CN107554553A - 基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，在检测梁上安装左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪、横向加速度计、左垂向加速度计、右垂向加速度计，所述左激光传感器、右激光传感器均为二维激光传感器；进行以下测量：轨距检测、高低检测、轨向检测、水平超高检测、扭曲检测、曲率检测、轨垂直以及侧面磨耗测量。本发明采用高速二维激光位移传感器，该传感器具有很强的抗干扰能力，基于二维传感器，没有复杂的图像处理步骤，加上简单有效的后端算法处理，具有更高的检测计算速度，能有效消除因车体振动对检测结果的影响，检测结果具有很高的重复性，能对检测结果进行补偿，具有更高的检测精度。

Description

基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法

技术领域

本发明属于轨道交通装备与车辆领域，涉及基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法。

背景技术

基于激光摄像技术的轨道不平顺检测算法应用于轨道检测车上，对轨道几何不平顺参数进行动态检测，激光摄像测量技术已为当前国际轨道检测技术发展的主流。其国内外现状为：

1、国外现状

日本East-i综合检测列车。East-i是日本完全利用其国内技术开发的综合检测列车，由6辆检测车组成，可以检测轨道几何参数、接触网、通信信号、轮轨作用力、环境噪声等，最高检测速度可达275km/h。East-i综合检测列车可在一次运行过程中实现对线路的综合检测功能。

美国Ensco和ImageMap公司轨检车。美国各铁路公司均拥有自主研发的轨检车，美国联邦铁路署还委托Ensco公司研制了技术先进的T10型轨检车，用于抽查各铁路公司的线路质量。T10型轨检车采用惯性基准测量原理和非接触式测量方法，应用光电、伺服、数字滤波、局域网技术，最近还增加了轨断面测量系统，使轨检车的功能更加齐全，检测速度可达192km/h。ImageMap公司研制的Laserail轨道测量系统采用激光摄像、高速图像处理技术取代了光电伺服技术，体现了轨道检测技术的发展方向。它采用惯性基准原理、非接触式测量方法，系统包括两个光纤陀螺和两个加速度计及其模拟处理板，4个激光器、10台摄像机等，可测量轨距、左右轨向、左右高低、超高、水平、三角坑、曲率、轨顶磨和侧磨等。检测速度可达300km/h。

奥地利Plasser公司EM-250型轨检车。为适应奥地利高速铁路的检测需要，奥地利EM250型轨检车检测速度为250km/h，其主要技术特点是采用惯性基准原理、光电转换技术和多处理技术等，除了测量轨道几何参数和车辆振动参数外，还能测量轨断面、轮轨作用力并记录环境图像。

德国OMWE和RAILAB轨检车。德国OMWE轨检车和RAILAB轨检车的技术特点是在车下建立测量框架，在车内安装与框架相连的三轴稳定性平台，采用3个陀螺和3个伺服加速度计组成了惯性导航系统，为轨道几何参数的测量构建了惯性平台，结合安装在测量框架上的光电传感器，测量相对平台的位移量，经计算机处理合成即可得出轨道的高低、水平、轨向值，检测速度可达300km/h。

意大利“阿基米德号”综合检测列车。“阿基米德号”综合检测列车又称Roger2000，是MER MEC公司和TECNOGAMMA公司为意大利铁路设计制造的，检测速度可达220km/h。检测项目包括轨道几何参数、轨断面、轨波浪磨耗、接触网及受流状态、通信和信号、车体和轴箱加速度、轮轨作用力等。车上有57台计算机，每秒钟可处理30G数据，有24个激光器、43个光学摄像传感器、47个加速度计以及大量的强度、速度、定位以及温度传感器，以及用于航空电子领域的惯性平台。意大利高速铁路使用“阿基米德号”综合检测列车已经形成了一整套检测和维修养护体制。其轨道检测在较低速度时采用弦测法，在较高速度时采用惯性基准法，较好地发挥了两种测量原理的优势。

法国MGV综合检测列车。MGV是专为法国高速铁路研制的综合检测列车，该车检测速度设计为320km/h，检测周期预计为两周一次，设计目标是在列车正常运行条件下检测各项基础设施参数。

2、国内现状

国内的轨检车目前主要划分为GJ-3、GJ-4及GJ-5这三种类型，其中，国内既有线路轨道状态监测手段以GJ-4及GJ-5类型检测设备为主，最高检测时速已达到200公里。于2008年，我国自主研制成功国内首列高速综合检查车——0号高速综合检测列车，其最高时速可达250公里。研究表明，当国内高速铁路运行时速超过350公里时，不仅要求轨道状态检测设备最高检测时速要达到350公里，并且要求所有轨道检测设备的可靠性与安全性更高，检测项目更完善，检测精度更高，检测系统更加智能。那么，现有的铁路轨道检测技术及设备已不适用于高速轨道状态的检测，必须研制出具有便携灵活、实时、数据在线处理、数据无线传输、等速检测等性能的新型轨道检测系统。

