一种基于激光轮廓传感器的轮轨动态位置监测方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于激光轮廓传感器的轮轨动态位置监测方法及系统，该方法包括：步骤S1、在被测轮对的多个方位分别安装激光轮廓传感器，车辆运行过程中，实时采集对应位置轨道外轮廓；步骤S2、将激光轮廓传感器采集的轨道轮廓与实际轨道轮廓进行曲线形状匹配，计算在各传感器坐标系下轨道外轮廓顶点坐标；步骤S3、采用坐标变换方法将传感器坐标系中的轨道外轮廓顶点坐标转换至轨道坐标系中；步骤S4、联立各个激光轮廓传感器转换后的坐标方程，并求解得到被测轮对相对于轨道的位置信息，以及轨道的水平不平顺与轨距不平顺。与现有技术相比，本发明专利技术可实时准确获取轮轨接触状态，并在线评估线路的轨道不平顺。线评估线路的轨道不平顺。线评估线路的轨道不平顺。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光轮廓传感器的轮轨动态位置监测方法及系统


[0001]本专利技术涉及轨道车辆监测
，尤其是涉及一种基于激光轮廓传感器的轮轨动态位置监测方法及系统。

技术介绍

[0002]随着轨道交通不断向安全与智能的方向发展，轨道列车的走行部实时状态监测逐渐成为研究的热点。其中，轮轨相对位置关系的实时测量，由于轮轨接触关系复杂、传感器布置困难、对于检测的准确度与速度要求较高等原因，长期以来尚未提出有效的监测方式。
[0003]轮轨相对位置关系主要包括轮对相对于轨道坐标系的横移、摇头角、侧滚角与点头角等距离与角度关系。现有轮轨关系的测量方法通常采用基于点激光位移传感器的检测方案，即从轴箱或轮对上向轨道投射若干组点激光束用于测量轮对不同点位相对于轨道的间距，进而计算获得轮轨的相对位移与冲角。然而，由于轮轨接触的几何非线性，在车辆运行过程中轮轨相对位置关系迅速变化，传统基于点激光位移传感器的检测方案，由于无法保证激光束投射于轨道外轮廓的固定位置，难以应用于实际的轮轨关系检测中。
[0004]经过检索，中国专利技术专利CN106871805B提出的《车载钢轨轨距测量系统及测量方法》，其两组点激光源难以保证始终投射至轨道腰身，并且其相机拍摄系统也难以迅速适应复杂的车辆运行明暗环境，由于处理图像数据计算度较高，其实时性也难以保证。
[0005]中国专利技术专利CN108001481B提出的《基于双激光源的车载式轮轨位移图像检测方法及检测装置》需要将点激光投射至钢轨轨面，当车辆具有较大横移或冲角时，点激光的投射位置很难保证落在轨面之上，这种情况下将无法正确计算轮轨之间的相对关系。同时，由轮对中心位置投射的激光也容易被车载设备与车轮阻挡。
[0006]中国专利技术专利CN110667643B提出的《轮轨接触状态与车轮踏面故障的激光检测系统与方法》为地面测量系统，无法用于实时测量轮轨接触位置关系。
[0007]为了克服上述由于点激光投射带来的测量点不稳定、难以应用于车载动态测量的问题，亟需设计一种新的轮轨相对位置测量方法及系统。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的由于点激光投射带来的测量点不稳定、难以应用于车载动态测量的缺陷而提供了一种基于激光轮廓传感器的轮轨动态位置监测方法及系统。
[0009]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0010]根据本专利技术的第一方面，提供了一种基于激光轮廓传感器的轮轨动态位置监测方法，该方法包括以下步骤：
