CN113110469B - 一种基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人 - Google Patents

一种基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人 Download PDF

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CN113110469B CN202110439498.1A CN202110439498A CN113110469B CN 113110469 B CN113110469 B CN 113110469B CN 202110439498 A CN202110439498 A CN 202110439498A CN 113110469 B CN113110469 B CN 113110469B
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    • G—PHYSICS
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    • G05D1/0276—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using signals provided by a source external to the vehicle

Abstract

本发明公开了一种基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人，包括轨面检测组件，其可转动连接机器人底盘，用于检测铁轨上表面的平顺性；轨腰检测组件，其连接机器人底盘，用于检测轨腰形变。分别对于铁轨表面易出现的平顺性差、轨腰易出现的形变进行专项检测，检测效率高。本发明还公开了巡检机器人的检测方法，利用自定心原理计算机器人驱动轮心的坐标轨迹识别缺陷点，利用轨腰两侧的受力情况反推轨腰曲面半径的分布情况，进而识别形变位点，方法可靠。

Description

一种基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人
技术领域
本发明涉及铁轨检测技术领域，特别涉及一种基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人。
背景技术
我国高速铁路的快速发展给铁路基础设施的状态维护和安全保障带来挑战，铁轨是铁路轨道的主要组成部件，直接承受轮对传来的压力，长期使用过程中出现缺陷损伤和材料退化影响其服役性能且威胁形成安全，铁轨应力、疲劳和缺陷等故障引起的铁轨变形、腐蚀会导致列车出轨、倾覆的重大事故，进而造成人员伤亡和巨大财产损失，随着高铁行车密度增加、行车速度提高，铁轨的负荷和受到挤压和冲击程度，铁轨故障和发生损伤的概率增大，因此有必要提出一种常态化铁轨巡检机器人。
发明内容
本发明提供了一种基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人，通过轨面检测组件和轨腰检测组件分别对于铁轨表面易出现的平顺性差、轨腰易出现的形变进行专项检测。
本发明还有一个目的是提供了巡检机器人的检测方法，利用自定心原理计算机器人驱动轮心的坐标轨迹识别缺陷点，利用轨腰两侧的受力情况反推轨腰曲面半径的分布情况，进而识别形变位点。
本发明的技术方案为：
一种基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人，包括：
轨面检测组件，其可转动连接机器人底盘，用于检测铁轨上表面的平顺性；
轨腰检测组件，其连接机器人底盘，用于检测轨腰形变。
优选的是，轨面检测组件包括：
第一驱动轮，其能够在一侧铁轨上表面转动行走；
第二驱动轮，其与第一驱动轮同轴设置，能够在另一侧铁轨上表面转动行走；
伸缩杆，其设置在第一驱动轮与第二驱动轮之间，且具有多个扭力传感器，以获取伸缩杆的斜距和方位坐标；
第一定位球，其设置在伸缩杆的一端，且可转动连接第一驱动轮；
第二定位球，其设置在伸缩杆的另一端，且可转动连接第二驱动轮；
其中，第一驱动轮和第二驱动轮转动，能够带动所述伸缩杆伸缩和/或扭转。
优选的是，轨腰检测组件包括：
第一齿轮；
第二齿轮，其与第一齿轮同轴设置；
第一夹臂，其可转动连接机器人底盘，且一端与第一齿轮啮合；
第一夹块，其连接第一夹臂的另一端，且与轨腰一侧过渡配合；
第二夹臂，其可转动连接机器人底盘，且一端与第二齿轮啮合；