现有技术应用存在的缺陷为：

1、传感器易受阳光干扰。

2、检测计算速度有待提高。

3、检测结果易受检测速度的影响。

4、检测结果易受车体振动影响。

5、检测功能有待丰富。

6、激光摄像图像处理复杂，严重影响检测速度。

7、检测结果重复性较低。

8、基于惯性平台的惯性基准建立困难。

9、传感器标定操作复杂。

发明内容

为了克服以上缺陷，本发明提供基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，包括如下步骤：

S1、在检测梁上安装左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪、横向加速度计、左垂向加速度计、右垂向加速度计，所述纵向为X轴方向，即车体的行进方向，所述横向为Y轴方向，所述垂向为Z轴方向，所述左激光传感器、右激光传感器均为二维激光传感器；

S2、进行以下测量：

a、利用左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪进行轨距检测；

b、利用左垂向加速度计、右垂向加速度计、左激光传感器、右激光传感器、陀螺仪进行高低检测；

c、利用横向加速度计、陀螺仪、横向倾角仪、左激光传感器、右激光传感器进行轨向检测；

d、利用陀螺仪、纵向倾角仪、横向倾角仪进行水平超高检测；

e、进行扭曲检测；

f、利用陀螺仪进行曲率检测；

g、利用左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪进行轨垂直以及侧面磨耗测量。

具体地，所述检测梁包括左垂向梁、横梁、右垂向梁，所述左垂向梁设于左轨上方，右垂向梁设于右轨上方，横梁的两端分别与左垂向梁和右垂向梁的上端连接；所述左激光传感器、左垂向加速度计设于左垂向梁中且左垂向加速度计位于左激光传感器上方；所述纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪、横向加速度计设于横梁中且位于横梁中央，所述右激光传感器、右垂向加速度计设于右垂向梁中且右垂向加速度计位于右激光传感器上方。

进一步地，所述轨距检测的具体方法为：

通过轨道截面轮廓线求解左右轨内侧距离轨面顶端16mm的点，将这两点作为轨距测量点P_L以及P_R，左右轨之间的距离通过公式(1)求解得到：

G＝G_L+D*cos(θ_bt)+G_R (1)

其中，G_L为左轨轨顶面下16mm处到左激光传感器出光孔的横向距离值(左轨轨距点相对测量基准的偏移)，G_R为右轨轨顶面下16mm处到右激光传感器出光孔的横向距离值(右轨轨距点相对测量基准的偏移)，D为左激光传感器与右激光传感器安装在检测梁上后出光点间的距离，θ_bt为检测梁平面相对轨道平面的夹角。

进一步地，所述高低检测的具体方法为：

a1、求解检测梁在惯性测量单元坐标系中位移h1，该位移h1由左垂向加速度计、右垂向加速度计求解得到，该惯性测量单元坐标系基于惯性基准法原理进行检测，利用加速度计、陀螺仪等建立惯性基准，求解检测梁在该基准中的振动位移来对2D振动进行补偿，该基准便是惯性测量单元坐标系；

首先，测量检测梁左垂向加速度计获得的加速度αcc_L，然后通过公式(3)求检测梁在左垂向加速度计位置的加速度α_L，右垂向加速度计位置的加速度同理求得：

式中，gcosθ_b为重力加速度对左垂向加速度计的影响，为检测梁滚动引起的分量值，AL为左垂向加速度计相对检测梁中心的距离；

然后，通过对加速度二次积分得到检测梁左侧垂向位移Z_b，检测梁相对于地面的倾角θ_b，如公式(4)：

z_b＝∫∫a_Ldt (4)

最后，通过公式(5)求得位移h1：

h₁＝z_b*cos(θ_bt) (5)

其中，θ_bt为检测梁平面相对轨道平面的夹角；

a2、测量检测梁移动后与轨道平面之间的距离h2，该距离h2由左激光传感器、右激光传感器求解得到，陀螺仪对二维振动补偿；

首先，求解ξ_R和ξ_L，ξ_L,ξ_R为左右侧轨顶点H_L(H_L(x)，H_L(y))，H_R(H_R(x)，H_R(y))与左激光传感器、右激光传感器出光孔连线与轨道平面的夹角，通过公式(6)和(7)求解ξ_L，ξ_R同理求解：

