CN110644305A - 一种动态轨道几何状态测量系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及轨道检测技术领域，具体地，涉及一种动态轨道几何状态测量系统。该动态轨道几何状态测量系统包括：行走机构，用于沿待测量轨道移动；测量基准，用于建立坐标系；测量机构，用于检测所述待测量轨道在所述坐标系中的坐标值、角度值、以及所述待测量轨道的轨距和轨道里程；控制装置，用于获取所述测量机构的测量数据，并根据获取的测量数据计算所述待测量轨道的坐标、姿态信息、轨距以及轨道里程。上述动态轨道几何状态测量系统具有检测速度快和检测效率高的特点。

Description

一种动态轨道几何状态测量系统

技术领域

本申请涉及轨道检测技术领域，具体地，涉及一种动态轨道几何状态测量系统。

背景技术

在新建铁路的铺轨精调工作阶段，现有轨道精调测量方式需要使用轨道静态几何状态测量装置(以下简称：静态轨检小车)配合全站仪对轨道逐个轨枕位置点进行测量。传统的静态测量方法是将静态轨检小车推至轨枕位置让其处于静止状态，采集轨道的轨距和超高倾角，控制全站仪测量静态轨检小车上目标棱镜的坐标，精调软件计算轨道轨枕位置的内部几何状态参数和外部参数，完成静态轨检小车一根轨枕处的一次测量，然后将静态轨检小车推至下一根相邻轨枕位置，循环操作。静态轨检小车整个测量过程都以走走停停的方式进行，每一根轨枕的一次数据采集至少需要10秒钟时间，再加上推动静态轨检小车在相邻轨枕之间的行走时间，测量一根轨枕大概需要25秒钟。一个作业小组一晚上12个小时大概能完成1单线公里轨道测量。新建铁路轨道精调需要测量三遍，以正线100公里的铁路线路推算，轨道精调测量时间共需要600个组工天，轨道精调测量工作量巨大。

现有静态轨检小车具有检测速度慢和检测效率低的缺陷，不能满足运营高铁天窗期快速检修的作业要求。

发明内容

本申请实施例中提供了一种检测速度快和检测效率高的动态轨道几何状态测量系统，解决现有静态轨检小车因检测速度慢和检测效率低而不能满足运营高铁天窗期快速检修的作业要求的问题。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种动态轨道几何状态测量系统，包括：