第二夹块，其连接第二夹臂的另一端，且与轨腰另一侧过渡配合；
多个压力传感器，其阵列设置在第一夹块和第二夹块的一侧，以获得第一夹块和第二夹块的切向力；
其中，第一夹块和第二夹块趋近或退离能够带动第一齿轮和第二齿轮转动。
优选的是，平顺性的检测方法包括：
以伸缩杆静定心中点为原点，建立直角坐标系，并获取扭力传感器的坐标信息；
计算扭力传感器的量测偏差，并用量测偏差补正坐标信息；
分别计算第一驱动轮和第二驱动轮的轮心坐标，并绘制轮心轨迹曲线方程；
轨迹曲线方程的拐点即为轨面的缺陷点。
优选的是，扭力传感器的量测偏差的公式为：
Zi(t)＝Hi(t)x(t)+ei(t)+vi(t)
Figure GDA0004108615680000031
Figure GDA0004108615680000032
其中，Zi表示第i个扭力传感器量测，t表示采样时刻，x(t)表示运动状态向量，x(t)＝A(t)x(t-1)+w(t)，Hi表示量测矩阵，A(t)表示状态矩阵，w(t)表示零均值，v(t)表示随机量测噪声，e表示系统误差，(xs,ys)表示扭力传感器的初始坐标，er表示测距误差，eθ表示测角误差。
优选的是，轮心轨迹方程为：
Figure GDA0004108615680000033
Figure GDA0004108615680000034
Figure GDA0004108615680000035
其中，X表示横轴值，Y表示纵轴值，(X0,Y0)表示轮心初始坐标，τ表示轴心瞬时速度，r0驱动轮的半径，Fd表示伸缩杆端面压力，F表示驱动轮静压力，ε表示偏心率，α表示水平角，β表示竖直角，ΔL表示伸缩杆长度增量，l1表示斜距，l2表示偏心距γ表示偏位角。
优选的是，轨腰形变的检测方法包括：
获取压力传感器的切向力数据，计算轨腰的曲面半径；
通过双线性差值法生成曲面半径分布曲线；
采用差分法筛选形变位点。
优选的是，曲面半径的计算公式为：
Rj＝Msinψ+Rj,res；
Figure GDA0004108615680000041
其中，Rj表示j点的轨腰曲面半径，ψres表示第一夹臂与第二夹臂的夹角，ψ表示第一夹臂与第二夹臂的初始夹角，Rres表示轨腰的基础半径，M表示轨腰中心点直径，D1表示第一齿轮的外径，D2表示第二齿轮的外径，θ表示第一齿轮的转角，
Figure GDA0004108615680000042
表示第二齿轮的转角，μ表示第一夹臂的位移响应参数，δ表示第二夹臂的位移响应参数。
优选的是，双线性差值法包括：
取单点坐标周围的4个邻点，进行线性内插，内插方程为：
Figure GDA0004108615680000043
其中，(dRX,dRY)表示偏移量转换值，(RX1,RY1)表示原偏移量，
Figure GDA0004108615680000044
表示邻点偏移量平均值，(a,b)表示平移参数，a0＝X0，b0＝Y0 a1＝cosθ，/>
Figure GDA0004108615680000045
Figure GDA0004108615680000046
b1＝sinθ，/>
Figure GDA0004108615680000047
优选的是，采用差分法筛选形变位点包括：
将相邻采样时刻的分布曲线相减，得到瞬时位移半径增量；
将瞬时位移半径增量的绝对值大于绝对增量的点作为轨腰形变位点；
绝对增量的公式为：
Figure GDA0004108615680000048
其中，mi表示第i个压力传感器的测量误差，n表示压力传感器的数量，ρ表示铁轨密度，Ω表示膨胀系数，Φ表示铁轨硬度。
本发明的有益效果是：
本发明提供的于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人，通过轨面检测组件和轨腰检测组件分别对于铁轨表面易出现的平顺性差、轨腰易出现的形变进行专项检测，检测效率高。
本发明还提供了巡检机器人的检测方法，利用自定心原理计算机器人驱动轮心的坐标轨迹识别缺陷点，利用轨腰两侧的受力情况反推轨腰曲面半径的分布情况，进而识别形变位点，方法可靠。
本发明本的于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人，在进行轨面平顺性检测时，进行了系统误差的估算，对传感器的量测数据进行补正，检测准确率高。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人示意图。
图2为本发明的一个实施例中轨面检测组件的结构示意图。
图3为本发明的一个实施例中轨腰检测组件的结构示意图。
