CN110030950B - 一种轨道车辆全动态包络限界测试系统 - Google Patents

Abstract

一种轨道车辆全动态包络限界测试系统，其特征在于包括：一个静态限界测试系统，用于检测车辆断面静态轮廓，其输出连接动态限界测试系统的输入，将检测出来的车辆断面静态轮廓作为输入条件给动态限界测试系统；一个动态限界测试系统，利用静态限界测试系统检测出来的车辆断面静态轮廓，并结合本身检测出的车体姿态，通过运算得到车体断面相对于轨道中心的动态包络线；一个线路设备限界测试系统，用于接收作为补偿条件的动态限界测试系统检测出的车体姿态，检测出相对于轨道中心的设备限界轮廓；本发明具备考虑车体静态轮廓（主要为车体制造误差）的动态包络线测试；具备考虑车体的动态包络线与所经过的线路设备限界实时比对分析。

Description

一种轨道车辆全动态包络限界测试系统

技术领域

本发明涉及轨道车辆限界领域的一种检测设备，涉及一种包括测试车体落车后静态轮廓，线路运行时车体的动态轮廓及线路设备和建筑轮廓测试。

背景技术

动态限界试验是校核及验证车辆在规定站台或设备限界内安全可靠运行的唯一测试手段。几乎所有的轨道车辆产品运营前，均需按要求或规定进行动态限界测试。但现阶段国内，较为先进的动态限界测试系统检测只是依据理想的车体轮廓和测得的车体空间姿态推导出车体实时的动态包络。对于实际车体存在一定的制造和安装落成等误差，该误差产生的静态偏差对车体的动态包络有很大的影响；另外，检测出的车体动态包络也应与线路设备限界实时比照，以考核车辆动态偏移是否与设备限界发生干涉。

目前国内地铁进行动态限界试验大都采用粘贴泡沫传统方式进行检测，泡沫厚度由车辆限界与设备限界来决定，此方法虽然能根据泡沫刮蹭情况，对车辆限界与设备限界进行检测，但无法采集到精确的测试数据。因此粘贴泡沫的方法只能够定性的对车辆限界进行检测，无法定量地进行限界研究。通过激光传感器可以对车辆的动态偏移量进行数据采集，如何将激光传感器进行集成并随车进行试验，是目前限界测试领域研究的一个重要课题。

发明内容

针对以上问题，本发明公开了一种全动态包络限界测试系统，实现车体静态包络线测试，车体动态偏移测试及线路设备限界测试，通过上述的三项测试结果及算法分析处理，可获取车辆在运行时车体的全动态包络与线路设备限界的实时比照。

为实现上述目的，本发明提供一种轨道车辆全动态包络限界测试系统，其特征在于包括：

一个静态限界测试系统，用于检测车辆断面静态轮廓，其输出连接动态限界测试系统的输入，将检测出来的车辆断面静态轮廓作为输入条件给动态限界测试系统；

一个动态限界测试系统，利用静态限界测试系统检测出来的车辆断面静态轮廓，并结合本身检测出的车体姿态，通过运算得到车体断面相对于轨道中心的动态包络线；

一个线路设备限界测试系统，用于接收作为补偿条件的动态限界测试系统检测出的车体姿态，检测出相对于轨道中心的设备限界轮廓；

一个数据分析处理系统，用于连接动态限界测试系统和线路设备限界测试系统，接收动态包络线和设备限界轮廓，判定车体是否与线路设备发生干涉以及最小间距。

所述的静态限界测试系统由若干激光雷达主动测量传感器、数字信号同步触发模块、服务器和电源调理模块构成，若干激光雷达主动测量传感器安装在标定的轨道线路的框架上，位于同一横截面上，用于对车体断面进行动态扫描；数字信号同步触发模块连接若干激光雷达主动测量传感器，用于发出控制信号，协调多台激光雷达主动测量传感器同步工作；电源调理模块用于给若干激光雷达主动测量传感器供电，若干激光雷达主动测量传感器输出连接服务器输入，服务器对动态扫描数据进行数据分析、处理及坐标系变换，拟合得到整个车辆的若干角度的轮廓线，通过整合计算出整个车辆通过固定点的车体断面的静态轮廓线。

所述的动态限界测试系统是安装在轨道车辆车体底架区域，由激光2D主动测量传感器、数字信号同步触发模块、惯性包、加速度传感器、服务器和电源调理模块构成，其中，激光2D主动测量传感器由高速面阵相机与主动激光光源构成，安装在车体设备舱中，高速面阵相机镜头与主动激光光源直接照射轨道上，实现车体相对基准坐标系的位置定位；惯性包由陀螺仪和倾角传感器集成一体，与加速度传感器数据共同处理，实现横摆、摇头、点头、侧滚及沉浮五个空间位移及角位移的计算合成；数字同步触发模块用于发出控制信号，协调激光2D主动测量传感器和惯性包同步工作；服务器用于对车体相对基准坐标系的位置定位和五个空间位移及角位移进行数据分析、处理及坐标系变换。

