CN109282751A - 一种基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统和，包括机车系统单元和电源单元，还包括触发单元、线阵相机拍摄单元、激光测量单元、接触网信息合成单元、数据处理单元、图像存储单元、无线通讯单元和信息显示单元；其测量方法包括如下步骤：触发单元发送指令；线阵相机拍摄单元拍摄接触网图像；数据处理单处理图像数据；接触网信息合成单元合成数据；图像存储单元存储数据；信息显示单元显示接触网图像。本发明测量接触网几何参数时不仅省时省力，检测效率高，提高测量的安全性，而且测量的精度更高、测量误差更小。
Description
技术领域
本发明涉及轨道列车技术领域，尤其涉及一种基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统与方法。
背景技术
接触网是电气化铁路系统的重要架空设备，是整个牵引供电系统最为关键的部件。接触网的几何参数直接影响电气化列车的运行效果，在安全提速和高速运行方面起着至关重要的作用。
目前国内外对接触网几何参数测量的方法主要有：基于测量器具的直接测量法、基于角位移传感器的检测法、基于电子接近器的检测法、激光扫描法、采用CCD(或CMOS)摄像机的图像检测法、超声波测距法等，这些方法都取得了一些效果，但同时存在着诸多不足：如利用人工进行接触式检测，可以达到一定的测量精度，但是测量过程繁琐，费时费力，检测效率很低；测量工具需要很高的绝缘性，安全性能低；对检测人员的技术素质要求比较高，应用的局限性很大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统与方法，该基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统与方法测量接触网几何参数时不仅省时省力，检测效率高，提高测量的安全性，而且测量的精度更高、测量误差更小。
本发明的一种基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统，包括机车系统单元和电源单元，其特点在于：还包括触发单元、线阵相机拍摄单元、激光测量单元、接触网信息合成单元、数据处理单元、图像存储单元、无线通讯单元和信息显示单元，其中所述的触发单元的信号输入端与机车系统单元连接，所述的触发单元的信号输出端与所述的线阵相机拍摄单元的信号输入端以及所述的激光测量单元的信号输入端连接，所述的线阵相机拍摄单元的信号输出端与所述的接触网信息合成单元的信号输入端连接，所述的激光测量单元的信号输出端与所述的数据处理单元的信号输入端连接，所述的数据处理单元的信号输出端与所述的接触网信息合成单元的信号输入端连接，所述的接触网信息合成单元的信号输入端还与所述的机车系统单元的信号输出端连接，所述的接触网信息合成单元的信号输出端与所述的图像存储单元的信号输入端连接，所述的图像存储单元的信号端经所述的无线通讯单元与所述的信息显示单元的信号端连接，其中
所述的触发单元用于接收所述的机车系统单元的触发信号，并向所述的线阵相机拍摄单元和激光测量单元发送工作命令；
所述的线阵相机拍摄单元，用于拍摄接触网图像，并将拍摄的接触网图像发送给所述的接触网信息合成单元；
所述的激光测量单元，当接收到触发单元发送的工作指令后，激光测量单元中车顶激光测距模块和车底补偿测距模块同时开始工作，分别得到激光发射点到接触线和激光发射点到铁轨的测量数据对(水平距离和垂直距离)；
所述的接触网信息合成单元，用于接收数据处理单元发送的接触网拉出值、导高值和磨耗值以及机车系统单元发送的机车运行位置、速度信息，并将接触网的拉出值、导高值和磨耗值以及机车运行位置、速度信息然后叠加到接触网图像上，并发送给所述的图像存储单元；
所述的数据处理单元，用于接收到激光测量单元发送的测量数据，并根据接触网拉出导高算法和接触网磨耗算法对测量数据进行处理；
所述的图像存储单元，用于接收接触网信息合成单元发送的接触网图像以及信息显示单元发送的查看命令，并通过无线通讯单元将接触网图像发送给信息显示单元；
所述的信息显示单元，用于向图像存储单元发送查看命令，并接收图像存储单元通过无线通讯单元发送的接触网图像。
进一步的，所述的激光测量单元还包括车顶激光测距模块和车底补偿测距模块，所述的车顶激光测距模块包括第一激光相机、第二激光相机和第三激光相机，所述的第一激光相机设在车顶正中央，所述的第二激光相机工作时所述的第一激光相机的左侧，所述的第三激光相机设在所述的第一激光相机右侧；所述的车底补偿测距模块包括第一车底激光相机和第二车底激光相机，所述的第一车底激光相机设在机车左侧车底，所述的第二车底激光相机设在机车右侧车底，第一车底激光相机和第二车底激光相机在测量车底补偿时同时工作。
进一步的，所述的视频图像采集单元包括机车视频采集模块和受电弓拍摄模块，所述的第一激光相机、第二激光相机和第三激光相机均通过云台固定在机车车顶。
进一步的，还包括故障报警单元，所述的故障报警单元的信号输入端与所述的数据处理单元的信号输出端连接，用于接收数据处理单元发送的接触网状态异常报警信息并发出状态异常警报。
