CN110530300A - 一种轨道垂向不平顺测量方法 - Google Patents

一种轨道垂向不平顺测量方法 Download PDF

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CN110530300A CN201910834784.0A CN201910834784A CN110530300A CN 110530300 A CN110530300 A CN 110530300A CN 201910834784 A CN201910834784 A CN 201910834784A CN 110530300 A CN110530300 A CN 110530300A
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/306—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces for measuring evenness

Abstract

本发明公开了本发明提供的轨道垂向不平顺测量方法，针对现有的轨道不平顺中的垂向不平顺的中波和长波很难测量准确的问题，建立了精确的测量模型，采用几何推导和矢量映射方法，准确分析和测量轨道的垂向不平顺，特别是针对短波、中波和长波不平顺，以上坡、平坡和下坡路况，测量结果更精确。

Description

一种轨道垂向不平顺测量方法
技术领域
本发明属于不平顺检测技术领域，具体涉及一种轨道垂向不平顺测量方法。
背景技术
铁路系统中，轨道几何形状不平顺受众多因素的影响表现出明显的随机性，这些因素包括钢轨的初始弯曲、钢轨磨耗、损伤、轨枕间距不均、质量不均、道床的级配和强度不均、松动、路基下沉不均及刚度等因素综合作用，构成了轨道不平顺的随机性特征。
对于获取轨道不平顺信息的主要途径是对线路的实时测量。在实际测量过程中得到的样本时复杂的随机波，只能用一些统计特征的方法，如从时域、频域或多传感器数据融合几个方面对轨道不平顺做全面的描述。轨道不平顺主要分为4大类：垂向不平顺、方向不平顺、水平不平顺和轨距不平顺。
目前针对不平顺检测，形成了众多在线检测和评估方法。基于在构架上安装惯导系统，采用小波去噪和积分滤波器方法，将角度、将速度和加速度信号处理得到轨道不平顺唯一。在轴箱上安装垂向加速度计，获得轴箱加速度信号，对信号进行二次积分、高通滤波、相位补偿和反向推导处理，得到轨道垂向不平顺。或者通过对轴箱振动加速度采用卡尔曼滤波和波长带通滤波估计方法得到轨道垂向不平顺。
轨道垂向不平顺包括波长较广范围内的不平顺，采用轴箱振动方式很难同时检测短波不平顺和长波不平顺；采用架构振动方式由于一系簧滤波特性和集合滤波方法丢失较多波长成分，架构倾角对短波不平顺存在空间滤波特性。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的轨道不平顺测量方法解决了现有的轨道不平顺中的垂向不平顺的中波和长波很难测量准确的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种轨道垂向不平顺测量方法，包括以下步骤：
S1、搭建轨检小车轨道垂向不平顺测量模型；
S2、确定待检测轨道的参数，并根据其计算轨道垂向不平顺测量模型中的轨检小车在行进过程中的运动参数；
S3、根据轨检小车的运动参数，反演待检测轨道的垂向不平顺路谱，实现对待检测轨道的垂向不平顺测量。
进一步地，所述步骤S1具体为：
S11、设置轨检小车的后轮半径和前轮半径均为R，且后轮中心位置P0，前轮中心位置为P1；
所述P0和P1之间的距离为L；
S12、连接P0和P1，形成轨检小车的框架结构；
