CN111795684B - 低速轨道检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁路轨道检测领域，提供一种低速轨道检测安装装置与方法，包括轨检车体，轨检车体为箱式结构，包括左侧车体和右侧车体，所述左侧车体为梯形箱式结构或三角形箱式结构，所述右侧车体为长方形箱式结构；所述轨检车体上设有加强筋。本发明提出了一种低速轨道检测安装装置，明显提高了铁路轨道的检测精度。

Description

低速轨道检测方法

技术领域

本发明涉及铁路轨道检测领域，具体涉及一种低速轨道检测安装装置与方法。

背景技术

本世纪以来，国家加大了轨道交通设施的建设，高铁、动车、普铁和地铁等各种轨道里程快速发展，列车运输任务的繁重也达到前所未有的程度。轨道是列车运行的基础，轨道几何参数指标(轨距、水平、轨向、高低、横向偏差和垂向偏差等)的优劣程度与列车运行时的安全性密切相关。

随着轨道交通列车的运行速度、行车密度和载重的不断增加，轨道性能经受着巨大考验，轨道的养护工作难度也在不断增加，轨道(几何参数)检测系统作为保障轨道安全的重要手段得到了高度重视。各类轨道的建设和养护过程中都需要全面检测轨道几何参数，目前国内外的各种轨道交通里程都在快速增加，对轨道检测系统的需求也随之快速增加。

目前，从检测载体和速度方面可将轨道检测系统分为两类：

(1)低速轨道检测系统：主要载体为不带动力的检测小车(轨检仪)，通常为T形结构，检测作业时需要人工推行或其他带动力车辆推行，最高检测速度通常小于60公里/小时；

(2)高速轨道检测系统：主要载体为带动力的各种运营车(高铁、动车、普铁、城际、地铁等)和作业车(捣固车、打磨车、巡检车等)，在列车行驶过程中进行轨道检测，最高检测速度通常大于60公里/小时。

目前主要有以下三类低速轨道检测车：低速光学铁路轨道检测车、低速陀螺铁路轨道检测车和低速惯导铁路轨道检测车。

现有的低速惯导铁路轨道检测车主要由惯性导航系统、全站仪、电池、显示控制电脑和轨检车体等构成，其中轨检车体的主要结构如图1-3所示，通常采用梁式结构的方案，通过多个梁拼装成轨检车体。该轨检车体具有加工方便、成本低和重量轻等优点，轨检车体包括T形梁1、3个行走轮2、3个限位轮、预紧装置和手推杆，每个行走轮2附近有一个限位轮。如图2所示，左侧有两个行走轮2，右侧有一个行走轮2，位于右侧的行走轮2和一个限位轮固定在一起，可以一起相对于T形梁1左右移动，通过预紧装置使左侧两个行走轮2和右侧一个行走轮2附近的限位轮(共3个限位轮)都紧靠钢轨内侧面，利用系统重力使每个行走轮2紧贴钢轨顶面，轨道的水平、高低和轨向变化能通过轨检车体传递到惯性导航系统。

现有的低速惯导铁路轨道检测车的整体安装的方案主要为：如图4所示，全站仪3位于轨检车体中间，放在轨道上时全站仪3位于轨道中线附近，采用专用的安装立柱将全站仪3安装在轨检车体上方；惯性导航系统安装在轨检车体的左侧(双轮侧)或右侧(单轮侧)，电池则安装在全站仪3的安装立柱中或该立柱附近的轨检车体中；轨检车体上方安装一个手推杆，用于安装显示控制电脑和车体的行进，现有的安装方案通常没有对手推杆的安装位置进行明确规定。

现有的低速惯导铁路轨道检测车主要优点为全站仪安装误差补偿难度低，但是仍存在以下缺点：

(1)行进时系统绕竖直方向的转动惯量较大，导致轨道轨向参数变化难以准确传递到惯性导航系统，因此降低了轨向参数的测量精度和带宽，其中，带宽指的是仪器可测量的信号频率范围。

(2)轨检车体主要采用低速光学铁路轨道检测车类似的梁式车体结构，没有针对低速惯导铁路轨道检测车的动态和力学特性进行优化，在温度和受力状态变化条件下的变形相对较大，因此降低了轨道检测精度。

