CN110258216A - 一种简易高铁惯导轨检装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简易高铁惯导轨检装置，它采用T型3轮小车结构，采用中低精度(≤0.15°/h)三轴光纤陀螺组合装置、3路里程计、2路电子水平仪、1路轨距测量装置等构成一种简易高铁惯导轨检装置，并标定和校准为一个统一整体；轨距尺等作为轨距测量辅助手段，预留了全站仪或者棱镜的统一安装接口；测量的数据为完整的曲线，这些曲线真实反映了轨道的绝对参数，并与高铁测控网的精度、物理含义保持一致；配合测量作业流程，测量效率达到2km/h；相比于采用高精度惯导等方案，价格和成本可以降低一半，有利于产品的推广应用。

Description

一种简易高铁惯导轨检装置及检测方法

技术领域

本发明属于高铁轨道测量领域，具体涉及一种用于高铁轨道测量的静态检测装置与测量方法；它是惯性组合导航技术和高铁“三网合一”测量技术进行学科交叉的产物。

背景技术

在高速铁路的勘测、施工、运营维护等各阶段，为确保高铁质量，TB10601—2009《高速铁路工程测量规范》规定了高铁测控网和“三网合一”的要求，其中CPⅢ网的控制点是一个内符合精度极高的独立控制网，精密测量要依托该测控网。

目前，高铁上常用的方法有：

1、纯光学全站仪测量法；它利用全站仪自由设站，结合CPⅢ点的参数，利用轨道检测小车上反射棱镜逐点测量铁轨的参数，然后通过计算得到相关的轨道静态参数；优点是属于绝对测量，轨道内、外参数均可测量，缺点是效率极低，数据为离散性的点；

2、陀螺轨检仪法；将单轴或两轴陀螺安装到轨道检测小车上，做成高精度陀螺轨检仪，但只检测铁路轨道的部分静态内参数；

3、在陀螺轨检仪上安装反射棱；测量路段两端的参数附着在CPIII上；这种方法可以兼顾一些外参数，但效率与可靠性仍不理想；

4、采用惯导为主的轨检仪检测法；它是目前正在探索和研究的一种新方法，旨在提高测量效率、完善测量参数、降低高铁测量维护的总体成本。

现有技术中，一种高铁测量用惯性定位定向装置及方法(公告号CN103754235A)尽管提高了测量效率和精度，测量参数也比较全面，但与光纤惯导有关的部分过于复杂，对惯导的精度要求、使用要求都很高；实际应用中还发现，将测控网上的参数引入方式也不方便。

一种利用光纤惯导的高铁轨道静态参数检测系统和方法(公告号201810600863.0)具备的测量性能优势很强，但作业要求复杂，成本高，摆脱不了对惯导中加速度计的依赖。

一种用于检测桥梁形变的惯性基准测量方法(公告号201310673917.3)和一种基于惯性组合导航的安检装置及其安检方法(公告号201210330297.9)在基本原理上与本发明相同，但受制于应用场合和作业环境，不能直接用于高铁铁路和普通铁轨的测量。

轨道几何形位检测成套体系装置(专利号CN201120203696.X)由于不依赖于CPIII控制网，提供的信息与高铁测控网很难一致，参数的全面性和一致性也就无法保证。

基于多源信息融合的轨道几何状态测量系统和方法(专利号CN102251451A)公开的产品包括轨检小车和全站仪，轨检小车上设有配备有测量软件的计算机、轨距传感器、纵向倾角传感器、横向倾角传感器、里程传感器和三维陀螺箱；以及基于多源信息融合技术的轨道几何状态测量方法。但该发明的弱点在于，如果里程传感器数量不足；多源信息融合时没有将纵向倾角传感器、横向倾角传感器、里程传感器和三维陀螺箱视为一个整体进行误差标校(消除相关的安装误差)，绝对测量优势和轨迹测量优势难以有效综合；而也未说明轨迹测量能否替代绝对测量，测量的轨迹是实际轨道参数的预估还是真实性物理测量值。

发明内容

针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本发明提供了一种简易高铁惯导轨检装置，利用电子水平仪、三轴光纤陀螺和3路里程计构成一个简易的组合式惯导，并标定和校准为一个统一整体；轨距尺等作为轨距测量辅助手段，预留了全站仪或者棱镜的统一安装接口；测量的数据为完整的曲线，这些曲线真实反映了轨道的绝对参数，并与高铁测控网的精度、物理含义保持一致；配合测量作业流程，测量效率达到2km/h；相比于采用高精度惯导等方案，价格和成本可以降低一半，有利于产品的推广应用。

