一种基于非接触式测量的高速铁路轨道几何参数检测方法技术

本发明专利技术属于精密检测技术，具体为一种基于非接触式测量的高速铁路轨道几何参数检测方法，首先通过惯性导航系统与高精度差分卫星定位系统进行组合导航解算，得到惯性测量单元的空间位置及姿态信息，由于激光测距仪与惯性测量单元的安装关系可以通过标定获得，从而可以得到激光测距仪的位置及姿态信息，根据拟合得到的轨道特征点三维坐标，可以计算得到测量过程中任意处轨道特征点相对于起始点的三维位移信息，从而能够实现轨道几何参数高精度、高效率、动态、连续测量。

A non-contact measurement based method for measuring the geometric parameters of high-speed railway track

【技术实现步骤摘要】
一种基于非接触式测量的高速铁路轨道几何参数检测方法
本专利技术属于精密检测技术，具体涉及一种基于非接触式测量的高速铁路轨道几何参数检测方法。
技术介绍
为保障轨道交通的运营安全，近年来，轨道精密检测技术得到快速发展，多个国家投入了大量的人力物力来研制和更新各种轨道检测方法，以满足当今铁路高速和重载的要求。由于车载式动态检测方式对正常运营影响小、效率高、速度快，且真实地反映了在列车运行条件下的基础设施状态，已经成为铁路和城轨交通基础设施安全状态的主要检测手段之一。轨道几何参数状态检测主要包括轨距、轨向、高低等检测项目，其中轨距是指同一横截面左、右股钢轨工作面下16mm处轨距点之间的距离。常用的测量轨距方法主要有接触式测量和非接触式测量两大种类。接触式轨距测量方法是利用线位移传感器实现对轨距的测量，检测过程中通过机械结构保证传感器与待测轨道轨距点时刻接触，测量效率低，且不适用于高速测量。常用的非接触式轨距测量方法是利用摄像机构对轨距内侧断面连续摄像，通过图像重构的方法重现轨道内侧面曲线，计算出轨距值。这种测量方法测量精度高，且不受检测速度影响，但是这种方法易受光线干扰，对使用环境要求苛刻，使用范围受到限制。对轨道轨向、高低的检测方法主要包括弦测法、惯性基准法等，其中弦测法是指采用人工拉线的方法在轨道上真实搭建一条弦线，通过测量轨道轨顶面(轨距点)与该弦线的相对位移，评价轨道高低(轨向)平顺性。弦测法波长与检测弦的长度密切相关，当需要分析多种波长的轨道平顺性时，需要更换检测装置重新测量，或者根据当前检测结果进行“以小推大”的转换，前者增加了检测人员的工作量，工作效率低，后者存在较大误差。惯性基准法是在运用捷联惯性导航技术的基础上，分别用加速度计测量运载体在三个轴向的加速度信息，用陀螺仪测量三个轴向的角速率信息，通过加速度以及角速率信息建立一个惯性参考基准，再利用位移传感器或图像传感器测量轨道相对于基准的相对位置，从而得到钢轨在惯性坐标系内的相对位置。目前，世界大多数国家的铁路轨道检测方法都经历了由弦测法到惯性基准法的转变，尤其在高速铁路检测领域，各个国家都在着力研制基于惯性技术的综合性强、精度高、速度快、高智能且高可靠性的先进轨道检测方法。如美国Ensco公司研制的T10型轨检车就采用了惯性基准测量原理和非接触式测量方法，可以对轨道几何参数，钢轨断面、波浪磨耗等参数进行测量。意大利“阿基米德”号综合检测列车同样采用基于惯性基准法的非接触式测量方案，能够检测包括轨道几何参数、钢轨断面、钢轨波浪磨耗、接触网及受流状态、通信和信号、车体和轴箱加速度以及轮轨作用力在内的119个不同参数。法国MVG综合检测列车，检测速度设计为320km/h，检测参数包括了轨道几何参数、钢轨断面、钢轨表面、通信信号、线路环境数字图像、扣件、枕木和道碴等各项基础设施状态。我国GJ-3型、GJ-4型以及GJ-5型轨道检测车均采用基于惯性技术的轨道检测方法，但对检测车的行驶速度有着严格的要求，以GJ-5型轨道检测车为例，其最高测量时速仅为180km/h。从国内外的技术发展来看，在高速环境下，基于惯性技术的非接触式测量是普遍采用的方式，主要是通过陀螺角速率信息不断更新姿态矩阵，将加速度信息转换到地理坐标系中，并对转换后的加速度信号进行连续的两次积分，从而获得惯性测量单元的空间运动轨迹，再通过图像重构等方法重现轨道内侧曲面计算，得到轨距、平顺性等轨道几何参数。但是，这种方法对轨道检测车的运行速度有严格的要求，而且很难满足高铁对150米以上长波平顺性的测量需求。本专利技术提出一种基于惯性/激光测量的轨道几何参数检测方法，对列车运行速度没有严格的要求，可以应用于正常营运的列车，并且可以满足150米、300米等长波平顺性的测量需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于非接触式测量的高速铁路轨道几何参数检测方法。本专利技术的技术方案如下：一种基于非接触式测量的高速铁路轨道几何参数检测方法，该方法包括如下步骤：步骤1)惯性/卫星组合导航计算，得到惯性测量单元的位置、速度及姿态信息步骤2)激光测量数据处理2.1)将惯性测量数据与激光测量数据时间对齐；2.2)对不同测量时刻测量得到的轨道特征点坐标有效性进行判断；2.3)计算得到有效轨道特征点的三维位置坐标步骤3)轨道位置坐标拟合计算3.1)根据轨道特征点坐标计算各测量点相对于初始点的位移SS＝S+ΔS式中，为相邻两个时刻轨道特征点三维坐标，ΔS为相邻两点之间的位移变化量；3.2)分段坐标拟合以0.625m为固定长度进行分段坐标拟合，若S＞0.625m，则可以得到拟合后的轨道位置坐标式中，为拟合得到的轨道特征点三维坐标，n为以0.625m间隔拟合的次数；步骤4)利用拟合得到的轨道特征点三维坐标确定测量过程中任意处轨道特征点相对于起始点的三维位移信息。所述的步骤1)具体为：1.1)确定状态方程状态变量w为系统噪声，A为系统状态矩阵1.2)确定测量方程Kalman滤波量测方程为Z＝HX+v式中，Z表示Kalman滤波观测量，H表示系统观测矩阵，v为系统量测噪声；观测量为表示惯导解算得到的导航坐标系速度、表示差分卫星定位输出的导航坐标系速度分量；观测矩阵H为1.3)进行卡尔曼滤波估计，对惯导系统位置误差、速度误差以及姿态误差进行估计；1.4)对得到的状态估计值进行误差修正，得到惯性测量单元的位置、速度及姿态信息。所述的步骤2.2)对不同测量时刻测量得到的轨道特征点坐标有效性进行判断，具体为：设不同时刻激光测量得到的轨道特征点坐标为(xi,yi,zi)、(xi+1,yi+1,zi+1)、(xi+2,yi+2,zi+2)若|xi+1-xi|＞ζ且|xi+2-xi|＜ζ，则xi+1为异常坐标值，需要重新对xi+1进行拟合，xi+1＝(xi+xi+2)/2；若|yi+1-yi|＞ζ且|yi+2-yi|＜ζ，则yi+1为异常坐标值，需要重新对yi+1进行拟合，yi+1＝(yi+yi+2)/2；若|zi+1-zi|＞ζ且|zi+2-zi|＜ζ，则zi+1为异常坐标值，需要重新对zi+1进行拟合，zi+1＝(zi+zi+2)/2；其中，ζ是常值，为0.1-0.5。所述的步骤2.3)具体为：设经过有效性判断后激光测量得到的轨道特征点相对坐标为(x,y,z)，根据惯性/卫星组合得到的位置(px,py,pz)，可以计算得到轨道特征点的三维位置坐标式中，Lb为激光测距仪与惯性测量单元之间的杆臂，试验前通过标定获得，Cα为激光测量坐标系到载体坐标系的转换矩阵，为惯导系统载体坐标系到导航坐标系的转换矩阵。本专利技术的显著效果在于：本方法以惯性测量为基准，利用惯性测量单元的位置、姿态信息以及激光测量得到的轨道特征点坐标信息，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非接触式测量的高速铁路轨道几何参数检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：/n步骤1)惯性/卫星组合导航计算，得到惯性测量单元的位置、速度及姿态信息/n步骤2)激光测量数据处理/n2.1)将惯性测量数据与激光测量数据时间对齐；/n2.2)对不同测量时刻测量得到的轨道特征点坐标有效性进行判断；/n2.3)计算得到有效轨道特征点的三维位置坐标/n步骤3)轨道位置坐标拟合计算/n3.1)根据轨道特征点坐标计算各测量点相对于初始点的位移S/nS＝S+ΔS/n

