CN111366082A - 移动式接触轨检测装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动式接触轨检测装置，包括：设置在轨道上的小车，其一侧以可伸缩的方式设置有能伸入接触轨下方的测量单元，所述小车上设置有与测量单元通信连接的主机；测量单元被配置为包括：与接触轨相配合，以采集3D点云和/或图片信息的第一工业相机，第二工业相机；设置在第二工业相机一侧的激光器。本发明提供一种移动式接触轨检测装置，其能够通过设置的伸缩式测量单元，在保证具有可靠的测量基准的前提下将测量探头架设到接触轨下方，对接触轨进行连续扫描测量。并在使用完毕后收入主体内，及保护了测量探头有减小了设备运输时的体积。

Description

移动式接触轨检测装置及其应用方法

技术领域

本发明涉及一种检测用仪器装置。更具体地说，本发明涉及一种用在地铁接触轨检测情况下使用的移动式接触轨检测装置及其应用方法。

背景技术

随着城市地铁里程的快速增加，保证列车安全、稳定可靠的运行任务也越来越重，工作量也越来越大。目前地铁列车运行过程中的电力主要通过以下两种接触方式进行获取：

第一种是通过车顶的受电弓从接触网获得，获得方式和目前高铁的牵引供电系统类似，在很多巡视检测的仪器设备和高铁设备通用；

第二种方式是通过接触轨供电，这种方式是目前地铁独有的供电方式，在实际操作中接触轨通过集电靴将电能传输给车辆，根据集电靴从接触轨的取流方式不同，接触轨的安装方式可分为：上接触、下接触、侧接触三种方式。下接触式接触轨与其他两种接触方式相比，下部受接触轨防护罩对带电接触轨的防护性能好，带电接触轨不容易被无章识地触碰到，能确保人身安全，另外，下部授流方式的遮挡雨雪条件也优于上部授流方式，能确保牵引网系统的安全可靠运行，因此也是最常用的安装方式。

而接触轨与基本轨的高度差(导高)和横向距离(拉出值)，以及本身磨损度(磨耗)都直接影响到地铁列车牵引动力源的可靠性和稳定性，而目前对于上述三个重要参数，主要依靠人工和传统的量度或简单的电子测量设备进行逐点静态检测，这样采样的数量偏少，而且效率低，检测项目有限，不能完整准确的反映出接触轨的状况，而为了保证获得持续稳定的电流，保证接触轨处在正常的工作状态，对接触轨进行更为全面的检测，对提高受流质量具有重要作用，这就需要我们能够及时可靠掌握接触轨各项工作状态，对其作出科学的评价管理，为后面的计划维修作出准确的判断依据。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种移动式接触轨检测装置，其能够通过设置的伸缩式测量单元，在保证具有可靠的测量基准的前提下将测量探头架设到接触轨下方，对接触轨进行连续扫描测量。并在使用完毕后收入主体内，及保护了测量探头有减小了设备运输时的体积。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种移动式接触轨检测装置，包括：

设置在轨道上的小车，其一侧以可伸缩的方式设置有能伸入接触轨下方的测量单元，所述小车上设置有与测量单元通信连接的主机；

测量单元被配置为包括：

与接触轨相配合，以采集3D点云和/或图片信息的第一工业相机，第二工业相机；

设置在第二工业相机一侧的激光器；

其中，所述第一工业相机上第一聚焦端与接触轨的受流面，在空间上具有预定的倾斜角度；

所述第二工业相机上第二聚焦端，通过相配合的三角棱镜与接触轨的受流面在空间上连通，且所述第二工业相机被配置为采用线阵相机与测量单元上的光源相配合采集接触轨受流面的图片信息。

