CN107782335A - 一种非接触式线路检测系统惯导与激光测距仪自标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高速铁路线路检测技术领域，具体涉及一种非接触式线路检测系统惯导与激光测距仪自标定方法。本发明的方法包括以下步骤：步骤1，定义坐标系；步骤2、激光测距仪仪器坐标系到惯导载体坐标系转换角度的标定；步骤3、激光测距仪仪器坐标系原点到惯导载体坐标系原点距离的标定。本发明解决了现有的激光测距仪和惯导系统的标定方法和标定过程复杂，增加了系统成本的技术问题，所提出的标定方法，对激光测距仪的标定要求简单，根据激光测量信息以及惯导系统的姿态信息计算得到激光测量坐标系相对于惯导载体坐标系的转换角度，以及激光测量坐标原点相对于惯导载体坐标系原点的距离，标定方法和标定过程简单，不会额外增加系统成本。

Description

一种非接触式线路检测系统惯导与激光测距仪自标定方法

技术领域

本发明属于高速铁路线路检测技术领域，具体涉及一种非接触式线路检测系统惯导与激光测距仪自标定方法。

背景技术

为保障轨道交通的运营安全，近年来，轨道精密检测技术得到快速发展，多个国家投入了大量的人力物力来研制和更新各种轨道检测方法，以满足当今铁路高速和重载的要求。由于车载式动态检测方式对正常运营影响小、效率高、速度快，且真实地反映了在列车运行条件下的基础设施状态，已经成为铁路和城轨交通基础设施安全状态的主要检测手段之一。

目前，世界大多数国家的铁路轨道检测方法都经历了由弦测法到惯性基准法的转变，尤其在高速铁路检测领域，各个国家都在着力研制基于惯性技术的综合性强、精度高、速度快、高智能且高可靠性的先进线路检测方法。如美国Ensco公司研制的T10型轨检车就采用了惯性基准测量原理和非接触式测量方法，可以对轨道几何参数，钢轨断面、波浪磨耗等参数进行测量，其最高检测速度可达192km/h。意大利“阿基米德”号综合检测列车同样采用能够检测包括轨道几何参数、钢轨断面、钢轨波浪磨耗、接触网及受流状态、通信和信号、车体和轴箱加速度以及轮轨作用力在内的119个不同参数。法国MVG综合检测列车，检测速度设计为320km/h，检测参数包括了轨道几何参数、钢轨断面、钢轨表面、通信信号、线路环境数字图像、扣件、枕木和道碴等各项基础设施状态。我国GJ-3型、GJ-4型以及GJ-5型轨道检测车均采用基于惯性技术的线路检测方法，其中GJ-5型轨道检测车最高测量时速可达180km/h。从国内外的技术发展来看，在高速环境下，基于惯性技术的非接触式测量是普遍采用的方式，主要是根据惯性测量单元的空间运动轨迹，结合激光测距仪的测量信息得到整条检测线路的轨迹，进而可以检测其轨距、轨向、高低、超高等轨道检测项目。

采用基于惯性/激光测量的非接触式轨道线路检测系统在进行轨道几何参数检测前需要对激光测距仪与惯导系统的安装关系进行标定。受车底安装空间以及检测方式的限制，激光测距仪与惯导载体坐标系、导航坐标系存在多个自由度变换。对激光图像进行多自由度坐标变换是基于惯性/激光测量线路检测系统的难点之一。常见的激光测距仪标定方法有立体靶标标定法、基于标定板的共面标定法等。立体靶标标定法采用空间形状已知的立体物体作为激光切面投射面，获取靶标图像特征点进行标定，但图像特征不够明显，高精度提取难度大。采用标定板进行共面标定，图像特征明显、易于提取，除标定点数量可控制外，还可以综合考虑镜头畸变，但标定过程较为复杂，并且增加了系统成本。

