CN112240752A - 随车检验轨道车辆动态包络线的测试装置和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种随车检验轨道车辆动态包络线的测试装置和测试方法，测试装置包括：4台2D激光传感器，被平均分成两组并分别设置在轨道车辆的车体前后两端的底部用以提取两侧钢轨的轨道特征点并由此确定基准坐标系；惯性组包，安装在轨道车辆的车体底板上用以测量车体姿态；第二加速度传感器，设置在测轨道车辆的转向架上用以获取转向架的轨向数据；同步触发器，其与4台2D激光传感器、惯性组包和第二加速度传感器通讯连接用以使它们同步；和处理器，处理器经由总线与所述同步触发器通讯连接，处理器安装有用于计算轨道车辆动态包络线的程序。

Description

随车检验轨道车辆动态包络线的测试装置和测试方法

技术领域

本发明涉及一种随车检验轨道车辆动态包络线的测试装置和测试方法。

背景技术

轨道车辆运行的可靠性和稳定性是衡量轨道车辆质量的重要标志之一，动态限界试验是校核及验证轨道车辆在规定站台或设备限界内安全可靠运行的测试手段。几乎所有的轨道车辆产品运营前，均需按要求或规定进行动态限界测试。

但是现阶段国内并未有测试手段较为精确地测试车辆的动态偏移，无法在直线或曲线线路上准确换算出车辆的动态偏移。

发明内容

因此，本发明的目的是针对现有技术中存在的缺陷，提供一种随车检验轨道车辆动态包络线的测试装置和测试方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一方面，本发明提供了一种随车检验轨道车辆动态包络线的测试装置，其中，所述测试装置包括：

4台2D激光传感器，所述4台2D激光传感器被平均分成两组并分别设置在轨道车辆的车体前后两端的底部用以提取两侧钢轨的轨道特征点并由此确定基准坐标系；

惯性组包，所述惯性组包安装在轨道车辆的车体底板上用以测量车体姿态，所述惯性组包包括陀螺仪、倾角传感器和第一加速度传感器，所述陀螺仪、所述倾角传感器和所述第一加速度传感器位于同一测量截面上；

第二加速度传感器，所述第二加速度传感器设置在测轨道车辆的转向架上用以获取转向架的轨向数据；

同步触发器，所述同步触发器与所述4台2D激光传感器、所述惯性组包和所述第二加速度传感器通讯连接用以使它们同步；和

处理器，所述处理器经由总线与所述同步触发器通讯连接，所述处理器安装有用于计算轨道车辆动态包络线的程序。

优选地，所述测试装置还包括里程信号处理装置，所述里程信号处理装置经由总线与所述处理器通讯连通。

优选地，所述测试装置还包括模拟信号采集器，所述同步触发器与所述模拟信号采集器通讯连接，所述模拟信号采集器与所述惯性组包和所述第二加速度传感器通讯连接。

优选地，所述模拟信号采集器设有前置滤波器。

优选地，所述测试装置还包括轨道车辆部件相对位移检测单元，所述轨道车辆部件相对位移检测单元包括车体相对转向架的姿态检测装置。

优选地，所述测试装置还包括用于供电的电源，所述电源优选为UPS电源。

优选地，每组2D激光传感器经由检测梁吊装到所述车体靠近转向架的端部并且该组中的2台2D激光传感器分别布置在所述检测梁的两侧用以扫描两侧钢轨。

另一方面，本发明还提供了一种随车检验轨道车辆动态包络线的测试方法，所述测试方法是通过所述测试装置进行的，其中，所述测试方法包括以下步骤：

(1)由同步触发器触发4台2D激光传感器、惯性组包和第二加速度传感器使它们同步；

(2)通过所述4台2D激光传感器提取两侧钢轨的轨道特征点数据并由此确定基准坐标系；

(3)通过所述惯性组包检测轨道车辆的车体姿态，得到车体在测量截面相对于所述基准坐标系的车体姿态数据；

(4)通过所述第二加速度传感器获取测轨道车辆的转向架的轨向数据；和

(5)基于步骤(3)中测得的车体姿态数据和步骤(4)中测得的轨向数据，结合所述车体的静态轮廓，计算得到轨道车辆动态包络线。

优选地，所述步骤(2)中所述基准坐标系为垂直于轨道中心线的二维平面直角坐标系，原点为轨距中心点，X轴与轨面平行，Y轴垂直于轨面。

优选地，所述步骤(2)中，通过所述2D激光传感器提取的轨道特征点数据基于所述2D激光传感器的图像坐标系，通过对所述轨道特征点数据进行空间变换与换算确定所述基准坐标系。