优选的是，所述测量单元还包括：

用于对第一工业相机、第二工业相机、激光器进行封装的第一壳体；

设置在第一壳体内部，分别与第一工业相机、第二工业相机、激光器电性连接和/或通信连接的线路板；

其中，所述第一壳体在与接触轨相配合的端部上，设置有下沉的避让段；

所述第一聚焦端的聚焦窗被配置为从第一壳体上端与避让段之间的过渡段伸出；

所述第一壳体内部设置有对第一工业相机进行角度支撑的安装部，所述安装部上设置有与第一工业相机外部结构相配合的型腔；

所述第一壳体上设置有与棱镜相配合，以构成第二工业相机取景端的透明窗口。

优选的是，所述小车被配置为包括：

车架，其上设置有与车轨相配合的一组主滚轮，一组从动轮；

与车架相配合的第二壳体，其上设置有与主机相配合的显示屏；

设置在车架上且位于从动轮一侧，并与主机电性连接的蓄电池；

其中，所述测量单元通过设置在主动轮一侧的伸缩杆进而与车架连接；

所述车架上设置有可供伸缩杆伸入的容纳腔，所述容纳腔与伸缩杆相配合的位置上，分别延伸设置有对伸缩杆的伸出距离进行控制的卡止块；

所述容纳腔与伸缩杆通过导轨滑动连接；

所述车架一侧设置有对伸缩杆进行导向的连接件，其上设置有对伸缩杆的空间位置进行限定的定位销和/或锁扣。

优选的是，至少一个主动轮内部设置有60W的无刷直流减速电机，其减速比被控制为1：20；

至少一个主动轮内部设置有刹车机构；

所述主动轮、从动轮在与车轨内侧壁相配合的位置上设置有辅助轮；

从动轮通过相配合的传动组件与车架连接，所述传动组件被配置为包括：

设置在车架内部的限位杆，其通过可伸缩的万向节传动接头设置在车架内部；

将从动轮与限位杆进行连接的连接板。

优选的是，所述车架至少一侧以可拆卸的方式设置有推杆；

所述第二壳体上设置有便于搬运的四个把手；

所述车架内部设置有与外部设备、主机通信连接的通信模块；

所述车架上设置有与主机通信连接的硬盘以及USB接口。

一种应用移动式接触轨检测装置对接触轨进行检测的方法，包括：

将小车置于车轨之上，将测量单元伸出至于接触轨受流面下方；

通过主机控制第一工业相机、第二工业相机对接触轨的受流面进行3D点云和/或图片数据采集；

所述主机根据第一工业相机、第二工业相机采集相关3D点云和/或图片数据信息，对接触轨的导高、拉出值、受流面与钢轨平行度、受流面磨耗、膨胀接头间隙值、防护罩搭接量、硬点参数进行计算。

优选的是，在测量过程中，第一工业相机通过设置在第二工业相机一侧的激光器发出的激光束照射被测物体表面形成高亮度图像，经过三角测量法测量出物体剖面形状，以生成物体的3D图像，对接触轨进行尺寸检测、体积测量进而识别其外形缺陷；

其中在每次测量中，第一工业相机沿着面前物体的剖面进行测量，得到包含沿着输送方向的特定位置剖面测量的轮廓图。

优选的是，在测量过程中，激光器在接触轨受流面下方发射出激光光幕投射到接触轨上，第一工业相机获取接触轨的剖面外形，并将断面上的反射激光回传给主机，从而获得整个接触轨的断面轮廓信息；

第一工业相机扫描的水平宽度为250mm，扫描深度为100mm，精度为±0.5mm；

所述第一工业相机通过安装于从动轮内的编码器进行触发实现行进过程中的同步采样，以对整个线路的接触轨及其周围零部件作出精确的扫描测量，以生成物体的3D图像。

优选的是，所述主机对接触轨拉出值、导高值的计算方法包括：

通过第一工业相机获取接触轨的剖面外形，基于接触轨受流面的轮廓边缘信息进行判断，通过计算获得受流面的中心位置；

通过中心位置距离第一工业相机基准面的高度，加上设备安装位置距离轨平面的距离得到导高值；

通过中心位置距离第一工业相机基准点的水平值距离，加上第一工业相机安装位置距离走行轨内缘的水平距离得到拉出值；

所述主机对接触轨受流面磨耗和硬点的计算方法包括：

主机在移动时获取了接触轨受流面不同位置的多个断面信息，得到接触轨轨面在纵深方面上的形变尺寸；

主机将多个断面信息按照空间位置排布，以获得移动方向上接触轨的3D数据；

主机基于形变尺寸，结合标准接触轨受流面的外形尺寸，计算磨损面积以及硬点尺寸大小。

优选的是，所述主机对接触轨受流面与钢轨平行度的计算方法包括：

主机将第一工业相机获取的受流面断面轮廓信息拟合成一条直线；

将两钢轨轨的顶连线构成的另外一条直线成为测量基准面；

主机通过计算拟合直线与装置测量基准面的夹角，以得出该接触轨受流面与轨平面的平行度。

本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明中设置的伸缩式测量单元，在保证具有可靠的测量基准的前提下将测量探头架设到接触轨下方，对接触轨进行连续扫描测量。并在使用完毕后收入主体内，及保护了测量探头有减小了设备运输时的体积。

其二，本发明的接触轨检测装置应配置辅助动力，具备在钢轨上自主行走和控制行走功能。

其三，本发明的测量单元，通过结构设计和布局，使得其能伸入至小空间的接触轨下方进行数据采集，结合小车，能移动式的实现连续检测，适应性更好，效果更好。

其四，本发明的装置结构应用方式，可通过3D扫描探头对接触轨导高、拉出值、与钢轨平行度、受流面磨耗、膨胀接头间隙值、防护罩搭接量、硬点等参数进行测量，并对接触轨受流面进行实时拍摄，相对于传统人工测量，具有采样流畅，精度更好的效果。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中移动式接触轨检测装置的结构示意图；

