CN1161590C - 一种激光测量车辆运动姿态的方法 - Google Patents

Abstract

一种激光测量车辆运动姿态的方法，该方法是从地面激光发射单元1发出的激光打到被测运动车辆9的表面，通过检测从车辆9表面散射回来并达到地面激光接收单元2的激光光线位置或频率的变化，由信号处理单元3得到车辆运动时，车辆上一点或多点在三个方向的位移或速度变化情况，从而得到车辆的运动姿态。本方法测量精度高、测量系统的机械故障率低、测量时列车的运行速度不受限制。

Description

一种激光测量车辆运动姿态的方法

本发明涉及一种列车车辆运动姿态自动测量方法，特别适用于在列车运动中，通过地面激光检测装置来实现对列车车辆的蛇行、振动及摇晃等运动姿态进行综合测量，提供了一种检测列车脱轨状态的方法和手段。

列车车辆的运动姿态是影响列车行车安全的重要因素之一，特别是随着我国铁路技术的发展，列车的速度不断提高，列车在线路运动的平稳性是关系到列车安全和乘客舒适性的重要因素，列车高速运行状态下车辆的蛇行、偏摆、摇晃及振动是造成列车脱轨的主要原因。如何准确测量列车的运动姿态，避免列车脱轨来保证列车的行车安全是国内外铁路科技工作者普遍关心但又未能很好解决的技术难题。目前对车辆运动姿态的测量方法有如下几种：1.摇晃仪，在一节车辆上安装若干个加速度传感器，测量该车厢内运动时加速度的变化情况，得到该节车厢的振动、偏摆等情况，这种方法的主要缺点在于得到的信号是线路与某节车辆的综合，不能判断整个列车各个车辆的运动姿态，若要得到多个车辆的情况，必须在每个车辆上装上一套系统，是极不经济的做法[轨道动态监测单元研制，甘敦文等，中国铁道学会2000年学术年会，338]；2.CCD测量方法，在钢轨内侧安装CCD摄像头，实时测量车轮与钢轨的接触状况来判断列车的运动姿态，从而判断列车脱轨的可能性，这种方法的缺点在于轮轨的接触状态不能完全反映列车的运动姿态，更不能作为列车脱轨可能性的判断，且测量时列车的速度不能太高[图像技术在脱轨研究中的初步应用，赵国堂等，铁道建筑，1998年第8期]。

本发明的目的是：提供一种测量精度高、测量系统的机械故障率低、测量时列车的运行速度不受限制的激光测量车辆运动姿态的方法，实现对车辆运动姿态的测量。

本发明的目的是这样实现的，一种激光测量车辆运动姿态的方法：从地面激光发射单元发出的激光打到被测运动车辆的表面，通过检测从车辆表面散射回来并达到地面激光接收单元的激光光线位置或频率的变化，由信号处理单元得到车辆运动时，车辆上一点或多点在三个方向的位移或速度变化情况，从而得到车辆的运动姿态。车辆运动姿态地面激光测量系统包括：激光发射单元、激光接收单元和信号处理单元三大部分。

本发明的测量原理是：当某节车辆到达激光测量点时，车辆运动时由于多普勒效应造成散射回来达到光电探测器的频率的变化；或者由于车辆的运动造成散射回来达到光电探测器的光点位置的变化。理想情况下，列车只要沿钢轨方向的速度或位移，没有蛇行、偏摆或垂直振动，此时探测器得到的频率变化只与列车纵向运动有关的分量，其它方向的频率变化量为零，散射回来的光在光电探测器上的位置也不会发生变化。反之若车辆存在蛇行，即车辆在横向存在运动，此时探测器得到的频率变化中含有与车辆蛇行方向一致的频率变化分量；或散射回来的光达到光电探测的位置会发生相应变化，通过检测这些频率或位置的变化，便可得到列车运动的蛇行情况。

当测量车辆垂直方向的振动时，可在两根钢轨之间安装一套测量系统，将激光打到车辆的底面上，通过检测很短一段时间内从车辆底部不同位置两点散射回来的光在探测器上位置的变化，就可以得到车辆上下振动的情况。

