一种铁路检测车平台晃动的光电动态测量方法技术

本发明专利技术提供一种铁路检测车平台晃动的光电动态测量方法，利用安装在检测车设备平台上的多套铁轨位移精密光电测量系统联合工作，可以得到铁轨上多个点处的相对位移，实现轨面和测量平台相对位置和姿态信息动态测量。本发明专利技术的铁轨位移精密光电测量系统由线激光器、点激光器和摄像机组成，采用点激光位移测量技术与线激光位移轮廓三角测量技术相结合的精密光电位移测量方法，测量激光点的精确位移，利用线激光三角测量得到铁轨截面轮廓，根据点激光与线激光的图像关系确定激光点在轨面轮廓上的位置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及轨道交通动态监测、检测车平台晃动光电测量领域，具体涉及一种高速铁路检测车平台晃动的光电动态测量方法。本专利技术方法利用检测车上光电设备动态测量检测车平台相对铁轨的晃动，高精度得到检测车平台/铁轨相对位姿，可建立检测车平台设备与铁轨的相对关系，为利用轨检车高精度测量高速铁路铁轨几何参数、铁路基础沉降提供关键技术支撑。
技术介绍
铁路检测车是动态测量铁路几何参数的设备，但现有的各种铁路检测车均存在一定局限性，具备绝对沉降测量能力的轨检小车采用手推模式，作业效率低，且严重依赖高速铁路工程测量平面控制网；速度较快的综合检测车只能测量轨道相对不平顺，不能检测铁路基础的绝对沉降。铁路桥梁与路基的绝对沉降量监测需要达到2-5毫米测量精度的高要求，目前国际国内没有车载自动高速动态测量达到此精度的方法和手段。利用铁路检测车测量如此高精度的沉降量，除运动平台自身位置姿态的高精度测量外，还需高精度测量和补偿检测车平台相对铁轨的晃动。光电测量是利用光电子器件对各种物理量进行测量的技术。基于激光、摄像等光电测量手段可以动态测量物体的位移、位置、姿态等变化，实现对晃动的测量。本专利技术给出一种基于激光摄像的高精度动态测量方法，测量铁路检测车平台的晃动，为铁路检测车实现高精度测量提供关键技术支撑。。
技术实现思路
本专利技术提供一种铁路检测车平台晃动的光电动态测量方法，利用安装在检测车设备平台上的多套铁轨位移精密光电测量系统联合工作，可以得到铁轨上多个点处的相对位移，实现轨面和测量平台相对位置和姿态信息动态测量。（1）检测车平台动态晃动测量由于检测车具有减震系统，检测车在运动中会引起底盘振动和晃动，因此为利用检测车精确得到铁轨本身的基础沉降和几何参数，必须测量车载设备平台相对铁轨的位置、姿态变化，补偿检测车平台晃动的影响。在检测车多个位置上安装多套高精度位移光电测量系统1，这些位置分别在两根铁轨的正上方，能够测量这些位置上车载设备平台2相对铁轨3对应点的位移，利用这些点的数据计算车载设备坐标系和铁轨平面的相对位姿关系。在检测车行驶中，实时动态测量车载设备坐标系相对铁轨平面的位姿关系，实现检测车平台的晃动动态测量和补偿。（2）光电测量系统由于测量精度要求高，本专利技术的光电测量系统由线激光器4、点激光器5和摄像机6组成，采用高精度点激光位移测量技术与线激光位移轮廓三角测量技术相结合的精密光电位移测量方法。车辆是高速动态运行的，其底盘的振动、晃动无法避免，因而点激光三角反射式位移传感器在轨道表面的投射测量激光点的位置也是动态改变的。铁轨的表面是个弧面，位移传感器投射的激光点在轨面位置的变化可能带来位移测量值几十甚至上百微米的变化。本专利技术光电测量系统高精度测量激光点的位移，利用线激光三角测量得到铁轨截面轮廓，根据点激光与线激光的图像关系确定激光点在轨面轮廓上的位置。系统可达到微米的位移测量精度，从而实现检测车平台相对铁轨的毫米或亚毫米级位置和角秒级姿态的高精度测量。与现有技术相比，本专利技术具有以下明显的优点：1）本专利技术方法解决了铁路检测车平台相对铁轨晃动的高精度动态测量难题，具有测量精度高、速度快的优点。2）本专利技术方法为铁路检测车提供了一种重要关键技术，配合车载高精度测量系统，铁路检测车可用于快速、高精度监测铁路基础沉降和铁轨轨距、轨向、水平（超高）、轨廓等几何参数。附图说明图1为检测车平台/铁轨相对晃动位姿关系测量示意图。图2为点激光位移测量技术与线激光位移轮廓三角测量技术相结合的精密光电位移测量原理图。