图2为图1工作中的结构示意图；

图3为本发明的一个实施例中测量单元的俯视结构示意图；

图4为本发明的一个实施例中测量单元的截面结构示意图；

图5为本发明的一个实施例中移动式接触轨检测装置工作中的剖面结构示意图；

图6为图5中I部的放大结构示意图；

图7为本发明的一个实施例中移动式接触轨检测装置的剖面结构示意图；

图8为图7中J部的放大结构示意图；

图9为本发明测量单元的扫描效果图；

图10为检测点中导高值和拉出值的坐标关系图；

图11为检测点中导高值和拉出值的另一坐标关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

图1-4示出了根据本发明的一种移动式接触轨检测装置的实现形式，其中包括：

设置在轨道1上的小车3，其一侧以可伸缩的方式设置有能伸入接触轨2下方的测量单元4，伸缩式的测量单元在测量时伸出到接触轨下方，测量完成后收回，所述小车上设置有与测量单元通信连接的主机，其用于测量单元相配合，对实时测量的相关信息分析、计算；

测量单元被配置为包括：

与接触轨相配合，以采集3D点云和/或图片信息的第一工业相机40，第二工业相机41；

设置在第二工业相机一侧的激光器42，其用于产生相应的线性激光打在受流面上，便于第一工业相机进行3D采集，第二工业相机在工作中主要与测量单元上的光源496相配合采集接触轨受流面的图片信息，便于人工在主机的显示器或远端对接触轨进行人工观察，对其性能指标符合要求进行判断；

其中，所述第一工业相机上第一聚焦端与接触轨的受流面，在空间上具有预定的倾斜角度，所述第一工业相机被配置为采用3D相机，和激光器以及编码器相互配合以采集受流面的三维立体影像，而与激光器安装形成一定的角度，使得其采集效果满足三角测量法测量要求，而具体的角度值与激光器与受流面的距离、垂直度相配合，同时倾斜角度的设置，使得其空间高度可控；

所述第二工业相机上第二聚焦端，通过相配合的三角棱镜43与接触轨的受流面在空间上连通，且所述第二工业相机被配置为采用线阵相机，通过棱镜的作用，使得第二工业相机在有限的空间内对受流面进行清晰的成像，第二工业相机的结构设置，其相对于传统的采集模式有所不同，其原因于，接触轨下方的空间有限，而测量单元安装在小车上，小车放置在轨道上，为了保证其伸出的顺畅度，其高度需要得到控制，而相机本身具有一定的高度，如直立放置则无法在有限的空间内自由出入，完成拍照工作，故需要将第二相机进行横置，而棱镜的作用相当于潜望镜，即通过相配合的棱镜来完成第二工业相机的采集工作，采用伸缩式的测量单元，在保证具有可靠的测量基准的前提下将测量探头架设到接触轨下方，对接触轨进行连续扫描测量和拍照。并在使用完毕后收入主体内，及保护了测量探头，减小了设备运输时的体积。

如图3-4，在另一种实例中，所述测量单元还包括：

用于对第一工业相机、第二工业相机、激光器进行封装的第一壳体44；

设置在第一壳体内部，分别与第一工业相机、第二工业相机、激光器电性连接和/或通信连接的线路板45，其相当于控制线缆、电性连接的线缆的转接板，用于将电线或通信线缆采用一条线缆接入，再通过几条分线与各部件电性连接或通信连接；

其中，所述第一壳体在与接触轨相配合的端部上，设置有下沉的避让段46，避让段的设置是因为接触轨接触面与固定座之间的空间有限，允许安装净空间只有230MM，通过避让段使得测量单元能顺利伸入接触轨下方，在有限的空间内进行参数的测量；

所述第一聚焦端的聚焦窗被配置为从第一壳体上端与避让段之间的过渡段47伸出，其使得第一工业相机能在空间上与受流面呈角度式进行取景；

所述第一壳体内部设置有对第一工业相机进行角度支撑的安装部48，所述安装部上设置有与第一工业相机外部结构相配合的型腔480，其用于通过型腔对第一工业相机的空间位置进行限定，进而使得其在第一壳体的内部空间位置与其角度相配合，具有更高的稳定性；

所述第一壳体上设置有与棱镜相配合，以构成第二工业相机取景端的透明窗口49，其作用在于成为第二工业相机取景的进光窗口，同时可以设置配合的光源490，为其进行补光操作，保证其采集效果满足要求，更好的完成图像信息的采集。

如图1-2、5-8，在另一种实例中，所述小车被配置为包括：

车架310，车架(主框架)采用了重量轻、强度高的工业铝合金型材构成，部分对硬度有要求的零件采用钛合金加工成型，配重均匀且总重不超过35kg，且主框架采用模块化设计，便于后期维护，并且各工作模块采用独立式封装，其防护等级达到了IP42；即各工作模块和部件之间有快拆定位装置，可快速折叠、拆装，可以对接触轨进行换边检测，为保证后期装置升级时测量模块加装，采用标准化模块接口，预留其他测量模块安装位，其上设置有与车轨相配合的一组主滚轮311，一组从动轮312，为了避免铁路轨道电路短路，导致监视器红光带，将主动轮、从动轮采用无磁性的耐磨损的橡胶轮，以使其滚动灵活，装置运行的稳定性更好；

