CN108169335A - 一种用于轨道扣件识别的智能检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于轨道扣件识别的智能检测装置，其特征在于：安装于在轨道上同向移动的载体上，包括滑轨、滑块、固定件、超声波探头，以及电路板；其中滑轨固定安装于载体上，其安装方向垂直于轨道，滑块在滑轨上移动，固定件用于锁紧滑轨与滑块的位置；超声波探头与电路板连接，且超声波探头垂直向下设置，超声波探头与电路板均固定在滑块上。本发明所述的检测装置，采用了微控制器进行智能处理，首先根据现场使用情况，为现场提供自学习接口；检测距离范围宽，检测装置可以藏于载体上，不易受现场障碍物损坏。

Description

一种用于轨道扣件识别的智能检测装置及方法

技术领域

本发明涉及铁路轨道测量及检测领域，特别涉及一种用于轨道扣件识别的智能检测装置及方法。

背景技术

铁路轨道钢轨通过扣件固定在轨枕的承轨台上，在对轨道几何状态进行精确测量后若要对轨道进行调整，需要精确到调整的某一个扣件上。由于轨道扣件间距的不等性及不精确性，很难从里程上来推算扣件位置，因此扣件识别装置成为轨道测量仪器、轨道检查仪器等设备的一个重要辅助装置。

我国轨道交通发展至今已居世界之首，全国纵横着各条高速铁路，同时城际铁路、地铁也不断地增加，列车的运行速度及舒适度都与轨道的平顺性有着极大的关系，因此在轨道建设期及后期运营期都需要对轨道平顺性等进行测量与检测，在检测出超出设计及运营要求的偏差时，需对轨道进行调整，主要调整的部件就是扣件，此时需要精确到需要调整的某一个扣件，精准扣件的识别与定位为轨道调整提供重要信息。

现有的轨道扣件识别装置主要有接近开关检测法和CCD图像识别法两种。

接近开关是通过光电、电感、电容、超声波(如倍加福和基恩士生产的超声波传感器)等方式对有效范围内的金属或者非金属物体进行接近检测，其识别通过反射、电磁检测等方式判断被检测物的有无，依赖于检测距离与被检测物材质，并只输出有无信息。轨道扣件由专用螺丝固定，其上表面相对周边会凸起，所以接近开关垂直扣件表面安装，接近开关感应面与道钉表面平行，距离调整到有效检测距离范围以内，这样当搭载在轨道行走装置上的轨道扣件装置接近扣件时，由于接近开关感应面与道钉上表面间距在检测距离范围内，传感器输出脉冲电压以供识别。由于受环境光照的影响，现有扣件识别装置常采用电感式或者电容式接近开关，其最大检测距离因产品种类不同在几毫米到几十毫米。

接近开关检测法是通过有效距离内对物体进行探测的原理来识别扣件，其缺点主要有两个，第一它对安装的距离及对准要求高，不同设计方式的轨道(轨道有很多种，包括无砟与有砟，而无砟轨道的轨枕、承轨台及扣件种类繁多)扣件位置与形状都有差别，甚至同一工段不同测量段因扣件生产厂家的不同其方式也有差异，这就导致识别装置容易因现场的不确定性而失效甚至损坏(例如施工现场某一个扣件处道钉没有拧到位高出许多)，现场适应性很差；第二，接近开关是金属敏感元件，其稳定性会因扣件的不规则性及钢轨及现场其它金属物的干扰而受到影响。

CCD图像识别法即通过实时摄像并通过图像识别算法来识别出扣件，该方法在识别扣件的同时一般还有扣件状态检测等其它功能。

CCD图像识别法方法复杂，成本偏高，受振动、光照与气候等因素影响大。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于轨道扣件识别的智能检测装置。

本发明的另一目的在于提供一种用于轨道扣件识别的智能检测方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种用于轨道扣件识别的智能检测装置，安装于在轨道上同向移动的载体上，包括滑轨、滑块、固定件、超声波探头，以及电路板；其中滑轨固定安装于载体上，其安装方向垂直于轨道，滑块在滑轨上移动，固定件用于锁紧滑轨与滑块的位置；超声波探头与电路板连接，且超声波探头垂直向下设置，超声波探头与电路板均固定在滑块上；

所述电路板包括电源管理单元、发射驱动单元、接收信号放大与滤波电路、微控制器、逻辑管理电路；其中电源管理单元实现装置各个电路模块的电压转换；发射驱动单元为超声波探头提供高压激励信号；接收信号放大与滤波电路对接收到的弱小回波电信号进行放大与滤波处理；微控制器、逻辑管理电路提供时序管理、距离的计算、检测与识别策略控制。

所述用于轨道扣件识别的智能检测装置，还包括红外激光器。采用滑轨式调整结构及激光瞄准；在方便调整探头位置的同时可以保证精确对准。现有方案只能固定安装，通过目测对准。

