基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法技术

本发明专利技术公开了基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，在检测梁上安装左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪、横向加速度计、左垂向加速度计、右垂向加速度计，所述左激光传感器、右激光传感器均为二维激光传感器；进行以下测量：轨距检测、高低检测、轨向检测、水平超高检测、扭曲检测、曲率检测、轨垂直以及侧面磨耗测量。本发明专利技术采用高速二维激光位移传感器，该传感器具有很强的抗干扰能力，基于二维传感器，没有复杂的图像处理步骤，加上简单有效的后端算法处理，具有更高的检测计算速度，能有效消除因车体振动对检测结果的影响，检测结果具有很高的重复性，能对检测结果进行补偿，具有更高的检测精度。

Track geometric irregularity detection method based on two-dimensional laser displacement sensor

The invention discloses a two-dimensional laser displacement sensor track geometric irregularity detection method based on the left and right installation, laser sensor, laser sensor, vertical inclinometer and horizontal angle instrument, gyroscope, accelerometer, transverse Zuo Chui in the detection beam to the accelerometer and right vertical accelerometer, the left and right laser sensor laser sensor are two-dimensional laser sensor; the following measurements: height gauge detection, detection, track detection, ultra high level detection, distortion detection, curvature detection, rail vertical and side wear measurement. The invention adopts high-speed two-dimensional laser displacement sensor, the sensor has a strong anti-jamming capability, based on the two-dimensional sensor, no complex image processing steps, back-end processing algorithm with simple and effective, has a higher detection speed, can effectively eliminate the car body vibration due to the impact of the test results, test results are repeated very high, can compensate for the detection results, the detection accuracy is higher.

