CN111587202B - 钢轨车辆和用于测量轨道区段的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钢轨车辆(2)，该钢轨车辆具有车架(12)，该车架(12)支撑在轨上行走机构(4)上并且能够在轨道(1)的钢轨(7)上移动，该钢轨车辆包括第一测量平台(5)，该第一测量平台具有用于记录轨道路线的第一惯性测量系统(9)。在钢轨车辆(2)上布置有第二测量平台(14)，该第二测量平台包括第二惯性测量系统(15)和至少一个用于记录轨道区段(18)的表面点(P)的传感器装置(17)。借助于第二测量平台(14)和第二惯性测量系统(15)，以简单的方式记录传感器装置(17)在三维空间中的移动。

Description

钢轨车辆和用于测量轨道区段的方法
技术领域
本发明涉及一种钢轨车辆，其具有车架，该车架支撑在轨上行走机构上并且能够在轨道的钢轨上移动，该钢轨车辆包括第一测量平台，该第一测量平台具有用于记录轨道路线的第一惯性测量系统。本发明还涉及一种用于借助于钢轨车辆来测量轨道区段的方法。
背景技术
为了可靠地对轨道上部结构(Gleisoberbaus)进行维护，需要进行定期检查。在这个过程中使用轨道测量车辆，该轨道测量车辆被设计用于记录轨道区段的当前轨道几何形状。基于所收集的测量数据规划并执行维护措施。使用各种传感器作为测量装置，以对轨道本身以及轨道周围环境进行记录。例如借助于布置在轨道测量车辆上的相机系统对轨道以及轨道周围环境进行记录。
为了确定轨道路线或轨道相对位置，现代轨道测量车辆使用所谓的惯性测量系统(Inertial Measurement Unit，IMU)。这样的惯性测量系统在行业杂志Eisenbahningenieur(52)9/2001第6-9页上有描述。DE 10 2008 062 143 B3也描述了用于记录轨道位置的惯性测量原理。
发明内容
本发明的目的是示出对于开始所述类型的钢轨车辆和方法的现有技术进行的改进。
根据本发明，这些目的是通过第一方面和第二方面的特征实现的。根据其他方面，本发明的其他有利改进变得显而易见。
第一方面提供了一种钢轨车辆，所述钢轨车辆具有车架，所述车架支撑在轨上行走机构上并且能够在轨道的钢轨上移动，所述钢轨车辆包括第一测量平台，所述第一测量平台具有用于记录轨道路线的第一惯性测量系统。在此，在钢轨车辆上布置有第二测量平台，该第二测量平台包括第二惯性测量系统和至少一个用于记录轨道区段的表面点的传感器装置。借助于第二测量平台和第二惯性测量系统，以简单的方式记录传感器装置在三维空间中的移动。通过这种方式，可以在空间上精确地分配由传感器装置记录的测量数据。
有利地，在钢轨车辆上直接布置有计算机，惯性测量系统和传感器装置的测量数据被提供到该计算机，并且该计算机被设计用于将表面点的坐标从第二测量平台的与传感器装置一起移动的坐标系变换到第一测量平台的跟随轨道路线的坐标系中。结果，由传感器装置记录的表面点与轨道路线相关。因此，可以立即对所记录的对象相对于轨道路线的位置进行说明。
在进一步的改进中，在钢轨车辆上布置有评估装置，该评估装置被设计用于将表面点的在第一测量平台的坐标系中的坐标与轨道区段的预定限界轮廓进行比较。
根据本发明的一个有利的实施例，第一测量平台布置在轨上行走机构中的一个轨上行走机构上。这允许借助于第一惯性测量系统简单地记录轨道路线。
在此，有利地，第一测量平台具有测量框架，该测量框架布置在轨上行走机构的轮轴上，第一惯性测量系统布置在该测量框架上。因此，第一惯性测量系统在三维空间中的运动仍然不受轨上行走机构的弹性相对运动的影响。可以直接记录轨道的纵向倾斜度。
