CN110001710A

CN110001710A - 一种磁悬浮轨道三维场景快速重构系统、方法及应用

Info

Publication number: CN110001710A
Application number: CN201910271354.2A
Authority: CN
Inventors: 姚连璧; 张邵华; 秦长才; 聂顺根; 阮东旭
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University; CRRC Qingdao Sifang Co Ltd
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2019-07-12
Anticipated expiration: 2039-04-04
Also published as: CN110001710B

Abstract

本发明涉及一种磁悬浮轨道三维场景快速重构系统、方法及应用，所述重构系统包括：移动载体平台，该移动载体平台横跨于磁悬浮轨道上；传感器模块，用于采集磁悬浮轨道点云数据；导航模块，用于获取移动载体平台移动的位置和姿态参数；GPS时钟，用于提供时间信息；路由器，用于实现数据通讯；工控机，分别连接路由器和导航模块，用于根据接收的数据进行磁悬浮轨道的三维场景重构；其中，所述传感器模块包括一套第一激光扫描仪和两套第二激光扫描仪，所述第一激光扫描仪用于采集磁悬浮轨道上方点云数据，所述第二激光扫描仪用于采集磁悬浮轨道两侧及定子线圈点云数据。与现有技术相比，本发明具有重构准确、提高监测质量等优点。

Description

一种磁悬浮轨道三维场景快速重构系统、方法及应用

技术领域

本发明涉及磁悬浮轨道监测技术领域，尤其是涉及一种磁悬浮轨道三维场景快速重构系统、方法及应用。

背景技术

高速磁悬浮列车是一种利用电磁力实现车辆悬浮、导向，直线电机实现牵引驱动的新型地面交通工具，其轨道由预应力混凝土梁、连接件、功能件以及具有齿槽结构分段拼接的长定子组成，列车环抱滑行面、导向面、定子面“飞行”。但随着轨道的长期运营，磁悬浮轨道周边环境越来越复杂，比如地下井道开挖、周边建筑管道等设施修建等，导致土壤沉降，以及轨道线路外侧一些树木、漂浮物等容易侵入列车运行的安全限界范围，障碍物落入磁悬浮轨道面阻碍车体前进，具有碰撞危险，以及螺丝松动、车体内外力等轨道自身因素等，对列车的安全运行都具有一定的威胁。因此，需要定期对磁悬浮线路进行安全监测。

目前对磁悬浮的监控，主要针对磁悬浮列车的悬浮控制系统监控和故障诊断，对轨道结构运行环境的三维全景重构研究较少，主要集中在轨道的不平顺性检测、轨距、安全限界检测等。(1)对磁浮列车悬浮控制系统的监控，上海磁浮交通发展有限公司设计了一种常导电磁悬浮式轨道巡检车，车体搭载悬浮间隙传感器、电流传感器、加速度传感器和测速定位传感器等，从悬浮节点获取间隙、电压电流、垂向加速度、速度等信息，并将数据传输至诊断系统进行故障诊断，以及时调整悬浮车辆与轨道的运行状态，且技术较为成熟；但车辆整体结构复杂、设备可移植性差、造价较高等。(2)对磁浮轨道轨距、不平顺性的检测，可采用全站仪进行静态采集，以地面和轨道平台为基准，可得到可靠的检测结果，但只能在夜间或其他无列车运营时段进行，且检测效率较低。(3)对轨道不平顺性的检测，目前主要借助在悬浮架上连接刚性结构平台，搭建加速度传感器和间隙传感器，通过加速度传感器的测量值在运动的列车电磁铁上建立一个惯性参考基准线，间隙传感器测量电磁铁与轨道之间的间隙值，根据惯性基准法，进行加速度积分、间隙去噪等，得到轨道轮廓线在惯性坐标系内的相对位置，即轨道的不平顺值。该方法简单、高效，但无法对轨道的整体状态进行诊断，且无法直接发现故障发生的原因。(4)在磁浮交通限界检测方面，目前尚无成熟的限界设计计算体系，依据《地铁限界标准》，给出了磁浮列车在直线或曲线段的车辆限界、设备限界、建筑限界参数，但暂无实际应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种磁悬浮轨道三维场景快速重构系统、方法及应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种磁悬浮轨道三维场景快速重构系统，包括：

移动载体平台，该移动载体平台横跨于磁悬浮轨道上；

传感器模块，用于采集磁悬浮轨道点云数据；

导航模块，用于获取移动载体平台移动的位置和姿态参数；

GPS时钟，用于提供时间信息；

路由器，分别连接传感器模块和GPS时钟，用于实现数据通讯；

工控机，分别连接路由器和导航模块，用于根据接收的数据进行磁悬浮轨道的三维场景重构；

其中，所述传感器模块包括一套第一激光扫描仪和两套第二激光扫描仪，所述第一激光扫描仪设置于所述移动载体平台中间，用于采集磁悬浮轨道上方点云数据，所述第二激光扫描仪分布设置于所述移动载体平台两侧，用于采集磁悬浮轨道两侧及定子线圈点云数据。