与车架相配合的第二壳体320，其上设置有与主机相配合的显示屏321，装置主框架上安装了显示装置，用于测量数据和录制视频的实时显示，检测装置安装有360度扫描雷达329，可实现自动避障和跟随操作人员功能，当装置检测到行进方向有障碍物或远离操作人员5m以上时能自动停止；

设置在车架上且位于从动轮一侧，并与主机电性连接的蓄电池322；

其中，所述测量单元通过设置在主动轮一侧的伸缩杆330进而与车架连接；

所述车架上设置有可供伸缩杆伸入的容纳腔，所述容纳腔与伸缩杆相配合的位置上，分别延伸设置有对伸缩杆的伸出距离进行控制的卡止块(未示出)；

所述容纳腔与伸缩杆通过导轨(未示出)滑动连接；

所述车架一侧设置有对伸缩杆进行导向的连接件323，其上设置有对伸缩杆的空间位置进行限定的定位销和/或锁扣324，在实际操作中，伸缩杆滑动伸出车架后，通过设置在车架内部、以及伸缩杆端面上的卡止块，对伸缩杆的位置进行限定，进一步通过定位销或锁扣、配合固定螺帽3240对伸缩杆与车架进行固定，接触轨受流面中心距离相邻行走轨内缘水平距离752MM，测量单元通过伸缩杆、连接件、定位销和/或锁扣实现了设备主支架(车架)的可靠连接，保证测量精度，并在测量完成能收回车架内进行收纳，减小设备的运输体积，在这种方案中装置通过伸出臂(伸缩杆)安装于固定轮(主动轮)一侧，采用定位销加固定螺帽的方式将车架与伸出臂进行连接，同时将设备电池放置于活动轮一侧，这样保证了装置的配重均匀。

如图5、7，在另一种实例中，至少一个主动轮内部设置有60W的无刷直流减速电机，其减速比被控制为1：20，采用60W无刷直流减速电机，减速比为1：20电机最高转速达到3000RPM，按照轮子直径150mm计算最高运行速度达到4km/h，其通过电机的设置使装置在钢轨上自行移动，且减速的设置使得其移动速度能与测量速度相配合，同时保证移动过程中的稳定性，保证测量基准不变，设备不发生抖动，同时通过电机的正反转使得装置可以双向行走；

至少一个主动轮内部设置有刹车机构(未示出)，装置采用低重心结构，即高度较低，保证其移动的稳定性，并安装有驻车(刹车)机构保证了检测装置在最大坡度30‰的钢轨上不借助外力保持静止状态，也可以根据需要设置调速功能，可对装置运行速度进行控制，保证了上坡和下坡过程中检测装置匀速运行，不会发生倾倒、倾斜等现象；

所述主动轮、从动轮在与车轨内侧壁相配合的位置上设置有辅助轮313，其用于在移动过程车架与车轨的配合度，保证传输的稳定性；

从动轮通过相配合的传动组件与车架连接，所述传动组件被配置为包括：

设置在车架内部的限位杆314，其通过可伸缩的万向节传动接头(未示出)设置在车架内部，万向节传动接头固定在车架内部，限位杆与传动接头连接，使得其具有周向上的变动余量，进而可以与轨道转弯处进行配合，保证车架运行的稳定性，当然限位杆、万向节传动接头与车架的配合方式也可以采用其它类似的可替换方式进行，如采用伸缩组件进行替换，伸缩组件被配置为包括：用于对车梁与连接件进行连接的连接管；设置在连接管内，并与车梁一端相配合的固定柱；设置在连接管内，并与连接件相配合的导向柱；其中，所述导向柱与固定柱之间具有间隙，且所述导向柱与固定柱之间通过相配合的弹性元件进而连接；

将从动轮与限位杆进行连接的连接板315，所述主动轮内设置有分别与测量单元、主机通信连接的编码器(未示出)，3D相机由安装于从动轮内的编码器予以触发，测量经过相机视域的物体轮廓然后拼接成3D测量数据发送至计算机进行处理。本方案中因装置采用的四轮系统，一端的两个轮为固定轮(主动轮)，另外一端的两个轮可以绕两轮轴中心小角度摆动，限位杆采用伸缩万向节传动接头，也可以小角度摆动。这样保证了四个轮子同时和钢轨接触运行时不会出现一个轮子悬空导致相对走行轨滑动、以及卡滞等异常情况。

如图1，在另一种实例中，所述车架至少一侧以可拆卸的方式设置有推杆340，配备临时推手(推杆)，在移动式靴轨检测装置失去辅助动力或者出现故障无法自行移动时操作人员可方便的取出推手，推动检测装置前进或后退，该推杆平时放置在设备的盒体内，需要的时候与车架进行组装，其二者的结合方式可以是螺钉固定、螺纹连接、卡销连接、快插连接等可以实现二者快速连接的任意一种方式；

