CN113295143A - 一种接触网定位器坡度的动态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道列车接触网检测技术领域，具体涉及一种接触网定位器坡度的动态测量方法。本发明一种接触网定位器坡度的动态测量方法利用激光雷达扫描的点云数据，基于三维点云进行数据处理，并利用定位器自有的结构特点降低测量的不确定度，提高定位器坡度重复测量精度。

Description

一种接触网定位器坡度的动态测量方法

技术领域

本发明涉及轨道列车接触网检测技术领域，具体涉及一种接触网定位器坡度的动态测量方法。

背景技术

定位器是接触网关键组成部分，对列车能否高速行驶和安全提速非常重要，定位器坡度过大或过小都可能会影响列车行驶安全，需要在线路验收和定期对接触网定位器坡度巡检测量。目前铁路相关部门对定位器坡度的巡检状态大多采用激光测量的方式完成，这种方式效率低、工作强度大，夜间作业难度大。因此，目前亟需一种测量准确高效的接触网定位器坡度测量方法。

发明内容

有鉴于此，本发明公开一种接触网定位器坡度的动态测量方法，该方法利用激光雷达扫描的点云数据，基于三维点云进行数据处理，并利用定位器自有的结构特点降低测量的不确定度，提高定位器坡度重复测量精度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种接触网定位器坡度的动态测量方法，包括以下步骤(结合图1所示)：

步骤一，使用激光雷达的动态测量仪持续动态扫描高铁接触线和定位器腕臂；

步骤二，提取接触线三维点云数据，获取定位器腕臂法面和接触线的交点，以该点为计算定位器坡度A点参考点；

步骤三，提取定位器腕臂三维雷达点云数据；去除噪点，利用点云之间距离关系以及和接触线的空间关系，分离出可以用来计算定位器坡度的有效点；

步骤四，迭代出用来计算定位器坡度最优B点，计算出定位器坡度。

进一步地，所述步骤一的过程包括如下步骤：

S1，将高精度激光安装在检测装置上，并在检测装置上安装光电编码传感器，用来检测检测装置的位移；

S2，检测装置沿着铁轨移动，激光雷达持续扫描接触线、承力索、定位器腕臂；

S3，激光雷达持续扫描的测量点数据和光电编码器返回位置数据同步构成测量点的三维点云数据，送到检测装置的数据处理中心。

进一步地，所述步骤二的过程包括如下步骤：

S1，通过RANAC直线随机分割，分割出测量出的接触线点云，计算出每个位置对应接触线的X、Y坐标；

S2，根据定位器结构特点和接触线空间关系，取定位器垂直轨的平面和接触线的交点，作为参考点；

S3，根据定位器结构特点和安装要求(结合图2所示)，以接触线上点坐标计算出定位器坡面上最靠近接触线的A点坐标。

进一步地，所述步骤三的过程包括如下步骤：

S1，根据定位器和接触线空间位置关系，利用统计滤波算法，去除无关的噪点；

S2，根据定位器空间位置关系，找到定位器固定杆，根据点云分布，确定正定位器或反定位器；

S3，按定位器结构，按正定位或反定位方向A点为开始点找定位器点，在雷达点有大的变动，超过设定阀值则中断找点。阀值为雷达的2倍分辨率的X、Y值。取出的定位器点云截面合成图(如图3所示)。

进一步地，所述步骤四的过程包括如下步骤(结合图4所示)：

S1，将找出的定位器点云按照Z轴(里程不同)进行分组，并按照点的X坐标排序；

S2，取出其中一组定位器点，从距离A点不少于300毫米位置处开始取点，连续取n(n等于16)个以上点作为训练集，这些点分别和A点(x₀，y₀)计算角度，再求平均值β，以这些点平均x坐标为B点x坐标，再求的B点y坐标，