【技术特征摘要】
1.一种基于非接触式测量的高速铁路轨道几何参数检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1)惯性/卫星组合导航计算，得到惯性测量单元的位置、速度及姿态信息
步骤2)激光测量数据处理
2.1)将惯性测量数据与激光测量数据时间对齐；
2.2)对不同测量时刻测量得到的轨道特征点坐标有效性进行判断；
2.3)计算得到有效轨道特征点的三维位置坐标
步骤3)轨道位置坐标拟合计算
3.1)根据轨道特征点坐标计算各测量点相对于初始点的位移S
S＝S+ΔS



式中，为相邻两个时刻轨道特征点三维坐标，ΔS为相邻两点之间的位移变化量；
3.2)分段坐标拟合
以0.625m为固定长度进行分段坐标拟合，若S＞0.625m，则可以得到拟合后的轨道位置坐标



式中，为拟合得到的轨道特征点三维坐标，n为以0.625m间隔拟合的次数；
步骤4)利用拟合得到的轨道特征点三维坐标确定测量过程中任意处轨道特征点相对于起始点的三维位移信息。


2.如权利要求1所述的一种基于非接触式测量的高速铁路轨道几何参数检测方法，其特征在于，所述的步骤1)具体为：
1.1)确定状态方程



状态变量X＝[δVNδVUδVEφNφUφEδLδhδλ▽x▽y▽zεxεyεz]T
w为系统噪声，A为系统状态矩阵
1.2)确定测量方程
Kalman滤波量测方程为
Z＝HX+v
式中，Z表示Kalman滤波观测量，H表示系统观测矩阵，v为系统量测噪声；
观测量为表示惯导解算得到的导航坐标系速度、表示差分卫星定位输出的导航坐标系速度分量...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓继权，郭玉胜，王海军，艾赢涛，马小艳，张吉先，莫明岗，
申请(专利权)人：北京自动化控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11