[0011]步骤S1、在被测轮对的多个方位分别安装激光轮廓传感器，车辆运行过程中，实时采集对应位置轨道外轮廓；
[0012]步骤S2、将激光轮廓传感器采集的轨道轮廓与实际轨道轮廓进行曲线形状匹配，
计算在各传感器坐标系下轨道外轮廓顶点坐标；
[0013]步骤S3、采用坐标变换方法将传感器坐标系中的轨道外轮廓顶点坐标转换至轨道坐标系中；
[0014]步骤S4、联立各个激光轮廓传感器转换后的坐标方程，并求解得到被测轮对相对于轨道的位置信息，以及轨道的水平不平顺与轨距不平顺。
[0015]优选地，所述步骤S1中在被测轮对的多个方位分别安装激光轮廓传感器，具体为：在被测轮对左前方、左后方、右前方安装激光轮廓传感器，并分别定义为第一激光轮廓传感器、第二激光轮廓传感器和第三激光轮廓传感器。
[0016]优选地，所述第一激光轮廓传感器和第三激光轮廓传感器以所述被测轮对的纵向几何中心线为基准左右对称分布，所述第一激光轮廓传感器和第二激光轮廓传感器以所述被测轮对的横向几何中心线为基准前后对称分布，且各激光轮廓传感器的安装位置为同一高度，测量方向均为竖直向下投射至轨道。
[0017]优选地，在轮轨相对位置关系的计算中，定义以下四个坐标系：
[0018]轨道坐标系O
r
；
[0019]将被测轮对的横移量与摇头角均为0时，被测轮对几何中心投影在轨道基础上的点定义为坐标原点，以轨道延伸方向为x轴、横向向右为y轴、垂直向上为z轴；
[0020]轮对中心坐标系O
ws
；
[0021]将轨道坐标系O
r
绕其三坐标轴Z、Y、X具有三个方向的旋转角，分别为摇头角ψ、侧滚角点头角θ，再横向平移l
w
并垂向平移h得到轮对中心坐标系O
ws
，其中，l
w
为被测轮对相对于轨道坐标系O
r
的位移，h为被测轮对相对于轨道坐标系O
r
的高度差；其中，h为车辆系统的已知几何量，l
w
、ψ、θ为轮轨动态相对位置待测量；
[0022]传感器中心坐标系O
s
；
[0023]传感器中心坐标系O
s
由轮对中心坐标系O
ws
经过横向平移m、纵向平移n、垂向平移p得到，坐标原点为三组激光轮廓传感器激光出射点的中心；其中，m、n、p均为已知几何量；
[0024]传感器局部坐标系O
si
，i＝1,2,3；
[0025]激光轮廓传感器的横向布置间距为2l
y
，纵向布置间距为2l
x
；
[0026]第一激光轮廓传感器坐标系O
s1
由传感器中心坐标系O
s
横向平移
‑
l
y
并纵向平移l
x
得到，第二激光轮廓传感器坐标系O
s2
由传感器中心坐标系O
s
横向平移
‑
l
y
并纵向平移
‑
l
x
得到，第三激光轮廓传感器坐标系O
s3
由传感器中心坐标系O
s
横向平移l
y
并纵向平移l
x
得到；其中，l
x
与l
y
均为已知几何量。
[0027]优选地，所述步骤S2中将激光轮廓传感器采集的轨道轮廓与实际轨道轮廓进行曲线形状匹配，具体为：采用最小二乘法对激光轮廓传感器采集的轨道轮廓与实际轨道轮廓进行曲线形状匹配。
[0028]优选地，所述步骤S2包括以下子步骤：
[0029]步骤S2.1、对于传感器局部坐标系O
si
中轨道外形测量点集P，在y方向进行等距节点插值，插值节点数为N个，形成插值点集Q
si
；；
[0030]步骤S2.2、连接各相邻插值后的坐标点，形成N
‑
1个向量q
j
为插值点集Q
si
中的坐标点；计算各个相邻向量的夹角Φ
j
；
[0031]步骤S2.3、选取二次函数z＝θ1+θ2y+θ3y2作为夹角Φ
j
