CN108082210A - 一种具有传感器组合的轨道自动测量车 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有传感器组合的轨道自动测量车，包括车体，所述车体上安装有用于实时采集车体运行姿态数据的IMU单元、用于实时采集车体定位和同步授时数据的双天线GPS单元、用于实时采集轨距数据的轨距传感器单元、用于实时采集双边里程数据的里程传感器单元、用于测量车体的初始静态姿态的倾角传感器单元以及用于标定车体的里程初始位置和记录上下道位置的激光对点传感器单元。本发明集成度高，多个传感器单元可以进行同步化数据采集，数据采集全面，采集效率高。

Description

一种具有传感器组合的轨道自动测量车

技术领域

本发明涉及既有线铁路轨道检测的技术领域，尤其涉及一种具有传感器组合的轨道自动测量车。

背景技术

2008年8月，时速达350km的京津城际客运专线的建成通车，标志着中国铁路已经跻身世界高速铁路发达行列，实现了铁路运输设备现代化、控制与管理科学化、检测与故障诊断智能化等安全保障技术的重大突破。高速铁路轨道安全检测技术成为实现高速铁路运输安全的基础。

我国对轨道几何状态的测量研究，最初是为解决普通铁路的轨道形位病害，采用的是相对测量方式的轨检仪，测量效率虽高，却不易解决测量精度和可靠性问题，其测量精度不能满足高速铁路轨道平顺性的要求。因此京津、武广、郑西等最初建设的高速铁路，主要依靠进口设备，采用绝对测量模式进行轨道几何状态的测量。随着我国高速铁路建设的大规模实施，国内开始生产轨道几何状态检测小车并在高速铁路建设中应用。

传统轨道测量小车，多局限于静态或低速测量，且集成传感器较少，功能单一，采集轨道的完整数据要用到多台仪器或设备的多次测量，而且后续需要人工数据整合，效率低，可靠性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有传感器组合的轨道自动测量车，旨在用于解决现有的轨道测量小车多局限于静态或低速测量，且集成传感器较少，功能单一的问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种具有传感器组合的轨道自动测量车，包括车体，其特征在于：所述车体上安装有用于实时采集车体运行姿态数据的IMU单元、用于实时采集车体定位和同步授时数据的双天线GPS单元、用于实时采集轨距数据的轨距传感器单元、用于实时采集双边里程数据的里程传感器单元、用于测量车体的初始静态姿态的倾角传感器单元以及用于标定车体的里程初始位置和记录上下道位置的激光对点传感器单元。

进一步地，所述IMU单元安装于所述车体的重心位置附近，所述IMU单元包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪。

进一步地，所述车体包括主体单元以及可分别行走于列车左、右轨道上的左行走单元与右行走单元，所述右行走单元上设有第一测量定位轮组件，所述左行走单元上设有第二测量定位轮组件，第一测量定位轮组件与右行走单元对应单轨内表面接触，第二测量定位轮组件与左行走单元对应的单轨内表面接触，所述轨距传感器单元包括固定部与活动部，所述固定部位于所述主体单元靠近所述右行走单元一侧，所述活动部位于所述主体单元靠近左行走单元一侧，且所述活动部与所述第二测量定位轮组件随动连接。

进一步地，所述轨距传感器单元包括高精度电阻式传感器、变送器以及高速高精度模数转换器，所述高精度电阻式传感器与所述变送器电连接，所述变送器与所述高速高精度模数转换器电连接。

进一步地，还包括用于将所述第二测量定位轮组件水平抵压至与轨道内表面滚动接触的压紧组件。

进一步地，所述左行走单元和所述右行走单元均包括可滑行于列车轨道上且可监测行走里程的里程测量轮，所述里程传感器单元包括分别安装于左、右里程测量轮的两个里程传感器，所述里程传感器单元包括旋转编码器，所述旋转编码器通过联轴器与对应的里程测量轮连接。

进一步地，所述车体上还安装有用于实时采集轨道两侧附属结构与轨道之间的距离数据的激光测距传感器单元，所述激光测距传感器单元包括分别安装于车体左右两侧的两个激光测距传感器。

进一步地，所述车体上还安装有用于实时采集轨道两侧附属结构图像数据的双图像传感器单元，所述双图像传感器单元包括分别朝向轨道左右两侧的两个图像传感器。

进一步地，所述倾角传感器单元安装于车体重心位置附近。

进一步地，所述激光对点传感器单元包括分别固定于车体左右两侧的两个激光对点传感器，所述激光对点传感器的激光发射面正对于轨道的上表面。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、集成度高：本发明的具有传感器组合的轨道自动测量车，集成了IMU单元、双天线GPS单元、轨距传感器单元、里程传感器单元、激光测距传感器单元、双图像传感器单元、倾角传感器单元、激光对点传感器单元，可以进行同步化数据采集。