θ＝atan(H_L(x)/H_L(y)) (6)

ξ_L＝ε_L-θ (7)

其中，ε_L为左激光传感器与轨道平面的夹角初始值；

然后，利用三角关系求解得到h2，如公式(8)：

a3、通过公式(2)求得高低不平顺h表达式；

注释：轨道平面为左轨和右轨顶点连线所在的平面。轨顶面为单个轨的轨顶面。

进一步地，所述轨向检测的具体方法为:

b1、由横向加速度计测量检测梁中心惯性位移；

首先，测量检测梁左垂向加速度计获得的加速度acc_y，通过公式(12)求解希望得到的检测梁横向运动加速度α_V，并由陀螺仪修正由转向架振动使得检测梁产生的相应振动:

其中，gsin(θ_b)为横向加速度计感受到的重力分量，为检测梁侧滚运动产生的加速度，θ_b为检测梁相对于地面的倾角，h_t为惯性平台相对于轨距测量线的垂直高度；由于检测梁只与转向架连接，所以检测梁的振动是直接由转向架振动带来的。注释：惯性平台为多个惯性测量单元坐标系的总称。

其次，通过公式(13)求解检测梁中心的横向位移y_b：

y_b＝∫∫a_Vdt*cos(θ_bt) (13)

其中，θ_bt为检测梁平面相对轨道平面的夹角；

然后，通过公式(14)求解d_L、d_R：

d_L＝G_L；d_R＝G_R (14)

其中，G_L为左轨轨顶面下16mm处到左激光传感器出光孔的横向距离值，G_R为右轨轨顶面下16mm处到右激光传感器出光孔的横向距离值；

然后，通过公式(15)求解C_L、C_R，C_L、C_R分别表示横向加速度计到左右激光传感器的距离：

其中，D为左激光传感器、右激光传感器安装在检测梁上后出光点间的距离；

b2、测量检测梁移动后与轨之间的距离然后由图像处理获得，换算公式为公式(10)和(11)：

左轨向Ly_L＝y_b-G_L-C_L (10)

右轨向Ly_R＝y_b+G_R+C_R (11)

其中，y_b为检测梁中心位移，通过数值积分求解得到，C_L、C_R分别表示横向加速度计到左右激光传感器的距离；

轨向不平顺表达式如公式(16)：

左轨向：

其中，V_L为左轨顶面顶点相对测量基准的偏移，V_R为右轨顶面顶点相对测量基准的偏移。

进一步地，所述水平超高检测的具体方法为：

c1、由纵向倾角仪、横向倾角仪来测量车体侧滚角低频分量θ_cL，如公式(17)：

θ_CL＝y_incl (17)

其中，y_incl为检测梁横向倾角；

c2、陀螺仪测量车体侧滚角高频分量θ_cH，如公式(18)，然后求解车体相对地垂线的滚动角θ_c，如公式(19)：

θ_CH＝∫ω_Xdt (18)

θ_c＝θ_CL+θ_CH (19)

其中，ω_x为检测梁的滚动角速率；

c3、由公式(20)计算出轨道倾角θ_t：

θ_t＝θ_c-θ_bt (20)

其中，θ_bt为检测梁平面相对轨道平面的夹角；

c4、由θ_t和两轨中心线间距离计算出水平超高值，如公式(21)：

Z＝G×sin(θ_t) (21)

其中，G为左右轨之间的距离。

进一步地，所述扭曲检测的具体方法为：

首先，设轨顶a、b、c、d四个点不在一个平面上，c点到a、b、d三个点组成的平面的垂直距离Ha为扭曲值，通过公式(22)求解：

Ha＝(a-b)-(c-d)＝Δh₁-Δh₂ (22)

其中，Δh₁、Δh₂为轨道横断面Ⅰ－Ⅰ与断面Ⅱ－Ⅱ的水平值，Δh₁-Δh₂指基长为L的两个水平值之差，基长L为断面Ⅰ－Ⅰ与断面Ⅱ－Ⅱ之间的距离。

进一步地，所述曲率检测的具体方法为：

采集陀螺仪输出数据，根据行车速度、重力进行修正，并通过公式(23)、(24)、(25)求解曲率或者曲率半径：

1/R＝(1/15)*sin(θ/2) (23)

其中，θ为曲线轨道所对应的圆心角；

曲率可以用列车走行的单位距离内轨道的方向角变化来表示；

其中，ω_z为检测梁的摇头角速率，υ为车速，为航向偏角；

在得到列车运行速度的前提下，便可计算出轨道的曲率或者曲率半径。

进一步地，所述轨垂直以及侧面磨耗测量的具体方法为：

首先，左激光传感器和右激光传感器获得测量光条在光平面坐标系下坐标；

然后，把测量坐标系中的测量轮廓与标准轨形数据进行匹配，最后根据磨耗定义求解磨耗值W，通过公式(26)求解：

W＝W_v+W_h/2 (26)