B点在平面内的坐标：

S3，以A、B连线，计算训练集的n个点落在该条直线周围的分布情况，训练集的一个点到AB直线的距离：

S4，根据d_i和训练集点在AB直线的分布情况判断是否有效训练集：d_i不大于10的点数不少于8个，且2侧有效点分布比例不超过5∶3。

如不满足以上有效训练集条件，则继续沿着X轴往下取点作为训练集，从S2开始重复；

S5，以训练集相同Z坐标的训练集外的所有定位器点作为测试集，计算所有点到AB直线的距离，以及在AB直线2侧分布情况，去掉d_i大于30的无效点后，计算测试集和样本集分布的相似度，标记I_u0为训练集在AB直线上方的有效点，I_d0为训练集在AB直线下方的有效点，I_u0为测试集在AB直线上方的有效点，I_d1为测试集在AB直线下方的有效点，满足以下条件为通过验证测试。

S6，重复S2到S5，取出所有不同Z轴坐标的定位点进行计算；

S7，比较所有有效训练集计算结果，取I_u0/I_d0最接近1为最优解，输出对应的β为定位器坡度。

本发明专利技术通过激光雷达动态扫描接触网定位器，提取出接触网定位器截面点云数据，进行迭代计算，从而得出定位器坡度值。本方法提高了接触网定位器坡度的测量速度和精度，可用性高。

本发明使用激光雷达对高速铁路接触网定位器进行动态扫描，提取定位器坡度的截面点云，去除噪点，不断进行直线拟合迭代计算，直至和定位器截面垂直轨道的一条直线基本一致，进行坡度计算。本方法在黔张常高铁、黔贵高铁、梅汕高铁、广深线等使用都达到较好效果，具备测量方便、测量精度高、测量速度快等特点。

本发明的有益效果是：

本发明一种接触网定位器坡度的动态测量方法能利用激光雷达扫描的点云数据，基于三维点云进行数据处理，并利用定位器自有的结构特点降低测量的不确定度，提高定位器坡度重复测量精度。

本发明采用非接触式检测方法通过高精度激光雷达对接触线和定位器持续扫描测量，快速准确给出测量结果。

本发明采用三维点云数据和定位器特定安装结构相结合方法，对接触网定位器坡度进行动态测量，不受环境干扰，有效降低测量结果不确定度。

本发明选择连续的16个定位器点作为计算定位器坡度的训练样本集，剩下点作为测试样本集，有效对测量结果进行验证，取得最优解，并进一步降低测量不确定度。

附图说明

图1为本发明定位器坡度测量流程图。

图2为定位器安装结构图。

图3为分离出的雷达扫描定位器点云图。

图4为迭代计算计算定位器坡度流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图或简单示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

此外，若有“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，一种接触网定位器坡度的动态测量方法，包括以下步骤：

步骤一：使用激光雷达的动态测量仪持续动态扫描高铁接触线和定位器腕臂；

本方法使用的检测装置装配了角分辨率为0.09，扫描频率20Hz，测量范围为0.5米到100米，测量精度3毫米的高精度雷达，光电编码器精度为1/4096，高精度光电编码器可以基本忽略里程的偏差所引起的计算误差。检测装置在测量定位器时沿着铁轨方向以约1.2公里/小时移动，矩形定位器的厚度约为18毫米，则设备每秒移动距离：

(1200×1000)/3600≈330毫米

雷达每秒扫描20次，则以约1.2公里/小时移动情况，雷达每次扫描间隔距离为16.5毫米。

根据计算，以约1.2公里/小时动态扫描时，雷达可以保证至少完整扫描到一次定位器，并持续扫描到接触线，保证计算定位器坡度的数据来源的完整性。

本装置采用2GHz双CPU数据处理中心，可以保证实时计算定位器坡度的计算性能。

步骤二：提取接触线三维点云数据，获取定位器腕臂法面和接触线的交点，以该点为计算定位器坡度A点参考点；

根据接触线安装特点：接触线为直径约14毫米的铜线，沿着铁轨安装，在几米范围内几乎登高，且基本平行于轨道。根据接触线特征，可以有效快速通过RANAC直线分割法分离出接触线点云。