本发明采用中低精度(≤0.15°/h)三轴光纤陀螺组合装置、3路里程计、2路电子水平仪、1路轨距测量装置等构成一种简易高铁惯导轨检装置，配合一定的作业方法，用于测量高速铁路轨道的静态参数；即TB/T3147-2012《铁路轨道检查仪》中提及的轨道内部几何参数、轨道外部几何参数、超高掉头误差等；测量精度为0级。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。

硬件上，本轨检装置采用T型三轮小车车架作为主体结构形式。三轴光纤陀螺组合装置1安装在车架正中，顶端正中预留了车载棱镜和全站仪通用安装接口3；以便根据测量的实际需要确定加装棱镜、全站仪或者均不安装；轨距测量装置2安装在小车的纵梁内部，通电工作后可以实时测量并输出两条铁轨间的轨距值；3个里程计4由小车的3个车轮+光电编码器构成，光电编码器的精度不低于2000线/周；2个电子水平仪6分别安装在小车的纵梁、横梁上，其中横梁上的电子水平仪测量小车静态时的倾斜角，纵梁上的电子水平仪测量小车静态时的俯仰角，动态情况下输出无效。用于本发明处理这些传感器信号的信号处理板卡、笔记本电脑等可以采用市购的通用产品。

在传感器关系上，三轴光纤陀螺组合装置1、轨距测量装置2、3个里程计4、2个电子水平仪6在车架上是固定不变的；轨检装置出厂前首先进行标定和校准，计量出这些传感器之间的相对尺寸、角度误差和位置误差，便于工作时各传感器信号之间的有效结合和误差剔除；标定和校准后的相关传感器构成一个简易的组合式惯导，其中电子水平仪6输出的倾斜角、俯仰角只在静态下有效，动态下无效。车载棱镜和全站仪通用安装接口3要保证安装棱镜或全站仪后，棱镜中心或全站仪镜筒测量中心相对三轴光纤陀螺组合装置1的安装计量误差≤0.01mm。

测量时，本轨检装置先架在铁轨上通电并静止不动；安装上车载棱镜或全站仪，利用铁路沿线的CPIII测控网测量出本轨检装置上安装的棱镜或全站仪中心位置绝对坐标；然后推行小车在铁轨上行驶，每行走5～6m左右停下来静止5s左右，依次往前推行，直至预定测量路段的终点；在终点上，小车静止不动，再次依托CPIII测控网测量出本装置上安装的棱镜或全站仪中心位置绝对坐标，即完成本次测量。

根据需要，可以将小车掉头测量或者对路段反复测量。

测量的数据可以通过对外电气插头7传递到外部的笔记本电脑等终端设备，既可以实时监控测量数据，也可以通过数据计算流程软件存储下来并离线计算。

若测量的路段较长，如4km以上，可以事先或事后每隔50～60m依托CPIII测控网测量出本轨检装置上安装的棱镜或全站仪中心位置绝对坐标，而后将这些绝对坐标值输入给数据计算流程软件即可。这些事先或事后依托CPIII测控网测量出绝对坐标的点称为参考点。依托CPIII测控网测量出绝对坐标的方法与常规测量方法相同。

根据实际测量需要，若不需要CPIII测控网，可以不安装车载棱镜或全站仪。

上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明的简易高铁惯导轨检装置及检测方法，利用电子水平仪、三轴光纤陀螺和3路里程计构成一个简易的组合式惯导，并标定和校准为一个统一整体；轨距尺等作为轨距测量辅助手段，预留了全站仪或者棱镜的统一安装接口；测量的数据为完整的曲线，这些曲线真实反映了轨道的绝对参数，并与高铁测控网的精度、物理含义保持一致；配合测量作业流程，测量效率达到2km/h；相比于采用高精度惯导等方案，价格和成本可以降低一半，有利于产品的推广应用。

2、本发明的简易高铁惯导轨检装置及检测方法中,各传感器经过标定和校准剔除了各种安装误差和信号误差，构成了一个传感器组合整体；使各传感器信号进行信息融合和计算时测量精度更高，作业方式更简单，效率更高，成本也进一步降低。

附图说明

图1是本发明实施例的简易高铁惯导轨检装置的组成示意图；

图2是本发明实施例的简易高铁惯导轨检装置的检测方法依托的高铁测控网、参考点示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

作为本发明的一种较佳实施方式，如图1所示，本发明所涉及的轨检装置是一种可测量高铁轨道参数的装置，它采用T型3轮小车结构，主要包括三轴光纤陀螺组合装置1、轨距测量装置2、车载棱镜和全站仪通用安装接口3、里程计4(车轮+光电编码器组成)、推行手柄5、电子水平仪6(俯仰、倾斜方向各1个)、对外电气插头7以及信号处理板卡、笔记本电脑、电池等。

在传感器关系上，三轴光纤陀螺组合装置1、轨距测量装置2、里程计4、电子水平仪6组成一个有机整体；轨检装置在出厂前首先进行标定和校准，消除各种安装误差，确定位置空间尺寸。标定和校准的一个实施例如下：