其中，W_v为轨的垂直磨耗，W_h为轨的侧面磨耗。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用高速二维激光位移传感器，该传感器具有很强的抗干扰能力。

2、本发明基于二维传感器，没有复杂的图像处理步骤，加上简单有效的后端算法处理，具有更高的检测计算速度。

3、本发明传感器标定操作简单。

4、本发明基于卡拉曼滤波状态估计算法，能有效消除因车体振动对检测结果的影响。

5、本发明检测结果具有很高的重复性。

6、本发明利用卡拉曼滤波状态估计算法，建立基于惯性平台的惯性基准，能对检测结果进行补偿。

7、本发明具有更高的检测精度。

附图说明

图1为传感器安装示意图。

图2为轨距测量示意图。

图3为高低测量原理图。

图4为ξ_L,ξ_R的求解示意图。

图5为轨向检测原理图。

图6为水平不平顺定义图解。

图7为水平超高测量原理图。

图8为扭曲测量原理图。

图9为轨磨耗测量示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，包括如下步骤：

一、在检测梁上安装左激光传感器1、右激光传感器2、纵向倾角仪3、横向倾角仪4、第一陀螺仪5、第二陀螺仪6、横向加速度计7、左垂向加速度计8、右垂向加速度计9，所述纵向为X轴方向，即车体的行进方向，所述横向为Y轴方向，所述垂向为Z轴方向，所述左激光传感器、右激光传感器均为二维激光传感器。

检测梁包括左垂向梁、横梁、右垂向梁，左垂向梁设于左轨上方，右垂向梁设于右轨上方，横梁的两端分别与左垂向梁和右垂向梁的上端连接；左激光传感器、左垂向加速度计设于左垂向梁中且左垂向加速度计位于左激光传感器上方；纵向倾角仪、横向倾角仪、第一陀螺仪、第二陀螺仪、横向加速度计设于横梁中且位于横梁中央，右激光传感器、右垂向加速度计设于右垂向梁中且右垂向加速度计位于右激光传感器上方。

如图1所示，图1为传感器安装示意图。图中各符号注释如下(大写英文字母表示距离，阿拉伯字母表示角度)：

x：轴指向页面的里面为正，表示车体的行进方向；

y：轴指向向右的水平方向为正；

z：轴指向向下的垂直方向为正；

航向偏角，正值表示x轴方向转向y轴方向，即向右偏转；

υ：滚动角，正值表示由y轴方向转向z轴方向；

ψ：倾斜角，正值表示由x轴方向转向z轴方向；

G_L：左轨轨距点相对测量基准的偏移；

G_R：右轨轨距点相对测量基准的偏移；

V_L：左轨顶面顶点相对测量基准的偏移；

V_R：右轨顶面顶点相对测量基准的偏移；

x_incl：检测梁纵向倾角；

y_incl：检测梁横向倾角；

ω_x：检测梁的滚动角速率；

ω_z：检测梁的摇头角速率；

acc_y：检测梁的横向加速度(横向加速度测量值)；

acc_L：检测梁左垂向加速度计获得的垂向加速度(垂向加速度测量值)；

acc_R：检测梁右垂向加速度计获得的垂向加速度(垂向加速度测量值)；

C-C：左右轨轨顶面中心点之间的距离，1500mm；

h_t：惯性平台相对于轨距测量线的垂直高度；

A_L：左垂向加速度计安装位置相对梁中心的距离；

A_R：右垂向加速度计安装位置相对梁中心的距离。

二、检测项目及测量原理

(一)轨距检测

1、所需传感器

左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、第一陀螺仪、第二陀螺仪。

2、测量原理

如图2所示，图2为轨距测量示意图。图中各符号注释如下：

G：左右轨之间的距离；

G_L(G_R)：左(右)轨轨顶面下16mm处点到左(右)激光传感器出光孔的横向距离值。

D：左激光传感器与右激光传感器安装在检测梁上后出光点间的距离。

θ_bt：检测梁平面相对轨道平面的夹角。

P_L(P_R)：左(右)侧轨距测量点；

β_L(β_R)：左(右)侧轨距测量点与左(右)激光传感器出光孔连线与轨道平面的夹角；

y_L(y_R)—左(右)侧轨距测量点与左(右)激光传感器出光孔连线长度；

ε_L(ε_R)—左(右)激光传感器与轨道平面的夹角初始值；

轨距检测系统采用2个高精度二维激光扫描传感器完成左右钢轨断面轮廓采集。2个传感器固定在同一个检测梁，分别位于钢轨内侧。线型激光源发射的激光在钢轨表面形成一条激光带，其反射光被与激光源成一定角度安装的二维CMOS阵列接收，经数据处理单元后可得到钢轨断面轮廓在水平和垂直平面上的坐标。

