CN110539776A - 轨距实时动态检测系统 - Google Patents

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杨明来
卞婷
曹振丰
汤凯
黄晓杰
陈宇磊
傅伟清
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Abstract

本发明提供了一种轨距实时动态检测系统，包括激光位移传感器、轴角编码器、同步采集系统以及PC机；所述轴角编码器，用于发射多个脉冲，并将脉冲个数转化为轨道检测车的运行空间距离；所述激光位移传感器，用于根据所述轨道检测车的运行空间距离确定采样周期，以同步采集钢轨断面轮廓数据；所述同步采集系统，用于获取所述钢轨断面轮廓数据，并将所述钢轨断面轮廓数据发送至所述PC机；所述PC机，用于接受所述钢轨断面轮廓数据，并根据所述钢轨断面轮廓数据计算出轨距值。本发明通过激光位移传感器的三角测量原理对钢轨进行非接触检测，并通过同步采集系统实现轨距的同步采集、传输以及储存，能够提高检测速度和效率。

Description

轨距实时动态检测系统
技术领域
本发明涉及轨道检测的设计领域，具体地，涉及一种轨距实时动态检测系统。
背景技术
近年来我国城市轨道交通行业发展迅速，但是地铁在建造，运行后出现的轨道不平顺等问题严重影响了列车运行的平稳以及乘客的舒适度，必须加强地铁轨道、轨距的检测维护工作以保证列车的平稳运行及行车安全性。
轨距是铁路建造以及运行过程的一个重要几何尺寸参数，其定义是钢轨踏面下16mm范围内两股钢轨工作边之间的最小距离。目前我国运营铁路和城市轨道交通的标准轨距是1435mm。随着地铁轨线数量的增加，传统的人工静态检测法效率低，精度低，成本高的缺点，比如手推式轨道检测车测控系统检测轨道的速度慢且数据处理效率低，已经不能满足高效检测的需求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种轨距实时动态检测系统，通过激光位移传感器的三角测量原理对钢轨进行非接触检测，并通过同步采集系统实现轨距的同步采集、传输以及储存，能够提高检测速度和效率。
根据本发明提供的轨距实时动态检测系统，包括激光位移传感器、轴角编码器、同步采集系统以及PC机；
所述轴角编码器，用于发射多个脉冲，并将脉冲个数转化为轨道检测车的运行空间距离；
所述激光位移传感器，用于根据所述轨道检测车的运行空间距离确定采样周期，以同步采集钢轨断面轮廓数据；
所述同步采集系统，用于获取所述钢轨断面轮廓数据，并将所述钢轨断面轮廓数据发送至所述PC机；
所述PC机，用于接受所述钢轨断面轮廓数据，并根据所述钢轨断面轮廓数据计算出轨距值。
优选地，所述激光位移传感器包括第一2D激光位移传感器和第二2D激光位移传感器；
所述第一2D激光位移传感器，用于对一侧钢轨断面轮廓数据进行采集，所述第二2D激光位移传感器，用于对另一侧钢轨断面轮廓数据进行采集。
优选地，所述轴角编码器设置在所述轨道检测车前轮轴上并随车轮旋转。
优选地，所述第一2D激光位移传感器和所述第二2D激光位移传感器分别安装在所述轨道检测车转向架下检测梁的左右两侧支架上。
优选地，所述同步采集系统包括第一数据采集卡、第二数据采集卡以及第三数采集卡；
所述第一数据采集卡通过第一基于CAN协议的传输总线与所述第一2D激光位移传感器电连接；
所述第二数据采集卡通过第二基于CAN协议的传输总线与所述第二2D激光位移传感器电连接；
所述第三数据采集卡通过I/0接口连接所述轴角编码器。
优选地，当通过所述钢轨断面轮廓数据计算出轨距值的过程中，在进行轨距点确定时，包括如下步骤：
步骤S1：对采集的钢轨断面轮廓数据进行特征点提取，以提取轨距特征点，确定轨面中心的位置；
步骤S2：对采集的钢轨踏面数据进行线性拟合生成钢轨踏面基准线，垂直钢轨踏面基准线向下平移得到与踏面基准线平行的轨距线；
步骤S3：在所述轨距线穿过钢轨内侧的数据区域，查找离轨距线最近的坐标点，确定为轨距点。
优选地，所述第一数据采集卡和所述第二数据采集卡采用型号为NI PXI-8531的数据采集卡；
所述第三数据采集卡采用NI PXIe-6361的数据采集卡。
优选地，所述同步采集系统采用PXIe-1082机箱，所述机箱装载所述NI PXI-8531数据采集卡和所述NI PXIe-6361数据采集卡。
优选地，所述激光位移传感器的测量激光中心线与水平面夹角为45°。