所述的线路设备限界测试系统是由图像采集装置，动态限界测试系统所述激光2D主动测量传感器，数字信号同步出发模块，服务器和电源调理模块构成。其中，图像采集装置由多组环形布置高清面阵相机和主动激光光源所构成，布置在车头端部区域，且高清面阵相机捕捉拍摄主动激光光源照射的隧道断面；激光2D主动测量传感器同和动态限界测试系统安装位置及作用一样，用于实现车体相对基准坐标系的位置定位；数字同步触发模块作用为发出控制信号，协调图像采集装置和激光2D主动测量传感器同步工作；服务器作用为通过图像预处理、图像识别，图像特征提取和分析隧道断面内物体相对于车体坐标位置，拟合出隧道断面内物体现对于车体中心的空间距离。

所述的数据分析处理系统执行下面的程序：

1、把上述静态限界测试系统输出信号、动态限界测试系统输出信号及线路设备限界测试系统输出信号进行整合分析；

2、动态限界测试系统输出车体相对于轨道中心的五个空间位移及角位移姿态信号，一方面与静态限界测试系统输出车体静态轮廓数据信号结合生成车体相对于轨道中心的全动态包络线；另一方面，对线路设备限界测试系统输出的设备及隧道断面轮廓信息进行轨道特征补偿处理，生成设备及隧道断面相对于轨道中心的轮廓图；

3、上述新生成的两组数据信号继续在数据分析处理系统中进行数据及图像运算，生成车体的动态包络线和线路设备限界比照，实时判定车体是否与线路设备发生干涉，以及查看二者最小的间距。

本发明的有益效果：

1、本发明通过静态限界测试系统中固定点三个视场角为190°的激光雷达主动测量传感器进行车体外形轮廓测试，只需要在测试前进行系统标定，操作方便，精度较高，能够大大的提高工作效率；

2、本发明中激光雷达主动测量传感器，激光2D主动测量传感器，惯性包（陀螺仪、倾角传感器、加速度传感器）和图像采集系统都为模块化产品，各自集成为一体，结构简单，安装容易，操作方便。

3、本发明的线路设备限界测试系统与动态限界检测系统同步工作，能够实时比对线路设备限界与车辆动态包络，快速准确探知车体超限位置和车体距线路设备限界的距离。

综上所述，本发明测试系统可对车体的静态轮廓、动态轮廓及线路设备限界予以高精度测试，具备车体静态轮廓与要求车体限界架予以比对分析；具备考虑车体静态轮廓（主要为车体制造误差）的动态包络线测试；具备考虑车体的动态包络线与所经过的线路设备限界实时比对分析。

附图说明

图1是本发明所述的轨道车辆全动态包络限界测试系统的总结构示意图；

图2是本发明所述的静态限界测试系统的结构示意图；

图3是本发明所述的动态限界测试系统的结构示意图；

图4是本发明所述的线路设备限界测试系统的结构示意图；

图5是本发明数据分析处理系统逻辑图。

具体实施方式

参阅图1，本发明所述的轨道车辆全动态包络限界测试系统包括静态限界测试系统1、动态限界测试系统2、线路设备测试系统3和数据分析处理系统4。静态限界测试系统用于检测车辆断面静态轮廓，其输出连接动态限界测试系统的输入，将检测出来的车辆断面静态轮廓作为输入条件给动态限界测试系统，动态限界测试系统利用静态限界测试系统检测出来的车辆断面静态轮廓，并结合本身检测出的车体姿态，通过运算得到车体断面相对于轨道中心的动态包络线；动态限界测试系统将检测出的车体姿态作为补偿条件输出给线路设备限界测试系统，通过线路设备限界测试系统检测出相对于轨道中心的设备限界轮廓；数据分析处理系统连接动态限界测试系统和线路设备限界测试系统，用于接收动态包络线和设备限界轮廓，判定车体是否与线路设备发生干涉以及最小间距。

通过静态限界测试系统能够检测出车体断面的静态轮廓；以静态限界系统检测出来的车辆断面静态轮廓作为输入条件，结合动态限界测试系统检测出的车体姿态，能过运算出车体断面相对于轨道中心的动态包络线；以动态限界测试系统检测出的轨道特征作为补偿条件，通过线路设备测试系统检测出相对于轨道中心的线路设备限界；最后，通过数据分析处理系统，结合动态包络线和线路设备限界，判定车体是否与线路设备发生干涉，以及查看二者最小的间距。

