快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统与分析方法技术方案

本发明专利技术公开一种快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统及分析方法，三维光学显微测量系统、载物车运动控制器和电源安装于载物车上，载物车安装于待测轨道上；电源连接三维光学显微测量系统、三维光学显微测量系统存储器和载物车运动控制器，用于向三维光学显微测量系统、三维光学显微测量系统存储器和载物车运动控制器供电。本发明专利技术通过光学系统对火箭橇试验轨道进行静态不平顺测量，测量前确定测量模式使测量装置在测量过程中自动运行，不需要人工测量，大大降低了人工成本。在对测量数据的处理过程中，通过对高维数组展开主要特征提取，可反映测点范围内的多点主要特征，而不仅仅是通过千分尺测量得到的单点结果。

【技术实现步骤摘要】
快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统与分析方法
本专利技术涉及高超声速火箭橇高精度轨道测量领域，特别涉及一种沿轨道方向及水平方向静态不平顺谱的测量系统及与分析方法。
技术介绍
火箭橇试验轨道系统是平直无砟无缝的轨道，与常规列车铁路轨道相比，该类轨道平直精度高，其上运行橇体速度极高(亚音速到10Ma甚至更高)、载重变化快。火箭橇试验轨道虽然平直精度很高，但仍然存在轨道静态不平顺，火箭橇运行过程中，其轨道随机不平顺将直接影响火箭橇运行的稳定性。轨道不平顺按检测方式可分为静态不平顺和动态不平顺，其中静态不平顺指在没有靴轨作用下的轨道不平顺检测，而动态不平顺指存在靴轨作用下的轨道不平顺检测。火箭橇试验轨道表面的“粗糙度(Roughness)”主要影响靴轨之间摩擦力的大小，进而影响两者间产生的热量、轨道磨损程度及使用寿命；另外，根据研究，当轨道在安装调整点处的位置误差与理论直线在±0.2mm时，火箭橇运行过程受到的振动载荷将增大30％。目前国内外针对火箭橇试验轨道不平顺的研究较少。国内仅仅针对轨道的设计与建造、轨道直线度测量及评估进行了简单的研究；而国外针对轨道的安装进行研究，并通过千分尺等工具对轨道顶部、侧面及底部三个测量位置的“粗糙度”进行数据测量并展开频域处理。目前针对高精度轨道静态不平顺特性的相关研究也是通过采用上述测量数据展开分析。上述有关火箭橇试验轨道不平顺的分析过程仅针对美国霍洛曼高速测试轨道(HollomanHighSpeedTestTrack)，而顶部、侧面及底部的测量数据均为一维数据组，而靴轨接触并不是点接触；且上述数据仅为一次测量结果，火箭橇运行前后由于滑靴对轨道产生的磨损，轨道表面不平顺会发生一定变化，而采用千分尺等工具测量过程慢。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统与分析方法，以解决上述现有技术通过千分尺进行测量过程太慢的问题。本专利技术针对关心轨道段，通过设计的光学系统测量装置对该段轨道进行轨道静态不平顺测量，对测量的高维数据组通过特征提取，实现了对高维不平顺数据组的轨道静态不平顺特征分析。该方法具有测量速度快、调试容易、鲁棒性强、可靠易用等特点，可反映出整个轨道表面的不平顺特性。为达到以上目的，本专利技术是采用如下技术方案予以实现：与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：一种快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统，包括三维光学显微测量系统、载物车、载物车运动控制器和电源；三维光学显微测量系统、载物车运动控制器和电源安装于载物车上，载物车安装于待测轨道上；电源连接三维光学显微测量系统、三维光学显微测量系统存储器和载物车运动控制器，用于向三维光学显微测量系统、三维光学显微测量系统存储器和载物车运动控制器供电；三维光学显微测量系统连接三维光学显微测量系统存储器，三维光学显微测量系统存储器用于存储三维光学显微测量系统采集数据；载物车运动控制器用于控制载物车的运动。定义轨道平面为XY平面，载物车沿轨道运动方向为Y向，与轨道平面垂直且向上的方向为Z向，X、Y、Z方向符合右手法则。进一步的，三维光学显微测量系统包括激光光源、第一半透半反镜、XY扫描系统、第二半透半反镜、第三半透半反镜、镜头、聚光镜、针孔和光接收元件；三维光学显微测量系统工作时，从激光光源发出的激光依次通过第一半透半反镜、XY扫描系统、第二半透半反镜、第三半透半反镜和镜头聚光在待测轨道的测点处；测点处的反射光依次通过镜头、第三半透半反镜、第二半透半反镜、XY扫描系统、第一半透半反镜、聚光镜和针孔到达光接收元件。进一步的，聚光后的点光源通过XY扫描系统进行扫描，扫描同时记录X、Y位置数据，扫描精度为1600×1200。进一步的，镜头在垂直于待测轨道的Z轴方向运动，通过光接收元件接收测点处对焦位置的反射光量的信息，将反射光量最高的点确定为焦点；将对焦位置信息与Z轴方向重叠得到对焦位置处Z方向数据。进一步的，其特征在于，还包括激光水准仪系统；三维光学显微测量系统在测量过程中相对基准的位置由激光水准仪系统确定；激光水准仪系统中配有光电接收靶的水准尺固定在三维光学显微测量系统上，当三维光学显微测量系统工作时记录激光水准仪系统测量数据。快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统所采集数据的分析方法，包括：待测轨道上每个测点i处，三维光学显微测量系统测量的焦点位置处的Z数据存储为Di，激光水准仪系统测量的镜头工作时的Z方向位置为li；将测量数据Di与li叠加，获得矩阵Ai；矩阵Ai的每一列为该测点处沿轨道水平方向轨道不平顺的一个特征，每一行为该测点处沿轨道水平方向轨道不平顺的一个样本；为得到测点处沿轨道水平方向，即X方向轨道不平顺特征，首先计算每个测点矩阵Ai的特征自相关矩阵Ri：Ri＝Ai×Ai'(1)对矩阵Ri进行特征分解，得到对应单位化的特征向量υi,j及特征值λi,j，其中i为测点，j为第j阶对应的特征；最大特征值λi对应的特征向量υi是最能反映矩阵特征的坐标；Riυi＝λiυi(2)将通过笛卡尔坐标表示的矩阵Ai映射到坐标υi得到向量即最大反映出Ai的特征；因此，是最能反映测点i处水平方向轨道静态不平顺特征的向量。将计算得到的每个测点对应的特征向量按顺序存储于C矩阵中，假设沿轨道方向共n个测点，则C为1200*n矩阵；矩阵C的每一列为沿轨道方向轨道不平顺的特征，每一行为沿轨道方向轨道不平顺的一个样本；为得到沿轨道方向轨道静态不平顺特征，计算矩阵C的特征自相关矩阵R2：R2＝C×C′(4)并进行特征分解，得到对应单位化的特征向量δj及特征值ηj；取最大特征值η对应的特征向量δ为沿轨道方向轨道静态不平顺主要特征坐标；R2δ＝ηδ(5)将矩阵C映射到坐标δ上，计算得到对应的向量即为最能反映沿轨道方向静态不平顺特征φ；φ＝C′δ(6)对φ进行频域分析，即为轨道的静态不平顺谱。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术通过光学系统对火箭橇试验轨道进行静态不平顺测量，测量前确定测量模式使测量装置在测量过程中自动运行，不需要人工测量，大大降低了人工成本。在对测量数据的处理过程中，通过对高维数组展开主要特征提取，可反映测点范围内的多点主要特征，而不仅仅是通过千分尺测量得到的单点结果。根据该方法得到的不平顺可为橇体的设计及轨道的养护维修提供支撑。附图说明图1为火箭橇试验轨道静态不平顺特性研究示意图；图2为轨道测点位置截面图；图3为沿轨道方向测点位置图；图4为三维光学显微系统工作原理示意图；图5为火箭橇试验轨道静态不平顺主要特征分析流程图；图6为沿轨道方向轨道静态不平顺主要分布特征图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。请参阅图1所示，本专利技术一种快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统，包括：三维光学显微测量系统1、激光水准仪系统2、载物车3、载物车运动控制器4和电源5。三维光学显微测量系统1、载物车运动控制器4和电源5安装于载物车3上，载物车3安装于待测轨道100上；电源5连接三维光学显微测量系统1、三维光学显微测量系统存储器10和载物车运动控制器4，用于向三维光学显微测量系统1、三维光学显微测量系统存储器10和载物车运动控制器4供电；三维光学显微测量系统1连接三维光学显微测量系统存储本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统，其特征在于，包括三维光学显微测量系统(1)、载物车(3)、载物车运动控制器(4)和电源(5)；三维光学显微测量系统(1)、载物车运动控制器(4)和电源(5)安装于载物车(3)上，载物车(3)安装于待测轨道(100)上；电源(5)连接三维光学显微测量系统(1)、三维光学显微测量系统存储器(10)和载物车运动控制器(4)，用于向三维光学显微测量系统(1)、三维光学显微测量系统存储器(10)和载物车运动控制器(4)供电；三维光学显微测量系统(1)连接三维光学显微测量系统存储器(10)，三维光学显微测量系统存储器(10)用于存储三维光学显微测量系统(1)采集数据；载物车运动控制器(4)用于控制载物车(3)的运动。