2、数据采集全面：可以采集铁路里程、中线三维坐标、轨距、超高等轨道参数，并且能采集铁路两旁附属结构与轨道的距离，并记录附属结构的视频影像，并且能记录上下道的位置点，自动标记里程，通过将轨道位置信息自动存储在移动存储卡内，将移动存储卡的离散位置信息及轨道姿态角度信息导入电脑，可拟合得到轨道的较高精度平面、高程坐标，也可分析轨道的平面线形、高程线形，以及轨道的平顺性。

3、效率高：可以同时进行多个数据的采集，采集效率高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种具有传感器组合的轨道自动测量车结构原理图；

图2为本发明实施例提供的一种具有传感器组合的轨道自动测量车的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的IMU惯性导航原理框图；

图4为本发明实施例提供的捷联式惯导原理框图；

图5为本发明实施例提供的一种具有传感器组合的轨道自动测量车的右行走单元的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种具有传感器组合的轨道自动测量车的主体单元的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的旋转编码器时序图；

图8为本发明实施例提供的激光测距传感器原理图。

附图标记说明：1-车体、11-主体单元、12-左行走单元、121-第二测量定位轮、13-右行走单元、131-第一测量定位轮、14-里程测量轮、15-压紧组件、151-滑杆、152-弹簧、153-定位轮连接件、2-IMU单元、3-双天线GPS单元、4-轨距传感器单元、41-固定部、42-活动部、5-里程传感器、6-激光测距传感器、7-图像传感器、8-倾角传感器单元、9-激光对点传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种具有传感器组合的轨道自动测量车，包括车体1，所述车体上安装有IMU（惯性导航传感器）单元2、双天线GPS单元3、轨距传感器单元4、里程传感器单元、激光测距传感器单元、双图像传感器单元、倾角传感器单元8以及激光对点传感器单元；所述IMU单元2用于实时采集车体运行姿态数据；所述双天线GPS单元3用于实时采集车体定位和同步授时数据，并对IMU单元3进行授时；所述轨距传感器单元4用于实时采集轨距数据；所述里程传感器单元用于实时采集双边里程数据；所述激光测距传感器单元用于实时采集轨道两侧附属结构与轨道之间的距离数据；所述双图像传感器单元用于实时采集轨道两侧附属结构图像数据；所述倾角传感器单元8用于测量车体的初始静态姿态；所述激光对点传感器单元用于标定车体的里程初始位置以及记录上下道位置。

本发明集成了IMU单元、双天线GPS单元、轨距传感器单元、里程传感器单元、激光测距传感器单元、双图像传感器单元、倾角传感器单元、激光对点传感器单元，集成度高，可以进行同步化数据采集；可以采集铁路里程、中线三维坐标、轨距、超高等轨道参数，并且能采集铁路两旁附属结构与轨道的距离，并记录附属结构的视频影像，并且能记录上下道的位置点，自动标记里程，数据采集全面；可以同时进行多个数据的采集，采集效率高。

下面对各单元的结构和功能进行详细描述。

如图2所示，所述车体包括主体单元11以及可分别行走于列车左、右轨道上的左行走单元12与右行走单元13。

所述IMU单元2安装于所述主体单元11上且位于车体的重心位置附近，用于实时采集车体运行姿态数据，所述IMU单元2包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出轨道自动测量车的运动姿态。

惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，利用一组加速度计连续的进行测量，而后从中提取运动载体相对某一选定的导航坐标系（可以人工建立的物理平台，也可以是计算机存储的“数学平台”）的加速度信息；通过一次积分运算（载体的初始速度已知）便得到载体相对导航坐标系的即时速度信息；再通过一次积分运算（载体初始位置已知）便又得到载体相对导航坐标系的即时位置信息。对于地表附近运动的载体，例如载体，如果选取当地地理坐标系为导航坐标系，则上述速度信息的水平分量就是载体的地速，上述的位置信息将换算为载体所在处的经度、纬度和高度。此外，借助于已知导航坐标系，通过测量或者计算，还可得到载体相对于当地地平坐标系的姿态信息，即航向角，俯仰角和横滚角。于是通过惯性导航系统的工作，便即时的提供出全部导航参数。假设运动范围比较小，就可以忽略地球的曲率，把地面看成一个水平面。如果在载体上安装一个稳定平台，平台上装有两个加速度计，一个始终指向地理北向的北向加速度计，它测量载体沿南北方向的加速度分量；一个是始终指向地理东向的东向加速度计，它测量载体沿东西方向的加速度分量，所示。将这两个方向上的加速度分量进行积分，便可得到载体沿这两个方向上的地速分量：