参阅图2，本发明所述的静态限界测试系统包括激光雷达主动测量传感器5、固定架6，数字信号同步触发模块7（型号SXTQ-AKTF）、数据采集处理模块8（型号MXLB-AKTF）和电源调理模块9（型号：OMRON S8VK-X12024_EIP）构成。其中固定架6可借助周围建筑或采用金属框架制作，激光雷达主动测量传感器5（型号SICK-LMS5xx）通过螺栓连接固定在固定架6的位置上，且该固定架6垂直置于轨道上方。另外，激光雷达主动测量传感器5由电线线缆连接到电源调理模块9提供供电，且通过信号线连接数字信号同步触发模块7和数据采集处理模块8，实现信号的控制和传输。

参阅图3，本发明所述的动态限界测试系统2由激光2D主动测量传感器10（型号TYDZ1），数字信号同步触发模块13（型号：SXTQ-AKTF）、惯性包11、加速度计12（型号ATAC-010B）、数据采集处理模块14（型号MXLB-AKTF）和电源调理模块15（TYGCD-1）构成。其中，激光2D主动测量传感器10（型号TYDZ1）由高速面阵相机与主动激光光源共同组合而成，安装在车体设备舱或车体底架区域；惯性包11由陀螺仪和倾角传感器集成构成，与加速度传感器12（型号ATAC-010B）同样安装在车体设备舱或车体底架区域。上述激光2D主动测量传感器10（型号TYDZ1），惯性包11和加速度计12（型号ATAC-010B）由电线线缆连接到电源调理模块15（TYGCD-1）提供供电，且通过信号线连接数字信号同步触发模块13（型号：SXTQ-AKTF）和采集处理模块14（型号MXLB-AKTF），实现信号的控制和传输。

参阅图4，本发明所述的线路设备测试系统3包括传感器安装盘16、激光2D主动测量传感器10（6个）（型号TYDZ1）、数字信号同步触发模块17（型号：SXTQ-AKTF）、数据采集处理模块18（型号MXLB-AKTF）和电源调理模块19（TYGCD-1）构成。其中，激光2D主动测量传感器9由高速面阵相机与主动激光光源构成，且6个激光2D主动测量传感器10（型号TYDZ1）呈圆周均布，传感器安装盘13整体安装在车头前端区域。另外，激光2D主动测量传感器10（型号TYDZ1）由电线线缆连接到电源调理模块19（TYGCD-1）提供供电，且通过信号线连接数字信号同步触发模块17（型号：SXTQ-AKTF）和数据采集处理模块18（型号MXLB-AKTF），实现信号的控制和传输。

参阅图5，本发明所述的数据分析处理系统执行下面的程序：

首先，动态限界测试系统输出车体相对于轨道中心的五个空间位移及角位移姿态信号，一方面线与静态限界测试系统输出车体静态轮廓数据信号结合生成车体相对于轨道中心的全动态包络线；而后，动态限界测试系统输出信号与线路设备限界测试系统输出的设备及隧道断面轮廓信息进行数据处理，生成设备及隧道断面相对于轨道中心的轮廓图。上述新生成的两组数据信号继续在数据分析处理系统中进行数据及图像运算，生成车体的动态包络线和线路设备限界比照，实时判定车体是否与线路设备发生干涉，以及查看二者最小的间距。

实验步骤如下：首先以两钢轨中心及轨面下方16mm的交点为基准坐标原点标定静态限界测试系统1，然后列车以相对较低的速度沿着轨道通过固定架6，由数字同步触发模块7发出控制信号，协调三台激光雷达主动测量传感器5同步工作，三台激光雷达主动测量传感器5处于同一横截面，各自以190°的角度对通过的列车进行动态扫描，动态扫描数据经由数据采集处理模块8进行数据分析、处理及坐标系变换，拟合得到整个车辆的三个角度的轮廓线，通过整合计算出整个车辆通过固定点的车体断面的静态轮廓线；

然后，车辆在线路正常运行时，利用动态限界测试系统2安装在车体底架区域激光2D主动测量传感器10中的高速面阵相机对主动激光光源，切面所在钢轨图像进行拍摄，并利用图像增强、图像平滑等数字图像处理算法以及数字图像特征提取算法实时提取钢轨轨面下16mm轨距点作为轨道特征点，且根据三角形成像原理得到轨距值，进而找到基准坐标系。提取出来的轨道特征点通过图像坐标系与基准坐标系的空间变换与换算，由数字同步触发模块13发出控制信号，结合惯性包11（陀螺仪、倾角传感器）和加速度传感器12测得的车体运动姿态数据在数据采集处理模块14中进行融合、计算，得到车体相对于基准坐标系中车体5个自由度振动分量的矢量合成，进而换算成车体相对于轨道中心的空间三维姿态。