依照RANAC直线分割法原理，在三维点云中随机选择2个Z轴相隔500毫米以上点，且其Y轴坐标偏差不超过10毫米；RANAC运算设置的以下参数：

threshold=接触线直径(14毫米)+最大偏离值(20毫米)=34毫米

closepoints=500毫米最少扫到的接触线点数=(500/16.5)×2≈60

迭代结束后，取有效点最多的集合即为接触线的三维点云。

如图2所示，在判断出有安装定位器时，在安装定位器的Z轴坐标取出对应的接触线点，Y坐标最小的点C(x_c，y_c)为所需接触线测量值，根据定位器结构和安装要求，最靠近接触线的定位器的A点坐标：

x₀=x_c y₀＝y_c+85

步骤三：提取定位器腕臂三维雷达点云数据；

根据定位器和接触线空间位置关系，接触网定位器长度一般不超过1300毫米，考虑固定杆结构，以接触线点为中线，过滤掉半径为2000毫米的圆外所有点，排除支柱等其他设备点云对定位器处理的干扰；

定位器固定杆是定位器的固定装置，检测装置在相同行进雷达扫到固定杆的次数是扫到定位器的2～3倍，故更容易判断出固定杆。固定杆基本平行于轨面安装，根据固定杆特征，可以有效快速通过RANAC直线分割法分离出固定杆点云。

依照RANAC直线分割法原理，在三维点云中随机选择2个Z轴相同，X坐标相隔500毫米以上点，且其Y轴坐标偏差不超过10毫米；RANAC运算设置的以下参数：

threshold=固定杆直径+最大偏离值(20毫米)≈50毫米

closepoints=500毫米最少扫到的固定杆点数=500/(6000*sin(0.09)))≈50

迭代结束后，取有效点最多的集合即为固定杆的三维点云；

按定位器结构，按正定位或反定位方向A点为开始点找所有定位器点，在雷达点有大的变动，超过设定指定阀值则结束找定位器点，所有点集合则为定位器腕臂三维雷达点云数据。

步骤四：迭代出用来计算定位器坡度最优B点，计算出定位器坡度；

S1：将找出的定位器点云按照Z轴(里程不同)进行分组，并按照点的X坐标排序；

S2：取出其中一组定位器点，从距离A点不少于300毫米位置处开始取点，连续取n(n等于16)个以上点作为训练集，这些点分别和A点(x₀，y₀)计算角度，再求平均值β，以这些点平均x坐标为B点x坐标，再求的B点y坐标。

B点在平面内的坐标：

S3：以A、B连线，计算训练集的n个点落在该条直线周围的分布情况，训练集的一个点到AB直线的距离：

S4：根据d_i和训练集点在AB直线的分布情况判断是否有效训练集：d_i不大于10的点数不少于8个，且2侧有效点分布比例不超过5：3。

如不满足以上有效训练集条件，则继续沿着X轴往下取点作为训练集，从S2开始重复；

S5：以训练集相同Z坐标的训练集外的所有定位器点作为测试集，计算所有点到AB直线的距离，以及在AB直线2侧分布情况，去掉d_i大于30的无效点后，计算测试集和样本集分布的相似度，标记I_u0为训练集在AB直线上方的有效点，I_d0为训练集在AB直线下方的有效点，I_u0为测试集在AB直线上方的有效点，I_d1为测试集在AB直线下方的有效点，满足以下条件为通过验证测试。

S6：重复S2到S5，取出所有不同Z轴坐标的定位器点云进行计算；

S7：比较所有有效训练集计算结果，取I_u0/I_d0最接近1为最优解，输出对应的β为定位器坡度。

下表为利用该方法在一个锚段内对不同定位器的坡度重复测量结果：

由表可见本方法测试定位器坡度误差可以在0.5度内，且重复测量效果好。

本发明采用非接触式检测方法通过高精度激光雷达对接触线和定位器持续扫描测量，快速准确给出测量结果；本发明采用三维点云数据和定位器特定安装结构相结合方法，对接触网定位器坡度进行动态测量，不受环境干扰，有效降低测量结果不确定度；本发明选择连续的16个定位器点作为计算定位器坡度的训练样本集，剩下点作为测试样本集，有效对测量结果进行验证，取得最优解，进一步降低测量结果的不确定度。本方法相对采用二维或三维图像方法测量定位器坡度，具备更高的精度、更强实时性。本方法为动态测量定位器坡度提供了一种新的解决方案，具有良好的使用前景。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种接触网定位器坡度的动态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，使用激光雷达的动态测量仪持续动态扫描高铁接触线和定位器腕臂；