本发明还公开了一种基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统的测量方法，包括如下的步骤：
步骤(1)：在机车系统单元运行开始时，所述的触发单元向所述的线阵相机拍摄单元和激光测量单元发送触发命令使线阵相机拍摄单元和激光测量单元同时开始工作；
步骤(2)：通过所述的线阵相机拍摄单元接收所述的触发单元的触发命令并拍摄接触网得到接触网图像，然后通过所述的线阵相机拍摄单元将接触网图像发送给所述的接触网信息合成单元；同时，通过所述的激光测量单元对着接触网的底部和铁轨进行激光扫描，并将在刚性或柔性接触网环境下得到的测量数据发送给所述的数据处理单元；
步骤(3)：通过所述的数据处理单元接收所述的激光测量单元发送的测量数据，并根据接触网拉出导高算法和接触网磨耗算法对测量数据进行处理，得到接触网的拉出值、导高值和磨耗值，然后将得到的接触网拉出值、导高值和磨耗值与对应的阈值进行对比，分析判断接触网是否异常以及是否向故障报警单元发送报警信息；同时，通过所述的数据处理单元将接触网的拉出值、导高值和磨耗值发送给所述的接触网信息合成单元；其中，所述的测量数据包括车顶的第一激光相机与第二激光相机或者第一激光相机与第三激光相机发送的测量数据以及车底的第一车底激光相机与第二车底激光相机发送的测量数据；
步骤(4)：通过所述的接触网信息合成单元接收数据处理单元发送的接触网拉出值、导高值和磨耗值，同时接收所述的线阵相机拍摄单元发送的接触网图像以及机车系统单元发送的机车运行位置、速度信息，并将接触网的拉出值、导高值和磨耗值以及机车运行位置和速度信息叠加在接触网图像上，然后通过所述的接触网信息合成单元将叠加有接触网拉出值、导高值和磨耗值以及机车运行位置、速度信息的接触网图像发送给所述的图像存储单元；
步骤(5)：通过所述的图像存储单元接收接触网信息合成单元发送的接触网图像，并进行本地保存；
步骤(6)：通过所述的信息显示单元向图像存储单元发送查看命令，并接收图像存储单元通过无线通讯单元发送的接触网图像。
进一步的，在所述的步骤(1)中，所述的触发单元根据系统设定的时间间隔定时向线阵相机拍摄单元和激光测量单元发送触发命令。
作为优选，在所述的步骤(2)中，所述的激光测量单元中的车顶激光测距模块和车底补偿测距模块同时开始工作，分别得到激光发射点到接触线和激光发射点到铁轨的测量数据对(如水平距离xL和垂直距离zL)。
进一步的，在所述的步骤(2)中，在柔性测量车顶接触网的拉出值和导高值时，由第一激光相机和第二激光相机或者第一激光相机和第三激光相机同时配合工作；在刚性测量车顶接触网的拉出值和导高值时，由第二激光相机和第三激光相机同时工作。
进一步的，在所述的步骤(3)中，所述的数据处理单元根据处理结果判断接触网是否异常，如果接触网拉出值、导高值超出设定阈值或者磨耗太大，则向故障报警单元发出报警信息，通知工作人员进行处理；否则，则不向报警单元发送报警信息。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1.采用激光测距原理，算法简单可靠，能够有效的检测接触网的拉出值、导高值和磨耗值，且具备很高的测量精度，精度为±1mm；
2.本发明有效的缩减了系统的处理时间，简化了测量系统装置，降低了系统误差，提高了系统测量的精确性与实时性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明受电弓状态异常检测算法的流程示意图；
图3为激光相机安装和坐标系示意图；
图4为机车侧滚角度示意图；
图5为机车左侧滚第一示意图；
图6为机车左侧滚第二示意图；
图7为机车左侧滚第三示意图；
图8为机车右侧滚第一示意图；
图9为机车右侧滚第二示意图；
图10为机车右侧滚第三示意图；
图11为接触网磨耗示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例，如图1所示，本发明提供的一种基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统，包括电源单元1、触发单元2、线阵相机拍摄单元11、激光测量单元3、接触网信息合成单元10、机车系统单元9、数据处理单元4、图像存储单元8、无线通讯单元7、故障报警单元5和信息显示单元6。其中，激光测量单元包括车顶激光测距模块31和车底补偿测距模块32。上述的电源单元1可以为蓄电池，触发单元2包括stm32单片机，图像存储单元8为硬盘、信息显示单元9为显示器、故障报警单元为蜂鸣器。
所述的电源单元1，分别与触发单元、线阵相机拍摄单元和激光测量单元连接，并为触发单元、线阵相机拍摄单元和激光测量单元供电。
所述的触发单元2，分别与线阵相机拍摄单元和激光测量单元连接，在机车 13运行过程中，触发单元向线阵相机拍摄单元和激光测量单元发送触发命令的频率决定于所述的机车系统单元发送的机车运行速度,所述的频率与机车运行速度的关系式为：f＝v/a,其中f为频率，单位为Hz；v为机车运行速度，单位为mm/s； a为激光测量单元的激光扫描精度，单位为mm。