S13、在靠近后轮的框架架构O0处安装后轮激光传感器，并确定后轮激光发射点位置S0；
同时，在靠近前轮的框架结构O1上安装前轮激光传感器，并确定前轮激光发射点位置S1；
所述后轮激光传感器和前轮激光传感器的安装位置关于框架结构的中轴线对称，且S0和P0、S1和P1之间的距离均为Ls，S0和P0、S1和P1之间的水平夹角均为θ；
S14、铺设具有垂向不平顺的轨面，使后轮激光发射点在轨面上的测量位置为R0，前轮激光发射器在轨面上的测量位置为R1，完成轨检小车不平顺测量模型的搭建。
进一步地，所述步骤S2中轨检小车的运动参数包括小车倾角前轮激光测量距离和后轮激光测量距离
其中，i＝1,2,3,...,m，m为轨检小车行进过程中向前运动的总次数，i为当前运动次数的编号。
进一步地，所述步骤S2具体为：
S21、设置待检测轨道的路谱函数fx、待检测轨道路线长度LR和轨检小车移动距离梯度ds；
S22、根据路谱函数fx，计算轨检小车的轮心行走路径fw(x)；
所述轮心行走路径fw(x)上任意一点与路谱函数fx的切线距离均为R；
S23、根据轮心行走路径fw(x)，将轨检小车的后轮置于待检测轨道的起始点x0，并确定当前轨检小车的后轮中心P0和前轮中心P1的坐标；
S24、根据当前轨检小车的后轮中心P0和前轮中心P1的坐标，计算当前轨检小车的小车倾角后轮激光测量距离和前轮激光测量距离
S25、根据设置的待检测轨道线路长度，判断当前轨检小车是否到达待检测轨道的终点；
若是，则进入步骤S26；
若否，则进入步骤S27；
S26、记录轨检小车的所有运动参数，进入步骤S3；
S27、将轨检小车向前移动ds，并返回步骤S24。
进一步地，所述步骤S23中，所述轨检小车的后轮中心P0的坐标为其中，垂向位置为
所述前轮中心P1的坐标为且所述前轮中心P1的坐标满足：
进一步地，所述步骤S24中的小车倾角为：
后轮激光测量距离为：
式中，为当前轨检小车后轮激光发射点坐标；
为当前轨检小车后轮激光射线与路谱函数fx的交点R1坐标；
其中，
前轮激光测量距离为：
式中，为当前轨检小车前轮激光发射点坐标；
为当前轨检小车后轮激光射线与路谱函数fx的交点R1坐标；
其中，
进一步地，所述步骤S26中，记录轨检小车的所有运动参数包括：轨检小车行进过程的小车倾角后轮激光测量距离和前轮激光测量距离
进一步地，所述步骤S3具体为：
S31、对记录的轨检小车所有运动参数进行低通滤波处理；
S32、读取低通滤波处理后的第一组运动参数；
所述轨检小车每次行进时记录的小车倾角、后轮激光测量距离和前轮激光测量距离作为一组运动参数；所述第一组运动参数包括小车倾角后轮激光测量距离和前轮激光测量距离
S33、确定当前轨检小车后轮与待检测轨道的接触点坐标，并根据其计算当前后轮中心坐标；
S34、根据当前轨检小车的小车倾角，计算当前轨检小车的前轮中心坐标；
S35、根据当前前轮中心坐标，分别计算后轮激光延长后与待检测轨道接触点的矢量坐标和前轮激光延长后与待检测轨道接触点的矢量坐标；
S36、对当前与待检测轨道有接触的坐标点，按其横坐标从小到大进行排序；
所述当前与待检测轨道有接触的坐标点包括后轮与待检测轨道的接触点、后轮与待检测轨道的接触点、后轮激光延长后与待检测轨道接触点和前轮激光延长后与待检测轨道接触点；
S37、判断当前运动参数是否为所有运动参数中的最后一组；
若是，则进入步骤S39；
若否，则进入步骤S38；
S38、读取下一组运动参数，并返回步骤S33；
S39、根据每组运动参数中与待检测轨道有接触的坐标点排序，绘制序列图，作为待检测轨道的垂向不平顺路谱。
进一步地，所述步骤S33中当前后轮与待检测轨道的接触点坐标为(x0,y0)，当前后轮中心坐标为且所述后轮中心位置坐标满足：