所述固定件为锁紧手轮。

所述超声波探头采用频率在100KHz——200KHz范围内、波束角在12—18度之间的超声波传感器。空气中常用超声波换能器频率为40KHz(例如倒车雷达，超声波开关等)，本发明综合考虑探测距离与测距分辨率，选取100KHz——200KHz频率范围的超声波，其波束角在12—18度之间。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种用于轨道扣件识别的智能检测方法，包含以下顺序的步骤：

第一步：移动载体以及在滑轨上移动滑块，让超声波探头对准道钉并标定距离(自动记忆)；

第二步：移动载体，让超声波探头对准沉轨台并标定距离；

第三步：移动载体，让超声波探头对准轨枕间任意处标定距离；

第四步：电路板根据标定的距离自动设置各个不同反射物的有效识别距离范围；

第五步：载体正常作业，电路板根据对道钉的识别及沉轨台的识别给出识别信息。

所述用于轨道扣件识别的智能检测方法，还包括自学习，所述自学习具体包括以下步骤：

首先根据现场使用情况，为现场提供自学习接口，在使用前，开启装置记忆功能对扣件道钉距离S1、沉轨台距离S2、轨间距离S3进行自学习并设定基准区间以适应现场的个体变化；

作业过程中，微控制器对所测的实时距离S、实时里程D、扣件道钉距离S1、沉轨台距离S2、轨间距离S3建立数学模型，实时识别出轨枕台及道钉并在对应里程值上进行标记。

所述实时识别出轨枕台及道钉，是通过设置高度窗口来捕捉识别。所选频率超声波在距离识别时能达到mm级的分辨率，而道钉、轨枕台及轨枕间的高差达到数cm甚至十几cm，所以可以通过设置高度窗口来捕捉识别。

所述在对应里程值上进行标记，是指当识别到特征物后把当前里程记下来。这样可以避免慢下来甚至停下来对同一轨枕反复识别。

所述作业过程若有现场干扰因素(例如某个道钉未装，某个轨枕间放置其它物体形成凸起)，微控制器自动排除。这为适应不同的轨道环境提供了非常有用的基础，减小了结构设计的调整度。现有方案不具备自学习功能，只能检测有无，受现场因素约束大。

所述微控制器自动排除，具体实现方式如下：以里程为X轴，以识别距离为Y轴，根据X轴与Y轴设置的窗口能够排除其它障碍物的干扰或者本身对轨枕的多重误判。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明抓住现场扣件与周边高度差特征，首次提出以高频率测距方式通过距离特征提取对扣件进行识别，这与现有的接近开关识别方式及CCD图像识别方式思路完全不同。前者抓住扣件道钉为金属物这一特征进行识别，对安装距离要求相当苛刻，对现场适应性很差。后者通过图像识别的方法，算法复杂，易受环境因素影响，而且检测的速度也不理想。本发明所提出的方法本身以距离差为识别，对安装距离要求不高，现场适应性强。

2、本发明首次提出采用高频超声波作为扣件及轨枕探测，它从超声波频率(谐振频率)、超声波波束角及超声波探测频率(如一秒钟扫测100次)等方面进行选择，满足现场的对准性、距离的分辨率及速度要求。同时受环境因素的干扰小，同时也容易实现高速测量；现有的最常用红外线、激光或者接触式位移测量可达到测距的目的，但红外线、激光测量极易受到环境光照的影响，也易受到天气因素诸如大雨的影响而无法作业，而夜晚作业和雨天作业在轨道检测时是常见的。接触式位移测量几乎无法适应现场。

3、本发明采用了微控制器进行智能处理，首先根据现场使用情况，为现场提供自学习接口。

4、本发明检测距离范围宽，检测装置可以藏于载体上，不易受现场障碍物损坏。

5、本发明通过距离比对智能识别，其安装间距要求不高，针对不同形式轨道的扣件高度可现场自学习扣件道钉高度、沉轨台高度与轨枕间高度并设定有效识别范围，提高现场适用性。

6、本发明因为扣件安装在沉轨台上，沉轨台的高度也高于轨枕之间的位置，因此它也可以通过对沉轨台的识别来确定扣件位置，提高识别效率和可靠性。

7、本发明采用超声波进行识别，不易受振动、光照、环境气候等因素影响，同时成本较低。

附图说明

图1是无砟轨道的结构示意图。

图2是图1的局部放大图；放大区域如图1圆圈处所示。

图3是本发明所述一种用于轨道扣件识别的智能检测装置的作业示意图。

图4是本发明所述一种用于轨道扣件识别的智能检测装置的结构示意图。

其中，附图标记含义如下：

1-载体、2-承轨台、3-扣件道钉、4-扣件、5-钢轨、6-滑轨、7-滑块、8-锁紧手轮、9-超声波探头、10-红外激光器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图4，一种用于轨道扣件识别的智能检测装置，安装于在轨道上同向移动的载体上，包括滑轨、滑块、固定件、超声波探头，以及电路板；其中滑轨固定安装于载体上，其安装方向垂直于轨道，滑块在滑轨上移动，固定件用于锁紧滑轨与滑块的位置；超声波探头与电路板连接，且超声波探头垂直向下设置，超声波探头与电路板均固定在滑块上；