所述第二壳体上设置有便于搬运的四个把手325，便于搬运和携带；

所述车架内部设置有与外部设备、主机通信连接的通信模块(未示出)，如能通过WIFI与平板电脑、手机、遥控器等遥控设备连接，可通过遥控方式控制其前进、后退、减速和停止；

所述车架上设置有与主机通信连接的硬盘326以及USB接口327，其分别用于存储、输出相关检测数据信息，而根据需要还可以在第二壳体的两侧设置光源328，以适应不同工作时段、不同行走方向的采集需要和照明需要。

一种应用移动式接触轨检测装置对接触轨进行检测的方法，包括：

将小车置于车轨之上，将测量单元伸出至于接触轨受流面下方；

通过主机控制第一工业相机、第二工业相机对接触轨的受流面进行3D点云和/或图片数据采集；

所述主机根据第一工业相机、第二工业相机采集相关3D点云和/或图片数据信息，对接触轨的导高、拉出值、受流面与钢轨平行度、受流面磨耗、膨胀接头间隙值、防护罩搭接量、硬点参数进行计算。

在另一种实例中，在测量过程中，第一工业相机通过设置在第二工业相机一侧的激光器发出的激光束照射被测物体表面形成高亮度图像，经过三角测量法测量出物体剖面形状，以生成物体的3D图像，对接触轨进行尺寸检测、体积测量进而识别其外形缺陷；

其中在每次测量中，第一工业相机沿着面前物体的剖面进行测量，得到包含沿着输送方向的特定位置剖面测量的轮廓图，在这种方案中，3D相机(第一工业相机)的主要功能在于通过激光束照射被测物体表面形成高亮度图像，经过三角测量法测量出物体剖面形状。可用于生成物体的3D图像、尺寸检测、体积测量或识别外形缺陷。在每次测量中，3D相机(第一工业相机)沿着面前物体的剖面进行测量。测量结果是轮廓图，其中包括沿着剖面每个测量点的数值——例如沿着宽度的物体高度。若要使相机测量整个物体，则应移动物体(或是相机与光源)，使相机能沿着物体实施一系列测量。此类测量的结果是一系列轮廓图，其中每份包含沿着输送方向的特定位置剖面测量。

在另一种实例中，在测量过程中，激光器在接触轨受流面下方发射出激光光幕投射到接触轨上，第一工业相机获取接触轨的剖面外形，并将断面上的反射激光回传给主机，从而获得整个接触轨的断面轮廓信息；

第一工业相机扫描的水平宽度为250mm，扫描深度为100mm，精度为±0.5mm；

所述第一工业相机通过安装于从动轮内的编码器进行触发实现行进过程中的同步采样，以对整个线路的接触轨及其周围零部件作出精确的扫描测量，在这种方案中，该装置采用3D相机结合编码器对接触轨进行连续扫描测量，测量经过相机视域的物体轮廓然后拼接成3D测量数据发送至计算机进行处理。

装置上的3D相机在接触轨受流面下方发射出激光光幕投射到接触轨上，获取接触轨的剖面外形。并将断面上的反射激光回传给扫描设备，从而获得整个接触轨的断面轮廓信息。该装置3D相机设计扫描宽度为250mm宽度(水平)精度为±0.5mm。扫描深度为100mm深度(高度)精度为±0.5mm。结合装置上的里程传感器(编码器)，触发3D相机扫描实现里程的同步采样，即可对整个线路的接触轨及其周围零部件作出精确的扫描测量，扫描效果参见图9。

在另一种实例中，所述主机对接触轨拉出值、导高值的计算方法包括：

通过第一工业相机获取接触轨的剖面，基于接触轨受流面的轮廓边缘信息进行判断，通过计算获得受流面的中心位置；

通过中心位置距离第一工业相机基准面的高度，加上设备安装位置距离轨平面的距离得到导高值A；

通过中心位置距离第一工业相机基准点的水平值距离，加上第一工业相机安装位置距离走行轨内缘的水平距离得到拉出值B，在这种方案中，如图10，接触轨参数测量的数学模型可以归纳成以两轨顶连线为横轴，两轨顶连线和相邻走行轨内缘的交点为坐标原点，通过该坐标原点的垂线为纵轴的一个平面直角坐标系。所要检测的点则以数对形式(x，y)表示的坐标系中的点，拉出值则为该点在坐标系内的X坐标值，导高值则为该点在坐标系内的Y坐标值。

装置上的3D相机获取接触轨的剖面后，可以判断出接触轨受流面的轮廓边缘信息。通过计算获得受流面的中心位置，该中心位置距离3D相机基准面的高度(既纵深测量值)，再加上设备安装位置距离轨平面的距离就得计算出导高值。导高值测量范围150-330mm分辨率为0.1mm，静态测量精度为±2mm，动态测量精度为±3mm；