优选地，所述激光位移传感器对每个断面检测100～500个点，采样频率为2KHZ，通过非接触式斜射三角测量法对钢轨断面轮廓进行检测。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过2D激光位移传感器和轴角编码器能够对地铁轨距信息进行检测，并且可以实现轨距不正常位置的定位，通过同步采集系统实现多传感器数据的同步采集，由LABVIEW软件传输轨距信息到PC机，可以进行更为准确的检测、存储以及分析。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中轨距实时动态检测系统的模块示意图；
图2为本发明中轨距点确定方法的步骤流程图；
图3为本发明中轨距实时动态检测系的数据采集流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本实施例中，图1为本发明中轨距实时动态检测系统的模块示意图，如图1所示，本发明提供的轨距实时动态检测系统，包括激光位移传感器、轴角编码器、同步采集系统以及PC机。
所述轴角编码器，用于发射多个脉冲，并将脉冲个数转化为轨道检测车的运行空间距离；
所述激光位移传感器，用于根据车体运行空间距离确定采样周期，以同步采集钢轨断面轮廓数据；
所述同步采集系统，用于获取所述钢轨断面轮廓数据，并将所述钢轨断面轮廓数据发送至所述PC机；
所述PC机，用于接受所述钢轨断面轮廓数据，并根据所述钢轨断面轮廓数据计算出轨距值。
所述激光位移传感器采用2D激光位移传感器，取样频率最高可达2KHz，数据传输接口为CAN总线，安装在轨道检测车转向架下检测梁的左右两侧支架上，可对左右两侧轨道之间轨距进行检测。
通过所述激光位移传感器进行检测的三角测量原理为：当所述轨道检测车运行时，所述激光位移传感器内的半导体线性激光源发射的激光在钢轨表面形成的激光带，设定所述激光位移传感器的测量激光中心线与水平面夹角为45°，反射光被与激光源成45°安装的二维CMOS阵列接收，经PC机中的数据处理单元后得到钢轨断面轮廓在水平和垂直平面上的坐标。
在本发明一实施例中，所述2D激光位移传感器选用瑞士ELAG电子有限公司生产的OPTIMESS型号的2D激光位移传感器。所述2D激光位移传感器对每个断面检测100～500个点，采样频率可达2KHZ，通过非接触式斜射三角测量法对钢轨断面轮廓进行检测。
所述轴角编码器，用于发射多个脉冲，并将脉冲个数转化为轨道检测车的运行空间距离。所述轴角编码器安装于轨道检测车前轮轴上并随车轮旋转，从而能够根据车体运行空间距离控制激光位移传感器的采样周期，以同步采集钢轨断面轮廓。
在本发明一实施例中，所述轴角编码器选用POSITAL(博思特)公司的IXARC系列可编程增量编码器，分辨率可以在1到16384PPR的范围内调节，输出信号为5VTTL信号。所述轴角编码器通过计数脉冲信号的方式得到轨道检测车的运行空间距离，配合系统利用车运行空间距离控制2D激光位移传感器采样周期，协同实现数据的同步采集。
所述同步采集系统包括第一数据采集卡、第二数据采集卡以及第三数据采集卡，所述第一数据采集卡采用NI PXI-8531数据采集卡，所述第一数据采集卡是一个单端口CANopen PXI数据采集模块。
在本发明实施例中，采用2个NI PXI-8531数据采集卡通过基于CAN协议的传输总线实现与2D激光位移传感器的数据通信。
所述第三数据采集卡采用NI PXIe-6361数据采集卡，所述NI PXIe-6361数据采集卡包括16路16位AI，采样率最高可达2MS/s。2路A0、24路DIO以及4个32位计数器/定时器，通过NI PXIe-6361数据采集卡采集轴角编码器发出的脉冲数据。
所述同步采集系统为美国NI公司生产的PXI系列的PXIe-1073机箱。所述机箱采用交流供电，内含8个插槽，装载100MHZ的外部时钟，装载NI PXI-8531数据采集卡和NI PXIe-6361数据采集卡，从而能够实现传感器数据的同步采集。
所述PC机上安装NI公司的Labview软件，在所述PC机上控制数据的采集及存储。
图2为本发明中轨距点确定方法的步骤流程图，如图2所示，当使用本发明提供的轨距实时动态检测系统进行轨距点确定时，包括如下步骤：
步骤S1：对采集的钢轨断面轮廓数据通过基于不连续度的自适应滤波和钢轨弧形区特征提取算法，提取轨距特征点，确定轨面中心的位置；
步骤S2：对采集的钢轨踏面数据进行线性拟合生成钢轨踏面基准线，垂直该线沿Z轴负方向向下平移16mm得到与踏面基准线平行的轨距线；
步骤S3：在所述轨距线穿过钢轨内侧的数据区域，查找离轨距线最近的坐标点，以确定为轨距点。
