CN106705876A - 基于陀螺仪定位的激光测距铁路隧道检测车及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于陀螺仪定位的激光测距铁路隧道检测车及检测方法。该检测车包括车辆本体以及安装于车辆本体上的车轮角度传感器、陀螺仪、第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪；第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪分别布置于车辆本体的左侧、右侧和顶部，分别用于测量车辆本体与隧道左侧、右侧及顶部内壁之间的距离；车轮角度传感器用于检测车轮的转动角度，所述的陀螺仪用于测量车辆本体在三维空间中的行驶角度；车辆本体为有轨车辆。本发明采用有轨车辆作为各传感器的搭载平台，实现了平纵横三个方面上隧道的变形信息检测。

Description

基于陀螺仪定位的激光测距铁路隧道检测车及检测方法

技术领域

本发明涉及铁路隧道工程检测装置领域，具体涉及一种基于陀螺仪定位的激光测距铁路隧道检测车及检测方法。

技术背景

日益增多的隧道不均匀沉降造成的铁路隧道病害引起了运营部门的极大关注。在软土地区长期运营中隧道将可能产生较大的纵向变形，纵向变形对隧道结构非常不利，当隧道存在过量的变形量或者纵向曲率达到一定的量值时，将会导致环缝张开过大而引起漏水漏泥，或者是管片受拉破坏，引起地铁轨道产生扭曲变形；当隧道纵向不均匀沉降量过大时，将会造成轨道产生纵向偏差和高低差，影响列车运营时的舒适性和安全性，进而也会波及到周围各类构筑物的正常使用。当轨道的纵向偏差和高低差超过标准时，道床开裂、轨道与车轮之间的磨损加重，导致日常维护和保养任务加重，造成巨大的经济损失。同时，遂道的纵向变形和横向受力也是分不开的，纵向变形过大时，将不可避免地引起衬砌环在横向上的变形，隧道环间接缝张开，从而引起漏水漏泥和管片受拉破坏。新线施工、基坑开挖等地下工程打破了既有地铁隧道的受力平衡，水平穿越河道的隧道长时间受到水流横向作用，从而引起隧道水平方向的变形，同样会造成隧道裂缝。因此地铁隧道在建设中以及建成后，因地质、地下水、邻近施工以及本身结构负荷等各方面的综合影响，可能会使隧道结构产生裂缝、变形等危害隧道安全的变化，必须及时准确的进行长期的变形监测以便及时发现和预报险情，保证隧道的施工以及运营的安全。

而现有的隧道人工检测方法，需要检测人员在夜间铁路不运营或者车辆间隔时间长的没有干扰的情况下时候才能检测，逐点确定隧道横截面的变形情况。这种方法有许多缺点，如检测效率低、时间长，隧道环境可能对检测人员造成伤害等问题。由于人工检测效率低，只是选择纵向沉降、净空收敛和拱顶沉降项目，忽视了隧道水平向检测的项目，导致无法获得隧道整体变形信息。另外，目前也有研究者提出了利用车辆在隧道中行驶来采集各种变形信息并实现自动处理的构想，但该设想若投入实际使用时，其搭载的传感器的平台是汽车，因此传感器本身在水平面上的位置就是左右移动的，依然无法对隧道的水平变形进行检测。进一步的，目前的传感器位置检测通常采用GPS等定位模块，但在隧道中由于物理阻隔，即使有中继模块的存在，其精度也并不高。而隧道变形的检测又需要依赖于准确的空间位置信息，因此现有技术也无法满足该需求。

发明内容

本发明的目的在于克服传统检测方法速度慢、精度低且只能检测纵断面、截面变形的缺点，并提供一种基于陀螺仪定位的激光测距铁路隧道检测车。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于陀螺仪定位的激光测距铁路隧道检测车，包括车辆本体以及安装于车辆本体上的车轮角度传感器、陀螺仪、第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪；所述的第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪分别布置于车辆本体的左侧、右侧和顶部，分别用于测量车辆本体与隧道左侧、右侧及顶部内壁之间的距离；所述的车轮角度传感器用于检测车轮的转动角度，所述的陀螺仪用于测量车辆本体在三维空间中的行驶角度；所述的车辆本体为有轨车辆。

作为优选，所述的第一激光测距仪和第二激光测距仪底部的基座上设有角度调节装置，用于调节第一激光测距仪和第二激光测距仪在隧道横截面中的激光束发射角度。

进一步的，所述的第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪的激光束发射角度总调节范围能覆盖整个隧道截面。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述检测车的铁路隧道变形信息检测方法，步骤如下：