导高值的测量数学模型：Y＝Y1+Y2

其中：

Y：导高值(接触轨受流面中心点至钢轨轨顶面垂直距离)；

Y1：3D相机测得接触轨轨面距离相机基准面的高度；

Y2：相机基准点距离轨平面的高度；

如图11，同导高值测量方法一致，首先扫描断面获取触轨受流面中心位置，通过3D相机测量数值获得该中心位置距离3D相机基准点的水平值距离，再加上相机安装位置距离走行轨内缘的水平距离，即可得到拉出值。拉出值测量范围720-790mm分辨率为0.05mm，静态测量精度为±2mm，动态测量精度为±3mm。

拉出值的测量数学模型：X＝X1+X2

其中：X：拉出值(接触轨受流面中心距相邻走行轨内缘的水平距离)；

X1：3D相机测得接触轨受流面中心距离相机基准点的水平距离；

X2：相机基准点距离相邻走行轨内缘的水平距离。

所述主机对接触轨受流面磨耗和硬点的计算方法包括：

主机在移动时获取了接触轨受流面不同位置的多个断面信息，得到接触轨轨面在纵深方面上的形变尺寸；

主机将多个断面信息按照空间位置排布，以获得移动方向上接触轨的3D数据；

主机基于形变尺寸，结合标准接触轨受流面的外形尺寸，计算磨损面积以及硬点尺寸大小。地铁列车在行驶过程中，受电靴滑板在接触轨上高速滑行，随着时间的积累接触轨会产生磨损和硬点(接触轨受流面出现的凸起或凹陷)。接触轨的磨损硬点会造成阶跃冲击等机械作用，在强电流通过情况、容易发生电弧烧蚀，从而影响牵引供电的安全。所以磨损和硬点的检测有十分重要的意义。该装置对磨损和硬点的检测原理如下：装置在获取了接触轨受流面的断面信息后，可以判断出接触轨轨面在纵深方面的形变尺寸，而随着设备的移动(在轨道上前行)我们会获取若干个不同位置的断面信息。装置的主机将这些断面信息按照空间位置排布，就可以获得推行方向上接触轨3D数据。结合标准的接触轨受流面的外形尺寸，可以精确的计算磨损面积以及硬点尺寸大小。受流面磨耗和硬点的测量范围±15mm，分辨率为0.1mm，静态测量精度为±1mm。动态测量精度为±2mm。

受流面磨耗和硬点的测量数学模型：M＝C*M1

其中：M：受流面磨耗程度；

M1：3D相机测得接触轨受流面磨损量；

C：3D相机深度测量修正常数(视域深度和像素的比值)；

在另一种实例中，所述主机对接触轨受流面与钢轨平行度的计算方法包括：

主机将第一工业相机获取的受流面断面轮廓信息拟合成一条直线；

将两钢轨轨的顶连线构成的另外一条直线成为测量基准面；

主机通过计算拟合直线与装置测量基准面的夹角，以得出该接触轨受流面与轨平面的平行度，在这种方案中，装置上的3D相机将获取的接触轨受流面的断面轮廓信息后拟合成一条直线，装置的测量基准面是两钢轨轨顶连线(轨平面)为另外一条直线。通过计算拟合直线与装置测量基准面的夹角，即可得出该接触轨受流面与轨平面的平行度，如结合装置的里程信息数据即可获取接触轨在行车区间内的与钢轨的平行度曲线图。接触轨与钢轨平行度测量范围：±15°分辨率为0.01°，静态测量精度为±0.5°，动态测量精度为±1°。

接触轨受流面和钢轨平行度测量的数学模型：W＝W1+C

其中：W：接触轨受流面和钢轨平行度；

X1：3D相机测得接触轨受流面与装置测量基准面的夹角；

C：装置测量基准面修正常数(组装误差)；

而对膨胀接头间隙值和防护罩搭接量的测量包括：

装置上的3D相机将不断的获取的接触轨受流面的断面轮廓信息，而随着设备的移动(在轨道上前行)我们会获取若干个不同位置的断面信息。装置的主机将这些断面信息按照空间位置排布，就可以获得推行方向上接触轨及其防护罩的3D数据。这些3D数据中就包含膨胀接头两滑轨间的距离和两防护罩搭接量。在激光三角测量系统中，移动方向上的分辨率是指测量频率及物体速度的正函数。膨胀接头间隙值测量范围0-120mm分辨率为0.1mm，测量精度为±2mm。防护罩搭接量的测量范围0-300mm，分辨率为0.1mm，测量精度为±5mm。