行走机构，用于沿待测量轨道移动；

测量基准，用于建立坐标系；

测量机构，用于检测所述待测量轨道在所述坐标系中的坐标值、角度值、以及所述待测量轨道的轨距和轨道里程；

控制装置，用于获取所述测量机构的测量数据，并根据获取的测量数据计算所述待测量轨道的坐标、姿态信息、轨距以及轨道里程。

优选地，所述行走机构包括车体以及安装于所述车体底部的车轮。

优选地，所述测量基准包括在所述待测量轨道两侧对称设置的多对CPⅢ控制点和固定安装于所述车体顶部的目标棱镜。

优选地，在每个CPⅢ控制点设置有CPⅢ棱镜，所述CPⅢ棱镜的反射面正对所述全站仪。

优选地，在每个所述CPⅢ控制点设置有预埋套筒，所述CPⅢ棱镜插设于所述预埋套筒内。

优选地，在所述车体的顶部固定连接有支撑杆，在所述支撑杆的顶部固定安装有卡具；

所述目标棱镜固定安装于所述卡具上。

优选地，所述测量机构包括全站仪、惯性导航仪、旋转编码器以及距离传感器；

所述待测量轨道分为沿其延伸方向的多个测量单元；

所述全站仪用于测量所述测量单元的起点和终点的坐标信息；

所述惯性导航仪固定安装于所述车体的顶部，用于测量所述行走机构的角速度信息和线加速度信息；

所述旋转编码器用于检测所述车轮转动的圈数；

所述距离传感器用于检测所述待测量轨道的轨距信息。

优选地，在所述车体的顶部固定安装有转接板，所述惯性导航仪固定安装于所述转接板上。

优选地，所述惯性导航仪为激光惯性导航仪。

优选地，所述行走机构还包括沿所述待测量轨道的宽度方向相对设置的固定轮和活动轮；所述固定轮和所述活动轮的轴心线均沿竖直方向设置；

所述固定轮能够绕其轴心线转动地固定安装于所述车体的底部，所述固定轮沿所述待测量轨道的延伸方向排列，所述固定轮的轮缘与所述待测量轨道的一侧内表面相抵接；

所述活动轮能够绕其轴心线转动地、且与所述固定轮之间的间距可弹性调节地安装于所述车体的底部，所述活动轮的轮缘与所述待测量轨道的另一侧内表面相抵接；

所述距离传感器安装于所述固定轮上。

优选地，所述控制装置包括信号连接的数据采集模块和计算模块；

所述数据采集模块与所述测量机构信号连接，用于获取所述测量机构的测量数据；

根据所述数据采集模块获取的测量数据，所述计算模块计算得出所述待测量轨道的坐标、姿态信息、轨距以及轨道里程。

优选地，所述控制装置为微电脑。

优选地，所述车体上固定连接有推杆底座，所述推杆底座上铰接有推杆，所述推杆上焊接连接有推杆手柄。

优选地，所述行走机构还包括固定安装于所述车体的照明灯和固定安装于所述车体两端的把手。

优选地，所述行走机构还包括安装于所述车体的驱动组件，所述驱动组件与所述车轮之间传动连接，用于驱动所述车轮转动。

优选地，所述驱动组件为电动机或内燃机。

采用本申请实施例中提供的动态轨道几何状态测量系统，具有以下有益效果：

上述动态轨道几何状态测量系统包括能够沿待测量轨道移动的行走机构，使得动态轨道几何状态测量系统能够在行走机构沿待测量轨道运动的状态下，通过测量机构检测待测量轨道在通过测量基准建立的坐标系中的相对参数，再通过控制装置能够计算得出待测量轨道的轨道里程、轨向、轨面高度、轨距、三角坑以及轨道夹角等实际参数，通过上述动态轨道几何状态测量系统无需在连续静止的状态下进行轨道测量，从而提高了检测速度和检测效率，解决了静态轨检小车因检测速度慢和检测效率低而不能满足运营高铁天窗期快速检修的作业要求的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种动态轨道几何状态测量系统的构成原理图；

图2为本申请实施例提供的一种行走机构的主视图；

图3为图2中提供的行走机构的俯视图；

图4为图2中提供的行走机构的左视图。

附图标记：

100-动态轨道几何状态测量系统；110-行走机构；120-测量基准；130-测量机构；140-控制装置；

1-横向基座；2-纵向基座；3-车轮；4-惯性导航仪；5-旋转编码器；6-推杆；7-滚轮；8-固定轮；9-活动轮；10-转接板；11-推杆底座；12-推杆手柄；13-支撑杆；14-卡具；15-把手；16-电源；17-照明灯。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本申请实施例提供了一种动态轨道几何状态测量系统100，包括：

行走机构110，用于沿待测量轨道移动；如图2和图4结构所示，行走机构110可以包括车体以及安装于车体底部的车轮3；在对待测量轨道进行测量的过程中，车轮3支承于待测量轨道的轨面上，并能够沿待测量轨道的轨面滚动运动，以实现行走机构110沿待测量轨道的位置移动；

测量基准120，用于建立坐标系；测量基准120包括在待测量轨道两侧对称设置的多对CPⅢ控制点和固定安装于车体顶部的目标棱镜；通过对称设置在待测量轨道的两侧的多对CPⅢ控制点，通过CPⅢ控制点的已知坐标位置，可以建立对待测量轨道进行测量过程中的坐标系，从而确定测量基准120，从而只需通过测量机构130测量待测量轨道与建立的最坐标系的相对坐标和角度，即可获取待测量轨道的绝对坐标；通过对目标棱镜的测量可以获取行走机构110与待测量轨道之间的几何关系，进而通过几何关系和相对坐标进行计算待测量轨道的各种参数的测量，如：轨道里程、轨向、轨面高度、轨距、三角坑以及轨道夹角等参数；

测量机构130，用于检测待测量轨道在坐标系中的坐标值、角度值、以及待测量轨道的轨距和轨道里程；测量机构130可以包括全站仪、惯性导航仪4、旋转编码器5以及距离传感器；全站仪可以固定安装于行走机构110上，也可以脱离行走机构110；全站仪用于获取对测量单元的起点和终点的坐标信息；在测量过程中，将待测量轨道分为沿其延伸方向的多个测量单元，在对待测量轨道划分测量单元的过程中，按照预定间距进行，预定间距可以为40m～80m，如：40m、50m、60m、70m、80m；惯性导航仪4固定安装于车体的顶部，用于测量行走机构110的角速度信息和线加速度信息；旋转编码器5用于检测车轮3转动的圈数；距离传感器用于检测待测量轨道的轨距信息；