优选地，所述步骤(3)包括以下步骤：

(3a)通过所述惯性组包得到轨道车辆的车体在测量截面相对于车体坐标系的车体姿态数据；和

(3b)基于所述步骤(2)中图像坐标系和基准坐标系的空间变换与换算并结合测量截面与基准坐标系的相对位置，将所述车体在测量截面相对于车体坐标系的车体姿态数据变换成所述车体在测量截面相对于基准坐标系的车体姿态数据。

优选地，所述测试方法还包括以下步骤：(6)通过轨道车辆部件相对位移检测单元测量得到所述车体相对转向架的相对姿态，并将其作为参考量来修正所述2D激光传感器测得的轨道特征点数据。

本发明具有以下优势：

(1)本发明通过4台2D激光传感器提取轨道特征点并由此确定基准坐标系，以此为基准截面，结合惯性组包(如陀螺仪、倾角传感器和和第一加速度传感器)测得的车体姿态数据和第二加速度传感器测得的轨向数据，通过融合、计算得到车体在基准截面的动态位姿，进一步结合车体的静态轮廓，得到所有截面的姿态数据，即可得到轨道车辆动态包络线。

(2)本发明的测试装置结构简单，安装容易，操作方便。并且由于各组成部件是模块化设备并具有高的精度，横向偏移测量范围为-300～300mm，精度为<±5mm，可以高效、准确地测试轨道车辆在线路上的实际动态偏移。

(3)本发明的测试装置和测试方法能够通过与轨道中心定位，测试车体的横移、垂向、点头、摇头和侧滚的空间坐标状态，并由此推导出轨道车辆在线路运行时(包括直线和曲线)的动态包络线，适用性广。

附图说明

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

图1是本发明的测试装置的一种实施方案的示意图；

图2是本发明的测试装置的另一种实施方案的示意图；

图3是本发明的测试装置的一种实施方案的安装示意图；

图4是2D激光传感器的安装结构示意图；

图5是轨道特征点的提取示意图；

图6是车体的运动示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1-2D激光传感器，2-惯性组包，3第二加速度传感器，4-同步触发器，5-处理器，6-模拟信号采集器，7-里程信号处理装置，8-轨道车辆部件相对位移检测单元，901-钢轨，902-轮对，903-设备舱，904-车体，905-检测梁，906-轨道中心线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明中，术语“动态包络线”是一个二维平面上的概念，将轨道车辆运行过程中某一时刻的每一个截面轮廓投影到一个与轨道中心线垂直的平面上，可得知该时刻下的最大轮廓，将轨道车辆运行过程中某一时间内的所有截面轮廓进行投影，由这些投影轮廓共同描绘出的最大轮廓即是该时间段内的动态包络线。

作为本发明的第一方面，参照图1和图3，本发明的随车检验轨道车辆动态包络线的测试装置包括：4台2D激光传感器1、惯性组包2、第二加速度传感器3、同步触发器4和处理器5。

4台2D激光传感器1被平均分成两组并分别设置在轨道车辆的车体904前后两端的底部用以提取两侧钢轨901的轨道特征点并由此确定基准坐标系。

惯性组包2安装在轨道车辆的车体底板上用以测量车体姿态。惯性组包2包括陀螺仪、倾角传感器和第一加速度传感器。陀螺仪、倾角传感器和第一加速度传感器位于同一测量截面上。

第二加速度传感器3设置在测轨道车辆的转向架上用以获取转向架的轨向数据。

同步触发器4与4台2D激光传感器1、惯性组包2和第二加速度传感器3通讯连接用以使它们同步。

处理器5经由总线与所述同步触发器4通讯连接，处理器5安装有用于计算轨道车辆动态包络线的程序。

不希望受理论限制，认为，车体904为刚性体，若已知车体904的一个截面的车体姿态数据，则由任意截面与该截面之间沿车体长度方向的距离可获得任意截面的车体姿态数据。根据这一原理，通过选择特定的惯性组包来测量车体904在测量截面上的车体姿态数据，结合测量截面与基准坐标系沿车体长度方向的距离(测量截面与基准坐标系的相对位置)，则可获取所有截面的车体姿态数据。

进一步地，参照图6，考虑到轨道中心线906随轨向变化而变化，而车体904在其长度范围内为刚性体，故在车体长度范围内轨道中心线与车体截面姿态关系不完全相同。对此，本发明通过第二加速度传感器3来获取转向架的轨向数据，在此基础上结合车体904的静态轮廓，可得到曲线运行的轨道车辆的运行动态包络线。

本发明对惯性组包2的安装位置无特殊要求。但是优选地，如图3所示，惯性组包2安装在车体904的车体底板下的设备舱903内。车体904经由构架(未显示)设置在轮对902上。