发明内容

本发明需要解决的技术问题为：现有的激光测距仪和惯导系统的标定方法和标定过程复杂，增加了系统成本。

本发明的技术方案如下所述：

一种非接触式线路检测系统惯导与激光测距仪自标定方法，包括以下步骤：

步骤1，定义坐标系

惯导载体坐标系(b)——Ox_by_bz_b

惯导载体坐标系选取前上右坐标系，原点为惯导系统中心，滚动轴x_b沿载体纵向向前，航向轴y_b垂直于载体纵向指上，俯仰轴z_b垂直于载体纵向指右；

激光测距仪仪器坐标系(m)——Ox_my_mz_m

激光仪器坐标系原点为初次试验前，人工标定的钢轨附近任意空间的一点，y_m轴从坐标原点指向激光测距仪，z_m轴垂直于y_m轴指向钢轨内侧，x_m轴垂直于y_m、z_m所成平面沿钢轨纵向向前；

导航坐标系(n)──Ox_ny_nz_n

选取北天东地理坐标系为导航坐标系，原点与惯导载体坐标系原点重合，x_n轴指向北向，y_n轴沿垂直方向指向天向，z_n轴指向东向；

步骤2、激光测距仪仪器坐标系到惯导载体坐标系转换角度的标定

激光仪器坐标系到惯导载体坐标系的转换矩阵通过下式计算：

其中，A为激光仪器坐标系到惯导载体坐标系的转换角度，

A＝γ₁-γ

y'、z'分别为钢轨上某特征点在激光测距仪仪器坐标系下的坐标，通过激光测距仪的输出计算得到，γ为惯导系统输出的滚动角；

步骤3、激光测距仪仪器坐标系原点到惯导载体坐标系原点距离的标定

激光仪器坐标系的原点到惯导载体坐标系原点的距离L通过下式计算：

其中，y₀为惯导载体坐标系原点到钢轨轨顶点的垂向距离，z₀为惯导载体坐标系原点到到轨距点的横向距离，y₀和z₀在惯导系统安装时已知；y_b'为轨顶点在激光仪器坐标系下的坐标y'转换到惯导载体坐标系后，在y_b轴上的坐标，也即惯导载体坐标系下轨顶点相对于激光坐标原点的垂向距离；z_b'为轨距点在激光仪器坐标系下的坐标z'转换到惯导载体坐标系后，在z_b轴上的坐标，也即惯导载体坐标系下轨距点相对于激光坐标原点的横向距离。

本发明的有益效果为：

本发明提出的标定方法，对激光测距仪的标定要求简单，根据激光测量信息以及惯导系统的姿态信息计算得到激光测量坐标系相对于惯导载体坐标系的转换角度，以及激光测量坐标原点相对于惯导载体坐标系原点的距离，标定方法和标定过程简单，不会额外增加系统成本。

附图说明

图1为激光测距仪与惯导系统安装关系示意图。

具体实施方式

受车底安装空间以及检测方式的限制，激光测量仪器坐标系与惯导载体坐标系存在多个自由度变换，激光测量信息为激光仪器坐标系下钢轨的位置信息，惯性测量信息为惯导载体坐标系和导航坐标系下的位置姿态信息。一种非接触式线路检测系统惯导与激光测距仪自标定方法主要是根据钢轨廓型以及惯导姿态信息计算得到激光测量坐标系到惯导载体坐标系的转换矩阵，结合检测系统的结构设计尺寸计算得到激光测量仪器坐标系原点到载体坐标系原点的距离。根据计算得到的激光仪器坐标系到惯导载体坐标系的转换矩阵以及激光测量坐标原点到惯性测量坐标原点的距离可以求得钢轨在惯导载体坐标系下的坐标。再结合惯导的姿态信息以及惯导的位置信息可以求得钢轨在导航坐标系的位置信息，进而可以求得整条线路的轨迹，便于后续进行轨距、轨向、高低、超高等轨道几何参数的检测。