首先选取一个坐标基准点，建立三维空间坐标系；

然后使所述的检测车在铁路隧道内行驶；行驶过程中，通过车轮角度传感器不断测量车轮的转动角度，并根据轮径换算为车辆的行驶距离；检测车每运行一段距离，便通过陀螺仪测量该段距离内车辆本体在三维空间中的行驶角度，然后通过空间几何关系计算该段距离的终点在三维空间中的三维坐标信息，计算公式如下：

式中：t+1和t分别为每段运行距离的终点时刻和起始时刻；(X_t+1，Y_t+1，Z_t+1)和(X_t，Y_t，Z_t)分别为t+1和t时刻检测车在三维空间中的三维坐标；L为检测车每段行驶的距离；α、β和γ分别为该段行驶距离中车辆行驶角度与YZ、XZ和XY平面的角度；

检测车的每段运行距离中，还通过第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪同时向隧道两侧和顶部发射脉冲激光束，由光电元件接收反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出相应的发射角度下从发射点到隧道内壁的距离，并换算为隧道的拱顶沉降和净空收敛；

最后，当检测车行驶完待测隧道后，得到检测车的整条行驶轨迹上每段运行距离对应的三维坐标信息以及该段隧道的横截面变形信息，并结合隧道的施工竣工验收图纸或者初始变形情况，获得当前隧道在平纵横三个方面的变形信息。

作为优选，检测车在待测隧道中来回行驶多次，且每次行驶前先调节第一激光测距仪和第二激光测距仪在隧道横截面中的激光束发射角度，使多次行驶后，三个激光测距仪的激光束发射角度覆盖隧道横截面。

作为优选，检测车在行驶过程中，须保持车轮在铁轨上不发生打滑。

本发明相对于现有技术而言，具有以下优点：

1)本发明采用有轨车辆作为各传感器的搭载平台，使检测车在行进过程中，能够通过数据换算定位待检测的隧道在水平面上的空间位置，由此实现了水平方向上隧道的变形信息检测。

2)本发明通过车轮角度传感器和陀螺仪的组合，提供了一种能够定位检测车在隧道中三维空间位置的新方法，而且该方法无需信号中继、GPS等系统配合，能够适用于山区等复杂地形。

3)本发明在检测过程中，无需使铁路隧道停运或选择长时间空置的情况，仅需在正常列车班次中加入检测班次或者直接固定于常规列车上进行检测，具有较好的便捷性。

附图说明

图1是一种基于陀螺仪定位的激光测距铁路隧道检测车的示意图。

图2是一种基于陀螺仪定位的激光测距铁路隧道检测车检测流程图。

图3是一种基于陀螺仪定位的激光测距铁路隧道检测车三维坐标定位方法示意图。

图中：车轮角度传感器1、陀螺仪2、激光测距仪3、车辆本体4。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，为一种基于陀螺仪定位的激光测距铁路隧道检测车的实现方式，检测车行进于隧道中。本实施例中，检测车的车辆本体4是火车车厢，当然也可以采用其他有轨车辆，只要能够沿铁轨行驶即可。火车车厢外部通过基座安装有三个激光测距仪3，第一激光测距仪安装在车厢的左侧，第二激光测距仪安装在车厢的右侧，第三激光测距仪安装在车厢的顶部。通常情况下，第三激光测距仪的激光发射角度设定为垂直向上，主要用于检测车辆本体4与隧道顶部内壁之间的距离，然后根据车厢的高度换算为隧道拱顶的高度，进而计算拱顶沉降。而第一激光测距仪和第二激光测距仪主要用于检测车辆本体的两侧与隧道侧壁之间的距离，然后结合车厢的宽度换算为隧道水平方向的跨度距离，进而计算隧道两侧的净空收敛。另外，车辆本体4上还安装有车轮角度传感器1和陀螺仪2。车轮角度传感器1连接车轮的动力输出轴，用于实时检测车轮的转动角度。根据车辆的车轮外径，可以根据圆周长度计算公式得到车辆的行进距离。隧道的不同位置，其会存在水平的变形和纵向的沉降，当有轨车辆沿铁轨行进时，车辆本体4的行进速度方向也会发生水平或纵向的变化，而该三维空间中的变化需要通过安装在车辆内部的固定位置的陀螺仪进行检测。