【技术实现步骤摘要】
基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法
本专利技术属于轨道交通装备与车辆领域，涉及基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法。
技术介绍
基于激光摄像技术的轨道不平顺检测算法应用于轨道检测车上，对轨道几何不平顺参数进行动态检测，激光摄像测量技术已为当前国际轨道检测技术发展的主流。其国内外现状为：1、国外现状日本East-i综合检测列车。East-i是日本完全利用其国内技术开发的综合检测列车，由6辆检测车组成，可以检测轨道几何参数、接触网、通信信号、轮轨作用力、环境噪声等，最高检测速度可达275km/h。East-i综合检测列车可在一次运行过程中实现对线路的综合检测功能。美国Ensco和ImageMap公司轨检车。美国各铁路公司均拥有自主研发的轨检车，美国联邦铁路署还委托Ensco公司研制了技术先进的T10型轨检车，用于抽查各铁路公司的线路质量。T10型轨检车采用惯性基准测量原理和非接触式测量方法，应用光电、伺服、数字滤波、局域网技术，最近还增加了轨断面测量系统，使轨检车的功能更加齐全，检测速度可达192km/h。ImageMap公司研制的Laserail轨道测量系统采用激光摄像、高速图像处理技术取代了光电伺服技术，体现了轨道检测技术的发展方向。它采用惯性基准原理、非接触式测量方法，系统包括两个光纤陀螺和两个加速度计及其模拟处理板，4个激光器、10台摄像机等，可测量轨距、左右轨向、左右高低、超高、水平、三角坑、曲率、轨顶磨和侧磨等。检测速度可达300km/h。奥地利Plasser公司EM-250型轨检车。为适应奥地利高速铁路的检测需要，奥地利EM250型轨检车检测速度为250km/h，其主要技术特点是采用惯性基准原理、光电转换技术和多处理技术等，除了测量轨道几何参数和车辆振动参数外，还能测量轨断面、轮轨作用力并记录环境图像。德国OMWE和RAILAB轨检车。德国OMWE轨检车和RAILAB轨检车的技术特点是在车下建立测量框架，在车内安装与框架相连的三轴稳定性平台，采用3个陀螺和3个伺服加速度计组成了惯性导航系统，为轨道几何参数的测量构建了惯性平台，结合安装在测量框架上的光电传感器，测量相对平台的位移量，经计算机处理合成即可得出轨道的高低、水平、轨向值，检测速度可达300km/h。意大利“阿基米德号”综合检测列车。“阿基米德号”综合检测列车又称Roger2000，是MERMEC公司和TECNOGAMMA公司为意大利铁路设计制造的，检测速度可达220km/h。检测项目包括轨道几何参数、轨断面、轨波浪磨耗、接触网及受流状态、通信和信号、车体和轴箱加速度、轮轨作用力等。车上有57台计算机，每秒钟可处理30G数据，有24个激光器、43个光学摄像传感器、47个加速度计以及大量的强度、速度、定位以及温度传感器，以及用于航空电子领域的惯性平台。意大利高速铁路使用“阿基米德号”综合检测列车已经形成了一整套检测和维修养护体制。其轨道检测在较低速度时采用弦测法，在较高速度时采用惯性基准法，较好地发挥了两种测量原理的优势。法国MGV综合检测列车。MGV是专为法国高速铁路研制的综合检测列车，该车检测速度设计为320km/h，检测周期预计为两周一次，设计目标是在列车正常运行条件下检测各项基础设施参数。2、国内现状国内的轨检车目前主要划分为GJ-3、GJ-4及GJ-5这三种类型，其中，国内既有线路轨道状态监测手段以GJ-4及GJ-5类型检测设备为主，最高检测时速已达到200公里。于2008年，我国自主研制成功国内首列高速综合检查车——0号高速综合检测列车，其最高时速可达250公里。研究表明，当国内高速铁路运行时速超过350公里时，不仅要求轨道状态检测设备最高检测时速要达到350公里，并且要求所有轨道检测设备的可靠性与安全性更高，检测项目更完善，检测精度更高，检测系统更加智能。那么，现有的铁路轨道检测技术及设备已不适用于高速轨道状态的检测，必须研制出具有便携灵活、实时、数据在线处理、数据无线传输、等速检测等性能的新型轨道检测系统。现有技术应用存在的缺陷为：1、传感器易受阳光干扰。2、检测计算速度有待提高。3、检测结果易受检测速度的影响。4、检测结果易受车体振动影响。5、检测功能有待丰富。6、激光摄像图像处理复杂，严重影响检测速度。7、检测结果重复性较低。8、基于惯性平台的惯性基准建立困难。9、传感器标定操作复杂。
技术实现思路
为了克服以上缺陷，本专利技术提供基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，包括如下步骤：S1、在检测梁上安装左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪、横向加速度计、左垂向加速度计、右垂向加速度计，所述纵向为X轴方向，即车体的行进方向，所述横向为Y轴方向，所述垂向为Z轴方向，所述左激光传感器、右激光传感器均为二维激光传感器；S2、进行以下测量：a、利用左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪进行轨距检测；b、利用左垂向加速度计、右垂向加速度计、左激光传感器、右激光传感器、陀螺仪进行高低检测；c、利用横向加速度计、陀螺仪、横向倾角仪、左激光传感器、右激光传感器进行轨向检测；d、利用陀螺仪、纵向倾角仪、横向倾角仪进行水平超高检测；e、进行扭曲检测；f、利用陀螺仪进行曲率检测；g、利用左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪进行轨垂直以及侧面磨耗测量。具体地，所述检测梁包括左垂向梁、横梁、右垂向梁，所述左垂向梁设于左轨上方，右垂向梁设于右轨上方，横梁的两端分别与左垂向梁和右垂向梁的上端连接；所述左激光传感器、左垂向加速度计设于左垂向梁中且左垂向加速度计位于左激光传感器上方；所述纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪、横向加速度计设于横梁中且位于横梁中央，所述右激光传感器、右垂向加速度计设于右垂向梁中且右垂向加速度计位于右激光传感器上方。进一步地，所述轨距检测的具体方法为：通过轨道截面轮廓线求解左右轨内侧距离轨面顶端16mm的点，将这两点作为轨距测量点PL以及PR，左右轨之间的距离通过公式(1)求解得到：G＝GL+D*cos(θbt)+GR(1)其中，GL为左轨轨顶面下16mm处到左激光传感器出光孔的横向距离值(左轨轨距点相对测量基准的偏移)，GR为右轨轨顶面下16mm处到右激光传感器出光孔的横向距离值(右轨轨距点相对测量基准的偏移)，D为左激光传感器与右激光传感器安装在检测梁上后出光点间的距离，θbt为检测梁平面相对轨道平面的夹角。进一步地，所述高低检测的具体方法为：a1、求解检测梁在惯性测量单元坐标系中位移h1，该位移h1由左垂向加速度计、右垂向加速度计求解得到，该惯性测量单元坐标系基于惯性基准法原理进行检测，利用加速度计、陀螺仪等建立惯性基准，求解检测梁在该基准中的振动位移来对2D振动进行补偿，该基准便是惯性测量单元坐标系；首先，测量检测梁左垂向加速度计获得的加速度αcc_L，然后通过公式(3)求检测梁在左垂向加速度计位置的加速度α_L，右垂向加速度计位置的加速度同理求得：式中，gcosθb为重力加速度对左垂向加速度计的影响，为检测梁滚动引起的分量值，AL为左本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、在检测梁上安装左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪、横向加速度计、左垂向加速度计、右垂向加速度计，所述纵向为X轴方向，即车体的行进方向，所述横向为Y轴方向，所述垂向为Z轴方向，所述左激光传感器、右激光传感器均为二维激光传感器；S2、进行以下测量：a、利用左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪进行轨距检测；b、利用左垂向加速度计、右垂向加速度计、左激光传感器、右激光传感器、陀螺仪进行高低检测；c、利用横向加速度计、陀螺仪、横向倾角仪、左激光传感器、右激光传感器进行轨向检测；d、利用陀螺仪、纵向倾角仪、横向倾角仪进行水平超高检测；e、进行扭曲检测；f、利用陀螺仪进行曲率检测；g、利用左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪进行轨垂直以及侧面磨耗测量。