(3)全站仪和惯性导航系统之间的距离较大，温度和受力变化条件下的变形相对较大，因此降低了轨道检测精度。

(4)没有明确限定手推杆的安装位置，当手推杆安装位置偏离系统整体重心时会导致干扰力矩和姿态误差，因此降低了轨道检测精度。

(5)现有低速惯导铁路轨道检测车通常采用单里程计方案，即在三个行走轮中的一个行走轮上安装了编码器作为里程计。该方案难以克服单里程计失效问题，由此降低了轨道检测可靠性和测量精度。

(6)在不同环境温度或温度变化条件下，轨检车体不可避免会发生变形，现有的低速惯导铁路轨道检测车通常对没有对该变形进行高精度补偿，由此会降低轨道检测精度。

因此，亟需发明一种能够提升轨道检测精度的低速轨道检测安装装置。

发明内容

针对现有技术存在的多个问题，本发明提供一种低速轨道检测安装装置及检测方法，能够明显提升轨道检测精度。

根据本发明的一个方面，提供一种低速轨道检测安装装置，包括：轨检车体，所述轨检车体为箱式结构，包括左侧车体和右侧车体，所述左侧车体为梯形箱式结构或三角形箱式结构，所述右侧车体为长方形箱式结构；所述轨检车体上设有加强筋。

根据本发明的二个方面，提供一种低速轨道检测安装装置，包括：轨检车体、惯性导航系统和全站仪，所述轨检车体为箱式结构，包括左侧车体和右侧车体，所述左侧车体为梯形箱式结构或三角形箱式结构，所述右侧车体为长方形箱式结构；所述轨检车体上设有加强筋；所述惯性导航系统设置在所述左侧车体的顶部；

所述全站仪设置在惯性导航系统顶部并与所述惯性导航系统通过电气接口连接。

将全站仪直接安装在惯导系统顶部，能明显减小在温度和受力状态变化条件下惯导系统和全站仪之间的相对变形，从而提高轨道检测精度。

根据本发明一示例实施方式，所述惯性导航系统和全站仪邻近所述左侧车体的梯形下底或三角形邻近钢轨的边一侧的边沿位置。

根据本发明一示例实施方式，所述低速轨道检测安装装置还包括电池，所述电池设置在惯性导航系统下方的轨检车体的箱体内。

通过惯性导航系统、全站仪和电池的位置的设置，明显减小了整个系统绕方位轴的转动惯量，在相同的预紧力条件下能明显提高系统的轨向参数测量精度和带宽。

根据本发明一示例实施方式，所述低速轨道检测安装装置还包括多个里程计，每个里程计设置在装载低速轨道检测安装装置的检测车的一个车轮上，所述里程计与所述惯性导航系统通过电气接口连接，将多个里程计数据和惯性导航系统的数据深度融合。

根据本发明一示例实施方式，所述低速轨道检测安装装置还包括显示控制装置，所述显示控制装置设置在轨检车体的顶部并与所述惯性导航系统通过电气接口连接，至少用于系统的显示和控制。

