CN108020162B - 基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪及其使用方法 - Google Patents

基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪及其使用方法，所要解决的问题是减少轨距测量误差、提高测量精度和效率。该装置包括二维激光扫描传感器（以下简称传感器）、交换机、工控机、同步信号发生模块、RS232总线和支架，传感器、交换机、工控机和RS232总线依次通过以太网相连，传感器和工控机通过同步信号发生模块相连，传感器安装在支架两端，传感器激光扫描中心轴与轨检车前进方向垂直，传感器水平安装位置高于轨道测量面，支架水平安装在轨检车下。传感器的安装位置保证测量数据的稳定性和可靠性，可同时测量多组数据，传感器测量精度高，共同减少了测量误差，保证了测量精度；传感器可按轨检车行进速度实时测量，测量效率高。

Description

基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪及其使用方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其是规矩测量仪器设备技术领域。
背景技术
随着铁路客专线路的铺设与提速，以及城市轨道交通的大力建设，轨道状态的监测已成为线路正常运营的保障。为监测提供数据来源的轨道不平顺检测的频率也将大大增加。作为其参数之一，轨距检测一直都是一项重要内容。轨距变化将直接导致列车的卡道和脱轨，造成严重的经济损失和重大的交通事故。
轨距检测方式包括静态检测和动态检测两种。轨检仪是既有线平顺性静态检测的专用仪器。作为一种高精度的轨道几何参数检测仪，得到了各铁路局的广泛使用。其能够检测到的轨道几何参数包括：轨距，里程，水平，轨向及高低。轨距是指钢轨头部踏面下 16 mm处，两股钢轨工作边之间的距离。轨检仪分为 0 级、1 级两个准确度等级，0 级轨检仪用于测量线路允许速度不大于350 km / h 的铁路，其轨距的测量误差要求在0.3mm以内，1级轨检仪用于线路允许速度不大于 200 km/h的普通铁路，其轨距的测量误差要求在0. 5 mm以内。
由于轨检仪具有检测轨道几何参数多、测量误差较小的优点，得到了较广泛的应用，但是其静态检测带来的测量过程耗时耗力、测量效率低下的问题越来越不能满足当前市场的要求。
轨距动态检测是一个新的研究方向，其包括基于计算机视觉系统的非接触式轨距检测方法。根据检测要求，列车前进过程中，在轴承等设备的带动下，光电编码器发出脉冲信号，触发安装在左右轨道内侧的两台CCD工业相机，捕获包括照射在钢轨上的辅助光线的钢轨轮廓图像，通过数据采集卡传输到工控机内，经过图像细化等图像处理方法后，得到钢轨轮廓线上的轨距测量点。在世界坐标系中表示出左右钢轨测量点的坐标后，即可得到轨距参数。
基于计算机视觉系统的非接触式轨距检测方法解决了传统轨捡仪测量效率低下的问题，但是一方面其CCD工业相机受震动影响较大，增加了测量误差；另一方面实用摄影测量方法得到得到钢轨轮廓线上的轨距测量点存在较大误差。
发明内容
本发明所要解决的问题是减少轨距测量误差、提高测量精度和效率。
基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪，包括二维激光扫描传感器、交换机、工控机、同步信号发生模块、RS232总线和支架，二维激光扫描传感器、交换机、工控机和RS232总线依次通过以太网相连，二维激光扫描传感器和工控机通过同步信号发生模块相连，二维激光扫描传感器安装在支架两端，二维激光扫描传感器激光扫描中心轴与轨检车前进方向垂直，二维激光扫描传感器水平安装位置高于轨道测量面，支架水平安装在轨检车下。
优选地，二维激光扫描传感器激光扫描中心轴位于水平面上，且与轨检车行进方向垂直。
优选地，二维激光扫描传感器的安装位置：二维激光扫描传感器激光扫描中心点与轨道测量面最近点的连线与扫描中心轴所成夹角θ∈(0,π/6)。
二维激光扫描传感器的数量为两个，两二维激光扫描传感器激光扫描中心点的连线垂直于轨检车前进方向，设安装时两二维激光扫描传感器分别与各自同侧轨道水平方向相距d，二维激光扫描传感器的x轴扫描范围和z轴扫描范围分别为[x1, x2]、[z1，z2]，则d与θ需要满足如下关系：x1≤2dtanθ≤x2；z1≤d/cosθ≤z2。
优选地，同步信号发生模块为基于CPLD的同步信号发生模块。