测量车辆的摇晃时，需要在线路的外侧安装两套测量系统，使得两套系统出射的两个激光点的连线与车厢垂直方向平行，通过比较两套测量系统中光电探测器的信号，可以得到车辆的摇晃情况。

需要说明的是，实际应用时应考虑车辆表面的不规则对测量结果的影响。可采用多个激光点，并利用它们在位置上的相关性和使用数字信号处理手段来得到消除或减少车辆表面的不规则对测量结果的影响。

本发明的优点在于：测量完全为非接触式，测量系统的机械故障率低，测量精度高，安装维修方便；能综合测量车辆的蛇行、摇晃、振动等运动姿态，且测量时列车的运动速度不受限制。

图1激光测量车辆运动姿态的方法用测量系统的结构示意图

图2测量系统的A向示意图

图3使用激光多普勒测速仪测量车辆蛇行振动示意图

图4测量车辆摇晃、蛇行的实施方案

图中：1为激光发射单元，2为激光接收单元，3为信号处理单元，4为激光器，5为准直物镜，6为透镜，7为光电探测器、8为固定桩，9为车辆，10为钢轨，11为地基，12、13为机箱，14为标记玻璃板。

本发明的测量方法：从地面激光发射单元1发出的激光打到被测运动车辆9的表面，通过检测从车辆9表面散射回来并达到地面激光接收单元2的激光光线位置或频率的变化，由信号处理单元3得到车辆运动时，车辆上一点或多点在三个方向的位移或速度变化情况，从而得到车辆的运动姿态。

本发明方法所用测量系统由激光发射单元1、激光接收单元2及信号处理单元3组成。

图1和图2为一种测量系统的结构示意图。所述的激光发射单元1由激光器4，准直物镜5组成，激光器4与准直物镜5按光学系统的物象要求排列，并一起固定到机箱12内，通过螺栓或其它连接方式将机箱12固定到地基11上的固定桩8上；所述的激光接收单元2由透镜6、光电探测器7组成，透镜6与光电探测器7按光学系统的物象要求排列，并一起固定到一机箱13内，通过螺栓或其它连接方式将机箱13固定到地基上的固定桩8上。激光器4发射的光线通过物镜5聚集到被测车辆9的表面，从被测车辆9表面散射回来的光通过透镜6会聚到光电探测器7上。所述的信号处理单元3对光电探测器得到信号进行处理，得到车辆9通过测量点时其位置或速度变化，从而得到车辆9的运动姿态。

当用图1、2所述的实施例来测量车辆的蛇行时，所述的光电探测器7为PSD、或CCD光电探测器。当某节车辆9达到激光测量点a时，理想情况下，车辆9只要沿钢轨方向的位移，散射回来的光在光电位置探测器7上的位置不会发生变化。反之若车辆9存在蛇行，即车辆9在横向存在运动，此时散射回来的光达到光电位置探测器7的位置会发生变化，通过检测这位置的变化，便可得到车辆的横向运动，从而得到车辆9的蛇行运动情况，具体计算公式如下：

$V_{-}=\frac{S\left(t_2\right)-S\left(t_1\right)}{t_2-t_1}\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

$a_{-}=\frac{{\∂V}_{-}}{\∂t}\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

式中：V_为蛇行运动的横向速度，a_为车辆9运动时横向加速度，S(t₁)，S(t₂)分别为t₁，t₂时刻光电探测器7测得的车辆横向位移量，t₁，t₂为时间。

当用图1、2所述的实施例来测量车辆垂直方向的振动，其测量方法和原理与上述测量车辆蛇行的方法相同，所不同的是测量系统的安装位置，此时只需将激光发射单元1和激光接收单元2通过两个固定桩8安装在两钢轨之间，将激光发出的光点打到车辆9的底部c点，通过检测很短一段时间内从车辆底部不同位置两点散射回来的光在光电位置探测器7上位置的变化，就可以得到车辆上下振动的情况，具体计算公式为：

$V_{|}=\frac{h\left(t_2\right)-h\left(t_1\right)}{t_2-t_1}\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