【技术特征摘要】
1.基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、在检测梁上安装左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪、横向加速度计、左垂向加速度计、右垂向加速度计，所述纵向为X轴方向，即车体的行进方向，所述横向为Y轴方向，所述垂向为Z轴方向，所述左激光传感器、右激光传感器均为二维激光传感器；S2、进行以下测量：a、利用左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪进行轨距检测；b、利用左垂向加速度计、右垂向加速度计、左激光传感器、右激光传感器、陀螺仪进行高低检测；c、利用横向加速度计、陀螺仪、横向倾角仪、左激光传感器、右激光传感器进行轨向检测；d、利用陀螺仪、纵向倾角仪、横向倾角仪进行水平超高检测；e、进行扭曲检测；f、利用陀螺仪进行曲率检测；g、利用左激光传感器、右激光传感器、纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪进行轨垂直以及侧面磨耗测量。2.根据权利要求1所述的基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，其特征在于，所述检测梁包括左垂向梁、横梁、右垂向梁，所述左垂向梁设于左轨上方，右垂向梁设于右轨上方，横梁的两端分别与左垂向梁和右垂向梁的上端连接；所述左激光传感器、左垂向加速度计设于左垂向梁中且左垂向加速度计位于左激光传感器上方；所述纵向倾角仪、横向倾角仪、陀螺仪、横向加速度计设于横梁中且位于横梁中央，所述右激光传感器、右垂向加速度计设于右垂向梁中且右垂向加速度计位于右激光传感器上方。3.根据权利要求2所述的基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，其特征在于，所述轨距检测的具体方法为：通过轨道截面轮廓线求解左右轨内侧距离轨面顶端16mm的点，将这两点作为轨距测量点PL以及PR，左右轨之间的距离通过公式(1)求解得到：G＝GL+D*cos(θbt)+GR(1)其中，GL为左轨轨顶面下16mm处到左激光传感器出光孔的横向距离值，GR为右轨轨顶面下16mm处到右激光传感器出光孔的横向距离值，D为左激光传感器与右激光传感器安装在检测梁上后出光点间的距离，θbt为检测梁平面相对轨道平面的夹角。4.根据权利要求2所述的基于二维激光位移传感器的轨道几何不平顺检测方法，其特征在于，所述高低检测的具体方法为：a1、求解检测梁在惯性测量单元坐标系中位移h1，该位移h1由左垂向加速度计、右垂向加速度计求解得到；首先，测量检测梁左垂向加速度计获得的加速度αcc_L，然后通过公式(3)求检测梁在左垂向加速度计位置的加速度α_L，右垂向加速度计位置的加速度同理求得：式中，gcosθb为重力加速度对左垂向加速度计的影响，为检测梁滚动引起的分量值，AL为左垂向加速度计相对检测梁中心的距离；然后，通过对加速度二次积分得到检测梁左侧垂向位移Zb，检测梁相对于地面的倾角θb，如公式(4)：zb＝∫∫a_Ldt(4)最后，通过公式(5)求得位移h1：h1＝zb*cos(θbt)(5)其中，θbt为检测梁平面相对轨道平面的夹角；a2、测量检测梁移动后与轨道平面之间的距离h2，该距离h2由左激光传感器、右激光传感器求解得到，陀螺仪对二维振动补偿；首先，求解ξR和ξL，ξL,ξR为左右侧轨顶点HL(HL(x)，HL(y))，HR(HR(x)，HR(y))与左激光传感器、右激光传感器出光孔连线与轨道平面的夹角，通过公式(6)和(7)求解ξL，ξR同理求解：θ＝atan(HL(x)/HL(y))(6)ξL＝εL-θ(7)其中，εL为左激光传感器与轨道平面的夹角初始值；然后，利用三角关系求解得到h2，如公式(8)：a3、通过公式(2)求得高低不平顺h表达式；5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：林建辉，王锋，何刘，熊仕勇，伍川辉，陈春俊，
申请(专利权)人：常州路航轨道交通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32