式中、为北向和东向的初始速度。

再对速度积分就得到载体相对地面移动的距离：

式中、为北向和东向相对定位基准的初始距离。

同时也可求出载体所在的经纬度（此时认为地球不旋转）：

式中，为载体初始纬度和经度，R为地球半径。

如图3所示为惯性导航原理框图。

本发明优选采用捷联惯导系统，捷联惯导系统的基本原理为：没有实体平台，即将陀螺仪和加速度计连接安装在机动载体上，在计算机中实时地计算姿态矩阵，通过姿态矩阵把导航加速度计测量的载体沿机体坐标系轴向的加速度信息变换到导航坐标系，然后进行导航计算。同时，从姿态矩阵的元素中提取姿态和航向信息。由此可见，在捷联惯导系统中，平台的作用已由计算机及其软件的作用代替了。由于用计算机软件所实现的“数学平台”取代了复杂的机械平台，这就大大降低了惯导系统的成本。 捷联惯性导航系统原理的示意图如下所示，导航加速度计和陀螺仪直接安装在飞行器上，用陀螺仪测量的角速度信息bibω减去计算得到的导航坐标系相对惯性坐标系的角速度binω，则得到机体坐标系相对于导航坐标系的角速度bnbω，利用这个信息进行姿态矩阵 nbc，就可以把机体坐标系的加速度信息bibα变换到导航坐标系nibα，然后进行导航计算。同时，利用姿态矩阵的元素，可以提取飞行器的姿态、航向信息。所以，姿态矩阵的计算、加速度信息的坐标转换、航向姿态角的计算，这三项功能实际上就代替了导航平台的功能。因此，计算机的这三项功能也就是所谓的“数学平台”。而计算的导航坐标系的角速度信息binω则相当于导航平台上的陀螺仪施矩信息。

捷联惯性导航系统由以下几个部分组成：

加速度计：用来测量载体运动的加速度。

②惯导平台：模拟一个导航坐标系，把加速度计的测量轴稳定在导航坐标系，并用模拟的方法给出载体的姿态和方位信息。

③陀螺仪：有两个作用。一是用来建立一个参考坐标系，二是用来测量运动物体的角速度。

④导航计算机：完成导航计算和平台跟踪回路中指令角速度信号的计算。

⑤控制显示器：给定初始参数及系统需要的其他参数，显示各种导航信息。

如图4所示为捷联式惯导原理框图。

捷联惯导误差的两个主要特点：

（1）随时间发散性，即在惯性传感器误差的作用下捷联惯导的导航误差会出现随时间无约束的发散；

（2）自主性，即捷联惯导的导航误差主要来自于系统内部，与其所处的外界环境无关。

进一步地，所述双天线GPS单元3用于实时采集车体定位和同步授时数据，并对IMU单元2进行授时，由于所述IMU单元2自身不带时间属性，所以需要利用双天线GPS单元3对IMU单元2进行授时，当有时间属性时，匹配好时间， IMU单元2才能与双天线GPS单元3同步进行组合导航，提高测量精度。所述双天线GPS单元包括RTK误差修正模块，采用RTK(实时动态定位：Real-Time Kinematic)技术进行高精度定位，使用GPS的载波相位观测量以及参考站和移动站之间观测误差的空间相关性，通过差分的方式除去移动站观测数据中的大部分误差，从而实现高精度(分米甚至厘米级)的定位。

GPS和捷联惯导的误差特性是互补的。GPS和捷联惯导除了在误差特性上有互补性之外，在导航参数的输出特性上也有互补性。GPS一般只能输出位置和速度数据，且速度数据为两次测量更新之间的平均速度，而非瞬时速度。而捷联惯导则可以输出位置、速度和姿态数据，且速度和姿态均为瞬时量而非平均值。另外，GPS的测量更新频率较低，一般在1Hz—10Hz 之间，而捷联惯导的测量更新频率可以达到 1KHz 甚者更高。因此，采用GPS和捷联惯导的组合构建一个精度长期稳定的、自主的以及高频输出的位置速度姿态确定系统。