所述步骤S34中，当前前轮中心坐标为且所述当前前轮中心坐标满足：
进一步地，所述步骤S35中后轮激光延长后与待检测轨道接触点的矢量坐标为前轮激光延长后与待检测轨道接触点的矢量坐标为
其中，矢量坐标满足：
式中，为后轮激光发射位置坐标；
矢量坐标为：
式中，为前轮激光发射位置坐标；
其中，后轮激光发射位置坐标满足：
前轮激光发射位置坐标满足：
本发明的有益效果为：
本发明提供的轨道垂向不平顺测量方法，针对现有的轨道不平顺中的垂向不平顺的中波和长波很难测量准确的问题，建立了精确的测量模型，采用几何推导和矢量映射方法，准确分析和测量轨道的垂向不平顺，特别是针对短波、中波和长波不平顺，以上坡、平坡和下坡路况，测量结果更精确。
附图说明
图1为本发明提供的轨道不平顺测量方法流程图。
图2为本发明提供的轨检小车不平顺测量模型。
图3为本发明提供的确定轨检小车运动参数的方法流程图。
图4为本发明提供的确定待检测轨道的垂向不平顺路谱方法流程图。
图5为本发明实施例中绘制路谱曲线图。
图6为本发明实施例中车轮中心运行轨迹示意图。
图7为本发明实施例中轨检小车在路谱中某位置的姿态和激光测量距离示意图。
图8为本发明实施例中绘制的小车倾角和前后轮激光测量距离示意图。
图9为本发明实施例中根据角度和激光距离反推的轨道不平顺和路谱函数对比示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种轨道垂向不平顺测量方法，包括以下步骤：
S1、搭建轨检小车轨道垂向不平顺测量模型；
S2、确定待检测轨道的参数，并根据其计算轨道垂向不平顺测量模型中的轨检小车在行进过程中的运动参数；
S3、根据轨检小车的运动参数，反演待检测轨道的垂向不平顺路谱，实现对待检测轨道的垂向不平顺测量。
上述所述步骤S1具体为：
S11、设置轨检小车的后轮半径和前轮半径均为R，且后轮中心位置P0，前轮中心位置为P1；
所述P0和P1之间的距离为L；
S12、连接P0和P1，形成轨检小车的框架结构；
S13、在靠近后轮的框架架构O0处安装后轮激光传感器，并确定后轮激光发射点位置S0；
同时，在靠近前轮的框架结构O1上安装前轮激光传感器，并确定前轮激光发射点位置S1；
所述后轮激光传感器和前轮激光传感器的安装位置关于框架结构的中轴线对称，且S0和P0、S1和P1之间的距离均为Ls，S0和P0、S1和P1之间的水平夹角均为θ；
S14、铺设具有垂向不平顺的轨面，使后轮激光发射点在轨面上的测量位置为R0，前轮激光发射器在轨面上的测量位置为R1，完成轨检小车不平顺测量模型的搭建。
本发明中，搭建的轨检小车不平顺测量模型如图2所示。
上述步骤S2中待检测轨道参数包括待检测轨道的路谱函数fx、待检测轨道路线长度LR和轨检小车移动距离梯度ds；轨检小车的运动参数包括小车倾角前轮激光测量距离和后轮激光测量距离
其中，i＝1,2,3,...,m，m为轨检小车行进过程中向前运动的总次数，i为当前运动次数的编号，即当前运动参数的组数编号。
因此，如图3所示，步骤S2具体为：
S21、设置待检测轨道的路谱函数fx、待检测轨道路线长度LR和轨检小车移动距离梯度ds；
S22、根据路谱函数fx，计算轨检小车的轮心行走路径fw(x)；
所述轮心行走路径fw(x)上任意一点与路谱函数fx的切线距离均为R；
S23、根据轮心行走路径fw(x)，将轨检小车的后轮置于待检测轨道的起始点x0，并确定当前轨检小车的后轮中心P0和前轮中心P1的坐标；
其中，轨检小车的后轮中心P0的坐标为其中，垂向位置为
前轮中心P1的坐标为且所述前轮中心P1的坐标满足：
S24、根据当前轨检小车的后轮中心P0和前轮中心P1的坐标，计算当前轨检小车的小车倾角后轮激光测量距离和前轮激光测量距离