具体实施方式本专利技术利用安装在检测车设备平台上的多套铁轨位移精密光电测量系统联合工作，得到铁轨上多个点处的相对位移，进行轨面和测量平台相对位置和姿态信息测量，实现一种铁路检测车平台晃动的光电动态测量。图1中，铁路检测车平台四个位置处的高精度位移光电测量系统测量设备平台相对铁轨A、B、C、D四点的位移，从而得到车载设备坐标系和铁轨平面坐标系的相对位姿关系。假设A、B、C、D四点在铁轨平面坐标系（系）内的位置分别为（），检测车静止时通过标定得到这四个点在设备平台坐标系（系）内的坐标为（），则设备平台坐标系和铁轨平面坐标系之间的位姿关系（姿态矩阵和位移关系）满足(1)其中（）表示A、B、C、D四点在铁轨平面坐标系内的位置，（）表示标定时A、B、C、D四点在设备平台坐标系内的坐标，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的姿态转换矩阵，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的位移矢量。检测车晃动时，A、B、C、D四点的相对位移会发生变化，利用点激光高精度铁轨位移测量系统测量得到A、B、C、D四点的实时位移，得到它们在设备平台坐标系的坐标（）。此时设备平台坐标系的位姿变化、可根据如下关系求解(2)其中（）表示A、B、C、D四点在铁轨平面坐标系内的位置，（）表示测量时A、B、C、D四点在设备平台坐标系内的坐标，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的姿态转换矩阵，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的位移矢量，表示检测车晃动引起的设备平台坐标系的姿态变化矩阵，表示检测车晃动引起的设备平台坐标系的位移矢量。此时设备平台坐标系和铁轨平面坐标系间的相对位姿关系为(3)其中表示测量时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的姿态转换矩阵，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的姿态转换矩阵，表示检测车晃动引起的设备平台坐标系的姿态变化矩阵，表示测量时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的位移矢量，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的位移矢量， 表示检测车晃动引起的设备平台坐标系的位移矢量。检测车平台/铁轨相对位姿光电测量中采用的四套高精度位移光电测量系统测量设备均采用高精度点激光位移测量技术（如基于PSD的的电激光位移测量技术）与线激光位移轮廓三角测量技术相结合的精密光电位移测量技术。如图2所示，高精度测量激光点的位移，精度要求达到微米量级，利用线激光三角测量得到铁轨截面轮廓，根据点激光与线激光的图像关系确定激光点在轨面轮廓上的位置，补偿点激光位移传感器在轨道表面的投射测量激光点的位置的动态变化引起的位移测量误差。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁路检测车平台晃动的光电动态测量方法，利用安装在检测车设备平台上的多套铁轨位移精密光电测量系统联合工作，得到铁轨上多个点处的相对位移，实现轨面和测量平台相对位置和姿态信息动态测量，其特征在于，具体包括：（1）检测车平台动态晃动测量在检测车多个位置上安装多套高精度位移光电测量系统（1），这些位置分别在两根铁轨的正上方，能够测量这些位置上车载设备平台（2）相对铁轨(3)对应点的位移，利用这些点的数据计算车载设备坐标系和铁轨平面的相对位姿关系，在检测车行驶中，实时动态测量车载设备坐标系相对铁轨平面的位姿关系，实现检测车平台的晃动动态测量和补偿，如：铁路检测车平台四个位置处的高精度位移光电测量系统测量设备平台相对铁轨A、B、C、D四点的位移，从而得到车载设备坐标系和铁轨平面坐标系的相对位姿关系，假设A、B、C、D四点在铁轨平面坐标系系内的位置分别为，，检测车静止时通过标定得到这四个点在设备平台坐标系（系）内的坐标为（），则设备平台坐标系和铁轨