优选地，支架包括左右固定架，左右固定架安装在轨检车下，二维激光扫描传感器对称安装在左右固定架上。
优选地，支架还包括水平横梁，水平横梁安装在左右固定架下，二维激光扫描传感器安装在水平横梁两端。
优选地，装置的使用方法：（1）、提取同时同位置两侧二维激光扫描传感器的最小测量值，设为a、b；（2）、提取最小测量值相应的测量点，获得上述测量点与二维激光扫描传感器扫描中心点的连线与扫描中心轴所成夹角，设为α、β；（3）、设两二维激光扫描传感器间距为c，轨距s=c+acosα+bcosβ。
优选地，支架的数量大于等于两组，相隔一定间距，以同样的高度和结构安装在轨检车下。此时装置的使用方法：（1）、提取同时同位置两侧二维激光扫描传感器的最小测量值，设为a、b；（2）、提取最小测量值相应的测量点，获得上述测量点与二维激光扫描传感器扫描中心点的连线与扫描中心轴所成夹角，设为α、β；（3）、设两二维激光扫描传感器间距为c，轨距s=c+acosα+bcosβ；（4）、按上述步骤获得各组支架的轨距s1、s1……sn，平均轨距s’ =（s1+s1+……+sn）。
二维激光扫描传感器的安装位置保证测量数据的稳定性和可靠性，安装多组支架和二维激光扫描传感器可同时测量多组数据，二维激光扫描传感器测量精度高，共同减少了测量误差，保证了测量精度；由于二维激光扫描传感器利用光学原理，读数延迟小，可按轨检车行进速度实时测量，测量效率高。
附图说明
图1是基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪结构示意图。
图2是基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪安装在轨检车下时的整体结构示意图。
图3是基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪原理示意图。
图4是二维激光扫描传感器位置设定原理示意图。
图5是基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪使用方法原理示意图。
图6是基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪安装有多组支架时的结构示意图。
图7是实施例2结构示意图。
图8是实施例2安装在轨检车下时的整体结构示意图。
图9是实施例2使用方法原理示意图。
图中1、二维激光扫描传感器；2、支架；3、固定架；4、横梁；5、轨道；6、轨检车。
具体实施方式
实施例1
如图1-3所示，基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪，包括二维激光扫描传感器、交换机、工控机、同步信号发生模块、RS232总线和支架，二维激光扫描传感器、交换机、工控机和RS232总线依次通过以太网相连，二维激光扫描传感器和工控机通过同步信号发生模块相连，二维激光扫描传感器安装在支架两端，二维激光扫描传感器激光扫描中心轴与轨检车前进方向垂直，二维激光扫描传感器水平安装位置高于轨道测量面，支架水平安装在轨检车下。装置工作过程：二维激光扫描传感器将测量数据经过交换机传输至工控机，由工控机完成数据采集、数据标定、尺度变化、数据处理和数据显示。为了保证支架两端的二维激光扫描传感器同步扫描，工控机通过RS232总线向同步信号发生系统发送同步命令，同步信号发生系统向两端的二维激光扫描传感器发送同步信号。
二维激光扫描传感器激光扫描中心轴位于水平面上，且与轨检车行进方向垂直。二维激光扫描传感器激光扫描中心轴的位置保证了二维激光扫描传感器激光扫描中心点与轨道测量面最近点的连线与扫描中心轴所成夹角θ∈(0,π/6)。
二维激光扫描传感器的安装位置：二维激光扫描传感器激光扫描中心点与轨道测量面最近点的连线与扫描中心轴所成夹角θ∈(0,π/6)。为了减少误差，同时保证测量数据的稳定可靠性，使得二维激光扫描传感器在一定的震动范围内始终保持在轨道测量面以上，θ应较大；另一方面为了给二维激光扫描传感器x轴扫描留下空间，避免扫描到的最近点位于轨距点以上，θ不应过大，权衡之下，将θ设置为该范围。