膨胀接头间隙值和防护罩搭接量的测量数学模型：

Z＝N*V/F或Z＝V*S

其中：Z：膨胀接头间隙值和防护罩搭接量；

F：3D相机的测量频率；

N：3D相机测量次数；

S：装置移动时间；

V：装置移动速度(3D相机移动速度)；

轨距和外轨超高测量

装置采用高精度位移传感器和高精度双轴倾角传感器来检测轨距和外轨超高数据。轨距测量范围：1410mm-1470mm分辨率为0.1mm，静态测量精度为±1mm，动态测量精度为±2mm。超高测量范围：±180mm分辨率为0.1mm，静态测量精度为±1.5mm，动态测量精度为±3mm。

而轨距测量的数学模型为G＝G₁+G₂+ΔG₃

其中：G：轨距；G₁：位移传感器读数；G₂：自行走装置固定测量端到位移传感器零点位置的距离；ΔG₃：环境温度引起的轨距测量修正值。

外轨超高测量的数学模型为C＝1505sinβ

其中：C：外轨超高；β：倾角传感器读数；

里程的测量是采用高精度编码器获取移动式接触轨检测装置的移动距离。编码器单圈输出18位，误差±0.007°重复精度不低于0.002°。绝对值编码器相对于增量式编码器成本高，但有效的提高了设备的稳定性和测量的精度。里程测量范围：0-10KM，分辨率为0.1mm，测量精度为±10mm，而里程测量的数学模型：

其中：L：移动式接触轨检测装置的行走距离；

D：移动式接触轨检测装置的车轮直径；

N：移动式接触轨检测装置编码器读数；

n：编码器的单圈读数。

本发明根据实际需求在高精度激光扫描、三维成像，自主移动机器人等技术的基础上提出了全新的检测装检测方案，发明出了一种针对地铁牵引供电接触轨进行快速高效准确的检测装置。这套装置可以通过激光轮廓扫描技术对接触轨进行整体全面扫描，通过三维成像技术可还原出整个接触轨的几何结构。结合装置钢性主体结构定位测量基准，建立测量模型从而可以获取接触轨的各种几何参数。同时装置配备高速线阵摄像机，巡检过程中可完整拍摄接触轨及其四周零部件图像，对特定部位的关键部件进行大数据筛查判断识别提供数据支持。整个装置采用和无人驾驶汽车类似的高性能嵌入式处理硬件系统，可为后期技术扩展多种检测模块做好硬件和软件上的准备。

该装置属于国内首创，填补了接触轨不间断智能检测的空白，应用该装置后大大提高了作业效率，节省大量人力成本。装置的自动巡检功能，自主行走并快速测量接触轨各种几何参数，操作测量速度可提高6倍以上，同时有效的避免了检测人员站立、蹲下繁琐过程，大大减轻了作业人员劳动强度，受到现场作业人员的认可。该装置的投入应用也大大推动了地铁智慧运维管理的进程，信息化和智能化的程度将明显提高，并具有以下效果：

其一，该装置的可以在钢轨上自主行走，具有智能避障功能和遥控功能；

其二，该装置的伸缩式探头支架，在保证具有可靠的测量基准的前提下将测量探头架设到接触轨下方，对接触轨进行连续扫描测量。并在使用完毕后收入主体内，及保护了测量探头有减小了设备运输时的体积。

其三，该装置的3D扫描探头可以对接触轨导高、拉出值、与钢轨平行度、受流面磨耗、膨胀接头间隙值、防护罩搭接量、硬点等参数进行测量，并对接触轨受流面进行实时拍摄。

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种移动式接触轨检测装置，其特征在于，包括：

设置在轨道上的小车，其一侧以可伸缩的方式设置有能伸入接触轨下方的测量单元，所述小车上设置有与测量单元通信连接的主机；

测量单元被配置为包括：

与接触轨相配合，以采集3D点云和/或图片信息的第一工业相机，第二工业相机；

设置在第二工业相机一侧的激光器；

其中，所述第一工业相机上第一聚焦端与接触轨的受流面，在空间上具有预定的倾斜角度；

所述第二工业相机上第二聚焦端，通过相配合的三角棱镜与接触轨的受流面在空间上连通，且所述第二工业相机被配置为采用线阵相机与测量单元上的光源相配合采集接触轨受流面的图片信息。