根据本发明一示例实施方式，所述低速轨道检测安装装置还包括手推杆，所述手推杆设置在所述轨检车体的顶部，并位于低速轨道检测安装装置的重心处或邻近重心处。

根据本发明一示例实施方式，所述左侧车体和所述右侧车体均由多个板式零件拼装而成或采用整体加工的方式。

根据本发明一示例实施方式，所述低速轨道检测安装装置还包括设置在轨检车体箱体内部的轨距传感器，轨距传感器与惯性导航系统通过电气接口连接，用于测量轨距。

根据本发明一示例实施方式，所述低速轨道检测安装装置还包括多个行走轮，多个行走轮安装在所述轨检车体的两侧，使轨检车体在铁路轨道上行走。

根据本发明一示例实施方式，所述低速轨道检测安装装置还包括多个设置在轨检车体底部的限位轮，每个限位轮对应一个行走轮。

根据本发明一示例实施方式，所述低速轨道检测安装装置还包括设置在轨检车体箱体内部的预紧装置，用于使行走时行走轮附近的限位轮都紧靠钢轨内侧面。

根据本发明一示例实施方式，惯性导航系统包括陀螺、加速度计、惯性器件电路、导航计算机、温度传感器和通用接口电路；其中，

陀螺用于测量角速度数据；

加速度计用于测量加速度数据；

惯性器件电路用于采集陀螺和加速度计测量数据；

导航计算机至少用于完成惯性导航解算、温度数据解算、全站仪解算、多种测量模型和误差补偿模型解算；

温度传感器用于测量温度数据；

通用接口电路至少用于连接全站仪、温度传感器和显示控制装置。

通过温度传感器测量温度数据并进行解算，有效补偿不同温度环境或环境温度变化下轨检车体变形，提高轨道检测精度。

根据本发明一示例实施方式，所述导航计算机还用于完成里程计解算。

根据本发明的第三方面，提供一种低速轨道检测的方法，包括以下步骤：

A：采用所述低速轨道检测安装装置，对全站仪进行误差补偿；

B：采集惯性导航系统的数据和全站仪数据；

C：将采集到的数据进行解算，得到轨道的几何状态结果。

根据本发明一示例实施方式，所述步骤A中，对全站仪进行误差补偿包括：

A1：建立车体的三维坐标系；

A2：通过系统标定方法确定全站仪中心在轨检车体坐标系中的三维坐标

和惯性导航系统载体坐标系与轨检车体坐标系之间的姿态变换矩阵/>

A3：完成惯性导航系统的初始对准后，实时测量惯性导航系统载体坐标系与地理坐标系之间的姿态变换矩阵

A4：利用全站仪测量轨道旁边的多个预定的测量标志点，确定全站仪中心在地理坐标系中的三维坐标

A5：通过步骤A2-A4的数据计算得到轨道中线坐标

根据本发明一示例实施方式，所述三维坐标系包括OX轴、OY轴和OZ轴，OX轴朝轨检车体行进方向的正右方并在两个轨道顶面所在的平面内，OY轴朝轨检车体前进的方向并与轨道中线重合，OZ轴为竖直方向。

根据本发明一示例实施方式，步骤A5中，计算轨道中线坐标

的公式为：

根据本发明一示例实施方式，步骤A2中，系统标定方法包括直角坐标法和极坐标法。

根据本发明一示例实施方式，步骤A4中，所述预定的测量标志点为CP3点，CP3点为轨道线路两侧每隔60米左右所布置的测量标志点。

根据本发明一示例实施方式，所述步骤B中还包括采集里程计的数据。

根据本发明一示例实施方式，所述惯性导航系统的数据包括陀螺、加速度计和温度传感器的数据。

根据本发明一示例实施方式，所述步骤C中，进行解算时，还对轨检车体的温度进行补偿。采用高精度温度补偿方法，有效补偿不同环境温度或环境温度变化条件下的轨检车体变形，提高轨道检测精度。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种用于低速轨道检测安装装置的整体优化方案，明显提高了铁路轨道的检测精度，具体通过以下几个方面进行阐述：

(1)本发明提出了一种转动惯量优化方案，轨检车体的力学特性和惯性导航系统、全站仪、电池等部分的安装布局方式直接影响动态传递特性，将全站仪和惯性导航系统都安装在轨检车体的双轮侧并且尽量靠近边沿位置，将电池安装在惯性导航系统下方的轨检车体内，明显减小了系统绕竖直方向的转动惯量，在相同预紧力条件下能明显提高系统的轨向参数测量精度和带宽。

(2)本发明提出了一种新型的全站仪安装方案，将全站仪直接安装在惯性导航系统顶部，明显降低了温度和受力变化时的相对变形，提升测量精度。

(3)本发明提出了一种重心优化的手推杆安装方法，将手推杆安装在系统整体(包括轨检车体、惯性导航系统、全站仪、电池和显示控制电脑)的重心或重心附近的上方，能够有效避免行进过程中的干扰力矩和姿态误差。

(4)本发明提出了一种箱式结构的轨检车体方案，轨检车体采用箱式结构，与普通的梁式轨检车体相比，箱式结构是针对低速惯性导航系统铁路轨道检测车的动态和力学特性进行的整体优化，在相同的重量条件下，通过调整每个零件的尺寸参数和加强筋参数可以明显提高结构强度和动态特性(包括谐振频率和温度稳定性)。

