CN114179851B - 一种铁路设备限界检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路设备限界检测装置及方法，包括激光雷达、数据处理模块、交互模块和电源，所述激光雷达安装在测量小车上，用于采集轨旁设备点云数据；所述数据处理模块分别和激光雷达、交互模块连接，数据处理模块通过线性拟合和旋转矩阵对激光雷达采集的数据进行校准，获取校准后的点云数据；所述交互模块用于控制激光雷达的启停，并显示设备的运行情况，所述电源用于为装置内各模块提供电源。本发明相较于传统线激光的测量方法，本发明采集的是二维平面数据，可以通过一套设备同时将轨道两侧的设备限界全都检测到，具有使用简单、测量精度高、可靠性强的优点。

Description

一种铁路设备限界检测装置及方法

技术领域

本发明属于检测领域，具体涉及一种铁路设备限界检测装置及方法。

背景技术

随着我国高速铁路和重载铁路的发展，“四纵四横”的高速铁路骨架网已基本建成，重载货运网和快速集装箱运输网已初具规模，铁路网的运营和维护至关重要，准确的限界数据关系到铁路运输安全和效率。我国地域广阔，铁路的地理环境复杂，在电气化改造、救灾、施工、日常维修与养护、超限货物运输等方面都需了解限界状况，但现有的检测车辆和手段已远远不能满足建筑限界检测和管理的需要，应对铁路建筑限界检测装置及应用开展进一步研究。

铁路设备限界早期检测技术主要有横断面法、综合断面法和轨迹法等。横断面法需要停车手工测量，是一种定位测量断面法；综合断面法属定高测宽法，动车时检查架开屏测量；轨迹法要求定向连续测距，动车量测，通过捕捉测绘触手外端点的运动轨迹进行测量。目前，基于综合断面法的简易限界检测车主要在工程施工中使用。

鉴于上述原因，为了满足设备限界检测和管理的需要，所以研究一种独立的铁路设备限界检测装置及方法非常有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁路设备限界检测装置及方法，具有精确度高、可靠性强以及节约物力和人力的优点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种铁路设备限界检测装置，包括激光雷达、数据处理模块、交互模块和电源，所述激光雷达安装在测量小车上，用于采集轨旁设备点云数据；所述数据处理模块分别和激光雷达、交互模块连接，数据处理模块通过线性拟合和旋转矩阵对激光雷达采集的数据进行校准，获取校准后的点云数据；所述交互模块用于控制激光雷达的启停，并显示设备的运行情况，所述电源用于为装置内各模块提供电源。

进一步的，所述激光雷达的安装高度为：

式中，H为激光雷达距离地面的安装高度，D为铁轨间距，s为距轨道最近的设备的距离，h₁为铁轨顶部距离地面的高度。

进一步的，所述数据处理模块采用单片机，所述单片机搭载TF存储卡。

进一步的，所述设备的运行情况包括激光雷达的转速、已存储的测量数据量大小、电源的电量以及显示是否有功能未正常运作。

进一步的，所述单片机搭载有wifi模块，通过wifi模块与交互模块进行数据通信。

进一步的，所述数据处理模块通过线性拟合和旋转矩阵对激光雷达采集的数据进行校准具体包括：

对激光雷达采集数据的点云数据进行解析，获取点云数据极坐标信息；

将点云数据极坐标信息转化成直角坐标信息；

通过水平射线判别算法判断点是否在规定的界限内；

若点在规定的界限内，基于线性拟合和旋转矩阵对点云数据进行水平校准。

进一步的，所述将点云数据极坐标信息转化成直角坐标信息的方法为：

式中，x为点在直角坐标系的横坐标，y为点在直角坐标系的纵坐标，ρ为点的极径，为点的极角。

进一步的，所述通过水平射线判别算法判断点是否在规定的界限内包括：

判断点是否在规定的线段上，若满足下式，则点在规定的线段上，否则认为不在界限内；

式中，x₁为线段的一个端点p₁的横坐标，x₂为线段的另一个端点的p₂的横坐标，y₁为p₁的纵坐标，y₂为p₂的纵坐标，x_q为等待判断的点q的横坐标，y_q为q的纵坐标；

若点在规定的线段上，以该点为起点，x轴的正方向为方向的射线，通过下式判断射线是否与规定的线段是否存在交点，若交点个数为奇数，则该点在限界内，当交点个数为偶数，则该点在限界外；若无交点则该点在限界外；

式中，x₁为线段的一个端点p₁的横坐标，x₂为线段的另一个端点的p₂的横坐标，y₁为p₁的纵坐标，y₂为p₂的纵坐标，x_q为等待判断的点q的横坐标，y_q为q的纵坐标。