如图5和图6所示，进一步地，所述轨距传感器单元4用于实时采集两条钢轨之间的内轨距数据，并将测量值上传给计算机系统进行计算。所述车体具有紧贴于轨道侧表面的固定端，以及与所述轨距传感器单元连接的活动端，通过活动端的位移变化实时采集轨道的轨距的变化值。具体地，在右行走单元13的两端分别设置有第一测量定位轮组件131，在左行走单元12上设有一个第二测量定位轮组件121。第一测量定位轮组件131与轨道的内表面滚动接触，可以理解为第一测量定位轮组件131至少部分结构抵接于轨道的内表面上且可沿轨道的内表面滚动。第二测量定位轮组件121也与轨道的内表面滚动接触，即第二测量定位轮组件121至少部分结构抵接于轨道的内表面上且可沿轨道的内表面滚动，当然第二测量定位轮组件121与左行走单元12对应的单轨内表面接触，第一测量定位轮组件131与右行走单元13对应单轨内表面接触，优选地，第二测量定位轮组件121与两个第一测量定位轮组件131分别位于等腰三角形的三个顶点处，其中两个第一测量定位轮组件131之间的连线为等腰三角形的底边。所述轨距传感器单元4包括固定部41与活动部42，可以通过检测固定部41与活动部42之间的距离来达到检测轨距的目的，其中固定部41位于主体单元11靠近右行走单元13一侧，而活动部42位于主体单元11靠近左行走单元12一侧，活动部42与第二测量定位轮组件121随动连接。

如图6所示，优选地，还包括用于将所述第二测量定位轮组件121水平抵压至与轨道内表面滚动接触的压紧组件15。细化压紧组件15的结构，其包括水平安设于主体单元11上的滑杆151以及套设于滑杆151上的弹簧152，上述的第二测量定位轮组件121通过定位轮连接件153滑动设置于滑杆151上，其中滑杆151是沿主体单元11的长度方向设置，弹簧152一端与定位轮连接件153连接，另一端定位于主体单元11上。在上述结构中，正常情况下弹簧152处于压缩状态，当轨距变大时，轨道内表面对第二测量定位轮组件121的压力变小，且小于弹簧152的弹力，则弹簧152伸展以推动第二测量定位轮组件121始终与轨道内表面接触，而当轨距变小时，则轨道内表面对第二测量定位轮组件121的的压力增大，且大于弹簧152的弹力，进而迫使弹簧152继续压缩变形，进而可以使得第二测量定位组件121与对应侧轨道内表面之间的压力变小，测量车能够沿轨道正常行驶。

本实施例中，轨距传感器单元4的活动部42与第二测量定位轮组件121随动，则上述的压紧组件15也可以推动活动部42相对滑杆151直线移动，进而可以适应轨距的变化，以达到精确测量轨距的目的。

所述轨距传感器单元包括高精度电阻式传感器、变送器以及高速高精度模数转换器，所述高精度电阻式传感器与所述变送器电连接，所述变送器与所述高速高精度模数转换器电连接。所述高精度电阻式传感器将轨距变化值的测量转化为对电阻值变化的测量，同时，通过变送器将电阻值的变化量转化为电压值变化，最终使用高速高精度模数转换器，采集并换算出轨距值。

进一步地，如图2所示，所述左行走单元12和所述右行走单元13均包括可滑行于列车轨道上且可监测行走里程的里程测量轮14，所述里程传感器单元包括分别安装于左、右里程测量轮上的两个里程传感器5，用于实时采集双边里程数据；所述里程传感器5单元包括旋转编码器，采用360线／转的旋转编码器，结合四倍频技术，达到1440线／转，根据测量开始前输入的起始里程，即可确定测量小车当前的位置。旋转编码器转动一周，发出固定的脉冲数，当与旋转编码器连接的里程测量轮的外径确定后，每个脉冲代表的的长度也随之确定，因此根据脉冲数就可以确定测量小车所走过的里程。所述旋转编码器通过联轴器与对应的里程测量轮连接，可以直观的反映出每个被测里程轮的实时里程数据。

如图7所示旋转编码器时序图，主轴电机编码器输出有：A+\A- , B+\B- , Z+\Z-。使用IC完成差分转单端之后，得到ABZ三个逻辑电平信号。

进一步地，所述激光测距传感器单元包括分别安装于车体左右两侧的两个激光测距传感器6，用于实时采集轨道两侧附属结构与轨道之间的距离数据，并且能传输到电脑端存储。激光测距传感,6是利用调制激光测量激光束往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制波长，换算出此相位延迟所对应的距离值。

激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用下式表示：

D=ct/2

式中：D——测站点A、B两点间距离；c——速度；t——光往返A、B一次所需的时间。

由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法的不同，激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。