图4为本发明的一个实施例中平顺性的检测方法流程图。
图5为本发明的一个实施例中轨腰形变的检测方法流程图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中”、“上”、“下”、“横”、“内”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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；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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示一种基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人，包括机器轨面检测组件100、轨腰检测组件200和机器人底盘300。轨面检测组件100可转动连接机器人底盘100，用于检测铁轨上表面的平顺性，轨腰检测组件200连接机器人底盘300，用于检测轨腰形变。
针对铁轨轨面在服役过程中受腐蚀、应力等影响极易出现的平顺性差，给列车行驶带来隐患的问题，以及轨腰易出现的形变问题，针对性的设计了基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人，检测效率高，减少了人工成本。
如图2所示轨面检测组件包括第一驱动轮110、第二驱动轮120、伸缩杆130、第一定位球140和第二定位球150。
其中，第一驱动轮110能够在一侧铁轨上表面转动行走，第二驱动轮120与第一驱动轮110同轴设置，能够在另一侧铁轨上表面转动行走，伸缩杆130设置在第一驱动轮110与第二驱动轮120之间，且具有多个扭力传感器，以获取伸缩杆的斜距和方位坐标，第一定位球140设置在伸缩杆的一端，且可转动连接第一驱动轮110，第二定位球150设置在伸缩杆的另一端，且可转动连接第二驱动轮120，第一驱动轮110和第二驱动轮120转动，能够带动伸缩杆130伸缩和/或扭转。
当机器人在平顺性良好的铁轨表面行进时，第一驱动轮110和第二驱动轴120始终处于同轴转动，伸缩杆130自定心，当出现坑点、焊接凸起等缺陷时，第一驱动轮110和第二驱动轮120轮心出现位差，导致伸缩杆130受力伸缩或扭转。
如图3所示，轨腰检测组件包括第一齿轮210、第二齿轮220、第一夹臂230、第二夹臂240、第一夹块250、第二夹块260和多个压力传感器。
其中，第一齿轮210与第二齿轮220同轴设置，第一夹臂230可转动连接机器人底盘300，且一端与第一齿轮210啮合，第一夹块250连接第一夹臂230的另一端，且与轨腰一侧过渡配合，第二夹臂240可转动连接机器人底盘300，且一端与第二齿轮220啮合，第二夹块260连接第二夹臂240的另一端，且与轨腰另一侧过渡配合，多个压力传感器阵列设置在第一夹块和第二夹块的一侧，以获得第一夹块和第二夹块的切向力，第一夹块250和第二夹块260趋近或退离能够带动第一齿轮210和第二齿轮220转动。
巡检机器人沿铁轨进行检测，当轨腰两侧为发生形变时，轨腰两侧受均匀切向力，第一夹臂230和第二夹臂240与铅垂线的偏离角相同，当轨腰出现形变时，两侧受切向力发生变化，导致第一夹臂230和第二夹臂240转动，带动第一齿轮210和第二齿轮220转动。
如图4所示，平顺性的检测方法包括：
S110、以伸缩杆静定心中点为原点，建立直角坐标系，并获取扭力传感器的坐标信息；
S120、计算扭力传感器的量测偏差，并用量测偏差补正坐标信息；
扭力传感器的量测偏差的公式为：
Zi(t)＝Hi(t)x(t)+ei(t)+vi(t)
Figure GDA0004108615680000071
Figure GDA0004108615680000072
其中，Zi表示第i个扭力传感器量测，t表示采样时刻，x(t)表示运动状态向量，x(t)＝A(t)x(t-1)+w(t)，Hi表示量测矩阵，A(t)表示状态矩阵，w(t)表示零均值，v(t)表示随机量测噪声，e表示系统误差，(xs,ys)表示扭力传感器的初始坐标，er表示测距误差，eθ表示测角误差。
S130、分别计算第一驱动轮和第二驱动轮的轮心坐标，并绘制轮心轨迹曲线方程；
轮心轨迹方程为：
Figure GDA0004108615680000073
Figure GDA0004108615680000074
/>
Figure GDA0004108615680000075