所述的线阵相机拍摄单元11，分别与电源单元、触发单元和接触网信息合成单元连接，当接收到触发单元发送的触发命令后开始工作，拍摄接触网图像，并将拍摄的接触网图像发送给接触网信息合成单元。
所述的激光测量单元3，分别与电源单元1、触发单元2和数据处理单元4 连接，当接收到触发单元发送的触发命令后，激光测量单元中车顶激光测距模块和车底补偿测距模块同时开始工作，分别得到激光相机到接触线和激光相机到铁轨的测量数据对，如水平距离xL和垂直距离zL、水平距离xR和垂直距离 zR。
如图3所示，所述的车顶激光测距模块31，由三个激光相机组成，第一激光相机w由云台固定在车顶正中央；第二激光相机l，由云台固定在第一激光相机的左边；第三激光相机r，由云台固定第一激光相机的右边。在柔性测量中，在测量车顶接触网的拉出值和导高值时，由第一激光相机和第二激光相机或者第一激光相机和第三激光相机同时配合工作；在刚性测量中，在测量车顶接触网的拉出值和导高值时，由第二激光相机和第三激光相机同时工作。
如图3所示，所述的车底补偿测距模块32，由两个激光相机组成，第一车底激光相机DL，由云台固定在机车左侧车底；第二车底激光相机DR，由云台固定在机车右侧车底；在测量车底补偿时，由第一车底激光相机DL和第二车底激光相机DR同时工作。
所述的数据处理单元4，分别与激光测量单元3、接触网信息合成单元10 和故障报警单元5连接，当接收到激光测量单元发送的测量数据后，数据处理单元根据接触网拉出导高算法和接触网磨耗算法对测量数据进行处理，根据处理结果判断，接触网是否异常，如果接触网拉出值、导高值超出设定阈值或者磨耗太大，则向故障报警单元发出报警信息，通知工作人员进行处理；否则，无需向报警单元发送报警信息，同时，将接触网的拉出值、导高值、磨耗值发送给接触网信息合成单元。
所述的故障报警单元5，与数据处理单元4连接，接收数据处理单元4发送的接触网状态异常报警信息。
所述的接触网信息合成单元10，分别与机车系统单元9、线阵相机拍摄单元11、数据处理单元4和图像存储单元8连接，接收数据处理单元发送的接触网拉出值、导高值和磨耗值以及机车系统单元发送的机车运行位置、速度信息，并将接触网的拉出值、导高值和磨耗值以及机车运行位置、速度信息叠加到接触网图像上，发送给图像存储单元。
所述的机车系统单元9与接触网信息合成单元10连接，向接触网信息合成单元实时发送机车运行位置和速度信息；
所述的图像存储单元8，分别与接触网信息合成单元、信息显示单元和无线通讯单元连接，接收接触网信息合成单元发送的接触网图像以及信息显示单元发送的查看命令，通过无线通讯单元将接触网图像发送给信息显示单元。
所述的无线通讯单元7，分别与图像存储单元和信息显示单元连接，接收图像存储单元发送的接触网图像，并通过4G/WiFi网络发送给信息显示单元。
所述的信息显示单元6，分别与图像存储单元和无线通讯单元连接，向图像存储单元发送查看命令，接收并显示无线通讯单元发送的接触网图像。
如图2所示，本文还提供了一种基于激光测距的接触网几何参数动态测量方法，具体步骤如下：
步骤(1)：机车在运行过程中，触发单元根据系统设定的时间间隔定时向线阵相机拍摄单元和激光测量单元发送触发命令，使其同时开始工作；
步骤(2)：线阵相机拍摄单元由云台固定在机车顶部，镜头对着接触网，并保证拍摄的画面只有接触网，线阵相机拍摄单元接收到触发命令后，开始拍摄接触网，并将接触网图像发送给接触网信息合成单元；
步骤(3)：激光测量单元包括车顶激光测距模块和车底补偿测距模块，车顶激光测距模块由云台固定在机车顶部，对着接触网的底部进行激光扫描，车底补偿测距模块安装在机车底部，对铁轨进行激光扫描。激光测量单元与线阵相机拍摄单元同时工作，将在刚性和柔性接触网环境下得到的测量数据发送给数据处理单元；
步骤(4)：数据处理单元接收激光测量单元发送的测量数据，其中，测量数据包括车顶的激光相机w和激光相机l或者激光相机w和激光相机r发送的测量数据以及车底的车底激光相机DL和车底激光相机DR发送的测量数据，数据处理单元根据接触网拉出导高算法和接触网磨耗算法对测量数据进行处理，得到接触网的拉出值、导高值和磨耗值，并将得到的接触网拉出值、导高值和磨耗值与对应的阈值进行对比，分析接触网是否异常，如果接触网异常，则向故障报警单元发送报警信息；否则，无需向故障报警单元发送报警信息，同时，将接触网的拉出值、导高值和磨耗值发送给接触网信息合成单元；
步骤(5)：如果故障报警单元接收到数据处理单元发送的报警信息，则发出报警，通知工作人员，同时，接触网信息合成单元接收数据处理单元发送的接触网拉出值、导高值和磨耗值，线阵相机拍摄单元发送的接触网图像以及机车系统单元发送的机车运行位置和速度信息，并将接触网的拉出值、导高值和磨耗值以及机车运行位置和速度信息叠加在接触网图像上，之后将叠加有接触网拉出值、导高值和磨耗值以及机车运行位置、速度信息的接触网图像发送给图像存储单元；
步骤(6)：图像存储单元接收接触网信息合成单元发送的接触网图像，并进行本地保存，报警单元发出警报，后续工作人员会对接触网图像进行查看，通过信息显示单元向图像存储单元发送查看命令，图像存储单元通过无线通讯单元向信息显示单元发送接触网图像，供工作人员进行查看，方便接触网的检修。