由于普通的激光测距仪每次只能测量到一个角度的距离，因此第一激光测距仪和第二激光测距仪的基座下方可设置角度调节装置。角度调节装置的作用是调节两个激光测距仪在隧道横截面中的激光束发射角度，以全面地扫描隧道横截面中不同横截面的变形信息。角度调节装置可采用在基座下方设置球铰的方式，从而调节基座的角度，当然角度调节装置也可采用现有技术中的其他结构，如铰接的连杆、转盘等。但为了保证激光束发射角度仅在隧道横截面中调整而不会产生沿隧道延伸方向的偏移，应尽量限制角度调节装置的转动自动度，使其仅能够在隧道横截面所处平面内转动。为了保证激光的发射角度能够覆盖整个隧道横截面，第一激光测距仪和第二激光测距仪尽量安装于车厢侧面靠近顶部的位置，且两侧的角度调节装置的转角也应足够大，三个激光测距仪3配合下的激光检测角度能够覆盖隧道横截面的整个周长。同时，三个激光测距仪3的激光感应位置，即其分别发射的三条激光，应位于隧道的同一横截断面上。

当然，若不设置角度调节装置，也可通过在侧面设置多个具有不同的激光束发射角度的激光测距仪，来实现隧道横截面中不同角度变形的检测；或者采用能够进行断面横扫的测距仪，这样势必会增加检测车的成本但能够减小全面检测所需的时间。另外，车辆中还可以设置相应的数据处理装置(如PC机、单片机、MCU等)，不断地接收各传感器的数据，进行实时汇总处理；当然也可以将数据进行存储，待检测完成后再导出进行综合处理。

基于上述检测车可提供一种铁路隧道变形信息检测方法，其基本原理如图2所示。下面给出一种具体实现步骤：

首先，选取一个坐标基准点，建立三维空间坐标系。一般可选择隧道入口处铁轨的行进初始点作为坐标基准点，以水平面上隧道的整体延伸方向为y轴，水平面上与y轴垂直方向为x轴，以与水平面垂直的铅垂线方向为z轴，建立坐标系。当然，坐标系也可以根据实际进行调整，不影响后续变形信息的检测。另外，启动车辆前，需要根据检测要求，调节两侧的激光测距仪的激光的发射角度，使其对准待检测位置。

然后，启动检测车，使其沿铁轨在铁路隧道内行驶。行驶过程中，每隔一定距离设置检测点，将整条隧道划分为若干小段，以类似积分的方法得到整条隧道的三维空间坐标信息和变形信息。由于本发明是通过角度传感器来测定行驶距离的，因此尽量保持车轮在铁轨上不发生打滑，若打滑频繁，需要进行相应的数据修正或者对车轮进行防滑处理。具体做法为，在行驶过程中车轮角度传感器1、陀螺仪2和三个激光测距仪不断工作，测定相应的信息：

车轮角度传感器1不断测量车轮的转动角度，并根据轮径换算为车辆的行驶距离；

陀螺仪2不断测量车辆本体4在三维空间中的行驶角度。每当检测车运行一定的距离，便通过计算该段距离内车辆本体在三维空间中的平均行驶角度。如图3所示，实际的行驶角度，即车辆的运动方向是一个空间矢量，其与YZ、XZ和XY平面分别形成了夹角。基于该段距离的起点P_t坐标和三个夹角，通过空间几何关系可以计算该段距离的终点P_t+1在三维空间中的三维坐标信息。具体计算公式如下：

式中：t+1和t分别为每段运行距离的终点时刻(对应点P_t+1)和起始时刻(对应点P_t)；(X_t+1，Y_t+1，Z_t+1)和(X_t，Y_t，Z_t)分别为t+1和t时刻检测车在三维空间中的三维坐标；L为检测车每段行驶的距离；α、β和γ分别为该段行驶距离中车辆行驶角度与YZ、XZ和XY平面的角度。

检测车的每段运行距离中，还通过第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪同时向隧道两侧和顶部发射脉冲激光束，由光电元件接收反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出相应的发射角度下从发射点到隧道内壁的距离，并换算为隧道的拱顶沉降和净空收敛。

最后，当检测车行驶完待测隧道后，得到检测车的整条行驶轨迹上每段运行距离对应的三维坐标信息以及该段隧道的横截面变形信息，并结合隧道的施工竣工验收图纸或者初始变形情况，获得当前隧道在平纵横三个方面的变形信息。