(5)本发明提出了一种全站仪安装误差补偿方法，全站仪与轨检车体中心距离相对较远，由此增加了全站仪的安装误差补偿难度，因此本发明提出了全站仪安装误差补偿的方法，利用惯性导航系统测量的姿态数据和全站仪相对于车体中心位置对全站仪安装误差进行高精度补偿，能够提升测量精度。

(6)本发明提出了一种多里程计深度融合方案，将多个里程计数据和惯性导航数据融合，有效解决单里程计问题，并且明显提高里程测量精度和可靠性。

(7)本发明提出一种用于轨检车体的高精度温度补偿方法，有效补偿不同环境温度或环境温度变化条件下的轨检车体变形，从而提高轨道检测精度。

附图说明

图1是现有技术中轨检车体的立体图。

图2是现有技术中轨检车体的主视图。

图3是现有技术中轨检车体的左视图。

图4是现有技术中全站仪和轨检车体的位置关系图。

图5是低速轨道检测安装装置的俯视图。

图6是全站仪、惯性导航系统、电池和轨检车体的位置关系图。

图7是左侧车体的立体图。

图8是左侧车体的俯视图。

图9是右侧车体的立体图。

图10是轨检车体坐标系的示意图。

其中，1—T形梁，2—行走轮，3—全站仪，4—轨检车体，5—惯性导航系统装置，6—全站仪，7—电池，8—手推杆，9—行走轮。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。

根据本发明的第一种实施方式，提供一种低速轨道检测安装装置，如图5-6所示，包括：惯性导航系统5、全站仪6、轨检车体4、显示控制装置(图中未示出)、手推杆8、电池7、3个行走轮9、3个里程计(图中未示出)、轨距传感器(图中未示出)、预紧装置(图中未示出)和3个限位轮(图中未示出)。

如图5、7-9所示，轨检车体4为箱式结构，包括左侧车体和右侧车体，左侧车体为梯形箱式结构，右侧车体为长方形箱式结构，左侧车体的上底与右侧车体的一端连接。左侧车体和右侧车体均由多个板式零件拼装而成，并采用加强筋加固。与普通的梁式轨检车体相比，箱式结构在相同的重量条件下，通过调整每个零件的尺寸参数和加强筋参数，可以明显提高结构强度、谐振频率和温度稳定性。

如图5所示，3个行走轮9分别设置在轨检车体4的两侧，其中1个行走轮9设置在右侧车体的一端，其余2个行走轮9设置在左侧车体的一侧并分别设置在梯形的下底的两端。每个里程计安装在一个行走轮上9并与惯性导航系统5通过电气接口连接。每个行走轮9附近有一个限位轮，限位轮设置在轨检车体4的底部。轨距传感器和预紧装置设置在轨检车体4的箱体内，轨距传感器与惯性导航系统5通过电气接口连接，用于测量轨距；预紧装置用于使行走时行走轮9附近的限位轮都紧靠钢轨内侧面。如图5-6所示，惯性导航系统5设置在左侧车体邻近梯形下底靠近边沿的位置的中部，全站仪6设置在惯性导航系统5顶部，电池7设置在惯性导航系统5下方的梯形箱式结构的内部，明显降低了低速轨道检测安装装置绕竖直方向的转动惯量，提高了轨向参数的测量精度和带宽。显示控制装置至少用于系统的显示和控制，设置在轨检车体4的顶部。手推杆8设置在整个低速轨道检测安装装置的重心上方，有效避免行进过程中的干扰力矩和姿态误差。

惯性导航系统5包括陀螺、加速度计、惯性器件电路、导航计算机、温度传感器和通用接口电路；其中，

陀螺用于测量角速度数据；

加速度计用于测量加速度数据；

惯性器件电路用于采集陀螺和加速度计测量数据；

导航计算机至少用于完成惯性导航解算、温度数据解算、全站仪解算、里程计解算、多种测量模型和误差补偿模型解算；

温度传感器用于测量温度数据；

通用接口电路至少用于连接全站仪6、温度传感器和显示控制装置。

通过温度传感器测量温度数据并进行解算，有效补偿不同温度环境或环境温度变化下轨检车体变形，提高轨道检测精度。采用多个里程计和惯性导航系统进行深度融合，进一步提升轨道检测精度。

