CN112902871A - 一种有轨电车轨道不平顺检测方法 - Google Patents

一种有轨电车轨道不平顺检测方法 Download PDF

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贺志超
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武建华
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Abstract

本发明公开了一种有轨电车轨道不平顺检测方法,该方法包括以下步骤:基于编码轮设备对激光传感器进行触发,利用激光传感器扫描轨道得到轨道断面轮廓数据;基于轨道里程数据、轨道断面轮廓数据构造测量弦线;根据测量弦线进行采样构造采样弦线以获取轨道弦测值;迭代复原得到轨道不平顺值。本发明采用激光传感器测距法实现对轨道轮廓的扫描,克服了传感器安装方面所带来的困难及误差,通过拟合轨道扫描图形,并提取出轨道的特征点;在轨道不平顺计算方面通过激光传感器扫描得到的轨道特征点,结合中点弦测算法进行轨道不平顺的计算测量,实现了对现代有轨电车槽型轨道的非接触式、高精度的测量,满足了对槽型轨道中长波段轨道不平顺的检测。

Description

一种有轨电车轨道不平顺检测方法
技术领域
本发明涉及轨道安全监测技术领域,具体涉及一种有轨电车轨道不平顺检测方法。
背景技术
对于弦测法测量轨道参数,现有的基于三点偏弦法的轨面检测方法,通过测量装置沿轨道依次测量三个车轮轴线相对于车体主梁的位移,构造偏弦线,获得弦测值信息,并将弦测值信息发送至处理装置进行信息处理,输出用于判断轨面不平顺度的轨面不平顺曲线。重点研究了30mm+300mm弦偏矢法的复原情况,但在波长小于189mm时,传递函数幅值震荡较为剧烈,会造成实际不平顺值的歪曲夸大以及出现虚假图形等,在测量的精度上仍有较大改进。现有的基于四点弦测法的轨道不平顺检测方法,在三点偏弦法的基础上,从增加传感器的角度提出了四点弦测法,该方法进一步消除了弦测法自身传递函数造成的幅值震荡问题,但同时也不可避免的带来了因传感器数量过多导致的传感器误差积累以及具体安装上的难度。
现有方案均建立于通过弦测法的基础上对轨道进行检测获取轨道不平顺值,弦测法具有测量原理简单、系统造价低且不受检测车运行速度影响等优点,但存在以下几点不足:(1)在短波长频域内其传递函数的幅值增益在剧烈振荡,存在大量过零点;(2)在中波长以及长波长段传递函数幅值增益过小,会造成轨道不平顺值过度夸大;
在现代有轨电车轨道领域研究方面,根据现代有轨电车轨道-车辆耦合模型计算得出对现代有轨电车造成主要激扰作用的轨道不平顺波长多为1-15m的中长波不平顺,而传统的弦测算法只针对于1m以下的短波轨道不平顺具有较好的计算效果;故对现代有轨电车轨道不平顺测量而言存在以下主要痛点及难点:(1)传统的设备只能检测工字型轨道,应该如何精确的检测测量槽型轨道;(2)即使能够检测槽型轨道,如何在槽型轨道上解决传统弦测算法计算过程中由于传递函数的幅值增益过小导致的缺陷;(3)如何检测现代有轨电车槽型轨道的中长波轨道不平顺,解决传统弦测法只能检测短波长轨道不平顺的缺陷。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足,本发明提供一种有轨电车轨道不平顺检测方法,通过激光传感器实现对轨道轮廓的扫描,进而提取轨道的特征点,基于轨道的特征点结合中点弦测算法进行轨道不平顺的计算测量,实现了对现代有轨电车槽型轨道的中长波段轨道不平顺的检测。
为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种有轨电车轨道不平顺检测方法,包括以下步骤:
基于编码轮设备对激光传感器进行触发,利用激光传感器扫描轨道得到轨道断面轮廓数据;
基于轨道里程数据、轨道断面轮廓数据构造测量弦线;
根据测量弦线进行采样构造采样弦线以获取轨道弦测值;
迭代复原得到轨道不平顺值。
作为优选的技术方案,所述基于编码轮设备对激光传感器进行触发,具体为:通过编码轮设备发出脉冲对两台激光传感器进行同步触发,进而保证两个激光传感器实现对轨道的同步同位扫描。