隧道整体沉降信息和水平变形情况主要通过整条行驶轨迹的三维坐标信息来确定，将陀螺仪2和激光测距仪3的数据进行整合、处理和分析后，把每段运行距离终点的坐标连接起来，即可得到铁轨的延伸轨迹，由此获得了隧道各段在三维空间中的三维定位信息，结合隧道的施工竣工验收图纸或者前一次测量得到的变形情况，从而检测出隧道现在的整体沉降信息和水平变形情况。隧道横向的变形信息主要通过整合三维定位信息和激光测距仪的信息获得。激光测距仪测量出隧道中各距离段的拱顶沉降和净空收敛，从而获得隧道每段截面的变形信息；结合隧道的施工竣工验收图纸或者初始变形情况，可以获得隧道横向的变形信息。由此，实现了隧道平纵横三个方面变形信息的全面测量。

若需要对隧道横截面不同角度的净空收敛进行测定时，可驾驶检测车在待测隧道中来回行驶多次，且每次行驶前调节第一激光测距仪和第二激光测距仪在隧道横截面中的激光束发射角度。如第一次行驶检测隧道截面最下方位置，之后的每次行驶前，将发射角度以15°的角度逐渐抬升，直至与水平方向呈向上的75°角，由此逐渐覆盖了隧道横截面的全面扫描。

另外，检测车每段行驶的距离L可以固定，也可以不固定。特别是针对变形较大的隧道段，可以通过缩小L值提高测量的准确性。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，激光测距仪也可采用其他距离测量装置进行实现，其也属于本发明保护范围。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于陀螺仪定位的激光测距铁路隧道检测车，其特征在于，包括车辆本体以及安装于车辆本体上的车轮角度传感器、陀螺仪、第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪；所述的第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪分别布置于车辆本体的左侧、右侧和顶部，分别用于测量车辆本体与隧道左侧、右侧及顶部内壁之间的距离；所述的车轮角度传感器用于检测车轮的转动角度，所述的陀螺仪用于测量车辆本体在三维空间中的行驶角度；所述的车辆本体为有轨车辆。

2.如权利要求1所述的基于陀螺仪定位的激光测距铁路隧道检测车，其特征在于，所述的第一激光测距仪和第二激光测距仪底部的基座上设有角度调节装置，用于调节第一激光测距仪和第二激光测距仪在隧道横截面中的激光束发射角度。

3.如权利要求2所述的基于陀螺仪定位的激光测距铁路隧道检测车，其特征在于，所述的第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪的激光束发射角度总调节范围能覆盖整个隧道截面。

4.一种利用权利要求1所述检测车的铁路隧道变形信息检测方法，其特征在于，步骤如下：

首先选取一个坐标基准点，建立三维空间坐标系；

然后使所述的检测车在铁路隧道内行驶；行驶过程中，通过车轮角度传感器不断测量车轮的转动角度，并根据轮径换算为车辆的行驶距离；检测车每运行一段距离，便通过陀螺仪测量该段距离内车辆本体在三维空间中的行驶角度，然后通过空间几何关系计算该段距离的终点在三维空间中的三维坐标信息，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{t+1}\\ Y_{t+1}\\ Z_{t+1}\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{X}_t\\ Y_t\\ Z_t\end{array}\right\}+L\left\{\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}\\ \cos \mathrm{\β}\\ \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right\}$

式中：t+1和t分别为每段运行距离的终点时刻和起始时刻；(X_t+1，Y_t+1，Z_t+1)和(X_t，Y_t，Z_t)分别为t+1和t时刻检测车在三维空间中的三维坐标；L为检测车每段行驶的距离；α、β和γ分别为该段行驶距离中车辆行驶角度与YZ、XZ和XY平面的角度；

检测车的每段运行距离中，还通过第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪同时向隧道两侧和顶部发射脉冲激光束，由光电元件接收反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出相应的发射角度下从发射点到隧道内壁的距离，并换算为隧道的拱顶沉降和净空收敛；

最后，当检测车行驶完待测隧道后，得到检测车的整条行驶轨迹上每段运行距离对应的三维坐标信息以及该段隧道的横截面变形信息，并结合隧道的施工竣工验收图纸或者初始变形情况，获得当前隧道在平纵横三个方面的变形信息。

5.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于，检测车在待测隧道中来回行驶多次，且每次行驶前先调节第一激光测距仪和第二激光测距仪在隧道横截面中的激光束发射角度，使多次行驶后，三个激光测距仪的激光束发射角度覆盖隧道横截面。

6.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于，检测车在行驶过程中，须保持车轮在铁轨上不发生打滑。