根据本发明的一实施例，参照图2，本发明的测试装置还包括里程信号处理装置7。里程信号处理装置7经由总线与处理器5通讯连通。经由里程信号处理装置7可以获取轨道车辆的运行里程信息。

根据本发明的一实施例，再次参照图2，本发明的测试装置还包括模拟信号采集器6。同步触发器4与模拟信号采集器6通讯连接，模拟信号采集器6与惯性组包2和第二加速度传感器3通讯连接。

根据本发明的一优选实施例，模拟信号采集器6设有前置滤波器(未显示)。

根据本发明的一实施例，同步触发器4为数字信号同步触发器。

根据本发明的一实施例，再次参照图2，本发明的测试装置还包括轨道车辆部件相对位移检测单元8。轨道车辆部件相对位移检测单元8包括车体相对转向架的姿态检测装置。

本发明中，通过设置轨道车辆部件相对位移检测单元8，可以测量得到车体904相对转向架的相对姿态，并将其作为参考量来修正2D激光传感器1测得的轨道特征点数据。

根据本发明的一实施例，本发明的所述测试装置还包括用于供电的电源，所述电源优选为UPS电源。

根据本发明的一实施例，参照图4，每组2D激光传感器1经由检测梁905吊装到车体904靠近转向架的端部并且该组中的2台2D激光传感器1分别布置在检测梁905的两侧用以扫描两侧钢轨901。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种随车检验轨道车辆动态包络线的测试方法，该测试方法是通过本发明的测试装置进行的，其中，测试方法包括以下步骤：

(1)由同步触发器4触发4台2D激光传感器1、惯性组包2和第二加速度传感器3以使它们同步；

(2)通过4台2D激光传感器1提取两侧钢轨901的轨道特征点数据并由此确定基准坐标系；

(3)通过惯性组包2检测轨道车辆的车体姿态，得到车体904在测量截面相对于基准坐标系的车体姿态数据；

(4)通过第二加速度传感器3获取测轨道车辆的转向架的轨向数据；和

(5)基于步骤(3)中测得的车体姿态数据和步骤(4)中测得的轨向数据，结合车体904的静态轮廓，计算得到轨道车辆动态包络线。

本发明通过4台2D激光传感器提取轨道特征点并由此确定基准坐标系，以此为基准截面，结合惯性组包(如陀螺仪、倾角传感器和和第一加速度传感器)测得的车体姿态数据和第二加速度传感器测得的轨向数据，通过融合、计算得到车体在基准截面的动态位姿，进一步结合车体的静态轮廓，得到所有截面的姿态数据，即可得到轨道车辆动态包络线。

本发明中，术语“轨道特征点”是指2D激光传感器提取的钢轨图像特征点中钢轨轨面向下16mm的轨距点。

具体地，参照图5，2D激光传感器1的激光束光射向钢轨，2D激光传感器1的高清数字相机对激光束光切面所在钢轨图像进行拍摄，然后利用图像增强、图像平滑等数字图像处理算法以及数字图像特征提取算法实时提取钢轨轨面下16mm轨距点作为轨道特征点。

本发明中，基于得到的轨道特征点，根据三角形成像原理得到轨距值和轨距中心点，进而确定基准坐标系。

根据本发明的一实施例，步骤(2)中基准坐标系为垂直于轨道中心线906的二维平面直角坐标系，原点为轨距中心点，X轴与轨面平行，Y轴垂直于轨面。

根据本发明的一实施例，步骤(2)中通过2D激光传感器1提取的轨道特征点数据基于2D激光传感器1的图像坐标系，通过对轨道特征点数据进行空间变换与换算确定基准坐标系。

根据本发明的一实施例，通过设置两组2D激光传感器从车体904的前后两端对两侧钢轨901同时进行捕捉，测得的数据可以相互补充，误差小，有利于提高准确性。

根据本发明的一实施例，步骤(3)包括以下步骤：

(3a)通过惯性组包2得到轨道车辆的车体904在测量截面相对于车体坐标系的车体姿态数据；和

(3b)基于步骤(2)中图像坐标系和基准坐标系的空间变换与换算并结合测量截面与基准坐标系的相对位置，将车体904在测量截面相对于车体坐标系的车体姿态数据变换成车体904在测量截面相对于基准坐标系的车体姿态数据。

根据本发明的一实施例，所述“车体坐标系”的原点是车体重心，X轴为车体前进向，Y轴指向车体右侧，Z轴垂直于车体底板平面。

根据本发明的一实施例，本发明的测试方法还包括以下步骤：(6)通过轨道车辆部件相对位移检测单元8测量得到车体904相对转向架的相对姿态，并将其作为参考量来修正2D激光传感器1测得的轨道特征点数据。由此可以更加精确地识别轨道特征点、轨距等关键信息，进而提高测试的准确度。