步骤二，提取接触线三维点云数据，获取定位器腕臂法面和接触线的交点，以该点为计算定位器坡度A点参考点；

步骤三，提取定位器腕臂三维雷达点云数据；去除噪点，利用点云之间距离关系以及和接触线的空间关系，分离出可以用来计算定位器坡度的有效点；

步骤四，迭代出用来计算定位器坡度最优B点，计算出定位器坡度。

2.根据权利要求1所述的接触网定位器坡度的动态测量方法，其特征在于，所述步骤一的过程包括如下步骤：

S1，将高精度激光安装在检测装置上，并在检测装置上安装光电编码传感器，用来检测检测装置的位移；

S2，检测装置沿着铁轨移动，激光雷达持续扫描接触线、承力索、定位器腕臂；

S3，激光雷达持续扫描的测量点数据和光电编码器返回位置数据同步构成测量点的三维点云数据，送到检测装置的数据处理中心。

3.根据权利要求1所述的接触网定位器坡度的动态测量方法，其特征在于，所述步骤二的过程包括如下步骤：

S1，通过RANAC直线随机分割，分割出测量出的接触线点云，计算出每个位置对应接触线的X、Y坐标；

S2，根据定位器结构特点和接触线空间关系，取定位器垂直轨的平面和接触线的交点，作为参考点；

S3，根据定位器结构特点和安装要求，以接触线上点坐标计算出定位器坡面上最靠近接触线的A点坐标。

4.根据权利要求1所述的接触网定位器坡度的动态测量方法，其特征在于，所述步骤三的过程包括如下步骤：

S1，根据定位器和接触线空间位置关系，利用统计滤波算法，去除无关的噪点；

S2，根据定位器空间位置关系，找到定位器固定杆，根据点云分布，确定正定位器或反定位器；

S3，按定位器结构，按正定位或反定位方向A点为开始点找定位器点，在雷达点有大的变动，超过设定阀值则中断找点。阀值为雷达的2倍分辨率的X、Y值。取出的定位器点云截面合成图。

5.根据权利要求1所述的接触网定位器坡度的动态测量方法，其特征在于，所述步骤四的过程包括如下步骤：

S1，将找出的定位器点云按照Z轴(里程不同)进行分组，并按照点的X坐标排序；

S2，取出其中一组定位器点，从距离A点不少于300毫米位置处开始取点，连续取n(n等于16)个以上点作为训练集，这些点分别和A点(x₀，y₀)计算角度，再求平均值β，以这些点平均x坐标为B点x坐标，再求的B点y坐标，

B点在平面内的坐标：

y_b＝y₀+(x_b-x₀)tanβ；

S3，以A、B连线，计算训练集的n个点落在该条直线周围的分布情况，训练集的一个点到AB直线的距离：

S4，根据d_i和训练集点在AB直线的分布情况判断是否有效训练集：d_i不大于10的点数不少于8个，且2侧有效点分布比例不超过5∶3。

如不满足以上有效训练集条件，则继续沿着X轴往下取点作为训练集，从S2开始重复；

S5，以训练集相同Z坐标的训练集外的所有定位器点作为测试集，计算所有点到AB直线的距离，以及在AB直线2侧分布情况，去掉d_i大于30的无效点后，计算测试集和样本集分布的相似度，标记I_u0为训练集在AB直线上方的有效点，I_d0为训练集在AB直线下方的有效点，I_u0为测试集在AB直线上方的有效点，I_d1为测试集在AB直线下方的有效点，满足以下条件为通过验证测试。

S6，重复S2到S5，取出所有不同Z轴坐标的定位点进行计算；

S7，比较所有有效训练集计算结果，取I_u0/I_d0最接近1为最优解，输出对应的β为定位器坡度。

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