作为优选的技术方案,所述通过编码轮设备发出脉冲对两台激光传感器进行同步触发,具体为:编码轮设备随着检测系统前行时转动,在转动的过程中同步触发激光传感器;
作为优选的技术方案,所述激光传感器采用2D激光传感器。
作为优选的技术方案,所述利用激光传感器扫描轨道得到轨道断面轮廓数据,具体为:采用激光传感器测距方法对轨道断面轮廓数据进行采集,在每条供电轨的轨道处设置一台激光传感器,保证激光传感器发射出的光线与轨道呈垂直角度。
作为优选的技术方案,所述轨道里程数据由编码轮设备生成。
作为优选的技术方案,所述基于轨道里程数据、轨道断面轮廓数据构造测量弦线,具体为:利用特征点数据以及轨道里程数据,结合轨面特征点到激光传感器的距离、轨道里程数据下各轨面特征点的相对坐标,通过两点式构造出测量弦线。
作为优选的技术方案,所述根据测量弦线进行采样构造采样弦线以获取轨道弦测值,包括以下步骤:
设置预设采样步长:根据预设采样步长采取多个数据点;
构造直线:每采集到三个数据点时,将第一个数据点与第三个数据点运用两点式构造数据点直线;
获取轨道弦测值:求取第二个数据点到数据点直线的距离,该距离即为第二个数据点的轨道弦测值。
作为优选的技术方案,所述迭代复原得到轨道不平顺值,具体采用中点弦测法进行计算。
作为优选的技术方案,所述采用中点弦测法进行计算,包括以下步骤:
令x为里程,计算采样点中点到测量弦线垂直距离,记作弦测值g(x);
令真实的轨道不平顺y=f(x),里程x处的弦测值g(x)可以表示为:
Figure BDA0002933729360000031
其中L表示测量弦线的长度,
Figure BDA0002933729360000041
分别表示里程
Figure BDA0002933729360000042
处真实的轨道不平顺、里程
Figure BDA0002933729360000043
处真实的轨道不平顺;
通过数学归纳法进行迭代可以得到轨道不平顺:
Figure BDA0002933729360000044
将轨道不平顺值f(x)转化为向量F,把测得的弦测值记作向量G,则向量G的表达为:
G=T·F;
式中T为转换矩阵,进一步变换可得轨道不平顺值转换的向量F:F=S·G;
其中S为T的逆矩阵,i、j、n均为正整数。
本发明与现有技术相比,具有如下优点和有益效果:
(1)本发明采用激光传感器测距法实现对轨道轮廓的扫描,克服了传感器安装方面所带来的困难及误差,通过对轨道扫描图形进行拟合,并提取出轨道的特征点;在轨道不平顺计算方面通过激光传感器扫描得到的轨道特征点,结合适用于各波长段轨道不平顺的中点弦测算法进行轨道不平顺的计算测量,实现了对现代有轨电车槽型轨道的非接触式、高精度的测量,满足了对槽型轨道中长波段轨道不平顺的检测。
(2)本发明通过编码轮设备对激光传感器进行同步触发,使得激光传感器不同时刻得到的数据是与检车系统的具体位置有关的,进而激光传感器获得的数据准确匹配到相应的轨道里程数据,实现对现代有轨电车槽型轨道高精度的测量。
(3)本发明相通过采用中点弦测算法解决了四点弦测方法以及偏弦法存在对检测值过度放大的技术问题,本发明通过激光传感器配合编码轮设备进行采集,再结合中点弦测法进行检测轨道不平顺,这样既简化了整体检测步骤复杂度,又减少了过度放大点,提高了检测精度。
附图说明
图1为本发明实施例中有轨电车轨道不平顺检测方法的步骤流程图;
图2为本发明实施例中检测过程的物象关系示意图;
图3为本发明实施例中轨道不平顺真实值的示意图。
具体实施方式
在本公开的描述中,需要说明的是,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。同样,“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制,而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在该词前面的元素或者物件涵盖出现在该词后面列举的元素或者物件及其等同,而不排除其他元素或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而是可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。
