动所述滚轮滚动从而使得车体可以在待检测的轨道上移动；

设置在至少一根横梁的至少一端的端部末端的编码器，其用于测量车体检测中的行驶里程，以作为检测参数的基础数据；

设置在至少一根横梁的至少一端端部的位移传感器，其设置在横梁端部的下表面，用于测量车体行驶过程中轨距变化分量，以用于获得轨道轨距值；

设置在至少一根横梁上的倾角传感器，其位于横梁端部的上表面，用于测量行驶过程中的车体倾角变化，从而可根据该倾角变化和测得的轨距值计算得出车体水平值；以及

设置在至少一根横梁上的倾角传感器，其位于横梁端部的上表面，用于测量车体行驶过程中航向角和侧滚角的角度变化，从而可以根据姿态测控及轨迹测量原理计算得出轨向和高低值。

作为本发明的进一步优选，所述陀螺仪设置在倾角传感器与相应的横梁端部的滚轮之间。

作为本发明的进一步优选，所述编码器为一个或多个。

作为本发明的进一步优选，还包括设置在台架上的蓄电池，其与驱动电机及各传感器电连接，用于提供电能。

作为本发明的进一步优选，还包括无线通信模块，其与各传感器电连接，用于收集各传感器的采集信号或处理得到的参数以输出到外部。

作为本发明的进一步优选，所述无线通信模块为蓝牙通信模块。

作为本发明的进一步优选，所述车体上的横梁和/或台架优选采用方管材料焊接。

作为本发明的进一步优选，所述倾角传感器设置在横梁上靠近所述驱动电机的一侧。

按照本发明的另一方面，提供一种利用上述轨道检测装置进行轨道检测的方法，其具体包括如下步骤：

所述驱动电机带动车体在区段线路上匀速行驶；

所述编码器测量行驶里程；

所述位移传感器测量行驶过程中轨距变化分量，与标定值相加后即可得到轨距值；

所述倾角传感器测量行驶过程中的倾角变化，根据测得的所述轨距值，计算得出水平(超高)值，并根据测得的所述水平(超高)值和里程，计算得到三角坑；

所述陀螺仪测量行驶过程中航向角和侧滚角的角度变化，根据姿态测控及轨迹测量原理计算得出轨向(正矢)和高低值。

本发明通过将该所述传感器安装在无人车上，并借鉴捷联式惯性系统的基本原理，并结合蓝牙通信技术，可作为国内目前流行的手推式轨检仪产品的升级和替代，与大型轨检车形成互补，完成轨道的检测工作。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)由于不需要人推行，行驶速度可以达到每小时几十公里，减轻了劳动强度，检测速度也成倍增加；

(2)由于检测时间短，陀螺仪自身的漂移特性带来的测量误差将成倍减小，检测精度也将极大提高；

(3)由于借鉴捷联式惯性系统的基本原理，可实现全自主检测、不受外界干扰、不受虚假信号的影响，具有先进性、实用性、经济性、安全性、可靠性等特点。

(4)可实现模块化，不受安装平台的限制，易于实现批量化、标准化、通用化，降低产品成本。

(5)由于引入了蓝牙技术，可实现测量过程中实现测量数据的无线传输，具有自动化和智能化程度高等优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的轨道检测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的轨道检测装置的立体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的轨道检测装置使用的传感器数据流示意图。

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。

图1是本发明实施例所提供的一种轨道检测装置结构示意图，图2是装置的3D示意图。如图1-2所示，本发明实施例的一种轨道检测装置，包括检测装置车体1、驱动电机2、编码器3、位移传感器4、倾角传感器5、陀螺仪6、蓄电池7，优选还可以包括进行无线通信的模块，例如蓝牙通信的蓝牙天线8。

其中驱动电机2、编码器3、位移传感器4、倾角传感器5、陀螺仪6、蓄电池7和蓝牙天线8均装在车体1上。

具体地，如图1和2所示，车体1优选为框架承载结构，包括垂直轨道方向布置的两根横梁以及设置在两根横梁之间的呈网格框架结构的台架。其中，各横梁两侧端部上设置有滚轮，其用于与轨道接触并以在轨道上移动，优选地，滚轮外周设置有轮框。驱动电机2优选为两个，分别设置在其中一横梁的一端端部的上表面上，用于驱动滚轮滚动从而使得车体1可以在轨道上移动。

一个实施例中，驱动电机2带动无人车车体1在区段线路上匀速行驶，其中，驱动电机2优选为异步电机，结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高并具有适用的工作特性。

车体1上的横梁和/或台架优选采用方管材料焊接而成，具有较低的重量、较高的强度和抗腐蚀性能，同时通过表面处理和外表面喷漆综合处理，使车体具有较强的环境适应性，提高测量装置使用寿命，车体刚度强，日常磕碰造成的变形小。

在至少一根横梁的至少一端的端部末端设置有所述编码器3，例如图2所示，该编码器3优选为一个，设置在其中一横梁的端部末端，优选设置在滚轮外侧。编码器3用于测量车体行驶里程，该里程是静态检测时其他参数的基准，可以依据所述里程在现场准确的找到病害所在地。

在至少一根横梁的至少一端端部设置有所述位移传感器4，例如图3所示，位移传感器4优选为一个，设置在其中一横梁端部的下表面，该位移传感器4测量行驶过程中轨距变化分量D₁，其可通过与标定值D相加后即可得到轨距值S，计算公式为S＝D1+D。

在至少一根横梁上设置有所述倾角传感器5，如图2和3所示，倾角传感器5优选为一个，其设置在其中一横梁端部的上表面，例如设置在所述驱动电机2的一侧。该倾角传感器5用于测量行驶过程中的车体倾角变化Δα，从而可根据测得的轨距值S，计算得出水平(超高)值，计算公式为H＝S*sin(Δα)。