控制装置140，用于获取测量机构130的测量数据，并根据获取的测量数据计算待测量轨道的坐标、姿态信息、轨距以及轨道里程。控制装置140可以包括信号连接的数据采集模块和计算模块；数据采集模块与测量机构130信号连接，用于获取测量机构130的测量数据；根据数据采集模块获取的测量数据，计算模块计算得出待测量轨道的坐标、姿态信息、轨距以及轨道里程；控制装置140可以为微电脑。在采用计算模块进行计算的过程中，可以采用现有技术中的计算方法进行。

上述动态轨道几何状态测量系统100包括能够沿待测量轨道移动的行走机构110，使得动态轨道几何状态测量系统100能够在行走机构110沿待测量轨道运动的状态下，通过测量机构130检测待测量轨道在通过测量基准120建立的坐标系中的相对参数，再通过控制装置140能够计算得出待测量轨道的轨道里程、轨向、轨面高度、轨距、三角坑以及轨道夹角等实际参数，通过上述动态轨道几何状态测量系统100无需在连续静止的状态下进行轨道测量，从而提高了检测速度和检测效率，解决了静态轨检小车因检测速度慢和检测效率低而不能满足运营高铁天窗期快速检修的作业要求的问题。

为了使行走机构110能够沿待测量轨道移动，如图2、图3和图4结构所示，行走机构110可以包括车体以及安装于车体底部的车轮3，车体可以包括横跨于铁路轨道顶部的横向基座1和垂直连接于横向基座1一端的纵向基座2；纵向基座2沿铁路轨道的长度方向延伸；还可以包括设置于车体上的三个车轮3，其中，三个车轮3中的两个车轮3均设置于纵向基座2的底部，而另一个车轮3设置于横向基座1的底部，三个车轮3呈三角形分布，使得三个车轮3之间的结构比较稳定，不易变形，进一步提高测量数据的准确性。

为了在测量过程中，能够形成测量基准120，测量基准120可以包括在待测量轨道两侧对称设置的多对CPⅢ控制点和固定安装于车体顶部的目标棱镜；在待测量轨道的两侧，可以间隔60m设置一对CPⅢ控制点，在每个CPⅢ控制点设置有CPⅢ棱镜，CPⅢ棱镜的反射面正对全站仪。在每个CPⅢ控制点设置有预埋套筒，CPⅢ棱镜插设于预埋套筒内。

并且，为了方便目标棱镜的安装，在车体的顶部固定连接有支撑杆13，在支撑杆13的顶部固定安装有卡具14；目标棱镜固定安装于卡具14上。通过卡具14能够实现全站仪或目标棱镜的快速安装和拆卸。

同理，如图2、图3和图4结构所示，在车体的顶部固定安装有转接板10，惯性导航仪4固定安装于转接板10上。惯性导航仪4可以为激光惯性导航仪4。

为了准确测量轨道里程，如图4结构所示，行走机构110还包括沿竖直方向高度可调节地安装于车体底部的滚轮7；并将旋转编码器5与滚轮7同轴设置，即，可以在车轮3和滚轮7上同时设置旋转编码器5；滚轮7可以通过支架安装于车体的底部，并在支架和车体之间安装有压缩弹簧，通过压缩弹簧使滚轮7与轨面始终保持接触，从而能够通过与滚轮7同轴转动地旋转编码器5准确地记录滚轮7的转动圈数，以获取行走机构110行走的距离，最终得出轨道里程。

固定轮8沿待测量轨道的延伸方向排列，固定轮8的轮缘与待测量轨道的一侧内表面相抵接；活动轮9能够绕其轴心线转动地、且与固定轮8之间的间距可弹性调节地安装于车体的底部，活动轮9的轮缘与待测量轨道的另一侧内表面相抵接；距离传感器安装于固定轮8上。