为了补偿轨上行走机构的横向运动或摆动运动的影响，有利地，在测量框架上布置至少两个位置测量装置，所述位置测量装置用于确定测量框架相对于轨道的钢轨的位置。由此，可以连续记录测量框架相对于钢轨的精确位置，并在借助于第一惯性测量系统确定轨道路线时，将所记录的位置纳入考虑之中。
在本发明的有利的实施例中，第二测量平台布置在钢轨车辆的前侧处。以这种方式，仅利用几个传感器就可以对钢轨车辆的广阔周围区域进行记录。
另外，有利地，传感器装置包括激光扫描仪，所述激光扫描仪用于将表面点记录为点云。借助于这种传感器，能够实现以高分辨率对轨道表面及其周围环境的精确记录。在此，冗余或辅助式旋转扫描仪和行扫描仪可以提高测量数据的精度和质量。
第二方面提供了一种根据本发明的用于借助于上述钢轨车辆测量轨道区段的方法，在该方法中，借助于第一惯性测量系统记录轨道路线，所述轨道路线特别是作为第一测量平台的坐标系的运动路线；借助于第二惯性测量系统记录传感器装置的运动路线，所述运动路线特别是作为第二测量平台的坐标系的运动路线；以及借助于传感器装置记录轨道区段的表面点。
在该方法的进一步改进中，将表面点的坐标从第二测量平台的与传感器装置一起移动的坐标系变换到第一测量平台的跟随轨道路线的坐标系中。这可以借助于钢轨车辆上携带的计算机在线进行，也可以在远程系统中心离线进行。
在一个有利的附加方法步骤中，将表面点的在第一测量平台的坐标系中的坐标与轨道区段的限界轮廓进行比较。以这种方式，可以自动识别与限界轮廓不符的情况。
在此，有利地，在输出装置中显示表面点的限界轮廓越界(Lichtraumprofilverletzungen)。这可以直接在钢轨车辆中进行，也可以在系统中心进行，以防发生危险情况。
附图说明
下面将结合附图以示例的方式对本发明进行描述。在附图中示意地示出了：
图1示出了位于轨道上的钢轨车辆；
图2示出了坐标变换；
图3示出了在进入弯道时的记录情况；并且
图4示出了在坐标变换的情况下根据图3的记录情况。
具体实施方式
为了清楚地说明本发明，图1以极度夸大的方式示出了轨道1的翘曲。钢轨车辆2在测量方向3上沿着轨道1移动。第一测量平台5布置在前轨上行走机构4上。有利地，该第一测量平台5包括测量框架6，该测量框架6紧固到被设计成转向架的轨上行走机构4的轮轴上。另外，对于轨道1的每个钢轨7，可以在第一测量平台5上安装两个位置测量装置8，以便记录第一测量平台5相对于钢轨7的相对运动。相应的位置测量装置8例如包括指向钢轨7的激光器和用于记录激光投影的相机。
在第一测量平台5上设置有第一惯性测量系统9，该第一惯性测量系统9记录相对于惯性参考系xi、yi、zi的第一空间曲线10。该第一空间曲线10以已知的距离平行于轨道轴线11延伸，该轨道轴线11在两个钢轨7的内边缘之间对称地延伸。因此，确定了相对轨道路线。第一测量平台5的坐标系xg、yg、zg沿着该第一空间曲线10移动。可选地，借助于位置测量装置8记录轨道1的每个钢轨7的空间曲线。
在钢轨车辆2的前侧13布置有第二测量平台14，该第二测量平台14刚性地连接到车架12上。用于记录第二空间曲线16的第二惯性测量系统15紧固到该第二测量平台14上。第二测量平台14的坐标系xs、ys、zs也沿着第二空间曲线16移动。
在每个惯性测量系统9、15中，三个加速度计和三个转速传感器分别以正交的方式组装。借助于位置整合，根据相应的惯性测量系统9、15测得的转速来确定相对于惯性参考系xi、yi、zi的相对位置，该惯性测量系统9、15位于相关联的随动坐标系(mitbewegtenKoordinatensystem)xg、yg、zg或xs、ys、zs中。
第二测量平台14用作传感器装置17的载架，该传感器装置17被设计用于记录待检查的轨道区段18的表面点P。在此，各个对象(诸如，例如轨道平台19、柱杆20、信号装置21和接触网22)沿着轨道区段18靠近轨道1放置。首先，通过记录表面点P，可以确定这些对象19-22相对于第二测量平台14的坐标系xs、ys、zs的位置。