根据本发明的一实施例，2D激光传感器1和惯性组包2的测量频率100Hz。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种随车检验轨道车辆动态包络线的测试装置，其中，所述测试装置包括：

4台2D激光传感器(1)，所述4台2D激光传感器(1)被平均分成两组并分别设置在轨道车辆的车体(904)前后两端的底部用以提取两侧钢轨(901)的轨道特征点并由此确定基准坐标系；

惯性组包(2)，所述惯性组包(2)安装在轨道车辆的车体底板上用以测量车体姿态，所述惯性组包(2)包括陀螺仪、倾角传感器和第一加速度传感器，所述陀螺仪、所述倾角传感器和所述第一加速度传感器位于同一测量截面上；

第二加速度传感器(3)，所述第二加速度传感器(3)设置在测轨道车辆的转向架上用以获取转向架的轨向数据；

同步触发器(4)，所述同步触发器(4)与所述4台2D激光传感器(1)、所述惯性组包(2)和所述第二加速度传感器(3)通讯连接用以使它们同步；和

处理器(5)，所述处理器(5)经由总线与所述同步触发器(4)通讯连接，所述处理器(5)安装有用于计算轨道车辆动态包络线的程序。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其中，所述测试装置还包括里程信号处理装置(7)，所述里程信号处理装置(7)经由总线与所述处理器(5)通讯连通。

3.根据权利要求1或2所述的测试装置，其中，所述测试装置还包括模拟信号采集器(6)，所述同步触发器(4)与所述模拟信号采集器(6)通讯连接，所述模拟信号采集器(6)与所述惯性组包(2)和所述第二加速度传感器(3)通讯连接；

优选地，所述模拟信号采集器(6)设有前置滤波器。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的测试装置，其中，所述测试装置还包括轨道车辆部件相对位移检测单元(8)，所述轨道车辆部件相对位移检测单元(8)包括车体相对转向架的姿态检测装置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的测试装置，其中，所述测试装置还包括用于供电的电源，所述电源优选为UPS电源；

优选地，每组2D激光传感器(1)经由检测梁(905)吊装到所述车体(904)靠近转向架的端部并且该组中的2台2D激光传感器(1)分别布置在所述检测梁(905)的两侧用以扫描两侧钢轨(901)。

6.一种随车检验轨道车辆动态包络线的测试方法，所述测试方法是通过权利要求1至5中任一项所述的测试装置进行的，其中，所述测试方法包括以下步骤：

(1)由同步触发器(4)触发4台2D激光传感器(1)、惯性组包(2)和第二加速度传感器(3)使它们同步；

(2)通过所述4台2D激光传感器(1)提取两侧钢轨(901)的轨道特征点数据并由此确定基准坐标系；

(3)通过所述惯性组包(2)检测轨道车辆的车体姿态，得到车体(904)在测量截面相对于所述基准坐标系的车体姿态数据；

(4)通过所述第二加速度传感器(3)获取测轨道车辆的转向架的轨向数据；和

(5)基于步骤(3)中测得的车体姿态数据和步骤(4)中测得的轨向数据，结合所述车体(904)的静态轮廓，计算得到轨道车辆动态包络线。

7.根据权利要求6所述的测试方法，其中，所述步骤(2)中所述基准坐标系为垂直于轨道中心线(906)的二维平面直角坐标系，原点为轨距中心点，X轴与轨面平行，Y轴垂直轨面。

8.根据权利要求6或7所述的测试方法，其中，所述步骤(2)中，通过所述2D激光传感器(1)提取的轨道特征点数据基于所述2D激光传感器(1)的图像坐标系，通过对所述轨道特征点数据进行空间变换与换算确定所述基准坐标系。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的测试方法，其中，所述步骤(3)包括以下步骤：

(3a)通过所述惯性组包(2)得到轨道车辆的车体(904)在测量截面相对于车体坐标系的车体姿态数据；和

(3b)基于所述步骤(2)中图像坐标系和基准坐标系的空间变换与换算并结合测量截面与基准坐标系的相对位置，将所述车体(904)在测量截面相对于车体坐标系的车体姿态数据变换成所述车体(904)在测量截面相对于基准坐标系的车体姿态数据。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的测试方法，其中，所述测试方法还包括以下步骤：(6)通过轨道车辆部件相对位移检测单元(8)测量得到所述车体(904)相对转向架的相对姿态，并将其作为参考量来修正所述2D激光传感器(1)测得的轨道特征点数据。

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