如图2和图4结构所示，上述行走机构110还包括沿待测量轨道的宽度方向相对设置的固定轮8和活动轮9；固定轮8可以设置一个或多个，活动轮9也可以设置一个或多个；固定轮8能够绕其轴心线转动地固定安装于车体的底部，固定轮8沿铁路轨道的延伸方向排列，固定轮8的轮缘与待测量轨道的一侧内表面相抵接；活动轮9能够绕其轴心线转动地、且与固定轮8之间的间距可弹性调节地安装于车体的底部，活动轮9的轮缘与待测量轨道的另一侧内表面相抵接；测量机构130包括安装于固定轮8上的距离传感器。固定轮8和活动轮9的轴心线均沿竖直方向设置，固定轮8的旋转轴与车轮3的旋转轴垂直设置，活动轮9的旋转轴与车轮3的旋转轴垂直设置，使得车轮3在竖直面内转动，车轮3的轮缘与待测量轨道的轨面接触，而固定轮8和活动轮9则在水平面内转动，使得固定轮8的轮缘与待测量轨道一侧铁轨的内表面滚动接触，而活动轮9的轮缘与待测量轨道另一侧铁轨的内侧面滚动接触；通过设置在固定轮8上的距离传感器来检测铁路轨道的两侧铁轨之间的距离。活动轮9可以固定安装于横向基座1的底部；固定轮8固定安装于纵向基座2的底部。

通过设置在车体底部的固定轮8和活动轮9与铁路轨道相对的内表面的滚动接触，并通过设置在固定轮8上的距离传感器能够检测轨距，由于活动轮9与固定轮8之间的间距可弹性调节，使得活动轮9的轮缘能够始终保持与铁轨内表面的贴合，从而能够准确地测量待测量轨道的轨距；活动轮9的弹性调节可以通过设置在活动轮9与车体之间的压缩弹簧来实现，也可以通过其它方式实现。

在测量过程中，可以通过人工向行走机构110施加推力而驱动行走机构110沿待测量轨道运动，如图3和图4结构所示，车体上固定连接有推杆底座11，推杆底座11上铰接有推杆6，推杆6上焊接连接有推杆手柄12。

通过推杆底座11与推杆6的铰接设置，使得推杆6能够相对推杆底座11转动，即，推杆6能够相对横向基座1转动，通过推杆6的相对转动能够调节推杆6的姿态，从而方便操作和用力。

在测量过程中，上述动态轨道几何状态测量系统100既可以通过人力进行驱动，即，通过人力推动推杆6使车轮3沿待测量轨道转动，也可以通过机械力对车轮3进行驱动，即，通过电动机、内燃机等驱动组件(图中未示出)产生驱动车轮3转动地驱动力来使车轮3沿待测量轨道转动；行走机构110还可以包括安装于车体的驱动组件，驱动组件与车轮3之间传动连接，用于驱动车轮3转动。驱动组件的输出轴可以直接驱动车轮3的轮轴，也可以通过传动组件将驱动组件产生的驱动力传递给车轮3的轮轴，传动组件可以为齿轮传动组件、链传动组件、带传动组件等具有动力传递功能的传动组件。

由于在行走机构110的车体上设置有驱动组件，通过驱动组件能够驱动车轮3转动，不仅能够节省人力，降低劳动强度，而且还能对行走机构110的行走速度进行控制，有利于提高测量效率和测量精度。

为了方便行走机构110的搬运和提高使用效率，行走机构110还包括固定安装于车体的照明灯17和固定安装于车体两端的把手15。如图2和图3结构所示，在车体的两端均固定连接有把手15。在需要对待测量轨道进行测量时，可以通过对设置于车体的两端的把手15进行吊装或抬升将行走机构110放置于轨道上，并在测量结束时，通过把手15将行走机构110从轨道上搬下来，通过设置在车体两端的把手15方便了行走机构110的搬运和装卸。

同时，一般只能在晚上对轨道行测量，通过安装于车体上的照明灯17能够为测量人员提供足够亮度的光线，便于动态轨道几何状态测量系统100在光线不足或夜间开展测量工作，使得在夜间进行测量时能够顺利进行，提高了动态轨道几何状态测量系统的使用效率。

上述动态轨道几何状态测量系统100通过行走机构110沿待测量轨道的运动，在运动状态下执行测量采集数据，与现有技术中才用的静态轨检小车相比，大大地提高了测量效率，能够适应天窗期的轨道精调测量工作；通过全站仪信息的合理应用以及惯性导航仪4、旋转编码器5、距离传感器等多传感器信息数据融合技术提高了整体性能；通过以加权平均融合、卡尔曼滤波器为数学工具，设计了基于全站仪坐标、惯性导航仪4和旋转编码器5的组合导航系统。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种动态轨道几何状态测量系统，其特征在于，包括：

