轨道几何参数检测设备及检测方法与流程

本发明属于轨道检测，具体涉及一种轨道几何参数检测设备及检测方法。

背景技术：

1、为保障轨道列车行车的稳定性和安全性，需要定期对轨道进行多项检测，并根据检测结果及时排除轨道中的各种问题，其中包括对钢轨件进行几何参数的检测，几何参数的检测项目包括但不限于轨道的高低不平顺度、轨向不平顺度、超高、轨距等多项。

2、现有技术中，存一种用于检测轨道几何参数的检测小车，该小车能够沿轨道推行，小车上设有位移传感器、陀螺仪、光电编码器等检测部件，能够在推行过程中获得相应的检测数据以及里程数据，然后基于检测数据进行计算分析得到几何参数，并根据里程数据将算出的几何参数对应到轨道位置上。目前，对于轨道高低、轨向不平顺度的计算，主要是采用弦测法。

3、然而，这样的小车及相应的计算分析方法仍有不足之处：

4、检测小车难以保持平稳行进，而影响了检测精度，部分小车采用t形车架以及三个车轮，其一侧仅通过一个车轮载置在钢轨上，该车轮经过轨缝处或钢轨上的缺陷处，易导致小车产生晃动或位置偏移，另一些小车采用四个车轮，在经过钢轨上的缺陷处时，其中一个车轮会产生浮空，而导致里程编码器测得的里程数据不准确。

5、弦测法的基本原理为：检测小车上设多个位移传感器，其中两端的两个位移传感器检测确定一条测量基准线(弦)，中部的一个或多个传感器测得的距离到该弦的距离即为轨道不平顺度的测量值，也称为弦测值，弦测值可表示为轨道真实不平顺度与传递函数的乘积。由于该传递函数是随弦长与不平顺度的波长的比值变化的，因此弦测法有较为严重的缺陷，只有在部分情况下才能正确检测出或近似反映出轨道不平顺度。

技术实现思路

1、本发明是为解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够沿轨道平稳行走的轨道几何参数检测设备以及采用该设备且检测精度更高的轨道几何参数检测方法，本发明采用了如下技术方案：

2、本发明提供了一种轨道几何参数检测设备，其特征在于，包括：车体，具有多个检测部件；承载机构，用于使所述车体可移动地载置在轨道上；数据同步采集装置，用于同步采集所述多个检测部件的检测数据；以及计算分析装置，用于从所述数据同步采集装置获取所述检测数据并进行计算分析，得到所述轨道的几何参数，其中，所述多个检测部件至少包括：惯性测量单元，设置在所述车体的一侧，其包括三轴陀螺仪，用于获取所述车体在行走过程中的角速度信号；以及至少两个线激光传感器，分别设置在所述车体的两侧，用于获取所述轨道的轮廓数据，所述计算分析装置基于所述角速度信号以及所述轮廓数据进行计算分析，得到所述轨道的几何参数，至少包括所述轨道的不平顺度、轨距以及超高。

3、本发明提供的轨道几何参数检测设备，还可以具有这样的技术特征，其中，所述计算分析装置包括：高低计算对应部，基于所述角速度信号计算所述轨道各测量点的高低不平顺度值，并将所述高低不平顺度值与所述里程数据相对应；轨向计算对应部，基于所述角速度信号计算所述轨道各测量点的轨向不平顺度值，并将所述轨向不平顺度值与所述里程数据相对应；轨距计算对应部，基于所述轮廓数据计算所述轨道各测量点的轨距值，并将所述轨距值与所述里程数据相对应；以及超高计算对应部，基于所述角速度信号以及所述轨距值计算所述轨道各测量点的超高值，并将所述超高值与所述里程数据相对应。

4、本发明提供的轨道几何参数检测设备，还可以具有这样的技术特征，其中，所述高低计算对应部包括：第一低通滤波部分，对所述角速度信号进行低通滤波，以去除所述角速度信号中的陀螺仪趋势项；第一补偿滤波部分，对低通滤波后的所述角速度信号进行相应的补偿滤波；第一角速度解算部分，对补偿滤波后的所述角速度信号采用基于四元数的解算方法进行解算，得到俯仰角速度信号；第一陀螺仪趋势项去除部分，采用emd经验模态分解方法进一步去除所述俯仰角速度信号中的所述陀螺仪趋势项；第一逆滤波部分，根据预定的轨道高低不平顺度与俯仰角之间的传递函数，对进一步去除趋势项后的所述俯仰角速度信号进行逆滤波，得到所述轨道测量点的高低不平顺度值；以及高低不平顺度对应部分，将所述高低不平顺度值与相应的所述里程数据对应存储。

5、本发明提供的轨道几何参数检测设备，还可以具有这样的技术特征，其中，所述轨向计算对应部包括：第二低通滤波部分，对所述角速度信号进行低通滤波，以去除所述角速度信号中的陀螺仪趋势项；第二补偿滤波部分，对低通滤波后的所述角速度信号进行相应的补偿滤波；第二角速度解算部分，对补偿滤波后的所述角速度信号采用基于四元数的解算方法进行解算，得到航向角速度信号；第二陀螺仪趋势项去除部分，采用emd经验模态分解方法进一步去除所述航向角速度信号中的所述陀螺仪趋势项；轨道趋势项复原部分，采用弯道曲线复原方法对所述航向角速度信号中的因所述轨道的结构而产生的轨道趋势项进行复原；第二逆滤波部分，根据预定的轨道轨向不平顺度与航向角之间的传递函数，对复原后的所述航向角速度信号进行逆滤波，得到所述轨道测量点的轨向不平顺度值；以及轨向不平顺度对应部分，将所述轨向不平顺度值与相应的所述里程数据对应存储。