平面坐标系之间的位姿关系，姿态矩阵和位移关系，满足（1）其中，，表示A、B、C、D四点在铁轨平面坐标系内的位置，，，表示标定时A、B、C、D四点在设备平台坐标系内的坐标，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的姿态转换矩阵，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的位移矢量，检测车晃动时，A、B、C、D四点的相对位移会发生变化，利用点激光高精度铁轨位移测量系统测量得到A、B、C、D四点的实时位移，得到它们在设备平台坐标系的坐标，，此时设备平台坐标系的位姿变化、根据如下关系求解（2）其中，，表示A、B、C、D四点在铁轨平面坐标系内的位置，，，表示测量时A、B、C、D四点在设备平台坐标系内的坐标，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的姿态转换矩阵，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的位移矢量，表示检测车晃动引起的设备平台坐标系的姿态变化矩阵，表示检测车晃动引起的设备平台坐标系的位移矢量，此时设备平台坐标系和铁轨平面坐标系间的相对位姿关系为（3）其中表示测量时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的姿态转换矩阵，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的姿态转换矩阵，表示检测车晃动引起的设备平台坐标系的姿态变化矩阵，表示测量时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的位移矢量，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的位移矢量，表示检测车晃动引起的设备平台坐标系的位移矢量，（2）光电测量系统所述光电测量系统包括线激光器（4）、点激光器（5）和摄像机（6），采用高精度点激光位移测量技术与线激光位移轮廓三角测量技术相结合的精密光电位移测量方法，光电测量系统测量激光点的位移，利用线激光三角测量得到铁轨截面轮廓，根据点激光与线激光的图像关系确定激光点在轨面轮廓上的位置，系统达到微米的位移测量精度，从而实现检测车平台相对铁轨的毫米或亚毫米级位置和角。...

【技术特征摘要】
1.一种铁路检测车平台晃动的光电动态测量方法，利用安装在检测车设备平台上的多套铁轨位移精密光电测量系统联合工作，得到铁轨上多个点处的相对位移，实现轨面和测量平台相对位置和姿态信息动态测量，其特征在于，具体包括：（1）检测车平台动态晃动测量在检测车多个位置上安装多套高精度位移光电测量系统（1），这些位置分别在两根铁轨的正上方，能够测量这些位置上车载设备平台（2）相对铁轨(3)对应点的位移，利用这些点的数据计算车载设备坐标系和铁轨平面的相对位姿关系，在检测车行驶中，实时动态测量车载设备坐标系相对铁轨平面的位姿关系，实现检测车平台的晃动动态测量和补偿，如：铁路检测车平台四个位置处的高精度位移光电测量系统测量设备平台相对铁轨A、B、C、D四点的位移，从而得到车载设备坐标系和铁轨平面坐标系的相对位姿关系，假设A、B、C、D四点在铁轨平面坐标系系内的位置分别为，，检测车静止时通过标定得到这四个点在设备平台坐标系（系）内的坐标为（），则设备平台坐标系和铁轨平面坐标系之间的位姿关系，姿态矩阵和位移关系，满足 （1）其中，，表示A、B、C、D四点在铁轨平面坐标系内的位置，，，表示标定时A、B、C、D四点在设备平台坐标系内的坐标，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的姿态转换矩阵，表示标定时设备平台坐标到铁轨平面坐标系的位移矢量，检测车晃动时，A、B、C、D四点的相对位移会发生变化，利用点激光高精度铁轨位移测量系...

【专利技术属性】
技术研发人员：于起峰，张红良，尚洋，张小虎，杨夏，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43