坐标系定义如下：

惯导载体坐标系(b)——Ox_by_bz_b

惯导载体坐标系选取前上右坐标系，原点为惯导系统中心，滚动轴x_b沿载体纵向向前，航向轴y_b垂直于载体纵向指上，俯仰轴z_b垂直于载体纵向指右。

激光测距仪仪器坐标系(m)——Ox_my_mz_m

激光仪器坐标系原点为初次试验前，人工标定的钢轨附近任意空间的一点，y_m轴从坐标原点指向激光测距仪，z_m轴垂直于y_m轴指向钢轨内侧，x_m轴垂直于y_m、z_m所成平面沿钢轨纵向向前。

导航坐标系(n)──Ox_ny_nz_n

选取北天东地理坐标系为导航坐标系，原点与惯导载体坐标系原点重合，x_n轴指向北向，y_n轴沿垂直方向指向天向，z_n轴指向东向。

1、激光测距仪仪器坐标系到惯导载体坐标系转换角度的标定

激光测距仪与惯导系统的安装关系如图1所示，由于激光测量数据为激光仪器坐标系下的钢轨相对于激光测距仪的距离信息，为了能够最大范围的覆盖钢轨的廓型，激光测距仪在安装时相对于惯导系统存在一个固定的安装角度，为了能够挑选出轨道特征点并且将激光测量数据与惯性测量结果进行融合，需要将激光测量数据转换到惯导载体坐标系。激光测距仪与惯导系统刚性固连安装于检测车底部，检测车在行驶过程中激光测距仪与惯导系统安装关系不变，因此激光仪器坐标系到惯导载体坐标系的转换角度A也固定不变。则：

A＝γ₁-γ

其中，y'、z'分别为钢轨上某特征点在激光测距仪仪器坐标系下的坐标，该计算方法为本领域公知方法，γ为惯导系统输出的滚动角。

根据转换角度A可以得到激光仪器坐标系到惯导载体坐标系的转换矩阵

根据转换矩阵可以将钢轨在激光仪器坐标系中的坐标转换到惯导载体坐标系，再结合钢轨廓型就可以选取出轨顶、轨距两个钢轨特征点。

2、激光测距仪仪器坐标系原点到惯导载体坐标系原点距离的标定

惯导载体坐标系坐标原点为惯导系统中心，激光仪器坐标系原点为初次试验前人工标定的钢轨附近任意空间的一点。激光仪器坐标系原点到惯导载体坐标系原点的距离很难通过人工测量获得，需要根据检测系统的设计值以及激光测量坐标进行标定。由于激光测距仪与惯导系统刚性固连安装，因此激光仪器坐标系原点与惯导载体坐标系原点的距离也固定不变。

同样利用轨道检测车停车时的测量数据标定激光仪器坐标系原点到惯导载体坐标系原点的距离，如图1所示，惯导载体坐标系原点到钢轨轨顶点的垂向距离y₀以及到轨距点的横向距离z₀根据设计值准确已知，利用标定得到的激光仪器坐标系到惯导载体坐标系的转换角度能够求得轨顶、轨距两个特征点在惯导载体坐标系下的坐标。若y_b'为轨顶点在激光仪器坐标系下的坐标y'转换到惯导载体坐标系后，在y_b轴上的坐标，也即惯导载体坐标系下轨顶点相对于激光坐标原点的垂向距离；z_b'为轨距点在激光仪器坐标系下的坐标z'转换到惯导载体坐标系后，在z_b轴上的坐标，也即惯导载体坐标系下轨距点相对于激光坐标原点的横向距离。将两者的坐标相减即可得到激光仪器坐标系原点在惯导载体坐标系下的坐标表示，即：

根据激光坐标原点在惯导载体坐标系的坐标即可求得激光仪器坐标系的原点到惯导载体坐标系原点的距离L

3、激光测距仪与惯导系统数据融合

根据标定得到激光仪器坐标系到惯导载体坐标系的转换矩阵可以将激光测量坐标转换到惯导载体坐标系，结合钢轨廓型可以挑选出轨顶、轨距两个钢轨特征点。根据激光坐标原点到惯导载体坐标原点的距离可以得到轨顶、轨距两个特征点相对于惯导载体系坐标原点的距离。