进一步地，所述第一激光扫描仪、导航模块、GPS时钟和路由器一体化安装于一平台集装箱上。

进一步地，所述移动载体平台为三段式拼装结构。

进一步地，所述导航模块包括GNSS天线和惯性测量单元。

进一步地，所述路由器通过DHCP网络协议对连接设备的IP地址进行访问，一键控制多个连接设备的数据通讯。

进一步地，所述第一激光扫描仪通过导航模块的PPS脉冲信号和UTC时间信息实现时间同步控制，所述第二激光扫描仪通过GPS时钟实现时间同步控制。

本发明还提供一种利用所述的重构系统实现的磁悬浮轨道三维场景快速重构方法，包括以下步骤：

1)对传感器模块进行标定，获得扫描仪标定参数；

2)传感器模块将获取的磁悬浮轨道点云数据通过路由器发送至工控机，且所述磁悬浮轨道点云数据具有时间同步信息；

3)导航模块实时将获取的移动载体平台移动的位置和姿态原始参数发送至工控机；

4)工控机对所述磁悬浮轨道点云数据进行时间归化处理，并基于移动载体平台的位置和姿态参数进行地理配准，获得磁悬浮轨道的三维连续点云数据；

5)基于所述三维连续点云数据重构磁悬浮轨道三维场景。

进一步地，所述步骤4)中，采用拉格朗日插值算法进行时间归化处理。

进一步地，所述步骤4)中，地理配准具体为：

基于所述扫描仪标定参数及所述位置和姿态参数，将由传感器模块解码后的坐标转换至高斯坐标。

本发明还提供一种磁悬浮轨道监测方法，该方法利用所述的磁悬浮轨道三维场景快速重构方法获得磁悬浮轨道三维场景，基于所述磁悬浮轨道三维场景实现轨道表面、侧面及定子线圈的监测。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

1、本发明将车载移动扫描技术应用于磁悬浮轨道的三维数字化重构，通过集成处理，可动态采集获取密集的点云数据，能获得磁悬浮轨道的全景点云数据，解决了对磁悬浮轨道运营环境室内监控可视化的空白，克服了人工检测的工作强度大、效率低等缺点，可为轨道不平顺性故障诊断等提供信息支持，具有较强的环境感知能力，对磁浮的安全运营维护提供数据基础。

2、本发明传感器模块设置有三套激光扫描仪，可获得全面的点云数据，包括轨道表面、侧面及定子线圈等，能快速重构磁悬浮线路轨道运营的三维场景，做到可视化监控，实时掌握周边环境与轨道真实状态，能及时预警限界或障碍物等发生的位置及大小信息等，以便及时发现与消除危险。

3、本发明通过路由器实现多传感器数据通讯和控制的一体化，能提高系统的集成度。

4、本发明对对不同类型多扫描仪进行了时间同步，做到简单高精度且对各部分的高效利用。

5、本发明通过多源数据的地理配准实现多源数据的融合，简化了多传感器数据融合的复杂度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明系统的扫描区域示意图；

图3为本发明多传感器数据通讯与控制示意图；

图4为本发明时间同步控制示意图；

图5为本发明磁悬浮轨道三维场景重构流程图；

图6为多源数据地理配准坐标转换示意图；

图7为本发明获得的磁悬浮轨道三维全景示意图，其中，(7a)为左右侧扫描仪获得的三维图，(7b)为三套扫描仪获得的三维图，(7c)为正视图，(7d)为侧视图。

图1、图3中标记：1、磁悬浮轨道，2、连接横梁，3、四轮组，4、第一激光扫描仪，5、第二激光扫描仪，6、GNSS天线，7、平台集装箱，8、电源，9、路由器，10、GPS时钟，11、工控机，12、惯性测量单元，箭头方向为系统前进方向。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

磁悬浮轨道建造于磁浮墩柱上，列车环抱左右两侧的滑行面、导向面、定子面悬浮运行，为重构磁悬浮轨道的三维轨道全景，不仅需要对轨道上方检测，还需要对左右两侧及定子线圈进行扫描。如图1所示，本实施例提供一种磁悬浮轨道三维场景快速重构系统，包括移动载体平台、传感器模块、导航模块、GPS时钟10、路由器9和工控机11，其中，移动载体平台该移动载体平台横跨于磁悬浮轨道1上；传感器模块用于采集磁悬浮轨道点云数据；导航模块用于获取移动载体平台移动的位置和姿态参数；GPS时钟用于提供时间信息；路由器分别连接传感器模块和GPS时钟，用于实现数据通讯；工控机分别连接路由器和导航模块，用于根据接收的数据进行磁悬浮轨道的三维场景重构。该系统不仅可对轨道上方进行数据采集，还可对轨道左右两侧及定子线圈进行数据采集，如图2所示的3个扫描区域。