其中，X表示横轴值，Y表示纵轴值，(X0,Y0)表示轮心初始坐标，τ表示轴心瞬时速度，r0驱动轮的半径，Fd表示伸缩杆端面压力，F表示驱动轮静压力，ε表示偏心率，α表示水平角，β表示竖直角，ΔL表示伸缩杆长度增量，l1表示斜距，l2表示偏心距γ表示偏位角。
S140、轨迹曲线方程的拐点即为轨面的缺陷点。
如图5所示，轨腰形变的检测方法包括：
S210、获取压力传感器的切向力数据，计算轨腰的曲面半径；
曲面半径的计算公式为：
Rj＝Msinψ+Rj,res；
Figure GDA0004108615680000081
其中，Rj表示j点的轨腰曲面半径，ψres表示第一夹臂与第二夹臂的夹角，ψ表示第一夹臂与第二夹臂的初始夹角，Rres表示轨腰的基础半径，M表示轨腰中心点直径，D1表示第一齿轮的外径，D2表示第二齿轮的外径，θ表示第一齿轮的转角，
Figure GDA0004108615680000082
表示第二齿轮的转角，μ表示第一夹臂的位移响应参数，δ表示第二夹臂的位移响应参数。
S220、通过双线性差值法生成曲面半径分布曲线；
取单点坐标周围的4个邻点，进行线性内插，内插方程为：
Figure GDA0004108615680000083
其中，(dRX,dRY)表示偏移量转换值，(RX1,RY1)表示原偏移量，
Figure GDA0004108615680000084
表示邻点偏移量平均值，(a,b)表示平移参数，a0＝X0，b0＝Y0 a1＝cosθ，/>
Figure GDA0004108615680000085
Figure GDA0004108615680000086
b1＝sinθ，/>
Figure GDA0004108615680000087
S230、采用差分法筛选形变位点：
将相邻采样时刻的分布曲线相减，得到瞬时位移半径增量；
将瞬时位移半径增量的绝对值大于绝对增量的点作为轨腰形变位点；
绝对增量的公式为：
Figure GDA0004108615680000088
其中，mi表示第i个压力传感器的测量误差，n表示压力传感器的数量，ρ表示铁轨密度，Ω表示膨胀系数，Φ表示铁轨硬度。
巡检机器人沿铁轨进行检测，当机器人在平顺性良好的铁轨表面行进时，第一驱动轮110和第二驱动轴120始终处于同轴转动，伸缩杆130自定心，当出现坑点、焊接凸起等缺陷时，第一驱动轮110和第二驱动轮120轮心出现位差，导致伸缩杆130受力伸缩或扭转，通过扭力传感器获得伸缩杆的动态坐标，补正系统偏差，计算得到驱动轮轮心轨迹曲线，进而通过计算轨迹曲线方程，即可确定轨面的缺陷点。当轨腰两侧为发生形变时，轨腰两侧受均匀切向力，第一夹臂230和第二夹臂240与铅垂线的偏离角相同，当轨腰出现形变时，两侧受切向力发生变化，导致第一夹臂230和第二夹臂240转动，带动第一齿轮210和第二齿轮220转动，通过夹块受到的切向力能够反推轨腰的曲面半径分布曲线，进而通过差分法筛选出形变位点。
本发明提供的于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人，通过轨面检测组件和轨腰检测组件分别对于铁轨表面易出现的平顺性差、轨腰易出现的形变进行专项检测，检测效率高。本发明还提供了巡检机器人的检测方法，利用自定心原理计算机器人驱动轮心的坐标轨迹识别缺陷点，利用轨腰两侧的受力情况反推轨腰曲面半径的分布情况，进而识别形变位点，方法可靠。
以上内容仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不脱离本发明的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (8)

1.一种基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人，其特征在于，包括：
轨面检测组件，其可转动连接机器人底盘，用于检测铁轨上表面的平顺性；
轨腰检测组件，其连接所述机器人底盘，用于检测轨腰形变；
所述轨腰检测组件包括：
第一齿轮；
第二齿轮，其与所述第一齿轮同轴设置；
第一夹臂，其可转动连接所述机器人底盘，且一端与所述第一齿轮啮合；
第一夹块，其连接所述第一夹臂的另一端，且与所述轨腰一侧过渡配合；
第二夹臂，其可转动连接所述机器人底盘，且一端与所述第二齿轮啮合；
第二夹块，其连接所述第二夹臂的另一端，且与所述轨腰另一侧过渡配合；
多个压力传感器，其阵列设置在所述第一夹块和第二夹块的一侧，以获得所述第一夹块和第二夹块的切向力；
其中，所述第一夹块和所述第二夹块趋近或退离能够带动所述第一齿轮和所述第二齿轮转动；
所述轨面检测组件包括：
第一驱动轮，其能够在一侧铁轨上表面转动行走；