在惯导载体坐标系下，钢轨特征点相对于惯导载体坐标原点的距离表示为：

L^b＝[0 y+y₁ z+z₁]^T

式中，y、z分别为激光仪器坐标系原点在惯导载体坐标系下的y_b轴、z_b轴坐标，y₁、z₁分别为激光测距仪测量得到的钢轨特征点的坐标转换到惯导载体坐标系下y_b轴、z_b轴上的坐标。

根据惯导系统所输出的姿态角可以求出惯导载体坐标系到导航坐标系的状态转移矩阵

式中，γ、ψ、分别表示惯导系统所输出的横滚角、航向角以及俯仰角。根据状态转移矩阵能够求出钢轨特征点相对于惯导载体坐标系原点的距离在导航坐标系下的坐标表示：

根据钢轨特征点相对于惯导中心的距离，结合惯导的位置可以求出钢轨的位置：

式中，h_G、λ_G分别为表示钢轨特征点的纬度、高度、经度，h_IMU、λ_IMU分别表示惯导系统的纬度、高度、经度。

根据钢轨特征点的位置即可得到整条线路的轨迹，进而可以根据相关轨道检测标准对整条线路进行检测。

Claims (1)

1.一种非接触式线路检测系统惯导与激光测距仪自标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，定义坐标系

惯导载体坐标系(b)——Ox_by_bz_b

惯导载体坐标系选取前上右坐标系，原点为惯导系统中心，滚动轴x_b沿载体纵向向前，航向轴y_b垂直于载体纵向指上，俯仰轴z_b垂直于载体纵向指右；

激光测距仪仪器坐标系(m)——Ox_my_mz_m

激光仪器坐标系原点为初次试验前，人工标定的钢轨附近任意空间的一点，y_m轴从坐标原点指向激光测距仪，z_m轴垂直于y_m轴指向钢轨内侧，x_m轴垂直于y_m、z_m所成平面沿钢轨纵向向前；

导航坐标系(n)──Ox_ny_nz_n

选取北天东地理坐标系为导航坐标系，原点与惯导载体坐标系原点重合，x_n轴指向北向，y_n轴沿垂直方向指向天向，z_n轴指向东向；

步骤2、激光测距仪仪器坐标系到惯导载体坐标系转换角度的标定

激光仪器坐标系到惯导载体坐标系的转换矩阵通过下式计算：

<mrow> <msubsup> <mi>C</mi> <mi>m</mi> <mi>b</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>A</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>A</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>A</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>A</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>;</mo> </mrow>

其中，A为激光仪器坐标系到惯导载体坐标系的转换角度，

A＝γ₁-γ

<mrow> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>arctan</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msup> <mi>y</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <msup> <mi>z</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

y'、z'分别为钢轨上某特征点在激光测距仪仪器坐标系下的坐标，通过激光测距仪的输出计算得到，γ为惯导系统输出的滚动角；

步骤3、激光测距仪仪器坐标系原点到惯导载体坐标系原点距离的标定激光仪器坐标系的原点到惯导载体坐标系原点的距离L通过下式计算：

<mrow> <mi>L</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>z</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>,</mo> </mrow>

<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>y</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msup> <msub> <mi>y</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>z</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>z</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msup> <msub> <mi>z</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>,</mo> </mrow>

其中，y₀为惯导载体坐标系原点到钢轨轨顶点的垂向距离，z₀为惯导载体坐标系原点到到轨距点的横向距离，y₀和z₀在惯导系统安装时已知；y_b'为轨顶点在激光仪器坐标系下的坐标y'转换到惯导载体坐标系后，在y_b轴上的坐标，也即惯导载体坐标系下轨顶点相对于激光坐标原点的垂向距离；z_b'为轨距点在激光仪器坐标系下的坐标z'转换到惯导载体坐标系后，在z_b轴上的坐标，也即惯导载体坐标系下轨距点相对于激光坐标原点的横向距离。