在本公开的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,否则术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。此外,下面所描述的本公开不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例
如图1所示,本实施例提供了一种有轨电车轨道不平顺检测方法,包括以下步骤:
基于编码轮设备对激光传感器进行触发,利用激光传感器扫描轨道得到轨道断面轮廓数据;
基于轨道里程数据、轨道断面轮廓数据构造测量弦线;
根据测量弦线进行采样构造采样弦线以获取轨道弦测值;
迭代复原得到轨道不平顺值。
在本实施例中,还可通过显示器对轨道不平顺值进行显示,使用户直观地看到数据,通过存储器存储轨道不平顺值,当用户想要查看历史数据时可读取进行显示目标历史数据。
如图1所示,基于编码轮设备对激光传感器进行同步触发,具体为:通过编码轮设备发出RS422脉冲对两台激光传感器进行同步触发,进而保证两个激光传感器实现对轨道的同步同位扫描;实际应用时,编码轮设备随着检测系统前行时转动,在转动的过程中同步触发激光传感器,因此激光传感器不同时刻得到的数据是与检车系统的具体位置有关的;
在本实施例中,激光传感器采用2D激光传感器,通过同步触发使得激光传感器获得的数据准确匹配到相应的轨道里程数据。
如图2所示,以一台激光传感器为例,当激光光束垂直入射被测物体表面,即入射光线与被测物体表面法线共线,由于检测系统的结构以及物象关系在安装时已经固定,因此工作距a、像距b、成像角β、工作角α均为定值,此时可以通过像点位移x得到物体表面的法向移动距离y。
在本实施例中,本实施例采用直射式三角法进行测距,此外还可采用斜射式三角法测距,本实施例对测距方法不限于此。
在本实施例中,轨道里程数据由编码轮设备生成;
结合图1所示,利用激光传感器扫描轨道得到轨道断面轮廓数据,具体采用激光传感器测距方法对轨道断面轮廓数据进行采集,将两台激光传感器搭建在检测架构上呈对称分布;实际应用时,在每条供电轨的轨道处设置一台激光传感器,保证激光传感器发射出的光线与轨道呈垂直角度。
在本实施例中,基于轨道里程数据、轨道断面轮廓数据构造测量弦线,具体为:利用得到的特征点数据以及轨道里程数据,结合轨面特征点到激光传感器的距离、轨道里程数据下各轨面特征点的相对坐标,通过两点式构造出测量弦线;
在本实施例中,特征点为轨距点,具体为:现代有轨电车轨道以《铁路应用-轨道-特殊用途的钢轨-槽形轨及相关结构轨》(DIN EN 14811:2010)为标准,将有轨电车槽型轨道轨顶最高点以下14mm处所作的水平直线与槽型轨道轨腰处交点。
在本实施例中,根据测量弦线进行采样构造采样弦线以获取轨道弦测值,包括以下步骤:
设置预设采样步长:根据预设采样步长采取多个数据点;
构造直线:每采集到三个数据点时,将第一个数据点与第三个数据点运用两点式构造数据点直线;
获取轨道弦测值:求取第二个数据点到数据点直线的距离,该距离即为第二个数据点的轨道弦测值。
本实施例中预设采样步长采用0.25m进行等距采样;此外,还可以采用非等距设置多个不同的预设采样步长进行随机采样。
如图3所示,在检测轨道上,AB为测量弦线,长度为L,C为弦线的中点,则C处的弦测真实值为CD,C处轨道不平顺真实值为CD’;
在本实施例中,迭代复原得到轨道不平顺值具体采用中点弦测法进行计算,其中中点弦测法包括以下步骤:
令x为里程,计算采样点中点到测量弦线垂直距离,记作弦测值g(x);
令真实的轨道不平顺y=f(x),里程x处的弦测值g(x)可以表示为:
Figure BDA0002933729360000081
其中L表示测量弦线的长度,
Figure BDA0002933729360000082
分别表示里程
Figure BDA0002933729360000083