所述的步骤(4)接触网拉出导高算法，可以分为柔性接触网和刚性接触网两种测量环境，在柔性接触网环境下，车顶使用激光相机w、激光相机l进行测量；在刚性接触网环境下，车顶使用激光相机l、激光相机r进行测量,在计算接触网的拉出值和导高值时，除了使用的测量数据来源不同，其他的计算原理都是一样的：
所述的在柔性接触网和刚性接触网环境下计算接触网的拉出值和导高值，可以分为机车在运行过程中发生侧滚和没有发生侧滚(根据车底两激光相机的Z 轴数据中最后一个不为0的值zL、zR，若|zL-zR|≤0.01，则没有发生侧滚，否则发生侧滚。如果zL>zR,则发生右侧滚，否则发生左侧滚)两种情况:
如图3和图4所示,其中发生侧滚情况，可分为发生左侧滚和右侧滚，左侧滚和右侧滚又可分别分为接触网拉出时，如图5、和图8所示接触网在机车车顶中垂线左侧、如图6和图9所示接触网在机车车顶中垂线和铁轨中垂线中间，以及如图7和图10所示接触网在铁轨121中垂线右侧三种情况；没有发生侧滚情况，可分为发生上下振动和左右摇摆两种情况。由此可知，计算接触网的拉出值和导高值，总共有8种情况；
第一种情况，机车在运行过程中没有发生侧滚，发生上下振动，具体步骤如下：
如图3所示，步骤(4-a-1)：分别对车顶的激光相机w、激光相机r、激光相机l建立坐标系，以及车底激光相机DL、车底激光相机DR建立坐标系，所有的坐标系都是左正右负；
步骤(4-a-2)：计算车顶接触网拉出值和导高值，对于激光相机w、激光相机l发送的测量数据，分别记为Wdata、Ldata，找到Wdata和Ldata数组中Z轴值中最小的非零值，分别记为zW、zL，若两相机都有最小的非零值，则取其中较小的值，记为z，并找到对应的X轴的值，记为x；若只有一个相机有最小的非零值，则记为z，并找到对应的X轴的值，记为x；
步骤(4-a-3)：步骤(4-a-2)得到的z即为车顶接触网的导高值，记为d，如果zW较小,则以W相机坐标系为准，计算车顶接触网拉出值，拉出值为x；如果zL较小，则以L相机坐标系为准，计算车顶接触网拉出值，拉出值为x与W相机和L相机距离D的和，即D+x，故车顶接触网拉出值为：L拉；
步骤(4-a-4)：计算车底接触网补偿值，对于车底激光相机DL和车底激光相机DR发送的测量数据，分别记为Ldata、Rdata。此情况下拉出值不需要补偿，即拉出值补偿为0，导高值补偿为：zL-H，其中，H为车底激光相机在静止状态下测得的相机距离导轨的垂直距离；
步骤(4-a-5)：根据步骤(4-a-3)得到的车顶接触网拉出值、导高值和步骤(4-a-4)得到的车顶接触网补偿拉出值、导高值可知，接触网的拉出值为： L拉，导高值为：z+zL-H+L高，其中L高为机车高度与车顶和车底激光相机高度之和。
第二种情况，机车在运行过程中没有发生侧滚，发生左右摇摆，具体步骤如下：
步骤(4-a-1)：如图3所示，分别对车顶的激光相机w、激光相机r、激光相机l建立坐标系，以及车底激光相机DL、车底激光相机DR建立坐标系，所有的坐标系都是左正右负；
步骤(4-a-2)：计算车顶接触网拉出值和导高值，对于车顶激光相机w、激光相机l发送的测量数据，分别记为Wdata、Ldata找到Wdata和Ldata数组中Z轴值中最小的非零值，分别记为zW、zL，若两相机都有最小的非零值，则取其中较小的值，记为z，并找到对应的X轴的值，记为x；若只有一个相机有最小的非零值，则记为z，并找到对应的X轴的值，记为x；
步骤(4-a-3)：步骤(4-a-2)得到的z即为车顶接触网的导高值，记为d，如果zW较小,则以激光相机w坐标系为准，计算车顶接触网拉出值，拉出值为x；如果zL较小，则以激光相机l坐标系为准，计算车顶接触网拉出值，拉出值为x 与激光相机w和激光相机l距离D的和，即D+x，故车顶接触网拉出值为：L拉；
步骤(4-a-4)：计算车底接触网补偿拉出值和导高值，对于车底激光相机 DL、车底激光相机DR发送的测量数据，分别记为Ldata、Rdata，此情况下导高值不需要补偿，即导高值补偿为0，拉出值补偿为：xL-W，其中，W为车底激光相机在静止状态下距离导轨的中垂线的距离；
步骤(4-a-5)：根据步骤(4-a-3)得到的车顶接触网拉出值、导高值和步骤(4-a-4)得到的车顶接触网补偿拉出值、导高值可知，接触网的拉出值为： L拉+xL-W，导高值为：z+L高，其中L高为机车高度与车顶和车底激光相机高度之和。
第三种情况，如图5所示，机车在运行过程中发生左侧滚，且接触网在机车车顶中垂线左侧，具体步骤如下：
如图3所示，步骤(4-a-1)：分别对车顶的激光相机w、激光相机r和
激光相机l建立坐标系，以及车底激光相机DL、车底激光相机DR建立坐标系，所有的坐标系都是左正右负；
步骤(4-a-2)：计算车顶接触网拉出值和导高值，对于激光相机w、激光相机l发送的测量数据，分别记为Wdata、Ldata找到Wdata和Ldata数组中Z轴值中最小的非零值，分别记为zW、zL，若两相机都有最小的非零值，则取其中较小的值，记为z，并找到对应的X轴的值，记为x；若只有一个相机有最小的非零值，则记为z，并找到对应的X轴的值，记为x；