采用低速轨道检测安装装置进行轨道检测，包括以下步骤：

A：采用全站仪安装误差补偿的方法补偿全站仪5的安装误差；

B：采集惯性导航系统5的数据、全站仪数据和里程计数据，惯性导航系统5的数据包括陀螺数据、加速度计数据和温度传感器数据；

C：将采集到的数据进行解算，解算时进行高精度温度补偿，得到轨道的几何状态结果。本发明将全站仪6设置在轨检车体4的左侧车体的上方，而不是在轨检车体的中间，全站仪与轨检车体中心距离相对较远，由此增加了全站仪安装误差补偿难度。因此在采集数据前，需要先利用惯性导航系统测量的姿态数据和全站仪相对于轨检车体中心位置对全站仪的安装误差进行高精度补偿。

步骤A中，全站仪安装误差补偿的方法具体如下：

A1：如图10所示，建立轨检车体4的三维坐标系，OX轴朝车体行进方向的正右方并在两个轨道顶面所在的平面内，OY轴朝轨检车体4前进的方向并与轨道中线重合，OZ轴为竖直方向；

A2：通过系统标定方法确定全站仪6中心在轨检车体4坐标系中的三维坐标

和惯性导航系统5载体坐标系与轨检车体4坐标系之间的姿态变换矩阵/>

系统标定方法包括直角坐标法和极坐标法；

A3：完成惯性导航系统5的初始对准后，实时测量惯性导航系统5载体坐标系与地理坐标系之间的姿态变换矩阵

A4：利用全站仪6测量轨道旁边的多个CP3点，确定全站仪6中心在地理坐标系中的三维坐标/>

CP3点为轨道线路两侧每隔60米左右所布置的测量标志点；

A5：通过步骤A2-A4的数据，采用计算轨道中线坐标

的公式，得到轨道中线坐标/>

轨道中线坐标/>

的公式为：

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种低速轨道检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：采用低速轨道检测安装装置，对全站仪进行误差补偿；所述低速轨道检测安装装置包括轨检车体、惯性导航系统和全站仪，所述轨检车体为箱式结构，包括左侧车体和右侧车体，所述左侧车体为梯形箱式结构或三角形箱式结构，所述右侧车体为长方形箱式结构；所述轨检车体上设有加强筋；所述惯性导航系统设置在所述左侧车体的顶部；所述全站仪设置在惯性导航系统顶部并与所述惯性导航系统通过电气接口连接；

B：采集惯性导航系统的数据和全站仪数据；

C：将采集到的数据进行解算，得到轨道的几何状态结果；

所述步骤A中，对全站仪进行误差补偿包括：

A1：建立车体的三维坐标系；

A2：通过系统标定方法确定全站仪中心在轨检车体坐标系中的三维坐标

和惯性导航系统载体坐标系与轨检车体坐标系之间的姿态变换矩阵/>

A3：完成惯性导航系统的初始对准后，实时测量惯性导航系统载体坐标系与地理坐标系之间的姿态变换矩阵

A4：利用全站仪测量轨道旁边的多个预定的测量标志点，确定全站仪中心在地理坐标系中的三维坐标

A5：通过步骤A2-A4的数据计算得到轨道中线坐标

步骤A5中计算轨道中线坐标/>

的公式为：

2.根据权利要求1所述的低速轨道检测方法，其特征在于，所述惯性导航系统和所述全站仪邻近所述左侧车体的梯形或三角形邻近钢轨的边一侧的边沿位置。

3.根据权利要求2所述的低速轨道检测方法，其特征在于，还包括电池，所述电池设置在惯性导航系统下方的轨检车体的箱体内。

4.根据权利要求1所述的低速轨道检测方法，其特征在于，还包括多个里程计，每个里程计设置在装载低速轨道检测安装装置的检测车的一个车轮上，所述里程计与所述惯性导航系统通过电气接口连接，将多个里程计数据和惯性导航系统的数据深度融合。

5.根据权利要求1所述的低速轨道检测方法，其特征在于，还包括手推杆，所述手推杆设置在所述轨检车体的顶部，并位于低速轨道检测安装装置的重心处或邻近重心处。

6.根据权利要求1所述的低速轨道检测方法，其特征在于，所述步骤C中，进行解算时，

还对轨检车体的温度进行补偿。

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