处真实的轨道不平顺、里程
Figure BDA0002933729360000084
处真实的轨道不平顺;
通过数学归纳法进行迭代可以得到轨道不平顺:
Figure BDA0002933729360000085
其中可以发现f(x)可仅用g(x)求出,实现了通过弦测值求出准确的不平顺值;将轨道不平顺值f(x)转化为向量F,把测得的弦测值记作向量G,则将上式表达为:
G=T·F;
式中T为转换矩阵,具体表示为:
Figure BDA0002933729360000086
进一步变换可得轨道不平顺值转换的向量F:F=S·G;
其中S为T的逆矩阵,i、j、n均为正整数。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有轨电车轨道不平顺检测方法,其特征在于,包括以下步骤:
基于编码轮设备对激光传感器进行触发,利用激光传感器扫描轨道得到轨道断面轮廓数据;
基于轨道里程数据、轨道断面轮廓数据构造测量弦线;
根据测量弦线进行采样构造采样弦线以获取轨道弦测值;
迭代复原得到轨道不平顺值。
2.根据权利要求1所述的有轨电车轨道不平顺检测方法,其特征在于,所述基于编码轮设备对激光传感器进行触发,具体为:通过编码轮设备发出脉冲对两台激光传感器进行同步触发,进而保证两个激光传感器实现对轨道的同步同位扫描。
3.根据权利要求2所述的有轨电车轨道不平顺检测方法,其特征在于,所述通过编码轮设备发出脉冲对两台激光传感器进行同步触发,具体为:编码轮设备随着检测系统前行时转动,在转动的过程中同步触发激光传感器。
4.根据权利要求2所述的有轨电车轨道不平顺检测方法,其特征在于,所述激光传感器采用2D激光传感器。
5.根据权利要求1所述的有轨电车轨道不平顺检测方法,其特征在于,所述利用激光传感器扫描轨道得到轨道断面轮廓数据,具体为:采用激光传感器测距方法对轨道断面轮廓数据进行采集,在每条供电轨的轨道处设置一台激光传感器,保证激光传感器发射出的光线与轨道呈垂直角度。
6.根据权利要求1所述的有轨电车轨道不平顺检测方法,其特征在于,所述轨道里程数据由编码轮设备生成。
7.根据权利要求1所述的有轨电车轨道不平顺检测方法,其特征在于,所述基于轨道里程数据、轨道断面轮廓数据构造测量弦线,具体为:利用特征点数据以及轨道里程数据,结合轨面特征点到激光传感器的距离、轨道里程数据下各轨面特征点的相对坐标,通过两点式构造出测量弦线。
8.根据权利要求1所述的有轨电车轨道不平顺检测方法,其特征在于,所述根据测量弦线进行采样构造采样弦线以获取轨道弦测值,包括以下步骤:
设置预设采样步长:根据预设采样步长采取多个数据点;
构造直线:每采集到三个数据点时,将第一个数据点与第三个数据点运用两点式构造数据点直线;
获取轨道弦测值:求取第二个数据点到数据点直线的距离,该距离即为第二个数据点的轨道弦测值。
9.根据权利要求1所述的有轨电车轨道不平顺检测方法,其特征在于,所述迭代复原得到轨道不平顺值,具体采用中点弦测法进行计算。
10.根据权利要求9所述的有轨电车轨道不平顺检测方法,其特征在于,所述采用中点弦测法进行计算,包括以下步骤:
令x为里程,计算采样点中点到测量弦线垂直距离,记作弦测值g(x);
令真实的轨道不平顺y=f(x),里程x处的弦测值g(x)可以表示为:
Figure FDA0002933729350000021
其中L表示测量弦线的长度,
Figure FDA0002933729350000022
分别表示里程
Figure FDA0002933729350000023
处真实的轨道不平顺、里程
Figure FDA0002933729350000024
处真实的轨道不平顺;
通过数学归纳法进行迭代可以得到轨道不平顺:
Figure FDA0002933729350000025
将轨道不平顺值f(x)转化为向量F,把测得的弦测值记作向量G,则向量G的表达为:
G=T·F;
式中T为转换矩阵,进一步变换可得轨道不平顺值转换的向量F:F=S·G;
其中S为T的逆矩阵,i、j、n均为正整数。
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