步骤(4-a-3)：步骤(4-a-2)得到的z即为车顶接触网的导高值，记为d，如果zW较小,则以W相机坐标系为准，计算车顶接触网拉出值，拉出值为x；如果zL较小，则以激光相机l坐标系为准，计算车顶接触网拉出值，拉出值为x与激光相机w和激光相机l距离D的和，即D+x，故车顶接触网拉出值为：L拉；
如图4所示，步骤(4-a-4)：计算机车左侧滚角度，xL、zL为左侧激光相机CL的X轴和Z轴的测量数据，xR、zR为右侧激光相机CR的X轴和Z轴的测量数据，由图4可知，其中，L为车底两激光相机之间的距离；
如图5所示，步骤(4-a-5)：计算接触网导高值，AE即为所求接触网导高值，∠MKC为图4所求的θ，ΔKCM和ΔAED为相似三角形，故∠DAE＝θ。
由图5中的几何关系可知，AE即为接触网的导高值，其中， AD＝AB+BC+CM+MD,AB为车顶接触网导高值，BC为机车高度与车顶和车底激光相机高度和，MD为车底左侧激光相机Z轴数据zL，AB、BC、MD均为已知数据，CM为未知数据。CI为车顶接触网拉出值，KI为车底左侧激光相机距离列车中间距离与xL之和，故由此可知，由求得的已知条件，整理可得，接触网导高值为：
步骤(4-a-6)：计算接触网的拉出值，由图5中的几何关系可知，EF即为接触网的拉出值。EF＝ED+DF，其中ED＝AD×sinθ，DF＝MJ＝CI/cosθ(ΔMKC 和ΔJCI相似)。整理可得，接触网的拉出值为：
第四种情况，如图6所示，机车在运行过程中发生左侧滚，且接触网在机车车顶中垂线与铁轨中垂线之间，具体步骤如下：
如图3所示，步骤(4-a-1)：分别对车顶的激光相机w、激光相机r和激光相机l建立坐标系，以及车底激光相机DL、车底激光相机DR建立坐标系，所有的坐标系都是左正右负；
步骤(4-a-2)：计算车顶接触网拉出值和导高值，对于激光相机w、激光相机l发送的测量数据，分别记为Wdata、Ldata找到Wdata和Ldata数组中Z轴值中最小的非零值，分别记为zW、zL，若两相机都有最小的非零值，则取其中较小的值，记为z，并找到对应的X轴的值，记为x；若只有一个相机有最小的非零值，则记为z，并找到对应的X轴的值，记为x；
步骤(4-a-3)：步骤(4-a-2)得到的z即为车顶接触网的导高值，记为d，如果zW较小,则以W相机坐标系为准，计算车顶接触网拉出值，拉出值为x；如果zL较小，则以l激光相机坐标系为准，计算车顶接触网拉出值，拉出值为x与激光相机w和激光相机l距离D的和，即D+x，故车顶接触网拉出值为：L拉；
如图4所示，步骤(4-a-4)：计算机车左侧滚角度，xL xL、zL为左侧激光相机CL的X轴和Z轴的测量数据，xR、zR为右侧激光相机CR的X轴和Z轴的测量数据，由图4可知其中，L为车底两激光相机之间的距离；
如图5所示，步骤(4-a-5)：计算接触网导高值，AE即为所求接触网导高值，∠MKC为图4所求的θ，ΔKCM和ΔAED为相似三角形，故∠DAE＝θ。
由图5中的几何关系可知，AE即为接触网的导高值，其中， AD＝AB+BC+CM+MD,AB为车顶接触网导高值，BC为机车高度与车顶和车底激光相机高度和，MD为车底左侧激光相机Z轴数据zL，AB、BC、MD均为已知数据，CM为未知数据。CI为车顶接触网拉出值，KI为车底左侧激光相机距离列车中间距离与xL之和，故由此可知，由求得的已知条件，整理可得，接触网导高值为：
步骤(4-a-6)：计算接触网的拉出值，由图6和图5中的几何关系可知， EF即为接触网的拉出值。EF＝ED-DF，其中ED＝AD×sinθ，DF＝MJ＝CI/cosθ (ΔMKC和ΔJCI相似)。整理可得，接触网的拉出值为：
如图7所示，第五种情况，机车在运行过程中发生左侧滚，且接触网在铁轨中垂线右侧，具体步骤如下：
步骤(4-a-1)：如图3所示，分别对车顶的激光相机w、激光相机r、激光相机l建立坐标系，以及车底激光相机DL、车底激光相机DR建立坐标系，所有的坐标系都是左正右负；
步骤(4-a-2)：计算车顶接触网拉出值和导高值，对于激光相机w、激光相机l发送的测量数据，分别记为Wdata、Ldata找到Wdata和Ldata数组中Z轴值中最小的非零值，分别记为zW、zL，若两相机都有最小的非零值，则取其中较小的值，记为z，并找到对应的X轴的值，记为x；若只有一个相机有最小的非零值，则记为z，并找到对应的X轴的值，记为x；
步骤(4-a-3)：步骤(4-a-2)得到的z即为车顶接触网的导高值，记为d，如果zW较小,则以W相机坐标系为准，计算车顶接触网拉出值，拉出值为x；如果zL较小，则以L相机坐标系为准，计算车顶接触网拉出值，拉出值为x与W相机和L相机距离D的差，即x-D，故车顶接触网拉出值为：L拉；
如图4所示，步骤(4-a-4)：计算机车左侧滚角度，xL xL、zL为左侧激光相机CL的X轴和Z轴的测量数据，xR、zR为右侧激光相机CR的X轴和Z轴的测量数据，由图4可知其中，L为车底两激光相机之间的距离；
如图5所示，步骤(4-a-5)：计算接触网导高值，AE即为所求接触网导高值，∠MKC为图4所求的θ，ΔKCM和ΔAED为相似三角形，故∠DAE＝θ。