其中，小车倾角为：
后轮激光测量距离为：
式中，为当前轨检小车后轮激光发射点坐标；
为当前轨检小车后轮激光射线与路谱函数fx的交点R1坐标；
其中，
前轮激光测量距离为：
式中，为当前轨检小车前轮激光发射点坐标；
为当前轨检小车后轮激光射线与路谱函数fx的交点R1坐标；
其中，
S25、根据设置的待检测轨道线路长度，判断当前轨检小车是否到达待检测轨道的终点；
若是，则进入步骤S26；
若否，则进入步骤S27；
S26、记录轨检小车的所有运动参数，进入步骤S3；
上述记录轨检小车的所有运动参数包括：轨检小车行进过程的小车倾角后轮激光测量距离和前轮激光测量距离
S27、将轨检小车向前移动ds，并返回步骤S24。
如图4所示，上述所述步骤S3具体为：
S31、对记录的轨检小车所有运动参数进行低通滤波处理；
上述过程中对运动参数进行低通滤波处理是为了消除实际测量结果的测量噪声和局部异常数据；
S32、读取低通滤波处理后的第一组运动参数；
所述轨检小车每次行进时记录的小车倾角、后轮激光测量距离和前轮激光测量距离作为一组运动参数；所述第一组运动参数包括小车倾角后轮激光测量距离和前轮激光测量距离
S33、确定当前轨检小车后轮与待检测轨道的接触点坐标，并根据其计算当前后轮中心坐标；
当前后轮与待检测轨道的接触点坐标为(x0,y0)，当前后轮中心坐标为且所述后轮中心位置坐标满足：
S34、根据当前轨检小车的小车倾角，计算当前轨检小车的前轮中心坐标；
当前前轮中心坐标为且所述当前前轮中心坐标满足：
S35、根据当前前轮中心坐标，分别计算后轮激光延长后与待检测轨道接触点的矢量坐标和前轮激光延长后与待检测轨道接触点的矢量坐标；
后轮激光延长后与待检测轨道接触点矢量的坐标为前轮激光延长后与待检测轨道接触点矢量坐标为
其中，矢量坐标满足：
式中，为后轮激光发射位置坐标；
矢量坐标为：
式中，为前轮激光发射位置坐标；
其中，后轮激光发射位置坐标满足：
前轮激光发射位置坐标满足：
S36、对当前与待检测轨道有接触的坐标点，按其横坐标从小到大进行排序；
所述当前与待检测轨道有接触的坐标点包括后轮与待检测轨道的接触点、后轮与待检测轨道的接触点、后轮激光延长后与待检测轨道接触点和前轮激光延长后与待检测轨道接触点；
S37、判断当前运动参数是否为所有运动参数中的最后一组；
若是，则进入步骤S39；
若否，则进入步骤S38；
S38、读取下一组运动参数，并返回步骤S33；
S39、根据每组运动参数中与待检测轨道有接触的坐标点排序，绘制序列图，作为待检测轨道的垂向不平顺路谱。
在本发明的一个实施例中，提供了验证本发明提供的轨道不平顺测量模型有效性的实例：
以某路谱函数f(x)为例，其表达式为：
f(x)＝f1(x)+f2(x)+f3(x)+f4(x)+f5(x)+f6(x)
+f7(x)+f8(x)+f9(x)+f10(x)+f11(x)
式中，f1(x)＝0.015*Sin(2*pi*x/2)
f2(x)＝0.01*Sin(1.5*pi*x/2)
f3(x)＝0.008*Sin(1*pi*x/2)
f4(x)＝0.005*Sin(0.5*pi*x/2)
f5(x)＝0.003*Sin(0.2*pi*x/2)
f6(x)＝0.001*Sin(10*pi*x/2)
f7(x)＝0.01*cos(10*pi*x/2)
f8(x)＝0.006*sin(0.4*pi*x/2)
f9(x)＝0.079*sin(0.006*pi*x/2)*cos(0.007*pi*x)
f10(x)＝0.002*x
f11(x)＝0.005*x+0.008*x+0.02*x2
其中，f1(x)为幅值0.015m，波长为2m的正弦波；
f2(x)为幅值0.01m，波长为2.666m的正弦波；