第一步：将轨检装置拆下手柄、里程计4，通过工装固定在大尺寸的两轴可倾式转台上；转台外框处于零位，内框台面处于水平位置；

第二步：产品通电，通过电脑等设备上的采集软件接收并存储三轴光纤陀螺组合装置1、电子水平仪6输出的数据；而后转台的内框台面分别转到0°、90°、180°、270°位置并静止3分钟；

第三步：转台外框依次倾斜到90°、-90°，位置并静止3分钟；

第四步：利用上述位置的采集数据和当地水平面、地球自转分量就能分离出三轴光纤陀螺组合装置1、电子水平仪6之间的角度误差关系；

第四步：安上手柄、里程计4，在一段预定的铁轨上由起点推到终点，推行时间不大于5分钟，长度不大于60m；根据解算出的3个位移差(横向误差、纵向误差和高程误差)修订里程计的标度系数和安装误差角；

第五步：将上述标定和校准得到的参数写入数据计算流程软件中；再将各传感器之间的安装位置参数用卡尺测量出来，轨距测量装置2的输出数据与实际轨宽之间的系数用市场上常用的轨距尺校准，也写入数据计算流程软件中；整个标校过程完成。

本轨检装置的一个完整的测量操作流程如下：

1、测量前，确认待测路线长度；若待测路线长度过长，事先每隔50～60m左右设定一个中间参考点，如附图2所示；若距离小于50m，则不设定中间参考点；

2、将轨检装置架在轨道上，安装上棱镜或者全站仪，计量出棱镜或者全站仪中心与三轴光纤陀螺组合装置1中心之间的位置关系；

3、推行到中间参考点位置上，依托CPIII测控网测量出本轨检装置上安装的棱镜或全站仪中心位置绝对坐标；将测量的相关数据装订到数据计算流程软件中用于相关计算；该步骤也可以在测量结束后完成；

4、开始测量，轨检装置放到测量的起点上，对外电气插头7接上笔记本电脑等终端设备，通电；终端设备上的数据计算流程软件采集并记录、显示、存储轨检装置输出的数据；

5、静止保持1～3分钟，此间依托CPIII测控网测量出本轨检装置上安装的棱镜或全站仪中心位置绝对坐标；而后推行；每推行5～6m左右停下，静止5s左右，再往前推行，直至预定测量路段的终点；

6、在终点上，静止保持1～3分钟，此间再依托CPIII测控网测量出本轨检装置上安装的棱镜或全站仪中心位置绝对坐标；

7、数据计算流程软件停止采集，起点、终点上的绝对坐标值输入到数据计算流程软件中；该软件根据采集的数据和这些绝对坐标值算出本次测量的铁轨参数曲线(左、右钢轨曲线和轨间距曲线各一条)；

8、从终点开始，重复该过程，可以获得一次从终点到起点的测量曲线；

9、若需要掉头测量，可以将轨检装置在铁轨上掉头，重复上述测量过程；将相关几组数据结合即可得到相关测量数据。

本发明的简易高铁惯导轨检装置及检测方法，利用电子水平仪、三轴光纤陀螺和3路里程计构成一个简易的组合式惯导，并标定和校准为一个统一整体；轨距尺等作为轨距测量辅助手段，预留了全站仪或者棱镜的统一安装接口；测量的数据为完整的曲线，这些曲线真实反映了轨道的绝对参数，并与高铁测控网的精度、物理含义保持一致；配合测量作业流程，测量效率达到2km/h；相比于采用高精度惯导等方案，价格和成本可以降低一半，有利于产品的推广应用。

本发明的简易高铁惯导轨检装置及检测方法中,各传感器经过标定和校准剔除了各种安装误差和信号误差，构成了一个传感器组合整体；使各传感器信号进行信息融合和计算时测量精度更高，作业方式更简单，效率更高，成本也进一步降低。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种简易高铁惯导轨检装置，其特征在于：本轨检装置采用T型三轮小车车架作为主体结构，包括纵梁和横梁；

三轴光纤陀螺组合装置(1)安装在车架纵梁中部，顶端预留车载棱镜和全站仪通用安装接口(3)，以便根据测量的需要确定加装棱镜、全站仪或者均不安装；

轨距测量装置(2)安装在小车的纵梁内部，通电工作后用于实时测量并输出两条铁轨间的轨距值；

3个里程计(4)由小车的3个车轮及相应的光电编码器构成，车轮分布在横梁的两端和纵梁的前端；

2个电子水平仪(6)分别安装在小车的纵梁、横梁上，其中横梁上的电子水平仪用于测量小车静态时的倾斜角，纵梁上的电子水平仪用于测量小车静态时的俯仰角，动态情况下均输出无效；