6、本发明提供的轨道几何参数检测设备，还可以具有这样的技术特征，其中，所述弯道曲线复原方法基于测得的所述轨道的多个测量点的航向角以及相应的里程数据，计算所述轨道的角度变化量，并基于该角度变化量对进一步去除所述陀螺仪趋势项后的所述航向角速度信号进行修正，所述角度变化量的计算公式为：

7、xi+1＝xi+dx＝xi+dl*cosθi

8、yi+1＝yi+dy＝yi+dl*sinθi

9、式中，θi为在轨道上第i个测量点处轨道线路的航向角，dl为所述轨道几何参数检测设备沿所述轨道进前的位置增量。

10、本发明提供的轨道几何参数检测设备，还可以具有这样的技术特征，其中，所述轨距计算对应部包括：轮廓数据预处理部分，对所述轮廓数据进行预处理；轮廓数据拼接部分，根据标定参数将多个所述线激光传感器的预处理后的所述轮廓数据进行拼接，得到多帧分别对应于所述轨道的多个横断面的轨道轮廓数据；轨距特征点识别部分，在所述轨道轮廓数据中识别出用于进行轨距计算的轨距特征点；轨距值计算部分，计算各帧所述轨道轮廓数据中的两个所述轨距特征点之间的距离作为轨距值；以及轨距值对应部分，将所述轨距值与相应的所述里程数据对应存储。

11、本发明提供的轨道几何参数检测设备，还可以具有这样的技术特征，其中，所述超高值计算对应部包括：第三低通滤波部分，对所述角速度信号进行低通滤波，以去除所述角速度信号中的陀螺仪趋势项；第三补偿滤波部分，对低通滤波后的所述角速度信号进行相应的补偿滤波；第三角速度解算部分，对补偿滤波后的所述角速度信号采用基于四元数的解算方法进行解算，得到翻滚角速度信号；超高值计算部分，基于所述翻滚角速度信号中的翻滚角以及相应的所述轨距值计算出所述轨道测量点的超高值；以及超高值对应部分，将所述超高值与相应的进程数据对应存储。

12、本发明提供的轨道几何参数检测设备，还可以具有这样的技术特征，其中，所述多个检测部件还包括倾角仪，设置在所述车体的中部，用于获取所述车体在行走过程中的翻滚角速度信号，所述超高计算对应部还包括翻滚角速度融合部分，将由所述角速度信号解算出的翻滚角速度信号与所述倾角仪测得的翻滚角速度信号进行融合，得到融合后的翻滚角速度信号，所述超高值计算部分基于融合后的翻滚角速度信号以及相应的所述轨距值计算出所述超高值。

13、本发明提供的轨道几何参数检测设备，还可以具有这样的技术特征，其中，所述承载机构包括分别设置在所述车体两侧的两个承载单元以及浮动连接组件，每个所述承载单元包括承载轮支架以及多个所述承载轮，其中一个所述承载单元的所述承载轮支架通过所述浮动连接组件可浮动地连接在所述车体上，连接有所述浮动连接组件的所述承载单元还包括弹簧侧轮组件，另一个所述承载单元还包括固定侧轮组件，所述弹簧侧轮组件与所述固定侧轮组件配合对所述车体进行水平方向上的限位，所述里程编码器设置在具有固定侧轮组件的所述承载单元的其中一个所述承载轮上，所述里程编码器的检测轴与该承载轮的转轴连接。

14、本发明提供了一种采用上述轨道几何参数检测设备对轨道进行几何参数检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：在所述轨道几何参数检测设备沿所述轨道行进的过程中，所述数据同步采集装置同步采集所述多个检测部件测得的轨道的检测数据，所述检测数据至少包括通过所述三轴陀螺仪测得的角速度信号、通过至少两个所述线激光传感器测得的轮廓数据；所述计算分析装置从所述数据同步采集装置获取所述检测数据，并基于所述角速度信号以及所述轮廓数据进行计算分析，得到所述轨道的几何参数，至少包括所述轨道的不平顺度值、轨距以及超高值。

15、发明作用与效果

16、根据本发明的轨道几何参数检测设备及检测方法，该设备包括车体、承载机构、数据同步采集装置以及计算分析装置，由于车体上高有惯性测量单元以及多个线激光传感器，因此在该设备沿轨道行走的过程中，能够通过惯性测量单元中的三轴陀螺仪检测获取车体的角速度信号、通过线激光传感器扫描获取轨道轮廓数据，数据同步采集装置能够同步采集这些检测数据并传输给计算分析装置，计算分析装置能够基于这些数据进行计算分析，从而得到包括轨道的不平顺度、超高、轨距等多种轨道几何参数，即使用该设备能够覆盖多项轨道几何参数检测项目，且自动化程度高。