通过轨道截面轮廓线求解左右轨内侧距离轨面顶端16mm的点，将这两点作为轨距测量点P_L以及P_R，左右轨之间的距离通过公式(1)求解得到：

G＝G_L+D*cos(θ_bt)+G_R (1)。

(二)高低检测

1、所需传感器

左垂向加速度计、右垂向加速度计、左激光传感器、右激光传感器、第一陀螺仪、第二陀螺仪。

2、测量原理：

高低指钢轨顶面纵向起伏变化。轨道高低不平顺由两部分组成：第一部分检测梁在惯性测量单元坐标系中的位移h₁，该位移h1由左垂向加速度计、右垂向加速度计求解得到；另外一部分为检测梁移动后与轨道平面之间的距离h₂，该距离h2由左激光传感器、右激光传感器求解得到。轨道高低不平顺h通过以下公式求解得到：

h＝h₁-h₂ (2)

如图3所示，图3为高低测量原理图。

3、高低测量算法：

3.1、获得检测梁位移“h₁”

检测梁左右两侧的高低不平顺的求解方法相同，这里只对左侧高低不平顺进行介绍。

检测梁左端安装垂向加速度传感器，测量检测梁左垂向加速度计获得的加速度acc_L，通过公式(3)求检测梁在左垂向加速度计位置的加速度α_L：

式中，gcosθ_b为重力加速度对左垂向加速度计的影响，为检测梁滚动引起的分量值。

然后，通过对加速度二次积分得到检测梁左侧垂向位移Z_b，检测梁相对于地面的倾角θ_b，如公式(4)：

z_b＝∫∫a_Ldt (4)

最后，通过公式(5)求得位移h1：

h₁＝z_b*cos(θ_bt) (5)

3.2、获得检测梁与轨顶面之间距离“h₂”

3.2.1、求解ξ_R和ξ_L

ξ_L,ξ_R为左右侧轨顶点H_L(H_L(x)，H_L(y))，H_R(H_R(x)，H_R(y))与左右激光传感器出光孔连线与轨道平面的夹角，如图4所示，图4为ξ_L,ξ_R的求解示意图。

求解公式如下所示：

θ＝a tan(H_L(x)/H_L(y)) (6)

ξ_L＝ε_L-θ (7)

3.2.3、求解h₂

利用三角关系求解得到h₂，公式如下：

3.3、获得轨道高低不平顺

最后求解得到轨道高低不平顺表达式：

(三)轨向检测

1、所需传感器

横向加速度计、陀螺仪、横向倾角仪、左激光传感器、右激光传感器。

2、测量原理

轨向指钢轨内侧面轨距点沿轨道纵向水平位置的变化。如图5所示，图5为轨向检测原理图。轨向的测量采用惯性基准原理与图像测量原理。轨向测量包括两个部分：一部分是安装于检测梁中央位置的横向加速度计，用于测量检测梁中心惯性位移。另一部分是测量检测梁移动后与轨之间的距离由图像处理获得。换算公式为：

左轨向Ly_L＝y_b-G_L-C_L (10)

右轨向Ly_R＝y_b+G_R+C_R (11)

式子中，y_b为检测梁中心位移，通过数值积分求解得到，G_L(G_R)为左(右)轨轨顶面下16mm处点到左(右)激光传感器出光孔的横向距离值，C_L、C_R分别表示横向加速度计到左右激光传感器的距离。

3、轨向不平顺测量算法

3.1、获取检测梁中心横向位移“y_b”

检测梁中心安装横向加速度传感器，测量检测梁横向加速度acc_y，通过公式(12)求解希望得到的检测梁横向运动加速度α_V:

其中，gsin(θ_b)为横向加速度计感受到的重力分量，为检测梁侧滚运动产生的加速度。

由于转向架的振动使得检测梁产生相应的振动，通过对检测梁上安装的陀螺仪进行修正由转向架振动使得检测梁产生的相应振动。检测梁中心的横向位移y_b通过下式求解得到：

y_b＝∫∫a_Vdt*cos(θ_bt) (13)

3.2、求解d_L以及d_R(左右轨轨顶面下16mm处点到安装在轨道检测梁左右侧的2D激光传感器出光孔的横向距离值)。

通过分析可知：

d_L＝G_L；d_R＝G_R (14)