进一步的，所述对点云数据进行水平校准包括：

基于点云数据采用线性拟合的方法拟合出一条直线，

根据拟合出的直线确定第一个向量按直角坐标系的x轴正方向确定第二个向量/>确定两个向量之间的旋转矩阵为：

式中，θ为两个向量的夹角，(x，y)为原坐标，(x′，y′)为校准后的坐标。

一种基于所述铁路设备限界检测装置的方法，包括步骤：

计算激光雷达的安装位置，将激光雷达安装在测量小车上；

通过交互模块设置波特率，启动激光雷达采集轨旁设备点云数据并上传至数据处理模块；

数据处理模块通过水平射线判别算法判断点是否在规定的界限内，若在界限内通过线性拟合和旋转矩阵对激光雷达采集的数据进行校准，获取校准后的点云数据。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明相较于传统线激光的测量方法，本发明采集的是二维平面数据，可以通过一套设备同时将轨道两侧的设备限界全都检测到；(2)测量过程既节约人力，又降低了危险性；(3)基于线性拟合和旋转矩阵的组合优化，提高了数据处理的精确度，且具有可靠性强、使用简便的优点。

附图说明

图1为本发明一种铁路设备限界检测装置的结构示意图。

图2为本发明中激光雷达二维安装检测示意图。

图3为本发明中激光雷达三维安装示意图。

图4为本发明中铁路设备限界检测装置软件界面图。

图5为本发明中铁路设备限界检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1～3，本实施例提供的一种铁路设备限界检测装置，包括包括激光雷达1、32单片机2、上位机3、电源4，所述激光雷达1放置于测量小车7上；

作为一种具体示例，所述激光雷达1在测量小车7上的位置应垂直于轨道行进方向安装。

作为一种具体示例，所述激光雷达1的安装高度应经过具体计算，以确保可以测量到轨旁设备的底部。

所述激光雷达的安装高度在激光雷达所在的纵断面无遮挡时，计算公式为：

式中，H为激光雷达距离地面的安装高度，D为铁轨间距，s为距轨道最近的设备的距离，h₁为铁轨顶部地面的高度。

所述32单片机上安装有3.2寸显示屏5，不仅可以完成对激光雷达的启停，还可以简单的将设备的运行情况简单的显示出来。

所述设备的运行情况主要包括激光雷达的转速，已存储的数据量大小，电源的电量以及显示是否有功能未正常运作。

所述32单片机上安装有TF存储卡6，可以将检测的数据保存在存储卡中，便于反复查阅。

所述32单片机搭载有wifi模块，可实现将数据无线传输给上位机的功能。

一种铁路设备限界检测方法，包括以下步骤：

步骤1、32单片机的3.2寸显示屏上的交互界面的开始测量按钮启动后，激光雷达开始工作，并将采集的数据同步保存到TF存储卡中；

步骤2、待激光雷达工作一段时间后，在下位机的交互界面上点击上传分析按钮，并在上位机上的交互界面点击开始分析按钮后，上位机即开始对单片机通过wifi传输的二进制数据进行处理，通过数据解析，得到对应的距离和角度数据；

步骤3、上位机交互界面显示通过距离和角度数据换算得到的直角坐标数据而形成的点云图像，同时显示是否有越界情况产生。

进一步地，所述上位机对采集到的原始极坐标数据进行处理，具体为：

首先将极坐标信息转化成直角坐标信息，公式为：

式中，x为直角坐标系的横坐标，y为直角坐标系的纵坐标，ρ为极径，为极角；

然后通过水平射线判别算法，将换算出来的直角坐标放入算法中进行判断，具体算法如下：

首先判断该点是否在规定的限界边界上，即点是否在线段上，具体公式如下：

式中，x₁为线段的一个端点p₁的横坐标，x₂为线段的另一个端点的p₂的横坐标，y₁为p₁的纵坐标，y₂为p₂的纵坐标，x_q为等待判断的点q的横坐标，y_q为q的纵坐标；

当点在限界上时，将该点归类为限界内的点，并在交互界面输出相关信息。

然后判断以该点为起点，x轴的正方向为方向的射线是否与规定的限界是否存在交点，而限界可看做由数条线段组成，具体公式如下：

式中，x₁为线段的一个端点p₁的横坐标，x₂为线段的另一个端点的p₂的横坐标，y₁为p₁的纵坐标，y₂为p₂的纵坐标，x_q为等待判断的点q的横坐标，y_q为q的纵坐标；

当交点个数为奇数时，则可以断定该点在限界内，即在限界范围内有设施存在，存在侵限行为，在交互界面输出相关信息；当交点个数为偶数时，则该点在限界外，未侵限，处于安全位置。

进一步地，鉴于可能由于颠簸或激光雷达的安装位置倾斜或地面本身有一定的坡度，造成地面数据在雷达坐标系中不是水平的，所以需要对点云数据进行水平校准，具体如下：

首先因为地面数据的点云数据在一个角度范围内，在这个角度范围内的点云数据近似成一条直线，所以先用线性拟合的方法拟合出一条直线，然后根据这条直线确定第一个向量按直角坐标系的x轴正方向确定第二个向量/>然后计算出这两个向量之间的旋转矩阵，具体公式如下：