第二驱动轮，其与所述第一驱动轮同轴设置，能够在另一侧铁轨上表面转动行走；
伸缩杆，其设置在所述第一驱动轮与所述第二驱动轮之间，且具有多个扭力传感器，以获取伸缩杆的斜距和方位坐标；
第一定位球，其设置在所述伸缩杆的一端，且可转动连接所述第一驱动轮；
第二定位球，其设置在所述伸缩杆的另一端，且可转动连接所述第二驱动轮；
其中，所述第一驱动轮和所述第二驱动轮转动，能够带动所述伸缩杆伸缩和/或扭转。
2.如权利要求1所述的基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人，其特征在于，所述平顺性的检测方法包括：
以伸缩杆静定心中点为原点，建立直角坐标系，并获取所述扭力传感器的坐标信息；
计算所述扭力传感器的量测偏差，并用所述量测偏差补正所述坐标信息；
分别计算所述第一驱动轮和所述第二驱动轮的轮心坐标，并绘制轮心轨迹曲线方程；
所述轮心轨迹曲线方程的拐点即为轨面的缺陷点。
3.如权利要求2所述的基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人，其特征在于，所述扭力传感器的量测偏差的公式为：
Zi(t)＝Hi(t)x(t)+ei(t)+vi(t)
Figure QLYQS_1
Figure QLYQS_2
其中，Zi表示第i个扭力传感器量测，t表示采样时刻，x(t)表示运动状态向量，x(t)＝A(t)x(t-1)+w(t)，Hi表示量测矩阵，A(t)表示状态矩阵，w(t)表示零均值，v(t)表示随机量测噪声，ei表示系统误差，(xs,ys)表示扭力传感器的初始坐标，er表示测距误差，eθ表示测角误差。
4.如权利要求3所述的基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人，其特征在于，所述轮心轨迹曲线方程为：
Figure QLYQS_3
Figure QLYQS_4
Figure QLYQS_5
其中，X表示横轴值，Y表示纵轴值，(X0,Y0)表示轮心初始坐标，τ表示轴心瞬时速度，r0驱动轮的半径，Fd表示伸缩杆端面压力，F表示驱动轮静压力，ε表示偏心率，α表示水平角，β表示竖直角，ΔL表示伸缩杆长度增量，l1表示斜距，l2表示偏心距γ表示偏位角。
5.如权利要求4所述的基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人，其特征在于，所述轨腰形变的检测方法包括：
获取所述压力传感器的切向力数据，计算所述轨腰的曲面半径；
通过双线性差值法生成曲面半径分布曲线；
采用差分法筛选形变位点。
6.如权利要求5所述的基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人，其特征在于，所述曲面半径的计算公式为：
Rj＝Msinψ+Rj,res；
Figure QLYQS_6
其中，Rj表示j点的轨腰曲面半径，ψres表示第一夹臂与第二夹臂的夹角，ψ表示第一夹臂与第二夹臂的初始夹角，Rj,res表示轨腰的基础半径，M表示轨腰中心点直径，D1表示第一齿轮的外径，D2表示第二齿轮的外径，θ表示第一齿轮的转角，
Figure QLYQS_7
表示第二齿轮的转角，μ表示第一夹臂的位移响应参数，δ表示第二夹臂的位移响应参数。
7.如权利要求6所述的基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人，其特征在于，所述双线性差值法包括：
取单点坐标周围的4个邻点，进行线性内插，内插方程为：
Figure QLYQS_8
其中，(dRX,dRY)表示偏移量转换值，(RX1,RY1)表示原偏移量，
Figure QLYQS_9
表示邻点偏移量平均值，(a,b)表示平移参数，a0＝X0，b0＝Y0 a1＝cosθ，/>
Figure QLYQS_10
Figure QLYQS_11
b1＝sinθ，/>
Figure QLYQS_12
8.如权利要求7所述的基于双轨道定心检测的铁轨巡检机器人，其特征在于，所述采用差分法筛选形变位点包括：
将相邻采样时刻的所述分布曲线相减，得到瞬时位移半径增量；
将所述瞬时位移半径增量的绝对值大于绝对增量的点作为轨腰形变位点；
所述绝对增量的公式为：
Figure QLYQS_13
其中，mi表示第i个压力传感器的测量误差，n表示压力传感器的数量，ρ表示铁轨密度，Ω表示膨胀系数，Φ表示铁轨硬度。
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