推行手柄(5)安装在小车的车架上，用于手动推行车架，其上端还用于安装包括便携式电脑的外部终端设备；

车架上还设有对外电气插头(7)，用于连接外部终端设备，测量的数据通过对外电气插头(7)传递到外部终端设备中；

在传感器关系上，三轴光纤陀螺组合装置(1)、轨距测量装置(2)、3个里程计(4)、2个电子水平仪(6)在车架上是固定不变的。

2.如权利要求1所述的简易高铁惯导轨检装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

轨检装置出厂前首先进行标定和校准，计量出这些传感器之间的相对尺寸、角度误差和位置误差，便于工作时各传感器信号之间的有效结合和误差剔除；标定和校准后的相关传感器构成一个简易的组合式惯导；

测量时，本轨检装置先架在铁轨上通电并静止不动；安装上车载棱镜或全站仪，计量出棱镜或者全站仪中心与三轴光纤陀螺组合装置(1)中心之间的位置关系；

开始测量，轨检装置放到测量的起点上，对外电气插头(7)接上终端设备，通电；终端设备上的数据计算流程软件采集轨检装置输出的数据；

在起点静止保持预定时间，此间依托CPIII测控网测量出本轨检装置上安装的棱镜或全站仪中心位置绝对坐标；然后推行小车在铁轨上行驶，每行走预定距离停下来静止预定时间，依次往前推行，直至预定测量路段的终点；

在终点上，小车静止不动，再次依托CPIII测控网测量出本装置上安装的棱镜或全站仪中心位置绝对坐标；

终端设备上的数据计算流程软件停止采集，起点、终点上的绝对坐标值输入到数据计算流程软件中；据采集的数据和这些绝对坐标值算出本次测量的铁轨参数曲线，包括左、右钢轨曲线和轨间距曲线各一条。

3.如权利要求2所述的简易高铁惯导轨检装置的检测方法，其特征在于：

轨检装置出厂前首先进行标定和校准的方法包括如下步骤：

第一步：将轨检装置拆下推行手柄(5)、里程计(4)，通过工装固定在两轴可倾式转台上；转台外框处于零位，内框台面处于水平位置；

第二步：轨检装置通电，通过电脑上的采集软件接收并存储三轴光纤陀螺组合装置(1)、电子水平仪(6)输出的数据；而后转台的内框台面分别转到0°、90°、180°、270°位置并静止预定时长；

第三步：转台外框依次倾斜到90°、-90°，位置并静止预定时长；

第四步：利用上述位置的采集数据和当地水平面、地球自转分量分离出三轴光纤陀螺组合装置(1)、电子水平仪(6)之间的角度误差关系；

第四步：安上推行手柄(5)、里程计(4)，在一段预定的铁轨上由起点推到终点；根据解算出的3个位移差即横向误差、纵向误差和高程误差，修订里程计的标度系数和安装误差角；

第五步：将上述标定和校准得到的参数写入终端设备的数据计算流程软件中；再将各传感器之间的安装位置参数测量出来，轨距测量装置(2)的输出数据与实际轨宽之间的系数用轨距尺校准，也写入终端设备的数据计算流程软件中；整个标校过程完成。

4.如权利要求2所述的简易高铁惯导轨检装置的检测方法，其特征在于：

在完成一次单趟检测后，从终点开始，返回起点，重复上述检测过程，获得一次从终点到起点的测量曲线。

5.如权利要求2所述的简易高铁惯导轨检装置的检测方法，其特征在于：

在起点和终点之间，来回重复上述检测过程，对路段反复测量。

6.如权利要求2所述的简易高铁惯导轨检装置的检测方法，其特征在于：

终端设备既可以实时监控测量数据，也可以通过数据计算流程软件记录、存储下来并离线计算。

7.如权利要求2所述的简易高铁惯导轨检装置的检测方法，其特征在于：

在测量前，先确认待测路线长度；

若待测路线长度过长即大于或等于某临界距离，事先每隔预定距离设定一个中间参考点；若距离小于临界距离，则不设定中间参考点。

8.如权利要求7所述的简易高铁惯导轨检装置的检测方法，其特征在于：

待测路线长度过长时，在开始测量之前，将轨检装置推行到中间参考点位置上，依托CPIII测控网测量出本轨检装置上安装的棱镜或全站仪中心位置绝对坐标，并将测量的相关数据装订到数据计算流程软件中；

或者，

待测路线长度过长时，在测量完成之后，将轨检装置推行到中间参考点位置上，依托CPIII测控网测量出本轨检装置上安装的棱镜或全站仪中心位置绝对坐标，并将测量的相关数据装订到数据计算流程软件中。

9.如权利要求2所述的简易高铁惯导轨检装置的检测方法，其特征在于：

根据实际测量需要，若不需要CPIII测控网，则不安装车载棱镜或全站仪。