所述电路板包括电源管理单元、发射驱动单元、接收信号放大与滤波电路、微控制器、逻辑管理电路；其中电源管理单元实现装置各个电路模块的电压转换；发射驱动单元为超声波探头提供高压激励信号；接收信号放大与滤波电路对接收到的弱小回波电信号进行放大与滤波处理；微控制器、逻辑管理电路提供时序管理、距离的计算、检测与识别策略控制。

所述用于轨道扣件识别的智能检测装置，还包括红外激光器。采用滑轨式调整结构及激光瞄准；在方便调整探头位置的同时可以保证精确对准。现有方案只能固定安装，通过目测对准。

所述固定件为锁紧手轮。

所述超声波探头采用频率在100KHz——200KHz范围内、波束角在12—18度之间的超声波传感器。空气中常用超声波换能器频率为40KHz(例如倒车雷达，超声波开关等)，本发明综合考虑探测距离与测距分辨率，选取100KHz——200KHz频率范围的超声波，其波束角在12—18度之间。

如图1、2，扣件道钉、承轨台、钢轨轨枕的高度有明显的差异。

如图3，一种用于轨道扣件识别的智能检测装置，安装在轨道测量仪、轨道检查仪等设备上，可通过滑轨调整超声波探头的位置以对准扣件上的道钉，超声波探头以合适的频率不断向下发射超声波探测反射面距离。在载体设备沿着轨道方向前进时，根据反射距离差自动识别扣件。

如图4，超声波探头安装在滑块上，可通过滑块在滑轨上的移动来调整超声波探头的位置，红外激光器可以辅助超声波探头对准道钉等被检测物以提高准确度；锁紧手轮螺丝锁紧滑块，以保证在正常工作过程中不受震动及位移的影响。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于轨道扣件识别的智能检测装置，其特征在于：安装于在轨道上同向移动的载体上，包括滑轨、滑块、固定件、超声波探头，以及电路板；其中滑轨固定安装于载体上，其安装方向垂直于轨道，滑块在滑轨上移动，固定件用于锁紧滑轨与滑块的位置；超声波探头与电路板连接，且超声波探头垂直向下设置，超声波探头与电路板均固定在滑块上；

所述电路板包括电源管理单元、发射驱动单元、接收信号放大与滤波电路、微控制器、逻辑管理电路；其中电源管理单元实现装置各个电路模块的电压转换；发射驱动单元为超声波探头提供高压激励信号；接收信号放大与滤波电路对接收到的弱小回波电信号进行放大与滤波处理；微控制器、逻辑管理电路提供时序管理、距离的计算、检测与识别策略控制。

2.根据权利要求1所述所述用于轨道扣件识别的智能检测装置，其特征在于：还包括红外激光器。

3.根据权利要求1所述所述用于轨道扣件识别的智能检测装置，其特征在于：所述固定件为锁紧手轮。

4.根据权利要求1所述所述用于轨道扣件识别的智能检测装置，其特征在于：所述超声波探头采用频率在100KHz——200KHz范围内、波束角在12—18度之间的超声波传感器。

5.一种用于轨道扣件识别的智能检测方法，其特征在于，包含以下顺序的步骤：

第一步：移动载体以及在滑轨上移动滑块，让超声波探头对准道钉并标定距离；

第二步：移动载体，让超声波探头对准沉轨台并标定距离；

第三步：移动载体，让超声波探头对准轨枕间任意处标定距离；

第四步：电路板根据标定的距离自动设置各个不同反射物的有效识别距离范围；

第五步：载体正常作业，电路板根据对道钉的识别及沉轨台的识别给出识别信息。

6.根据权利要求5所述一种用于轨道扣件识别的智能检测方法，其特征在于，还包括自学习，所述自学习具体包括以下步骤：

首先根据现场使用情况，为现场提供自学习接口，在使用前，开启装置记忆功能对扣件道钉距离S1、沉轨台距离S2、轨间距离S3进行自学习并设定基准区间以适应现场的个体变化；

作业过程中，微控制器对所测的实时距离S、实时里程D、扣件道钉距离S1、沉轨台距离S2、轨间距离S3建立数学模型，实时识别出轨枕台及道钉并在对应里程值上进行标记。

7.根据权利要求5所述一种用于轨道扣件识别的智能检测方法，其特征在于，所述实时识别出轨枕台及道钉，是通过设置高度窗口来捕捉识别。

8.根据权利要求5所述一种用于轨道扣件识别的智能检测方法，其特征在于，所述在对应里程值上进行标记，是指当识别到特征物后把当前里程记下来。

9.根据权利要求5所述一种用于轨道扣件识别的智能检测方法，其特征在于，所述作业过程若有现场干扰因素，微控制器自动排除。

10.根据权利要求9所述一种用于轨道扣件识别的智能检测方法，其特征在于，所述微控制器自动排除，具体实现方式如下：以里程为X轴，以识别距离为Y轴，根据X轴与Y轴设置的窗口排除其它障碍物的干扰或者本身对轨枕的多重误判。