由图5中的几何关系可知，AE即为接触网的导高值，其中， AD＝AB+BC+CM+MD,AB为车顶接触网导高值，BC为机车高度与车顶和车底激光相机高度和，MD为车底左侧激光相机Z轴数据zL，AB、BC、MD均为已知数据，CM为未知数据。CI为车顶接触网拉出值，KI为车底左侧激光相机距离列车中间距离与xL之和，由此可知，由求得的已知条件，整理可得，接触网导高值为：
步骤(4-a-6)：计算接触网的拉出值，由图5和图7中的几何关系可知， EF即为接触网的拉出值，EF＝DF-DE，其中ED＝AD×sinθ，DF＝MJ＝CI/cosθ(ΔMKC和ΔJCI相似)，整理可得，接触网的拉出值为：
第六种情况，如图8所示，机车在运行过程中发生右侧滚，且接触网在机车车顶中垂线右侧，具体步骤如下：
步骤(4-a-1)：如图3所示，分别对车顶的激光相机w、激光相机r和激光相机l建立坐标系，以及车底激光相机DL、车底激光相机DR建立坐标系，所有的坐标系都是左正右负；
步骤(4-a-2)：计算车顶接触网拉出值和导高值，对于激光相机w、激光相机r发送的测量数据，分别记为Wdata、Rdata找到Wdata和Rdata数组中Z轴值中最小的非零值，分别记为zW、zL，若两相机都有最小的非零值，则取其中较小的值，记为z，并找到对应的X轴的值，记为x；若只有一个相机有最小的非零值，则记为z，并找到对应的X轴的值，记为x；
步骤(4-a-3)：步骤(4-a-2)得到的z即为车顶接触网的导高值，记为d，如果zW较小,则以W相机坐标系为准，计算车顶接触网拉出值，拉出值为x；如果zL较小，则以L相机坐标系为准，计算车顶接触网拉出值，拉出值为x与W相机和L相机距离D的差，即x-D，故车顶接触网拉出值为：L拉；
步骤(4-a-4)：计算机车左侧滚角度，如图4所示，xL、zL为左侧激光相机CL的X轴和Z轴的测量数据，xR、zR为右侧激光相机CR的X轴和Z轴的测量数据，由图4可知其中，L为车底两激光相机之间的距离；
步骤(4-a-5)：计算接触网导高值，如图8所示，AE即为所求接触网导高值，∠MKC为图4所求的θ，ΔKCM和ΔAED为相似三角形，故∠DAE＝θ。
由图5中的几何关系可知，AE即为接触网的导高值，其中， AD＝AB+BC+CM+MD,AB为车顶接触网导高值，BC为机车高度与车顶和车底激光相机高度和，MD为车底左侧激光相机Z轴数据zL，AB、BC、MD均为已知数据，CM为未知数据。CI为车顶接触网拉出值，KI为车底左侧激光相机距离列车中间距离与xL之和，故由此可知，由求得的已知条件，整理可得，接触网导高值为：
步骤(4-a-6)：计算接触网的拉出值，由图8中的几何关系可知，EF即为接触网的拉出值，EF＝ED+DF，其中ED＝AD×sinθ，DF＝MJ＝CI/cosθ(ΔMKC 和ΔJCI相似)，整理可得，接触网的拉出值为:
第七种情况，如图9所示，机车在运行过程中发生右侧滚，且接触网在机车车顶中垂线与铁轨中垂线之间，具体步骤如下：
步骤(4-a-1)：如图3所示，分别对车顶的激光相机w、激光相机r和激光相机l建立坐标系，以及车底激光相机DL、车底激光相机DR建立坐标系，所有的坐标系都是左正右负；
步骤(4-a-2)：计算车顶接触网拉出值和导高值，对于激光相机w、激光相机r发送的测量数据，分别记为Wdata、Rdata找到Wdata和Rdata数组中Z轴值中最小的非零值，分别记为zW、zL，若两相机都有最小的非零值，则取其中较小的值，记为z，并找到对应的X轴的值，记为x；若只有一个相机有最小的非零值，则记为z，并找到对应的X轴的值，记为x；
步骤(4-a-3)：步骤(4-a-2)得到的z即为车顶接触网的导高值，记为d，如果zW较小,则以激光相机w的相机坐标系为准，计算车顶接触网拉出值，拉出值为x；如果zL较小，则以L相机坐标系为准，计算车顶接触网拉出值，拉出值为x与W相机和L相机距离D的和，即D+x，故车顶接触网拉出值为：L拉；步骤(4-a-4)：计算机车左侧滚角度，如图4所示，xL、zL为左侧激光相机CL 的X轴和Z轴的测量数据，xR、zR为右侧激光相机CR的X轴和Z轴的测量数据，由图4可知，其中，L为车底两激光相机之间的距离；
步骤(4-a-5)：计算接触网导高值，如图9所示，AE即为所求接触网导高值，∠MKC为图4所求的θ，ΔKCM和ΔAED为相似三角形，故∠DAE＝θ。由图9 中的几何关系可知，AE即为接触网的导高值，其中，AD＝AB+BC+CM+MD,AB 为车顶接触网导高值，BC为机车高度与车顶和车底激光相机高度和，MD为车底左侧激光相机Z轴数据zL，AB、BC、MD均为已知数据，CM为未知数据。CI 为车顶接触网拉出值，KI为车底左侧激光相机距离列车中间距离与xL之和，故由此可知，由求得的已知条件，整理可得，接触网导高值为：
步骤(4-a-6)：计算接触网的拉出值，由图9和图8中的几何关系可知， EF即为接触网的拉出值。EF＝ED-DF，其中ED＝AD×sinθ，DF＝MJ＝CI/cosθ (ΔMKC和ΔJCI相似)。整理可得，接触网的拉出值为：