2.如权利要求1所述的移动式接触轨检测装置，其特征在于，所述测量单元还包括：

用于对第一工业相机、第二工业相机、激光器进行封装的第一壳体；

设置在第一壳体内部，分别与第一工业相机、第二工业相机、激光器电性连接和/或通信连接的线路板；

其中，所述第一壳体在与接触轨相配合的端部上，设置有下沉的避让段；

所述第一聚焦端的聚焦窗被配置为从第一壳体上端与避让段之间的过渡段伸出；

所述第一壳体内部设置有对第一工业相机进行角度支撑的安装部，所述安装部上设置有与第一工业相机外部结构相配合的型腔；

所述第一壳体上设置有与棱镜相配合，以构成第二工业相机取景端的透明窗口。

3.如权利要求1所述的移动式接触轨检测装置，其特征在于，所述小车被配置为包括：

车架，其上设置有与车轨相配合的一组主滚轮，一组从动轮；

与车架相配合的第二壳体，其上设置有与主机相配合的显示屏；

设置在车架上且位于从动轮一侧，并与主机电性连接的蓄电池；

其中，所述测量单元通过设置在主动轮一侧的伸缩杆进而与车架连接；

所述车架上设置有可供伸缩杆伸入的容纳腔，所述容纳腔与伸缩杆相配合的位置上，分别延伸设置有对伸缩杆的伸出距离进行控制的卡止块；

所述容纳腔与伸缩杆通过导轨滑动连接；

所述车架一侧设置有对伸缩杆进行导向的连接件，其上设置有对伸缩杆的空间位置进行限定的定位销和/或锁扣。

4.如权利要求3所述的移动式接触轨检测装置，其特征在于，至少一个主动轮内部设置有60W的无刷直流减速电机，其减速比被控制为1：20；

至少一个主动轮内部设置有刹车机构；

所述主动轮、从动轮在与车轨内侧壁相配合的位置上设置有辅助轮；

从动轮通过相配合的传动组件与车架连接，所述传动组件被配置为包括：

设置在车架内部的限位杆，其通过可伸缩的万向节传动接头设置在车架内部；

将从动轮与限位杆进行连接的连接板，所述主动轮内设置有分别与测量单元、主机通信连接的编码器。

5.如权利要求3所述的移动式接触轨检测装置，其特征在于，所述车架至少一侧以可拆卸的方式设置有推杆；

所述第二壳体上设置有便于搬运的四个把手；

所述车架内部设置有与外部设备、主机通信连接的通信模块；

所述车架上设置有与主机通信连接的硬盘以及USB接口。

6.一种应用如权利要求1-5所述移动式接触轨检测装置对接触轨进行检测的方法，其特征在于，包括：

将小车置于车轨之上，将测量单元伸出至于接触轨受流面下方；

通过主机控制第一工业相机、第二工业相机对接触轨的受流面进行3D点云和/或图片数据采集；

所述主机根据第一工业相机、第二工业相机采集相关3D点云和/或图片数据信息，对接触轨的导高、拉出值、受流面与钢轨平行度、受流面磨耗、膨胀接头间隙值、防护罩搭接量、硬点参数进行计算。

7.如权利要求6所述的应用移动式接触轨检测装置对接触轨进行检测的方法，其特征在于，在测量过程中，第一工业相机通过设置在第二工业相机一侧的激光器发出的激光束照射被测物体表面形成高亮度图像，经过三角测量法测量出物体剖面形状，以生成物体的3D图像，对接触轨进行尺寸检测、体积测量进而识别其外形缺陷；

其中在每次测量中，第一工业相机沿着面前物体的剖面进行测量，得到包含沿着输送方向的特定位置剖面测量的轮廓图。

8.如权利要求6所述的应用移动式接触轨检测装置对接触轨进行检测的方法，其特征在于，在测量过程中，激光器在接触轨受流面下方发射出激光光幕投射到接触轨上，第一工业相机获取接触轨的剖面外形，并将断面上的反射激光回传给主机，从而获得整个接触轨的断面轮廓信息；

第一工业相机扫描的水平宽度为250mm，扫描深度为100mm，精度为±0.5mm；

所述第一工业相机通过安装于从动轮内的编码器进行触发实现行进过程中的同步采样，以对整个线路的接触轨及其周围零部件作出精确的扫描测量，以生成物体的3D图像。

9.如权利要求6所述的应用移动式接触轨检测装置对接触轨进行检测的方法，其特征在于，所述主机对接触轨拉出值、导高值的计算方法包括：

通过第一工业相机获取接触轨的剖面外形，基于接触轨受流面的轮廓边缘信息进行判断，通过计算获得受流面的中心位置；

通过中心位置距离第一工业相机基准面的高度，加上设备安装位置距离轨平面的距离得到导高值；

通过中心位置距离第一工业相机基准点的水平值距离，加上第一工业相机安装位置距离走行轨内缘的水平距离得到拉出值；

所述主机对接触轨受流面磨耗和硬点的计算方法包括：

主机在移动时获取了接触轨受流面不同位置的多个断面信息，得到接触轨轨面在纵深方面上的形变尺寸；

主机将多个断面信息按照空间位置排布，以获得移动方向上接触轨的3D数据；

主机基于形变尺寸，结合标准接触轨受流面的外形尺寸，计算磨损面积以及硬点尺寸大小。

10.如权利要求6所述的应用移动式接触轨检测装置对接触轨进行检测的方法，其特征在于，所述主机对接触轨受流面与钢轨平行度的计算方法包括：

主机将第一工业相机获取的受流面断面轮廓信息拟合成一条直线；

将两钢轨轨的顶连线构成的另外一条直线成为测量基准面；

主机通过计算拟合直线与装置测量基准面的夹角，以得出该接触轨受流面与轨平面的平行度。

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