另外，根据测得的水平(超高)值和里程，可以计算得到三角坑，具体计算公式为三角坑a＝δH1-δH2。

如图2和3所示，陀螺仪6优选为一个，优选设置在其中一横梁端部的上表面，例如设置在所述倾角传感器5与端部的滚轮之间。陀螺仪6用于测量行驶过程中车体航向角和侧滚角的角度变化Δθ，并从而可以根据姿态测控及轨迹测量原理计算得出轨向(正矢)和高低值，具体计算过程如下：

式中θi是第i点处轨道与x轴的偏角；dD是轨道测量时车体前进的微元，一个实施例中优选为0.125m，dθ是测量的车体前进dD时陀螺仪6测得的轨道偏转角度，(x_i,y_i)为第i点出的坐标值，(x_i+1,y_i+1)为第i+1点出的坐标值。

一个具体实施例中，轨向的检测弦长为10m，所求左轨轨向起点坐标为(0，0)，依据面的递推公式计算距起点5米处的坐标为(x₄₀，y₄₀)及10米处的坐标为(x₈₀，y₈₀)，轨向的计算公式如下所示：

正矢的计算过程同上，只是检测弦长变为20m，所求左轨正矢起点坐标为(0，0)，依据面的递推公式计算距起点10米处的坐标为(x₈₀，y₈₀)及20米处的坐标为(x₁₆₀，y₁₆₀)，左轨正矢的计算公式如式2-6所示：

高低的测量原理跟方向的测量原理是相似的，例如，高低的检测弦长为10m，按要求采用的1米的间隔来进行数据采集的，所求左轨高低起点高度为(0，0)，10米处的坐标为(y₁₀，z₁₀)，依据面的递推公式计算距起点每隔1米处的坐标为(y_i，z_i)，左轨的高低值h如式2-8所示：

在一个实施例中，还可以在台架上设置蓄电池7，其用于为驱动电机以及各传感器等提供电能。

在一个实施例中，还包括设置在车体上例如横梁上表面的通信模块，优选是蓝牙通信模块，其中包括蓝牙天线，用于将车体上检测的参数值传统至外部的处理系统中。例如，本实施例中可以将检测的各个参数通过蓝牙天线8发送到操作人员笔记本电脑或移动终端，便于查阅处理。

本发明方案中的各所述传感器可用基于不同原理的传感器替代。

本发明的利用上述轨道检测装置对轨道进行检测的具体过程如下：

驱动电机带动无人车车体在区段线路上匀速行驶；编码器测量无人车行驶里程；位移传感器测量行驶过程中轨距变化分量，与标定值相加后即可得到轨距值；倾角传感器测量行驶过程中的倾角变化，根据测得的轨距值，计算得出水平(超高)值；根据测得的水平(超高)值和里程，计算得到三角坑；陀螺仪测量行驶过程中航向角和侧滚角的角度变化，并根据姿态测控及轨迹测量原理计算得出轨向(正矢)和高低值。

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 (7)

1.一种轨道检测装置，其包括：

车体，其包括垂直轨道方向布置的两根横梁以及设置在两根横梁之间的呈网格框架结构的台架，其中，各所述横梁两侧端部上设置有滚轮，用于与轨道接触并以在轨道上移动，其中一横梁的两端端部设置有驱动电机用于驱动所述滚轮滚动从而使得车体可以在待检测的轨道上移动；

设置在至少一根横梁的至少一端的端部末端的编码器，其用于测量车体检测中的行驶里程，以作为检测参数的基础数据；

设置在至少一根横梁的至少一端端部的位移传感器，其设置在横梁端部的下表面，用于测量车体行驶过程中轨距变化分量，以用于获得轨道轨距值；

设置在至少一根横梁上的倾角传感器，所述倾角传感器设置在横梁上靠近所述驱动电机的一侧，用于测量行驶过程中的车体倾角变化，从而可根据该倾角变化和测得的轨距值计算得出车体水平值，并根据测得的所述水平值和里程，计算得到三角坑；以及

设置在至少一根横梁上的陀螺仪，所述陀螺仪设置在倾角传感器与相应的横梁端部的滚轮之间，用于测量车体行驶过程中航向角和侧滚角的角度变化，从而可以根据姿态测控及轨迹测量原理计算得出轨向和高低值。

2.根据权利要求1所述的一种轨道检测装置，其中，所述编码器为一个或多个。

3.根据权利要求1或2所述的一种轨道检测装置，其中，还包括设置在台架上的蓄电池，其与驱动电机及各传感器电连接，用于提供电能。

4.根据权利要求1或2所述的一种轨道检测装置，其中，还包括无线通信模块，其与各传感器电连接，用于收集各传感器的采集信号或处理得到的参数以输出到外部。

5.根据权利要求4所述的一种轨道检测装置，其中，所述无线通信模块为蓝牙通信模块。

6.根据权利要求1或2所述的一种轨道检测装置，其中，所述车体上的横梁和/或台架采用方管材料焊接。

7.一种利用权利要求1至6中任一项所述的轨道检测装置进行轨道检测的方法，其包括：

所述驱动电机带动车体在区段线路上匀速行驶；

所述编码器测量行驶里程；

所述位移传感器测量行驶过程中轨距变化分量，与标定值相加后即可得到轨距值；

所述倾角传感器测量行驶过程中的倾角变化，根据测得的所述轨距值，计算得出水平值，并根据测得的所述水平值和里程，计算得到三角坑；

所述陀螺仪测量行驶过程中航向角和侧滚角的角度变化，根据姿态测控及轨迹测量原理计算得出轨向和高低值。