第八种情况，如图10所示，机车在运行过程中发生右侧滚，且接触网在铁轨中垂线左侧，具体步骤如下：
步骤(4-a-1)：如图3所示，分别对车顶的W、R、L激光相机建立坐标系，以及车底L、R激光相机建立坐标系，所有的坐标系都是左正右负；
步骤(4-a-2)：计算车顶接触网拉出值和导高值，对于车顶相机W、R发送的测量数据，分别记为Wdata、Rdata找到Wdata和Rdata数组中Z轴值中最小的非零值，分别记为zW、zL，若两相机都有最小的非零值，则取其中较小的值，记为z，并找到对应的X轴的值，记为x；若只有一个相机有最小的非零值，则记为z，并找到对应的X轴的值，记为x；
步骤(4-a-3)：步骤(4-a-2)得到的z即为车顶接触网的导高值，记为d，如果zW较小,则以W相机坐标系为准，计算车顶接触网拉出值，拉出值为x；如果zL较小，则以L相机坐标系为准，计算车顶接触网拉出值，拉出值为x与W相机和L相机距离D的和，即D+x，故车顶接触网拉出值为：L拉；
步骤(4-a-4)：计算机车左侧滚角度，如图4所示，xL xL、zL为左侧激光相机CL的X轴和Z轴的测量数据，xR、zR为右侧激光相机CR的X轴和Z轴的测量数据，由图4可知，其中，L为车底两激光相机之间的距离；
步骤(4-a-5)：计算接触网导高值，如图10所示，AE即为所求接触网导高值，∠MKC为图4所求的θ，ΔKCM和ΔAED为相似三角形，故∠DAE＝θ。由图 10中的几何关系可知，AE即为接触网的导高值，其中，AD＝AB+BC+CM+MD, AB为车顶接触网导高值，BC为机车高度与车顶和车底激光相机高度和，MD为车底左侧激光相机Z轴数据zL，AB、BC、MD均为已知数据，CM为未知数据。 CI为车顶接触网拉出值，KI为车底左侧激光相机距离列车中间距离与xL之和，故由此可知，由求得的已知条件，整理可得，接触网导高值为：
步骤(4-a-6)：计算接触网的拉出值，由图8和图10中的几何关系可知， EF即为接触网的拉出值。EF＝DF-DE，其中ED＝AD×sinθ，DF＝MJ＝CI/cosθ (ΔMKC和ΔJCI相似)。整理可得，接触网的拉出值为：
如图11所示,所述的步骤(4)接触网磨耗状态，接触网磨耗算法步骤如下：
步骤(4-b-1)：根据(4-a-3)选定的车顶激光相机，利用其数据进行最小二乘法曲线拟合，得到接触网磨耗横截面的曲线方程；
步骤(4-b-2)：根据(4-a-3)得到的接触网的拉出值L拉和根据(4-a-2) 得到的接触网的导高值d，以及已知的接触网横截面的半径dr，可以得到圆的方程(x-L拉)2+(z-d+dr)2＝dr2；
步骤(4-b-3)：根据步骤(4-b-1)的曲线方程和步骤(4-b-2)的圆方程，两方程相减求积分，即可得出接触网磨耗面积；
步骤(4-b-4)：将接触网磨耗面积与设定阈值进行比较，如果大于阈值，则说明接触网磨耗过大，有异常，不能正常工作；否则，接触网可以正常工作。
综上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不适用相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统，包括机车系统单元和电源单元，其特征在于：还包括触发单元、线阵相机拍摄单元、激光测量单元、接触网信息合成单元、数据处理单元、图像存储单元、无线通讯单元和信息显示单元，其中所述的触发单元的信号输入端与机车系统单元连接，所述的触发单元的信号输出端与所述的线阵相机拍摄单元的信号输入端以及所述的激光测量单元的信号输入端连接，所述的线阵相机拍摄单元的信号输出端与所述的接触网信息合成单元的信号输入端连接，所述的激光测量单元的信号输出端与所述的数据处理单元的信号输入端连接，所述的数据处理单元的信号输出端与所述的接触网信息合成单元的信号输入端连接，所述的接触网信息合成单元的信号输入端还与所述的机车系统单元的信号输出端连接，所述的接触网信息合成单元的信号输出端与所述的图像存储单元的信号输入端连接，所述的图像存储单元的信号端经所述的无线通讯单元与所述的信息显示单元的信号端连接，其中
所述的触发单元用于接收所述的机车系统单元的启动信号，并向所述的线阵相机拍摄单元和激光测量单元发送工作命令；
所述的线阵相机拍摄单元，用于拍摄接触网图像，并将拍摄的接触网图像发送给所述的接触网信息合成单元；
所述的激光测量单元，当接收到触发单元发送的工作指令后，激光测量单元中车顶激光测距模块和车底补偿测距模块同时开始工作，分别得到激光发射点到接触线和激光发射点到铁轨的测量数据对(水平距离和垂直距离)；
所述的接触网信息合成单元，用于接收数据处理单元发送的接触网拉出值、导高值和磨耗值以及机车系统单元发送的机车运行位置、速度信息，并将接触网的拉出值、导高值和磨耗值以及机车运行位置、速度信息然后叠加到接触网图像上，并发送给所述的图像存储单元；
所述的数据处理单元，用于接收激光测量单元发送的测量数据，并根据接触网拉出导高算法和接触网磨耗算法对测量数据进行处理；
所述的图像存储单元，用于接收接触网信息合成单元发送的接触网图像以及信息显示单元发送的查看命令，并通过无线通讯单元将待查看的接触网图像发送给信息显示单元；