如图4、5所示，二维激光扫描传感器的数量为两个，两二维激光扫描传感器激光扫描中心点的连线垂直于轨检车前进方向，设安装时两二维激光扫描传感器分别与各自同侧轨道水平方向相距d，二维激光扫描传感器的x轴扫描范围和z轴扫描范围分别为[x1, x2]、[z1，z2]，则d与θ需要满足如下关系：x1≤2dtanθ≤x2；z1≤d/cosθ≤z2。例如，选用某二维激光扫描传感器x轴扫描范围[6, 980]mm；z轴扫描范围[5, 1400]mm，设夹角θ=π/6，代入不等式组：x1≤2dtanθ≤x2；z1≤d/cosθ≤z2，可求得d∈[3 QUOTE />，700 QUOTE /> />]mm，理论上d偏小时，二维激光扫描传感器比较接近铁轨，测量时受铁轨以外的干扰物影响较小；但d过小时，二维激光扫描传感器本身测量误差较大，同时由于轨检车的震动，轨道测量点有可能超出二维激光扫描传感器的测量范围，综合考虑两者，为了控制误差，因此d∈[30，200]mm较好。
同步信号发生模块为基于CPLD的同步信号发生模块。
二维激光扫描传感器对称安装在支架两端。支架包括左右固定架和水平横梁，水平横梁安装在左右固定架下，二维激光扫描传感器安装在水平横梁两端。
如图5所示，装置的使用方法：（1）、提取同时同位置两侧二维激光扫描传感器的最小测量值，设为a、b；（2）、提取最小测量值相应的测量点，获得上述测量点与二维激光扫描传感器扫描中心点的连线与扫描中心轴所成夹角，设为α、β；（3）、设两二维激光扫描传感器间距为c，轨距s=c+acosα+bcosβ。该测量轨距值与车载GPS定位数据相结合即是带有地理坐标的完整轨距值。
实施例2
如图6所示，基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪，包括二维激光扫描传感器、交换机、工控机、同步信号发生模块、RS232总线和支架，二维激光扫描传感器、交换机、工控机和RS232总线依次通过以太网相连，二维激光扫描传感器和工控机通过同步信号发生模块相连，二维激光扫描传感器安装在支架两端，二维激光扫描传感器激光扫描中心轴与轨检车前进方向垂直，二维激光扫描传感器水平安装位置高于轨道测量面，支架水平安装在轨检车下。
支架的数量大于等于两组，相隔一定间距，以同样的高度和结构安装在轨检车下。多组支架的有益效果是：轨检车一次行车即可同时完成多组轨距数据测量，求多组数据的平均值可减少测量误差。
装置的使用方法：（1）、提取同时同位置两侧二维激光扫描传感器的最小测量值，设为a、b；（2）、提取最小测量值相应的测量点，获得上述测量点与二维激光扫描传感器扫描中心点的连线与扫描中心轴所成夹角，设为α、β；（3）、设两二维激光扫描传感器间距为c，轨距s=c+acosα+bcosβ；（4）、按上述步骤获得各组支架的轨距s1、s1……sn，平均轨距s’ =（s1+s1+……+sn）。该测量轨距值与车载GPS定位数据相结合即是带有地理坐标的完整轨距值。由于各组支架的有一定的间距，为了保证各组支架测量位置点相同，位于轨检车较末端的支架上二维激光扫描传感器的测量时间要比相连较前端的慢一时间值，该时间值为上述两相邻支架之间的距离除以此时的车速，时间控制可通过工控机编程实现。
实施例3
与实施例1的主要区别在于二维激光扫描传感器的安装位置：二维激光扫描传感器激光扫描中心点与轨道测量面最近点的连线与扫描中心轴所成夹角θ=0。此时，轨距仪直接测量轨道工作面之间的距离，计算简单、误差小。但是要保证传感器不被损坏，对轨道有一定要求。
如图7-9所示，基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪，包括二维激光扫描传感器、交换机、工控机、同步信号发生模块、RS232总线和支架，二维激光扫描传感器、交换机、工控机和RS232总线依次通过以太网相连，二维激光扫描传感器和工控机通过同步信号发生模块相连，二维激光扫描传感器安装在支架两端，二维激光扫描传感器激光扫描中心轴与轨检车前进方向垂直，二维激光扫描传感器水平安装于轨道测量面中垂面上，支架水平安装在轨检车下。装置工作过程：二维激光扫描传感器将测量数据经过交换机传输至工控机，由工控机完成数据采集、数据标定、尺度变化、数据处理和数据显示。为了保证支架两端的二维激光扫描传感器同步扫描，工控机通过RS232总线向同步信号发生系统发送同步命令，同步信号发生系统向两端的二维激光扫描传感器发送同步信号。
二维激光扫描传感器激光扫描中心轴位于水平面上，且与轨检车行进方向垂直。同步信号发生模块为基于CPLD的同步信号发生模块。二维激光扫描传感器对称安装在支架两端。支架包括左右固定架和水平横梁，水平横梁安装在左右固定架下，二维激光扫描传感器安装在水平横梁两端。
支架的数量大于等于两组，相隔一定间距，以同样的高度和结构安装在轨检车下。多组支架的有益效果是：轨检车一次行车即可同时完成多组轨距数据测量，求多组数据的平均值可减少测量误差。