传感器装置17包括多台激光扫描仪，例如两台2D旋转扫描仪23和两台2D风扇扫描仪24。因此，在已知钢轨车辆2的行驶速度的情况下，可以获得三维点云形状的测量结果。可以通过调整扫描仪23、24的扫描速率以及行驶速度来改变扫描仪23、24的分辨率。参照第二测量平台14的坐标系xs、ys、zs，将该点云的各个表面点P的坐标存储在计算机25中。
另外，计算机25被设置成将表面点P的坐标从第二测量平台14的与传感器装置17一起移动的坐标系xs、ys、zs变换到第一测量平台5的跟随轨道路线的坐标系xg、yg、zg中。在此，将两个惯性测量系统9、15之间的距离A和已知的行驶速度考虑在内，以便使两个惯性测量系统9、15的测量值同步。
坐标变换如图2所示。第二测量平台14的坐标系xs、ys、zs被转换成第一测量平台5的坐标系xg、yg、zg，其中惯性参考系xi、yi、zi作为共同的基础。
参照图3和图4，进一步说明了示例性表面点P的过程。图3示出了钢轨车辆2的俯视图，钢轨车辆2位于轨道区段18的弯道入口中。在向前行驶期间，2D旋转扫描仪23以螺旋运动的方式扫描轨道1和位于轨道1旁侧的对象19-22。在该过程中记录的表面点P对应于轨道周围环境的轮廓。该点云由表面点P补充，这些表面点借助于2D风扇扫描仪24进行记录。在此，将2D风扇扫描仪24对准2D旋转扫描仪23的视线受阻的区域。
在穿过弯道行驶期间，两个惯性测量系统9、15记录不同的空间曲线10、16。特别是，位于前轨上行走机构4前方的车辆部分的摆出(Ausschwenken)会引起重大偏差。在图4中，从上方看，两个空间曲线10、16彼此重叠，其中借助于已知的距离A和行驶速度，使两个随动坐标系xg、yg、zg或xs、ys、zs的原点0g、0s同步。
对于每个所记录的表面点P，可以将第二测量平台14的坐标系xs、ys、zs中的坐标变换为第一测量平台5的坐标系xg、yg、zg中的坐标/>相应表面点P的变换后的坐标/>表示相对于轨道路线或轨道轴线11的位置。
坐标变换的结果尤其用于限界控制(Lichtraumkontrolle)。在此，借助于评估装置，相对于轨道轴线11对轨道周围环境的轮廓数据进行评估。在相应的控制位置上，考虑那些在第一测量平台5的共同移动的坐标系xg、yg、zg中的x坐标(在轨道的纵向方向上)等于零的表面点P。将这些表面点P的y坐标和z坐标与待观察的限界轮廓(Lichtraumprofils)的极限值进行比较。在此期间，将第一测量平台5的坐标系xg、yg、zg的零点0g移动到轨道轴线11中是有用的，因为标准化的限界轮廓信息(Lichtraumprofileangaben)也与钢轨轴线11相关。
如果表面点P处于预定的限界轮廓内，则表示存在限界轮廓越界。相应的y坐标或z坐标则小于预定的限界轮廓极限值。为了避免任何碰撞危险，在控制中心显示限界轮廓越界。而且，在钢轨车辆2的输出装置26中进行即时显示是有用的。在此，有利地，计算机25被设计成用于将表面点P的坐标与限界轮廓极限值进行在线比较的评估装置。
特别是，在限界轮廓越界期间，产生的输出数据会将违反限界轮廓的对象19-22的位置数据链接到受控轨道区段18的公里标记(Kilometrierung)上。通过这种方式，可以具体地定位轨道网络中的任何故障点，以便采取合适的对策。在此，在钢轨车辆2上布置有路径测量装置27或GNSS接收器。另外，在钢轨车辆2上布置的固定点测量装置有助于确定相对于位于轨道1旁边的固定点的绝对位置。
本发明的另一个优点在于，还借助于传感器装置17来记录钢轨内边缘的表面点P。因此，通过上述坐标变换，可以确定轨道路线。这可以例如在测量运行之后离线进行，以便检查借助于第一测量平台5记录的轨道路线的精度。因此，本发明包括用于确定轨道路线的冗余系统。