所述的信息显示单元，用于向图像存储单元发送查看命令，并接收图像存储单元通过无线通讯单元发送的接触网图像。
2.根据权利要求1所述的基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统，其特征在于：所述的激光测量单元还包括车顶激光测距模块和车底补偿测距模块，所述的车顶激光测距模块包括第一激光相机、第二激光相机和第三激光相机，所述的第一激光相机设在车顶正中央，所述的第二激光相机设在所述的第一激光相机的左侧，所述的第三激光相机设在所述的第一激光相机右侧；所述的车底补偿测距模块包括第一车底激光相机和第二车底激光相机，所述的第一车底激光相机设在机车左侧车底，所述的第二车底激光相机设在机车右侧车底，第一车底激光相机和第二车底激光相机在测量车底补偿时同时工作。
3.根据权利要求2所述的基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统，其特征在于：所述的第一激光相机、第二激光相机和第三激光相机均通过云台固定在机车车顶。
4.根据权利要求1所述的基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统，其特征在于：还包括故障报警单元，所述的故障报警单元的信号输入端与所述的数据处理单元的信号输出端连接，用于接收数据处理单元发送的接触网状态异常报警信息并发出状态异常警报。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下的步骤：
步骤(1)：在机车系统单元运行开始时，所述的触发单元向所述的线阵相机拍摄单元和激光测量单元发送触发命令使线阵相机拍摄单元和激光测量单元同时开始工作；
步骤(2)：通过所述的线阵相机拍摄单元接收所述的触发单元的触发命令并拍摄接触网得到接触网图像，然后通过所述的线阵相机拍摄单元将接触网图像发送给所述的接触网信息合成单元；同时，通过所述的激光测量单元对着接触网的底部和铁轨进行激光扫描，并将在刚性和柔性接触网环境下得到的测量数据发送给所述的数据处理单元；
步骤(3)：通过所述的数据处理单元接收所述的激光测量单元发送的测量数据，并根据接触网拉出导高算法和接触网磨耗算法对测量数据进行处理，得到接触网的拉出值、导高值和磨耗值，然后将得到的接触网拉出值、导高值和磨耗值与对应的阈值进行对比，分析判断接触网是否异常以及是否向故障报警单元发送报警信息；同时，通过所述的数据处理单元将接触网的拉出值、导高值和磨耗值发送给所述的接触网信息合成单元；其中，所述的测量数据包括车顶的第一激光相机与第二激光相机或者第一激光相机与第三激光相机发送的测量数据以及车底的第一车底激光相机与第二车底激光相机发送的测量数据；
步骤(4)：通过所述的接触网信息合成单元接收数据处理单元发送的接触网拉出值、导高值和磨耗值，同时接收所述的线阵相机拍摄单元发送的接触网图像以及机车系统单元发送的机车运行位置、速度信息，并将接触网的拉出值、导高值和磨耗值以及机车运行位置和速度信息叠加在接触网图像上，然后通过所述的接触网信息合成单元将叠加有接触网拉出值、导高值和磨耗值以及机车运行位置、速度信息的接触网图像发送给所述的图像存储单元；
步骤(5)：通过所述的图像存储单元接收接触网信息合成单元发送的接触网图像，并进行本地保存；
步骤(6)：通过所述的信息显示单元向图像存储单元发送查看命令，并接收图像存储单元通过无线通讯单元发送的接触网图像。
6.根据权利要求5所述的基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统的测量方法，其特征在于：在所述的步骤(1)中，所述的触发单元向线阵相机拍摄单元和激光测量单元发送触发命令的频率决定于所述的机车系统单元发送的机车运行速度。
7.根据权利要求5或6所述的基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统的测量方法，其特征在于：在所述的步骤(2)中，所述的激光测量单元中的车顶激光测距模块和车底补偿测距模块同时开始工作，分别得到激光发射点到接触线和激光发射点到铁轨的测量数据对(水平距离x和垂直距离z)。
8.根据权利要求5或6所述的基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统的测量方法，其特征在于：在所述的步骤(2)中，在柔性测量车顶接触网的拉出值和导高值时，由第一激光相机和第二激光相机或者第一激光相机和第三激光相机同时配合工作；在刚性测量车顶接触网的拉出值和导高值时，由第二激光相机和第三激光相机同时工作。
9.根据权利要求5或6所述的基于激光测距的接触网几何参数动态测量系统的测量方法，其特征在于：在所述的步骤(3)中，所述的数据处理单元根据处理结果判断接触网是否异常，如果接触网拉出值、导高值超出设定阈值或者磨耗太大，则向故障报警单元发出报警信息，通知工作人员进行处理；否则，则不向报警单元发送报警信息。
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