f3(x)为幅值0.008m，波长为4m的正弦波；
f4(x)为幅值0.005m，波长为8m的正弦波；
f5(x)为幅值0.003m，波长为20m的正弦波；
f6(x)为幅值0.001m，波长为0.4m的正弦波；
f7(x)为幅值0.01m，波长为0.4m的余弦波；
f8(x)为幅值0.006m，波长为10m的正弦波；
f9(x)为幅值0.079m正余弦复合波形；
f10(x)为斜率为0.002的直线；
f11(x)为上抛物线波形；
上述路谱函数f(x)的表达式比较复杂，为了增加模拟路谱函数的难度，设置轨道长度为10m，在前3.33按照f(x)计算，中间3.33m-6.66m设置为直线，6.66m-10m部分按照10-x变量代入运算，得到一个接近体型的路谱，假设车轮半径R＝0.05m，前后轮中心距离L＝1.1m，得到的计算结果如图5-图9所示；
从图5-图9中可以看出，给出的路谱函数包含了长波、中波、短波函数，同时包含了上坡、平坡和下坡等非线性函数。在路谱函数非常复杂的情况下，所建立的轨道垂向不平顺模型能很好地适应路谱函数，给出的垂向不平顺测量算法能很好地计算轨检小车通过该路谱时的倾角和前后激光测量距离变化，给出的垂向不平顺路谱分析算法能很好地根据测量的小车倾角和前后激光测量距离反推出与实际给定路谱基本一致的波形，从而验证了本发明专利所提出的轨道垂向不平顺测量模型和测量方法的准确性。
本发明的有益效果为：
本发明提供的轨道垂向不平顺测量方法，针对现有的轨道不平顺中的垂向不平顺的中波和长波很难测量准确的问题，建立了精确的测量模型，采用几何推导和矢量映射方法，准确分析和测量轨道的垂向不平顺，特别是针对短波、中波和长波不平顺，以上坡、平坡和下坡路况，测量结果更精确。

Claims (10)

1.一种轨道垂向不平顺测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、搭建轨检小车轨道垂向不平顺测量模型；
S2、确定待检测轨道的参数，并根据其计算轨道垂向不平顺测量模型中的轨检小车在行进过程中的运动参数；
S3、根据轨检小车的运动参数，反演待检测轨道的垂向不平顺路谱，实现对待检测轨道的垂向不平顺测量。
2.根据权利要求1所述的轨道垂向不平顺测量方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
S11、设置轨检小车的后轮半径和前轮半径均为R，且后轮中心位置P0，前轮中心位置为P1；
所述P0和P1之间的距离为L；
S12、连接P0和P1，形成轨检小车的框架结构；
S13、在靠近后轮的框架架构O0处安装后轮激光传感器，并确定后轮激光发射点位置S0；
同时，在靠近前轮的框架结构O1上安装前轮激光传感器，并确定前轮激光发射点位置S1；
所述后轮激光传感器和前轮激光传感器的安装位置关于框架结构的中轴线对称，且S0和P0、S1和P1之间的距离均为Ls，S0和P0、S1和P1之间的水平夹角均为θ；
S14、铺设具有垂向不平顺的轨面，使后轮激光发射点在轨面上的测量位置为R0，前轮激光发射器在轨面上的测量位置为R1，完成轨检小车不平顺测量模型的搭建。
3.根据权利要求2所述的轨道垂向不平顺测量方法，其特征在于，所述步骤S2中轨检小车的运动参数包括小车倾角前轮激光测量距离和后轮激光测量距离
其中，i＝1,2,3,...,m，m为轨检小车行进过程中向前运动的总次数，i为当前运动次数的编号。
4.根据权利要求3所述的轨道垂向不平顺测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
S21、设置待检测轨道的路谱函数fx、待检测轨道路线长度LR和轨检小车移动距离梯度ds；