根据磁悬浮轨道的结构特点，传感器模块包括一套第一激光扫描仪4和两套第二激光扫描仪5，所述第一激光扫描仪4设置于所述移动载体平台中间，用于采集磁悬浮轨道上方点云数据，所述第二激光扫描仪5分布设置于所述移动载体平台两侧，用于采集磁悬浮轨道两侧及定子线圈点云数据。第一激光扫描仪4、导航模块、GPS时钟10和路由器9一体化安装于一平台集装箱7上，该平台集装箱7可设置于移动载体平台中部。导航模块为由GNSS天线6和惯性测量单元12(Inertial Measurement Unit，IMU)组成的组合导航装置。

本实施例中，移动载体平台在磁悬浮轨道上能够顺畅通行，接缝处车体振动幅度小于1mm，为三段式拼装结构，方便组装和拆卸，包括连接横梁2以及对称设置于所述连接横梁2两侧的四轮组3，第一激光扫描仪安装于连接横梁中部，两套第二激光扫描仪对应设置于两侧四轮组上，且对准磁悬浮轨道两侧。移动载体平台采用铝合金材料，保证承载和刚度的情况下，尽量轻量化。

本实施例中，第一激光扫描仪4采用具有360°扫描角度的Z+F 9012激光断面扫描仪，第二激光扫描仪5采用具有270°扫描角的LMS111SICK断面扫描仪。

本系统搭载了多种传感器，为便于多传感器数据通讯与控制的一体化，需要对多传感器的数据连线与控制进行合理设计。如图3所示，本系统为方便多传感器的管理，以一个路由器为控制单元，将Z+F扫描仪、两个SICK扫描仪、GPS时钟通过RJ45串口线连接到路由器，路由器通过网线连接到工控机端，通过DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)网络协议，对每个传感器的IP地址进行访问，从而一键控制多传感器的数据通讯，减少了多传感器连接所需的串口。IMU端分出两个串口，一个串口作为时间服务器，通过RS232线与Z+F扫描仪连接用于时间同步；另一个串口作为定位定姿模块，利用RS232线与工控机端连接，通过COM端口进行传感器控制，做到了IMU惯导系统的高效集成利用。

为融合多传感器数据，需要为每个传感器提供时间标签。激光扫描仪向地物发射激光脉冲，接收地物反射回波，得到地物坐标信息，但激光数据流本身不带有时间信息，因此对两套SICK与Z+F扫描仪设计了时间同步控制策略，如图4所示。

对两套SICK扫描仪，以GPS时钟为时间服务器，路由器管理GPS时钟IP地址，可以对工控机、路由器等授时，利用网络时间协议NTP(Network Time Protocol)，SICK扫描仪作为网络客户端，可以从服务器读取协调世界时UTC(Coordinated Universal Time)时间信息，并以一定的周期更新，防止在GPS信号丢失时，时间误差累积，且借助路由器可以对多个SICK扫描仪授时。

Z+F扫描仪具有时间同步接口，将惯导系统IMU的一端带有PPS脉冲信号(PulsePer Second)和UTC时间信息的串口作为时间服务发射端，与Z+F的PPS脉冲和UTC时间信号接收端对应的帧口进行连接，设置一致的波特率、频率等；在数据传输时，Z+F扫描仪的“counter1”接收并记录PPS脉冲信号和UTC时间；在断面扫描开始时，“counter2”开始从0记录，以一定周期循环，将扫描线的变化存储到对应的扫描数据流中，通过插值处理即可得到每个扫描点的时间信息，完成时间同步。

移动载体平台上还设置有用于供电的电源8。

如图5所示，利用上述重构系统实现磁悬浮轨道三维场景快速的具体步骤包括：

1)对传感器模块进行标定，获得扫描仪标定参数。激光扫描仪得到的地物坐标数据是以断面扫描仪的激光发射中心为原点的坐标系统(X_S，Y_S，Z_S)，为得到地物在高斯坐标系(X_B，Y_B，Z_B)下的坐标，需要确定激光扫描仪与地理空间坐标系的平移旋转参数。在此过程中，首先需要确定激光扫描仪与IMU的位置和姿态关系，即扫描仪的标定。在扫描仪的标定中，以IMU的GNSS天线中心为车体坐标系(X_V，Y_V，Z_V)的原点，利用4个靶球作为公共点，全站仪作为过渡，可获得扫描仪到车体坐标系的标定外参数，包括平移参数(ΔX_SV，ΔY_SV，ΔZ_SV)与旋转矩阵R_SV。