【技术特征摘要】
1.一种快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统，其特征在于，包括三维光学显微测量系统(1)、载物车(3)、载物车运动控制器(4)和电源(5)；三维光学显微测量系统(1)、载物车运动控制器(4)和电源(5)安装于载物车(3)上，载物车(3)安装于待测轨道(100)上；电源(5)连接三维光学显微测量系统(1)、三维光学显微测量系统存储器(10)和载物车运动控制器(4)，用于向三维光学显微测量系统(1)、三维光学显微测量系统存储器(10)和载物车运动控制器(4)供电；三维光学显微测量系统(1)连接三维光学显微测量系统存储器(10)，三维光学显微测量系统存储器(10)用于存储三维光学显微测量系统(1)采集数据；载物车运动控制器(4)用于控制载物车(3)的运动。2.根据权利要求1所述的一种快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统，其特征在于，三维光学显微测量系统(1)包括激光光源(11)、第一半透半反镜(12)、XY扫描系统(13)、第二半透半反镜(14)、第三半透半反镜(15)、镜头(16)、聚光镜(17)、针孔(18)和光接收元件(19)；三维光学显微测量系统(1)工作时，从激光光源(1)发出的激光依次通过第一半透半反镜、XY扫描系统、第二半透半反镜、第三半透半反镜和镜头聚光在待测轨道的测点处；测点处的反射光依次通过镜头、第三半透半反镜、第二半透半反镜、XY扫描系统、第一半透半反镜、聚光镜和针孔到达光接收元件。3.根据权利要求2所述的一种快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统，其特征在于，聚光后的点光源通过XY扫描系统进行扫描，扫描同时记录X、Y位置数据，扫描精度为1600×1200。4.根据权利要求2所述的一种快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统，其特征在于，镜头(16)在垂直于待测轨道的Z轴方向运动，通过光接收元件(19)接收测点处对焦位置的反射光量的信息，将反射光量最高的点确定为焦点；将对焦位置信息与Z轴方向重叠得到对焦位置处Z方向数据。5.根据权利要求1至4中任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：董龙雷，张静静，赵建平，刘振，阎桂荣，周嘉明，李宇东，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61