式中，为第一个向量，/>为第二个向量，θ为两个向量的夹角，(x，y)为原坐标，(x′，y′)为推导后的坐标。

在得出旋转矩阵后，利用旋转矩阵，将点云数据均处理一遍之后再输出，即可得到校准后的点云数据。

结合图4，本发明的一种铁路设备限界检测的软件使用，包括以下步骤：

步骤1、首先点击交互界面的打开按钮，进行数据通信，待界面左上第二个按钮识别出COM口后，即表示通信成功。

步骤2、先选择合适的波特率，然后点击开始分析按钮，开始对存储的数据进行分析，分析的图像结果显示在交互界面的右侧区域内，分析的文字反馈信息显示在左侧下方的两个文本框内。

步骤3、当显示的地面数据不是水平状态时，点击偏角校准按钮，即可对数据进行水平校准，并将显示的结果显示出来，且将拟合的方程显示在交互界面的上方。

步骤4、当测量数据相较于坐标系存在一定的高度差时，可以在设置安装高度右侧的文本框内输入高度差值，单位为米，并点击设置安装高度按钮。

步骤5、点击停止分析按钮，结束数据分析。

Claims (8)

1.一种铁路设备限界检测装置，其特征在于，包括激光雷达、数据处理模块、交互模块和电源，所述激光雷达安装在测量小车上，用于采集轨旁设备点云数据；所述数据处理模块分别和激光雷达、交互模块连接，数据处理模块通过线性拟合和旋转矩阵对激光雷达采集的数据进行校准，获取校准后的点云数据；所述交互模块用于控制激光雷达的启停，并显示设备的运行情况，所述电源用于为装置内各模块提供电源；

所述数据处理模块通过线性拟合和旋转矩阵对激光雷达采集的数据进行校准具体包括：

对激光雷达采集数据的点云数据进行解析，获取点云数据极坐标信息；

将点云数据极坐标信息转化成直角坐标信息；

通过水平射线判别算法判断点是否在规定的界限内；

若点在规定的界限内，基于线性拟合和旋转矩阵对点云数据进行水平校准；所述对点云数据进行水平校准包括：

基于点云数据采用线性拟合的方法拟合出一条直线，

根据拟合出的直线确定第一个向量按直角坐标系的x轴正方向确定第二个向量/>确定两个向量之间的旋转矩阵为：

式中，θ为两个向量的夹角，(x，y)为原坐标，(x'，y')为校准后的坐标。

2.根据权利要求1所述的铁路设备限界检测装置，其特征在于，所述激光雷达的安装高度为：

式中，H为激光雷达距离地面的安装高度，D为铁轨间距，s为距轨道最近的设备的距离，h₁为铁轨顶部距离地面的高度。

3.根据权利要求1所述的铁路设备限界检测装置，其特征在于，所述数据处理模块采用单片机，所述单片机搭载TF存储卡。

4.根据权利要求3所述的铁路设备限界检测装置，其特征在于，所述设备的运行情况包括激光雷达的转速、已存储的测量数据量大小、电源的电量以及显示点云数据是否在规定界限内。

5.根据权利要求4所述的铁路设备限界检测装置，其特征在于，所述单片机搭载有wifi模块，通过wifi模块与交互模块进行数据通信。

6.根据权利要求1所述的铁路设备限界检测装置，其特征在于，所述将点云数据极坐标信息转化成直角坐标信息的方法为：

式中，x为点在直角坐标系的横坐标，y为点在直角坐标系的纵坐标，ρ为点的极径，为点的极角。

7.根据权利要求1所述的铁路设备限界检测装置，其特征在于，所述通过水平射线判别算法判断点是否在规定的界限内包括：

判断点是否在规定的线段上，若满足下式，则点在规定的线段上，否则认为不在界限内；

若点在规定的线段上，以该点为起点，x轴的正方向为方向的射线，通过下式判断射线是否与规定的线段是否存在交点，若交点个数为奇数，则该点在限界内，当交点个数为偶数，则该点在限界外；若无交点则该点在限界外；

式中，x₁为线段的一个端点p₁的横坐标，x₂为线段的另一个端点的p₂的横坐标，y₁为p₁的纵坐标，y₂为p₂的纵坐标，x_q为等待判断的点q的横坐标，y_q为q的纵坐标。

8.一种基于权利要求1～7任一所述铁路设备限界检测装置的方法，其特征在于，包括步骤：

计算激光雷达的安装位置，将激光雷达安装在测量小车上；

通过交互模块设置波特率，启动激光雷达采集轨旁设备点云数据并上传至数据处理模块；

数据处理模块通过水平射线判别算法判断点是否在规定的界限内，若在界限内通过线性拟合和旋转矩阵对激光雷达采集的数据进行校准，获取校准后的点云数据。