2)传感器模块将获取的磁悬浮轨道点云数据通过路由器发送至工控机，且所述磁悬浮轨道点云数据具有时间同步信息。

3)导航模块实时将获取的移动载体平台移动的位置和姿态原始参数发送至工控机。

移动载体平台(车体)在移动过程中，其位置和姿态会不断变化，准确求取平台轨迹的位置和姿态参数，直接影响三维场景地理定位的精度。本系统以IMU/GNSS作为组合导航装置，记录IMU的原始数据，将IMU的三个角速度与三个加速度和GPS卫星导航信息组合导航，通过紧耦合差分处理，修正惯导的导航误差，输出车体实时高精度的位置和三个姿态角(航向、俯仰、横滚)，经高斯归化等，即得到车体坐标系与高斯坐标系的转换参数，包括位置参数(ΔX_VB，ΔY_VB，ΔZ_VB)和三个姿态角构成的旋转矩阵R_VB。

4)工控机采用拉格朗日插值算法对所述磁悬浮轨道点云数据进行时间归化处理，并基于移动载体平台的位置和姿态参数进行地理配准，获得磁悬浮轨道的三维连续点云数据。

地理配准具体为：基于所述扫描仪标定参数及所述位置和姿态参数，将由传感器模块解码后的坐标转换至高斯坐标。

如图6所示，将扫描仪解码后的坐标(x_S，y_S，z_S)，利用扫描仪标定参数(ΔX_SV，ΔY_SV，ΔZ_SV，R_SV)进行坐标转换，将扫描仪坐标系转换到车体坐标系；由IMU/GNSS组合导航解算归化后的定位和定姿参数(ΔX_VB，ΔY_VB，ΔZ_VB，R_VB)，经坐标转换，可将车体坐标系下的点云数据，最终转换到高斯坐标(x_B，x_B，x_B)，如公式(1)所示。

5)基于所述三维连续点云数据重构磁悬浮轨道三维场景。

对Z+F扫描仪和两套SICK扫描仪完成多源数据融合后，即可获得磁悬浮轨道的三维连续点云数据，如图7所示，所得点云不仅包含磁浮轨道面，也对导向面、定子线圈、轨道下方进行了全面监控，通过可视化的操作，获得磁悬浮轨道三维场景，即可了解轨道状态和运行环境，用于进一步的限界、障碍物检测等信息分析。

实施例2

本实施例提供一种磁悬浮轨道监测方法，该方法利用如实施例1所述的磁悬浮轨道三维场景快速重构方法获得磁悬浮轨道三维场景，基于所述磁悬浮轨道三维场景实现轨道表面、侧面及定子线圈的监测。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种磁悬浮轨道三维场景快速重构系统，其特征在于，包括：

移动载体平台，该移动载体平台横跨于磁悬浮轨道上；

传感器模块，用于采集磁悬浮轨道点云数据；

导航模块，用于获取移动载体平台移动的位置和姿态参数；

GPS时钟，用于提供时间信息；

2.根据权利要求1所述的磁悬浮轨道三维场景快速重构系统，其特征在于，所述第一激光扫描仪、导航模块、GPS时钟和路由器一体化安装于一平台集装箱上。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮轨道三维场景快速重构系统，其特征在于，所述移动载体平台为三段式拼装结构。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮轨道三维场景快速重构系统，其特征在于，所述导航模块包括GNSS天线和惯性测量单元。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮轨道三维场景快速重构系统，其特征在于，所述路由器通过DHCP网络协议对连接设备的IP地址进行访问，一键控制多个连接设备的数据通讯。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮轨道三维场景快速重构系统，其特征在于，所述第一激光扫描仪通过导航模块的PPS脉冲信号和UTC时间信息实现时间同步控制，所述第二激光扫描仪通过GPS时钟实现时间同步控制。

7.一种利用如权利要求1所述的重构系统实现的磁悬浮轨道三维场景快速重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对传感器模块进行标定，获得扫描仪标定参数；

5)基于所述三维连续点云数据重构磁悬浮轨道三维场景。

8.根据权利要求7所述的磁悬浮轨道三维场景快速重构方法，其特征在于，所述步骤4)中，采用拉格朗日插值算法进行时间归化处理。

9.根据权利要求7所述的磁悬浮轨道三维场景快速重构方法，其特征在于，所述步骤4)中，地理配准具体为：

10.一种磁悬浮轨道监测方法，其特征在于，该方法利用如权利要求7所述的磁悬浮轨道三维场景快速重构方法获得磁悬浮轨道三维场景，基于所述磁悬浮轨道三维场景实现轨道表面、侧面及定子线圈的监测。