3.3、求解C_L、C_R(横向加速度计到左右激光传感器的距离)

3.4、轨向不平顺求解

最后求解得到轨向不平顺表达式：

左轨向：

(四)水平超高检测

1、所需传感器以及安装位置：

第一陀螺仪、第二陀螺仪、纵向倾角仪INCL、横向倾角仪INCL。

2、测量原理

水平超高定义为轨道同一横断面内两钢轨顶面高度差。曲线上的水平称为超高，如图6所示，图6为水平不平顺定义图解。

3、水平超高检测

如图7所示，图7为水平超高测量原理图。倾角仪INCL用来测量车体侧滚角低频分量θ_cL，惯性测量单元侧滚角增量ROLL用来测量高频分量θ_cH。θ_cL和θ_cH之和为θ_c。利用高低不平顺数值测量车体与轨道相对滚动角θ_ct(车体与轮轴间的相对夹角，即θ_bt)，二者结合计算出轨道倾角θ_t，由θ_t和两轨中心线间距离计算出水平值。

3.1、求解θ_ct(转向架与轨道相对滚动角)

车体与轨道相对滚动角求解公式。

3.2求解车体相对地垂线的滚动角θ_c

车体相对地垂线的滚动角由两部分组成：倾角仪用来测量车体侧滚角低频分量θ_cL；陀螺仪用来测量车体侧滚角高频分量θ_cH(陀螺仪输出的为车体振动角速率，积分得到侧滚角高频)。

θ_CL＝y_incl (17)

θ_CH＝∫ω_Xdt (18)

θ_c＝θ_CL+θ_CH (19)

3.3、求解轨道倾角θ_t

轨道倾角θ_t由θ_bt(检测梁平面相对轨道平面的夹角)以及θ_c(车体相对地垂线的滚动角)求解得到：

θ_t＝θ_c-θ_bt (20)

3.4、水平超高求解

通过以上公式可得：

Z＝G×sin(θ_t) (21)

(五)扭曲(三角坑)检测原理

扭曲反映了钢轨顶面的平面性。如图8，图8为扭曲测量原理图，设轨顶a、b、c、d四个点不在一个平面上，c点到a、b、d三个点组成的平面的垂直距离h为扭曲值。扭曲会使车轮抬高面悬空，使车辆产生三点支撑一点悬空，极易造成脱轨掉道。扭曲值Ha为：

Ha＝(a-b)-(c-d)＝Δh₁-Δh₂ (22)

Δh₁、Δh₂为轨道横断面Ⅰ－Ⅰ与断面Ⅱ－Ⅱ的水平值，Δh₁-Δh₂指基长为L的两个水平值之差，基长L为断面Ⅰ－Ⅰ与断面Ⅱ－Ⅱ之间的距离。如前所述，水平已经测出，所以只有按规定基长取两断面水平差即可计算出扭曲值。基长L可设定为任意定值，也可以按照规定步距(如0.25m的采样间距)连续地计算许多基长的扭曲值。

(六)曲率检测原理

1、所需传感器

陀螺仪

2、测量原理

曲率定义为一定弦长的曲线轨道(30m)所对应的圆心角θ(°/30m)。曲率是轨检车采集摇头陀螺输出数据，并考虑轨检车行车速度、重力等因素进行修正，进行运算求解得到的。度数大则曲率大，半径小；反之，度数小则曲率小，半径大，通过下式求解得到：

1/R＝(1/15)*sin(θ/2) (23)

曲率可以用列车走行的单位距离内轨道的方向角变化来表示

由此，在得到列车运行速度的前提下，便可计算出轨道的曲率或者曲率半径。

(七)钢轨垂直以及侧面磨耗测量

1、所需传感器

左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪。

2、测量原理

激光传感器向钢轨内侧投射垂直于钢轨纵轴方向的光平面，从而在钢轨表面形成一条测量光条。激光传感器可以直接获得测量光条在光平面坐标系下坐标。

把测量坐标系中的测量轮廓与标准轨形数据进行匹配，最后根据磨耗定义求解磨耗值。

3、测量算法

轨的垂直磨耗W_v在钢轨顶面1/3宽处测量；轨的侧面磨耗W_h在距轨顶下方16mm处测量，如图9所示，图9为轨磨耗测量示意图。从而计算出总磨耗：

W＝W_v+W_h/2 (26)。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在检测梁上安装左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪、横向加速度计、左垂向加速度计、右垂向加速度计，所述纵向为X轴方向，即车体的行进方向，所述横向为Y轴方向，所述垂向为Z轴方向，所述左激光传感器、右激光传感器均为二维激光传感器；