装置的使用方法：（1）、提取同时同位置两侧二维激光扫描传感器的最小测量值，设为a、b；（2）、设两二维激光扫描传感器间距为c，轨距s=c+a+b；（3）、按上述步骤获得各组支架的轨距s1、s1……sn，平均轨距s’ =（s1+s1+……+sn）。该测量轨距值与车载GPS定位数据相结合即是带有地理坐标的完整轨距值。由于各组支架的有一定的间距，为了保证各组支架测量位置点相同，位于轨检车较末端的支架上二维激光扫描传感器的测量时间要比相连较前端的慢一时间值，该时间值为上述两相邻支架之间的距离除以此时的车速，时间控制可通过工控机编程实现。
二维激光扫描传感器水平安装于轨道测量面中垂面上使得两侧二维激光扫描传感器的最小测量值即是各自与轨道测量面的距离，保证测量数据的直接性，安装多组支架和二维激光扫描传感器可同时测量多组数据，二维激光扫描传感器测量精度高，共同减少了测量误差，保证了测量精度；由于二维激光扫描传感器利用光学原理，读数延迟小，可按轨检车行进速度实时测量，测量效率高。

Claims (9)

1.基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪的使用方法，包括二维激光扫描传感器、交换机、工控机、同步信号发生模块、RS232总线和支架，二维激光扫描传感器、交换机、工控机和RS232总线依次通过以太网相连，二维激光扫描传感器和工控机通过同步信号发生模块相连，二维激光扫描传感器安装在支架两端，二维激光扫描传感器激光扫描中心轴与轨检车前进方向垂直，二维激光扫描传感器水平安装位置高于轨道测量面，支架水平安装在轨检车下，
其特征为：(1)、提取同时同位置两侧二维激光扫描传感器的最小测量值，设为a、b；(2)、提取最小测量值相应的测量点，获得上述测量点与二维激光扫描传感器扫描中心点的连线与扫描中心轴所成夹角，设为α、β；(3)、设两二维激光扫描传感器间距为c，轨距s＝c+acosα+bcosβ。
2.根据权利要求1中所述的基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪的使用方法，其特征为二维激光扫描传感器激光扫描中心轴位于水平面上，且与轨检车行进方向垂直。
3.根据权利要求2中所述的基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪的使用方法，其特征为二维激光扫描传感器的安装位置：二维激光扫描传感器激光扫描中心点与轨道测量面最近点的连线与扫描中心轴所成夹角θ∈(0,π/6)。
4.根据权利要求3中所述的基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪的使用方法，其特征为二维激光扫描传感器的数量为两个，两二维激光扫描传感器激光扫描中心点的连线垂直于轨检车前进方向，设安装时两二维激光扫描传感器分别与各自同侧轨道水平方向相距d，二维激光扫描传感器的x轴扫描范围和z轴扫描范围分别为[x1,x2]、[z1，z2]，则d与θ需要满足如下关系：x1≤2dtanθ≤x2；z1≤d/cos
θ≤z2。
5.根据权利要求1中所述的基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪的使用方法，其特征为同步信号发生模块为基于CPLD的同步信号发生模块。
6.根据权利要求1中所述的基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪的使用方法，其特征为支架包括左右固定架，左右固定架安装在轨检车下，二维激光扫描传感器对称安装在左右固定架上。
7.根据权利要求6中所述的基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪的使用方法，其特征为支架还包括水平横梁，水平横梁安装在左右固定架下，二维激光扫描传感器安装在水平横梁两端。
8.根据权利要求1中所述的基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪的使用方法，其特征为支架的数量大于等于两组，相隔一定间距，以同样的高度和结构安装在轨检车下。
9.根据权利要求8中所述的基于二维激光扫描与三角原理的轨距仪的使用方法，其特征为装置的使用方法：按上述步骤获得各组支架的轨距s1、s1……sn，平均轨距s’＝(s1+s1+……+sn)。
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