Claims (11)

1.一种钢轨车辆(2)，所述钢轨车辆具有车架(12)，所述车架(12)支撑在轨上行走机构(4)上并且能够在轨道(1)的钢轨(7)上移动，所述钢轨车辆(2)包括第一测量平台(5)，所述第一测量平台(5)具有用于记录轨道路线的第一惯性测量系统(9)，其特征在于，在所述钢轨车辆(2)上布置有第二测量平台(14)，所述第二测量平台(14)包括第二惯性测量系统(15)和至少一个用于记录轨道区段(18)的表面点(P)的传感器装置(17)，其中所述表面点(P)被记录为所述轨道区段(18)的轨道周围环境中存在的对象的点云，
其中，在所述钢轨车辆(2)上布置有计算机(25)，所述惯性测量系统(9，15)和所述传感器装置(17)的测量数据被提供到所述计算机(25)，并且所述计算机(25)被设计用于将所述表面点(P)的坐标从所述第二测量平台(14)的与所述传感器装置(17)一起移动的坐标系(xs，ys，zs)变换到所述第一测量平台(5)的跟随所述轨道路线的坐标系(xg，yg，zg)中。
2.根据权利要求1所述的钢轨车辆(2)，其特征在于，在所述钢轨车辆(2)上布置有评估装置，所述评估装置被设计用于将所述表面点(P)的在所述第一测量平台(5)的所述坐标系(xg，yg，zg)中的坐标与所述轨道区段(18)的预定限界轮廓进行比较。
3.根据权利要求1或2所述的钢轨车辆(2)，其特征在于，所述第一测量平台(5)布置在所述轨上行走机构(4)的其中一个轨上行走机构上。
4.根据权利要求3所述的钢轨车辆(2)，其特征在于，所述第一测量平台(5)具有测量框架(6)，所述测量框架(6)布置在所述轨上行走机构(4)的轮轴上，所述第一惯性测量系统(9)布置在所述测量框架上。
5.根据权利要求4所述的钢轨车辆(2)，其特征在于，在所述测量框架(6)上布置有至少两个位置测量装置(8)，所述位置测量装置(8)用于确定所述测量框架(6)相对于所述轨道(1)的所述钢轨(7)的位置。
6.根据权利要求1或2所述的钢轨车辆(2)，其特征在于，所述第二测量平台(14)布置在所述钢轨车辆(2)的前侧(13)处。
7.根据权利要求1或2所述的钢轨车辆(2)，其特征在于，所述传感器装置(17)包括激光扫描仪(23，24)，所述激光扫描仪用于将所述表面点(P)记录为点云。
8.一种用于借助于根据权利要求1至7中任一项所述的钢轨车辆(2)测量轨道区段(18)的方法，其特征在于，借助于所述第一惯性测量系统(9)记录所述轨道路线，所述轨道路线作为所述第一测量平台(5)的坐标系(xg，yg，zg)的运动路线；借助于所述第二惯性测量系统(15)记录所述传感器装置(17)的运动路线，所述运动路线作为所述第二测量平台(14)的坐标系(xs，ys，zs)的运动路线；以及借助于所述传感器装置(17)记录所述轨道区段(18)的所述表面点(P)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将所述表面点(P)的坐标从所述第二测量平台(14)的与所述传感器装置(17)一起移动的坐标系(xs，ys，zs)变换到所述第一测量平台(5)的跟随所述轨道路线的坐标系(xg，yg，zg)中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将所述表面点(P)的在所述第一测量平台(5)的所述坐标系(xg，yg，zg)中的坐标与所述轨道区段(18)的限界轮廓进行比较。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在输出装置(26)中显示表面点(P)的限界轮廓越界。
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