$a_{|}=\frac{{\∂V}_{|}}{\∂t}\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

式中：V₁为蛇行运动的垂直速度，a₁为车辆9运动时垂直加速度，h(t₁)，h(t₂)分别为t₁，t₂时刻光电探测器测得的车辆垂直位移量。

测量车辆9摇晃时，需要安装两套测量系统或由一激光发射单元同时发出两束激光，使得出射的两个激光点a、b的连线与车厢垂直方向平行，通过比较两套测量系统中光电探测器的信号或比较一套激光接收单元2中两个光电探测器的信号，可以得到车辆的摇晃情况，具体计算公式为：

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=\frac{\[(S_b\left(t_2\right)-S_a\left(t_2\right))-(S_b\left(t_1\right)-S_a\left(t_1\right))\]}{D}\·\·\·\·\·\·\left(5\right)$

式中：θ(t)为车辆9某时刻得到摇晃角，S_b(t₂)，S_a(t₂)分别为t₂时刻光电探测器测得的车辆9上b点和a点的横向位移量，S_b(t₁)，S_a(t₁)分别为t₁时刻光电探测器测得的车辆9上b点和a点的横向位移量。

同理可以得到车辆摇晃的角速度与角加速度。

直接使用激光多普勒测速仪测量车辆9振动和蛇行的实施例如图3所示。此时激光发射单元1为激光多普勒发射头，激光接收单元2由透镜6、光电探测器7等部分组成(实际上，在激光多普勒测速仪中，发射和接受两部分常常做在一起，构成一部分)。激光发射头可同时发出多束激光，并达到车辆9的表面上，车辆9运动时，垂直、横向及纵向的速度造成散射回来达到多个相对应的光电探测器与三个运动方向相对应探测器的频率的变化，由此可以直接测量出车辆的速度、垂直振动与蛇行运动。

测量车辆蛇行与摇晃时，可采用图4所示的更为合理和简单的测量系统。激光发射单元1是由激光器4，准直物镜5、标记玻璃板14构成，此时激光发射单元1发射的激光通过标记玻璃板14后为一简单图案(如十字叉)，激光接收单元2为CCD摄像头。激光发射头发射的十字叉达到车辆9的表面上，车辆9十字叉图像由CCD摄像头拍摄。根据十字叉中心位置在CCD上位置的变化可以由公式(1)与(2)得到车辆的横向蛇行速度与加速度；根据十字叉垂直线方向两顶点的相对位移变化量，由公式(5)得到车辆9的摇晃情况；类似根据十字叉水平线方向两顶点的相对唯一变化量得到车辆9的扭转情况，此外通过对十字叉变形情况的处理可消除车辆表面不规则的影响。

本发明适用对现行所有类型列车车辆进行检测，适应列车速度范围0～360Km/h。

从结构上直接将激光发射单元1和激光接收单元2做在一起，形成一个整体，并不改变测量系统的功能；激光发射单元可采用简单的激光发射器或激光多普勒发射头，主要看测量车辆的何种运动，一般来说，简单激光发射器，结构简单，成本低，但测量精度和适应车辆速度较低，采用多普勒激光发射头的优点是可同时得到车辆三个方向的速度分量，但测量成本高；激光发射器单元与激光接收单元有不同的固定方式或固定位置。

Claims (2)

1.一种激光测量车辆运动姿态的方法，其特征在于该方法：当激光发射单元(1)发射的简单图案达到车辆(9)的表面上，激光接收单元(2)即CCD摄像头能接收到此图案，根据此简单图案的中心位置在CCD摄像面上位置的变化，得到车辆的横向蛇行速度与加速度；根据此简单图案垂直线方向两个不同点的相对位移变化量，得到车辆(9)的摇晃情况；根据此简单图案水平线方向两个不同点的相对变化量得到车辆(9)的扭转情况；在此基础上得到车辆运动时的多维运动姿态。

2.如权利要求1所述的一种激光测量车辆运动姿态的方法，其特征在于，激光发射单元(1)发射的简单图案是一个十字叉。

Images