拟合的模板函数，列写为矩阵形式的方程组；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光轮廓传感器的轮轨动态位置监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤S1、在被测轮对的多个方位分别安装激光轮廓传感器，车辆运行过程中，实时采集对应位置轨道外轮廓；步骤S2、将激光轮廓传感器采集的轨道轮廓与实际轨道轮廓进行曲线形状匹配，计算在各传感器坐标系下轨道外轮廓顶点坐标；步骤S3、采用坐标变换方法将传感器坐标系中的轨道外轮廓顶点坐标转换至轨道坐标系中；步骤S4、联立各个激光轮廓传感器转换后的坐标方程，并求解得到被测轮对相对于轨道的位置信息，以及轨道的水平不平顺与轨距不平顺。2.根据权利要求1所述的一种基于激光轮廓传感器的轮轨动态位置监测方法，其特征在于，所述步骤S1中在被测轮对的多个方位分别安装激光轮廓传感器，具体为：在被测轮对左前方、左后方、右前方安装激光轮廓传感器，并分别定义为第一激光轮廓传感器、第二激光轮廓传感器和第三激光轮廓传感器。3.根据权利要求2所述的一种基于激光轮廓传感器的轮轨动态位置监测方法，其特征在于，所述第一激光轮廓传感器和第三激光轮廓传感器以所述被测轮对的纵向几何中心线为基准左右对称分布，所述第一激光轮廓传感器和第二激光轮廓传感器以所述被测轮对的横向几何中心线为基准前后对称分布，且各激光轮廓传感器的安装位置为同一高度，测量方向均为竖直向下投射至轨道。4.根据权利要求2所述的一种基于激光轮廓传感器的轮轨动态位置监测方法，其特征在于，在轮轨相对位置关系的计算中，定义以下四个坐标系：轨道坐标系O
r
；将被测轮对的横移量与摇头角均为0时，被测轮对几何中心投影在轨道基础上的点定义为坐标原点，以轨道延伸方向为x轴、横向向右为y轴、垂直向上为z轴；轮对中心坐标系O
ws
；将轨道坐标系O
r
绕其三坐标轴Z、Y、X具有三个方向的旋转角，分别为摇头角ψ、侧滚角点头角θ，再横向平移l
w
并垂向平移h得到轮对中心坐标系O
ws
，其中，l
w
为被测轮对相对于轨道坐标系O
r
的位移，h为被测轮对相对于轨道坐标系O
r
的高度差；其中，h为车辆系统的已知几何量，l
w
、ψ、θ为轮轨动态相对位置待测量；传感器中心坐标系O
s
；传感器中心坐标系O
s
由轮对中心坐标系O
ws
经过横向平移m、纵向平移n、垂向平移p得到，坐标原点为三组激光轮廓传感器激光出射点的中心；其中，m、n、p均为已知几何量；传感器局部坐标系O
si
，i＝1,2,3；激光轮廓传感器的横向布置间距为2l
y
，纵向布置间距为2l
x
；第一激光轮廓传感器坐标系O
s1
由传感器中心坐标系O
s
横向平移
‑
l
y
并纵向平移l
x
得到，第二激光轮廓传感器坐标系O
s2
由传感器中心坐标系O
s
横向平移
‑
l
y
并纵向平移
‑
l
x
得到，第三激光轮廓传感器坐标系O
s3
由传感器中心坐标系O
s
横向平移l
y
并纵向平移l
x
得到；其中，l
x
与l
y
均为已知几何量。5.根据权利要求4所述的一种基于激光轮廓传感器的轮轨动态位置监测方法，其特征
在于，所述步骤S2中将激光轮廓传感器采集的轨道轮廓与实际轨道轮廓进行曲线形状匹配，具体为：采用最小二乘法对激光轮廓传感器采集的轨道轮廓与实际轨道轮廓进行曲线形状匹配。6.根据权利要求5所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏居垚，陆正刚，雍心剑，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：