S2、进行以下测量：

a、利用左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪进行轨距检测；

b、利用左垂向加速度计、右垂向加速度计、左激光传感器、右激光传感器、陀螺仪进行高低检测；

c、利用横向加速度计、陀螺仪、横向倾角仪、左激光传感器、右激光传感器进行轨向检测；

d、利用陀螺仪、纵向倾角仪、横向倾角仪进行水平超高检测；

e、进行扭曲检测；

f、利用陀螺仪进行曲率检测；

g、利用左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪进行轨垂直以及侧面磨耗测量。

2.根据权利要求1所述的基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，其特征在于，所述检测梁包括左垂向梁、横梁、右垂向梁，所述左垂向梁设于左轨上方，右垂向梁设于右轨上方，横梁的两端分别与左垂向梁和右垂向梁的上端连接；

所述左激光传感器、左垂向加速度计设于左垂向梁中且左垂向加速度计位于左激光传感器上方；所述纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪、横向加速度计设于横梁中且位于横梁中央，所述右激光传感器、右垂向加速度计设于右垂向梁中且右垂向加速度计位于右激光传感器上方。

3.根据权利要求2所述的基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，其特征在于，所述轨距检测的具体方法为：

通过轨道截面轮廓线求解左右轨内侧距离轨面顶端16mm的点，将这两点作为轨距测量点P_L以及P_R，左右轨之间的距离通过公式(1)求解得到：

G＝G_L+D*cos(θ_bt)+G_R (1)

其中，G_L为左轨轨顶面下16mm处到左激光传感器出光孔的横向距离值，G_R为右轨轨顶面下16mm处到右激光传感器出光孔的横向距离值，D为左激光传感器与右激光传感器安装在检测梁上后出光点间的距离，θ_bt为检测梁平面相对轨道平面的夹角。

4.根据权利要求2所述的基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，其特征在于，所述高低检测的具体方法为：

a1、求解检测梁在惯性测量单元坐标系中位移h1，该位移h1由左垂向加速度计、右垂向加速度计求解得到；

首先，测量检测梁左垂向加速度计获得的加速度αcc_L，然后通过公式(3)求检测梁在左垂向加速度计位置的加速度α_L，右垂向加速度计位置的加速度同理求得：

<mrow> <mi>a</mi> <mo>_</mo> <mi>L</mi> <mo>=</mo> <mi>a</mi> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mo>_</mo> <mi>L</mi> <mo>-</mo> <mi>g</mi> <mi> </mi> <msub> <mi>cos&amp;theta;</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>A</mi> <mi>L</mi> </msub> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msup> <mi>dt</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，gcosθ_b为重力加速度对左垂向加速度计的影响，为检测梁滚动引起的分量值，AL为左垂向加速度计相对检测梁中心的距离；

然后，通过对加速度二次积分得到检测梁左侧垂向位移Z_b，检测梁相对于地面的倾角θ_b，如公式(4)：

z_b＝∫∫a_Ldt (4)

最后，通过公式(5)求得位移h1：

h₁＝z_b*cos(θ_bt) (5)

其中，θ_bt为检测梁平面相对轨道平面的夹角；

a2、测量检测梁移动后与轨道平面之间的距离h2，该距离h2由左激光传感器、右激光传感器求解得到，陀螺仪对二维振动补偿；

首先，求解ξ_R和ξ_L，ξ_L,ξ_R为左右侧轨顶点H_L(H_L(x)，H_L(y))，H_R(H_R(x)，H_R(y))与左激光传感器、右激光传感器出光孔连线与轨道平面的夹角，通过公式(6)和(7)求解ξ_L，ξ_R同理求解：

θ＝atan(H_L(x)/H_L(y)) (6)

ξ_L＝ε_L-θ (7)

其中，ε_L为左激光传感器与轨道平面的夹角初始值；

然后，利用三角关系求解得到h2，如公式(8)：

<mrow> <msub> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msub> <mi>H</mi> <mi>L</mi> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>L</mi> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>&amp;times;</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;xi;</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

a3、通过公式(2)求得高低不平顺h表达式；

<mrow> <mi>h</mi> <mo>=</mo> <mi>h</mi> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>h</mi> <mn>2</mn> <mo>=</mo> <msub> <mi>Z</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>*</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msqrt> <mrow> <msub> <mi>H</mi> <mi>L</mi> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>L</mi> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>*</mo> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;xi;</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>9</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>

5.根据权利要求2所述的基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，其特征在于，所述轨向检测的具体方法为:

b1、由横向加速度计测量检测梁中心惯性位移；

首先，测量检测梁横向加速度acc_y，通过公式(12)求解希望得到的检测梁横向运动加速度α_V，并由陀螺仪修正由转向架振动使得检测梁产生的相应振动:

<mrow> <mi>a</mi> <mo>_</mo> <mi>V</mi> <mo>=</mo> <mi>a</mi> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mo>_</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <mi>g</mi> <mi> </mi> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>t</mi> </msub> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msup> <mi>dt</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>12</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，gsin(θ_b)为横向加速度计感受到的重力分量，为检测梁侧滚运动产生的加速度，θ_b为检测梁相对于地面的倾角，h_t为惯性平台相对于轨距测量线的垂直高度；

其次，通过公式(13)求解检测梁中心的横向位移y_b：

y_b＝∫∫a_Vdt*cos(θ_bt) (13)

其中，θ_bt为检测梁平面相对轨道平面的夹角；

然后，通过公式(14)求解d_L、d_R：

d_L＝G_L；d_R＝G_R (14)

其中，G_L为左轨轨距点相对测量基准的偏移，G_R为右轨轨距点相对测量基准的偏移；

然后，通过公式(15)求解C_L、C_R，C_L、C_R分别表示横向加速度计到左右激光传感器的距离：

<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>R</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>D</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>15</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，D为左激光传感器、右激光传感器安装在检测梁上后出光点间的距离；

b2、测量检测梁移动后与轨之间的距离然后由图像处理获得，换算公式为公式(10)和(11)：

左轨向Ly_L＝y_b-G_L-C_L (10)

右轨向Ly_R＝y_b+G_R+C_R (11)

其中，y_b为检测梁中心位移，通过数值积分求解得到，C_L、C_R分别表示横向加速度计到左右激光传感器的距离；

轨向不平顺表达式如公式(16)：

左轨向：

其中，V_L为左轨顶面顶点相对测量基准的偏移，V_R为右轨顶面顶点相对测量基准的偏移。

6.根据权利要求2所述的基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，其特征在于，所述水平超高检测的具体方法为：

c1、由纵向倾角仪、横向倾角仪来测量车体侧滚角低频分量θ_cL，如公式(17)：

θ_CL＝y_incl (17)

其中，y_incl为检测梁横向倾角；

c2、陀螺仪测量车体侧滚角高频分量θ_cH，如公式(18)，然后求解车体相对地垂线的滚动角θ_c，如公式(19)：

θ_CH＝∫ω_Xdt (18)

θ_c＝θ_CL+θ_CH (19)

其中，ω_x为检测梁的滚动角速率；

c3、由公式(20)计算出轨道倾角θ_t：

θ_t＝θ_c-θ_bt (20)

其中，θ_bt为检测梁平面相对轨道平面的夹角；

c4、由θ_t和两轨中心线间距离计算出水平超高值，如公式(21)：

Z＝G×sin(θ_t) (21)

其中，G为左右轨之间的距离。

7.根据权利要求2所述的基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，其特征在于，所述扭曲检测的具体方法为：

首先，设轨顶a、b、c、d四个点不在一个平面上，c点到a、b、d三个点组成的平面的垂直距离Ha为扭曲值，通过公式(22)求解：

Ha＝(a-b)-(c-d)＝Δh₁-Δh₂ (22)

其中，Δh₁、Δh₂为轨道横断面Ⅰ－Ⅰ与断面Ⅱ－Ⅱ的水平值，Δh₁-Δh₂指基长为L的两个水平值之差，基长L为断面Ⅰ－Ⅰ与断面Ⅱ－Ⅱ之间的距离。

8.根据权利要求2所述的基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，其特征在于，所述曲率检测的具体方法为：

采集陀螺仪输出数据，根据行车速度、重力进行修正，并通过公式(23)、(24)、(25)求解曲率或者曲率半径：

1/R＝(1/15)*sin(θ/2) (23)

其中，θ为曲线轨道所对应的圆心角；

曲率可以用列车走行的单位距离内轨道的方向角变化来表示；

其中，ω_Z为检测梁的摇头角速率，υ为车速，为航向偏角；

在得到列车运行速度的前提下，便可计算出轨道的曲率或者曲率半径。

9.根据权利要求2所述的基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，其特征在于，所述轨垂直以及侧面磨耗测量的具体方法为：

首先，左激光传感器和右激光传感器获得测量光条在光平面坐标系下坐标；

然后，把测量坐标系中的测量轮廓与标准轨形数据进行匹配，最后根据磨耗定义求解磨耗值W，通过公式(26)求解：

W＝W_v+W_h/2 (26)

其中，W_v为轨的垂直磨耗，W_h为轨的侧面磨耗。