再次，车辆在线路正常运行时，采用安装在车头的前端的线路设备限界测试系统3中激光2D主动测量传感器10的高清面阵相机拍摄主动激光光源照射的隧道断面，由数字同步触发模块7发出控制信号，6个激光2D主动测量传感器10同时测量出隧道断面内物体到面阵相机的水平距离和垂直距离，将所测量的数据同时传送到数据采集处理模块8中，进行数据处理分析，运算出相对于车体的设备限界轮廓。

最终，上述三个系统输出的信依据数据分析处理系统4的逻辑运算及图像处理，生成车体的动态包络线和线路设备限界比照，实时判定车体是否与线路设备发生干涉，以及查看二者最小的间距。该系统测试精度高，操作方便，可靠性好。

Claims (3)

1.一种轨道车辆全动态包络限界测试系统，其特征在于包括：一个静态限界测试系统，用于检测车辆断面静态轮廓，其输出连接动态限界测试系统的输入，将检测出来的车辆断面静态轮廓作为输入条件给动态限界测试系统；一个动态限界测试系统，利用静态限界测试系统检测出来的车辆断面静态轮廓，并结合本身检测出的车体姿态，通过运算得到车体断面相对于轨道中心的动态包络线；一个线路设备限界测试系统，用于接收作为补偿条件的动态限界测试系统检测出的车体姿态，检测出相对于轨道中心的设备限界轮廓；一个数据分析处理系统，用于连接动态限界测试系统和线路设备限界测试系统，接收动态包络线和设备限界轮廓，判定车体是否与线路设备发生干涉以及最小间距；

所述的静态限界测试系统由若干激光雷达主动测量传感器、数字信号同步触发模块、服务器和电源调理模块构成，若干激光雷达主动测量传感器安装在标定的轨道线路的框架上，位于同一横截面上，用于对车体断面进行动态扫描；数字信号同步触发模块连接若干激光雷达主动测量传感器，用于发出控制信号，协调多台激光雷达主动测量传感器同步工作；电源调理模块用于给若干激光雷达主动测量传感器供电，若干激光雷达主动测量传感器输出连接服务器输入，服务器用于对动态扫描数据进行数据分析、处理及坐标系变换，拟合得到整个车辆的若干角度的轮廓线，通过整合计算出整个车辆通过固定点的车体断面的静态轮廓线；

所述的数据分析处理系统是通过执行下面的程序实现的：

(1)对静态限界测试系统输出信号、动态限界测试系统输出信号及线路设备限界测试系统输出信号进行整合分析；

(2)动态限界测试系统输出车体相对于轨道中心的五个空间位移及角位移姿态信号，一方面与静态限界测试系统输出车体静态轮廓数据信号结合生成车体相对于轨道中心的全动态包络线；另一方面，对线路设备限界测试系统输出的设备及隧道断面轮廓信息进行轨道特征补偿处理，生成设备及隧道断面相对于轨道中心的轮廓图；

(3)上述新生成的两组数据信号继续在数据分析处理系统中进行数据及图像运算，生成车体的动态包络线和线路设备限界比照，实时判定车体是否与线路设备发生干涉，以及查看二者最小的间距。

2.根据权利要求1所述的一种轨道车辆全动态包络限界测试系统，其特征在于：所述的动态限界测试系统是安装在轨道车辆车体底架区域，由激光2D主动测量传感器、数字信号同步触发模块、惯性包、加速度传感器、服务器和电源调理模块构成，其中，激光2D主动测量传感器由高速面阵相机与主动激光光源构成，安装在车体设备舱中，高速面阵相机镜头与主动激光光源直接照射轨道上，实现车体相对基准坐标系的位置定位；惯性包由陀螺仪和倾角传感器集成一体，与加速度传感器数据共同处理，实现横摆、摇头、点头、侧滚及沉浮五个空间位移及角位移的计算合成；数字同步触发模块用于发出控制信号，协调激光2D主动测量传感器和惯性包同步工作；服务器用于对车体相对基准坐标系的位置定位和五个空间位移及角位移进行数据分析、处理及坐标系变换。

3.根据权利要求1所述的一种轨道车辆全动态包络限界测试系统，其特征在于：所述的线路设备限界测试系统是由图像采集装置、激光2D主动测量传感器、数字信号同步触发模块、服务器和电源调理模块构成，其中，图像采集装置由多组环形布置高清面阵相机和主动激光光源所构成，布置在车头端部区域，且高清面阵相机捕捉拍摄主动激光光源照射的隧道断面；激光2D主动测量传感器安装在车体设备舱中，用于实现车体相对基准坐标系的位置定位；数字同步触发模块用于发出控制信号，协调图像采集装置和激光2D主动测量传感器同步工作；服务器通过图像预处理、图像识别，图像特征提取和分析隧道断面内物体相对于车体坐标位置，拟合出隧道断面内物体现对于车体中心的空间距离。

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