所述激光测距传感器单元优选采用相位式激光测距传感器，相位式激光测距传感器是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间，如图8所示。

如图1和图6所示，进一步地，所述双图像传感器单元安装于所述主体单元11上，其包括分别朝向轨道左右两侧的两个图像传感器7，用于对轨道两侧附属结构的图像数据进行实时采集，并且能传输到电脑端存储。

进一步地，所述倾角传感器单元8安装于车体重心位置附近，用于测量车体的初始静态姿态，减小轨检车加工工艺、组装手法以及所处环境带来初始姿态误差对测量的影响。

进一步地，所述激光对点传感器单元包括分别固定于车体左右两侧的两个激光对点传感器9，所述激光对点传感器9的激光发射面正对于轨道的上表面，用于标定车体的里程初始位置以及记录上下道位置。现有技术会对上下道位置人为的做记号标记，使用激光对点器标记后能提高重复位置精度。本发明的激光对点传感器选用德国欧司朗工业级激光器模组，波长520nm，发射功率35mW，520nm波长的激光为纯绿色，光线清晰明亮，并且柔和不刺眼，在户外使用时，其辨识度远高于红光激光器；模组外壳为航空铝镀绝缘漆，既可充分散热，又可防震抗摔和防静电；该激光对点传感器适合全天候全环境使用。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有传感器组合的轨道自动测量车，包括车体，其特征在于：所述车体上安装有用于实时采集车体运行姿态数据的IMU单元、用于实时采集车体定位和同步授时数据的双天线GPS单元、用于实时采集轨距数据的轨距传感器单元、用于实时采集双边里程数据的里程传感器单元、用于测量车体的初始静态姿态的倾角传感器单元以及用于标定车体的里程初始位置和记录上下道位置的激光对点传感器单元。

2.如权利要求1所述的具有传感器组合的轨道自动测量车，其特征在于：所述IMU单元安装于所述车体的重心位置附近，所述IMU单元包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪。

3.如权利要求1所述的具有传感器组合的轨道自动测量车，其特征在于：所述车体包括主体单元以及可分别行走于列车左、右轨道上的左行走单元与右行走单元，所述右行走单元上设有第一测量定位轮组件，所述左行走单元上设有第二测量定位轮组件，第一测量定位轮组件与右行走单元对应单轨内表面接触，第二测量定位轮组件与左行走单元对应的单轨内表面接触，所述轨距传感器单元包括固定部与活动部，所述固定部位于所述主体单元靠近所述右行走单元一侧，所述活动部位于所述主体单元靠近左行走单元一侧，且所述活动部与所述第二测量定位轮组件随动连接。

4.如权利要求3所述的具有传感器组合的轨道自动测量车，其特征在于：所述轨距传感器单元包括高精度电阻式传感器、变送器以及高速高精度模数转换器，所述高精度电阻式传感器与所述变送器电连接，所述变送器与所述高速高精度模数转换器电连接。

5.如权利要求3所述的具有传感器组合的轨道自动测量车，其特征在于：还包括用于将所述第二测量定位轮组件水平抵压至与轨道内表面滚动接触的压紧组件。

6.如权利要求3所述的具有传感器组合的轨道自动测量车，其特征在于：所述左行走单元和所述右行走单元均包括可滑行于列车轨道上且可监测行走里程的里程测量轮，所述里程传感器单元包括分别安装于左、右里程测量轮的两个里程传感器，所述里程传感器单元包括旋转编码器，所述旋转编码器通过联轴器与对应的里程测量轮连接。

7.如权利要求1所述的具有传感器组合的轨道自动测量车，其特征在于：所述车体上还安装有用于实时采集轨道两侧附属结构与轨道之间的距离数据的激光测距传感器单元，所述激光测距传感器单元包括分别安装于车体左右两侧的两个激光测距传感器。

8.如权利要求1所述的具有传感器组合的轨道自动测量车，其特征在于：所述车体上还安装有用于实时采集轨道两侧附属结构图像数据的双图像传感器单元，所述双图像传感器单元包括分别朝向轨道左右两侧的两个图像传感器。

9.如权利要求1所述的具有传感器组合的轨道自动测量车，其特征在于：所述倾角传感器单元安装于车体重心位置附近。

10.如权利要求1所述的具有传感器组合的轨道自动测量车，其特征在于：所述激光对点传感器单元包括分别固定于车体左右两侧的两个激光对点传感器，所述激光对点传感器的激光发射面正对于轨道的上表面。