行走机构，用于沿待测量轨道移动；

测量基准，用于建立坐标系；

测量机构，用于检测所述待测量轨道在所述坐标系中的坐标值、角度值、以及所述待测量轨道的轨距和轨道里程；

控制装置，用于获取所述测量机构的测量数据，并根据获取的测量数据计算所述待测量轨道的坐标、姿态信息、轨距以及轨道里程。

2.根据权利要求1所述的动态轨道几何状态测量系统，其特征在于，所述行走机构包括车体以及安装于所述车体底部的车轮。

3.根据权利要求2所述的动态轨道几何状态测量系统，其特征在于，所述测量基准包括在所述待测量轨道两侧对称设置的多对CPⅢ控制点和固定安装于所述车体顶部的目标棱镜。

4.根据权利要求3所述的动态轨道几何状态测量系统，其特征在于，在每个CPⅢ控制点设置有CPⅢ棱镜，所述CPⅢ棱镜的反射面正对所述全站仪。

5.根据权利要求4所述的动态轨道几何状态测量系统，其特征在于，在每个所述CPⅢ控制点设置有预埋套筒，所述CPⅢ棱镜插设于所述预埋套筒内。

6.根据权利要求5所述的动态轨道几何状态测量系统，其特征在于，在所述车体的顶部固定连接有支撑杆，在所述支撑杆的顶部固定安装有卡具；

所述目标棱镜固定安装于所述卡具上。

7.根据权利要求6所述的动态轨道几何状态测量系统，其特征在于，所述测量机构包括全站仪、惯性导航仪、旋转编码器以及距离传感器；

所述待测量轨道分为沿其延伸方向的多个测量单元；

所述全站仪用于测量所述测量单元的起点和终点的坐标信息；

所述惯性导航仪固定安装于所述车体的顶部，用于测量所述行走机构的角速度信息和线加速度信息；

所述旋转编码器用于检测所述车轮转动的圈数；

所述距离传感器用于检测所述待测量轨道的轨距信息。

8.根据权利要求7所述的动态轨道几何状态测量系统，其特征在于，在所述车体的顶部固定安装有转接板，所述惯性导航仪固定安装于所述转接板上。

9.根据权利要求8所述的动态轨道几何状态测量系统，其特征在于，所述惯性导航仪为激光惯性导航仪。

10.根据权利要求7所述的动态轨道几何状态测量系统，其特征在于，所述行走机构还包括沿所述待测量轨道的宽度方向相对设置的固定轮和活动轮；所述固定轮和所述活动轮的轴心线均沿竖直方向设置；

所述固定轮能够绕其轴心线转动地固定安装于所述车体的底部，所述固定轮沿所述待测量轨道的延伸方向排列，所述固定轮的轮缘与所述待测量轨道的一侧内表面相抵接；

所述活动轮能够绕其轴心线转动地、且与所述固定轮之间的间距可弹性调节地安装于所述车体的底部，所述活动轮的轮缘与所述待测量轨道的另一侧内表面相抵接；

所述距离传感器安装于所述固定轮上。

11.根据权利要求1-10任一项所述的动态轨道几何状态测量系统，其特征在于，所述控制装置包括信号连接的数据采集模块和计算模块；

所述数据采集模块与所述测量机构信号连接，用于获取所述测量机构的测量数据；

根据所述数据采集模块获取的测量数据，所述计算模块计算得出所述待测量轨道的坐标、姿态信息、轨距以及轨道里程。

12.根据权利要求1-10任一项所述的动态轨道几何状态测量系统，其特征在于，所述控制装置为微电脑。

13.根据权利要求2-10任一项所述的动态轨道几何状态测量系统，其特征在于，所述车体上固定连接有推杆底座，所述推杆底座上铰接有推杆，所述推杆上焊接连接有推杆手柄。

14.根据权利要求2-10任一项所述的动态轨道几何状态测量系统，其特征在于，所述行走机构还包括固定安装于所述车体的照明灯和固定安装于所述车体两端的把手。

15.根据权利要求2-10任一项所述的动态轨道几何状态测量系统，其特征在于，所述行走机构还包括安装于所述车体的驱动组件，所述驱动组件与所述车轮之间传动连接，用于驱动所述车轮转动。

16.根据权利要求15所述的动态轨道几何状态测量系统，其特征在于，所述驱动组件为电动机或内燃机。

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