在本发明实施例中，当无法确轨面中心的位置时，则对所述轨断面轮廓数据的进行平滑处理，计算生成全新曲面率角，然后再提取规矩的特征点。所述钢轨踏面数据可以通过所述钢轨断面轮廓数据中获取。
图3为本发明中轨距实时动态检测系的数据采集流程图，如图3所示，所述PC机中运行的LabVIEW数据采集程序实现上位机与数据采集卡之间的通信及数据传输，通过调用动态函数库完成对数据采集板卡的打开、设置、查询、采集、停止和关闭操作。
当使用本发明提供的轨距实时动态检测系统，通过轴角编码器发出的脉冲个数确定2D激光位移传感器的采样周期和采样点实现传感器数据同步采集，通过基于CAN协议的传输总线完成钢轨断面轮廓数据的传送，上位机LabVIEW应用程序记录轨距点坐标，同时根据三角函数基本公式计算出轨距值并存储于Excel表格中，从而对轨距进行有效检测，防止轨距超过报警阈值，对于及时维护轨道，保障列车安全运行具有重要意义。
在本实施例中，本发明通过2D激光位移传感器和轴角编码器能够对地铁轨距信息进行检测，并且可以实现轨距不正常位置的定位，通过同步采集系统实现多传感器数据的同步采集，由LABVIEW软件传输轨距信息到PC机，可以进行更为准确的检测、存储以及分析。本发明能够实现对地铁隧道钢轨断面信息数据采集的实时性，动态性，为后期处理轨距数据的融合及分析奠定基础。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种轨距实时动态检测系统，其特征在于，包括激光位移传感器、轴角编码器、同步采集系统以及PC机；
所述轴角编码器，用于发射多个脉冲，并将脉冲个数转化为轨道检测车的运行空间距离；
所述激光位移传感器，用于根据所述轨道检测车的运行空间距离确定采样周期，以同步采集钢轨断面轮廓数据；
所述同步采集系统，用于获取所述钢轨断面轮廓数据，并将所述钢轨断面轮廓数据发送至所述PC机；
所述PC机，用于接受所述钢轨断面轮廓数据，并根据所述钢轨断面轮廓数据计算出轨距值。
2.根据权利要求1所述的轨距实时动态检测系统，其特征在于，所述激光位移传感器包括第一2D激光位移传感器和第二2D激光位移传感器；
所述第一2D激光位移传感器，用于对一侧钢轨断面轮廓数据进行采集，所述第二2D激光位移传感器，用于对另一侧钢轨断面轮廓数据进行采集。
3.根据权利要求1所述的轨距实时动态检测系统，其特征在于，所述轴角编码器设置在所述轨道检测车前轮轴上并随车轮旋转。
4.根据权利要求2所述的轨距实时动态检测系统，其特征在于，所述第一2D激光位移传感器和所述第二2D激光位移传感器分别安装在所述轨道检测车转向架下检测梁的左右两侧支架上。
5.根据权利要求1所述的轨距实时动态检测系统，其特征在于，所述同步采集系统包括第一数据采集卡、第二数据采集卡以及第三数采集卡；
所述第一数据采集卡通过第一基于CAN协议的传输总线与所述第一2D激光位移传感器电连接；
所述第二数据采集卡通过第二基于CAN协议的传输总线与所述第二2D激光位移传感器电连接；
所述第三数据采集卡通过I/0接口连接所述轴角编码器。
6.根据权利要求1所述的轨距实时动态检测系统，其特征在于，当通过所述钢轨断面轮廓数据计算出轨距值的过程中，在进行轨距点确定时，包括如下步骤：
步骤S1：对采集的钢轨断面轮廓数据进行特征点提取，以提取轨距特征点，确定轨面中心的位置；
步骤S2：对采集的钢轨踏面数据进行线性拟合生成钢轨踏面基准线，垂直钢轨踏面基准线向下平移得到与踏面基准线平行的轨距线；
步骤S3：在所述轨距线穿过钢轨内侧的数据区域，查找离轨距线最近的坐标点，确定为轨距点。
7.根据权利要求5所述的轨距实时动态检测系统，其特征在于，所述第一数据采集卡和所述第二数据采集卡采用型号为NI PXI-8531的数据采集卡；
所述第三数据采集卡采用NI PXIe-6361的数据采集卡。
8.根据权利要求7所述的轨距实时动态检测系统，其特征在于，所述同步采集系统采用PXIe-1082机箱，所述机箱装载所述NI PXI-8531数据采集卡和所述NI PXIe-6361数据采集卡。
9.根据权利要求1所述的轨距实时动态检测系统，其特征在于，所述激光位移传感器的测量激光中心线与水平面夹角为45°。
10.根据权利要求1所述的轨距实时动态检测系统，其特征在于，所述激光位移传感器对每个断面检测100～500个点，采样频率为2KHZ，通过非接触式斜射三角测量法对钢轨断面轮廓进行检测。
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