S22、根据路谱函数fx，计算轨检小车的轮心行走路径fw(x)；
所述轮心行走路径fw(x)上任意一点与路谱函数fx的切线距离均为R；
S23、根据轮心行走路径fw(x)，将轨检小车的后轮置于待检测轨道的起始点x0，并确定当前轨检小车的后轮中心P0和前轮中心P1的坐标；
S24、根据当前轨检小车的后轮中心P0和前轮中心P1的坐标，计算当前轨检小车的小车倾角后轮激光测量距离和前轮激光测量距离
S25、根据设置的待检测轨道线路长度，判断当前轨检小车是否到达待检测轨道的终点；
若是，则进入步骤S26；
若否，则进入步骤S27；
S26、记录轨检小车的所有运动参数，进入步骤S3；
S27、将轨检小车向前移动ds，并返回步骤S24。
5.根据权利要求4所述的轨道垂向不平顺测量方法，其特征在于，所述步骤S23中，所述轨检小车的后轮中心P0的坐标为其中，垂向位置为
所述前轮中心P1的坐标为且所述前轮中心P1的坐标满足：
6.根据权利要求5所述的轨道垂向不平顺测量方法，其特征在于，所述步骤S24中的小车倾角为：
后轮激光测量距离为：
式中，为当前轨检小车后轮激光发射点坐标；
为当前轨检小车后轮激光射线与路谱函数fx的交点R1坐标；
其中，
前轮激光测量距离为：
式中，为当前轨检小车前轮激光发射点坐标；
为当前轨检小车后轮激光射线与路谱函数fx的交点R1坐标；
其中，
7.根据权利要求6所述的轨道垂向不平顺测量方法，其特征在于，所述步骤S26中，记录轨检小车的所有运动参数包括：轨检小车行进过程的小车倾角后轮激光测量距离和前轮激光测量距离
8.根据权利要求7所述的轨道垂向不平顺测量方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
S31、对记录的轨检小车所有运动参数进行低通滤波处理；
S32、读取低通滤波处理后的第一组运动参数；
所述轨检小车每次行进时记录的小车倾角、后轮激光测量距离和前轮激光测量距离作为一组运动参数；所述第一组运动参数包括小车倾角后轮激光测量距离和前轮激光测量距离
S33、确定当前轨检小车后轮与待检测轨道的接触点坐标，并根据其计算当前后轮中心坐标；
S34、根据当前轨检小车的小车倾角，计算当前轨检小车的前轮中心坐标；
S35、根据当前前轮中心坐标，分别计算后轮激光延长后与待检测轨道接触点的矢量坐标和前轮激光延长后与待检测轨道接触点的矢量坐标；
S36、对当前与待检测轨道有接触的坐标点，按其横坐标从小到大进行排序；
所述当前与待检测轨道有接触的坐标点包括后轮与待检测轨道的接触点、后轮与待检测轨道的接触点、后轮激光延长后与待检测轨道接触点和前轮激光延长后与待检测轨道接触点；
S37、判断当前运动参数是否为所有运动参数中的最后一组；
若是，则进入步骤S39；
若否，则进入步骤S38；
S38、读取下一组运动参数，并返回步骤S33；
S39、根据每组运动参数中与待检测轨道有接触的坐标点排序，绘制序列图，作为待检测轨道的垂向不平顺路谱。
9.根据权利要求8所述的轨道垂向不平顺测量方法，其特征在于，所述步骤S33中当前后轮与待检测轨道的接触点坐标为(x0,y0)，当前后轮中心坐标为且所述后轮中心位置坐标满足：
所述步骤S34中，当前前轮中心坐标为且所述当前前轮中心坐标满足：
10.根据权利要求8所述的轨道垂向不平顺测量方法，其特征在于，所述步骤S35中后轮激光延长后与待检测轨道接触点的矢量坐标为前轮激光延长后与待检测轨道接触点的矢量坐标为
其中，矢量坐标满足：
式中，为后轮激光发射位置坐标；
矢量坐标为：
式中，为前轮激光发射位置坐标；
其中，后轮激光发射位置坐标满足：
前轮激光发射位置坐标满足：
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