CN103115581A - 多功能轨道测量***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能轨道测量***及方法。该***包括轨道车、水平仪、三维测量装置及数据处理终端，轨道车的左侧安装有左轨侧激光三维轮廓扫描装置，左轨侧激光三维轮廓扫描装置具有发出指向左轨内侧并至少覆盖从轨顶部至轨头与轨腰结合部的扫描激光带的激光发射器以及与之对应的激光接收器；轨道车的右侧安装有与所述左轨侧激光三维轮廓扫描装置之间已标定相对位置的右轨侧激光三维轮廓扫描装置，右轨侧激光三维轮廓扫描装置具有发出指向右轨内侧并至少覆盖从轨顶部至轨头与轨腰结合部的扫描激光带的激光发射器以及与之对应的激光接收器；数据处理终端接收测量信号并进行处理后至少能够获得被测轨道的轨距、超高、轨向及轨面轮廓测量值。

Description

多功能轨道测量***及方法
技术领域
本发明涉及轨道测量***及方法，尤其涉及铁路运输轨道测量***及方法。
背景技术
一种已知的铁路运输轨道测量***是由安伯格技术公司（Amberg Technologies）提供的GRP轨道测量***。该***主要由使用时放置在左轨和右轨上并沿轨道方向运动的轨道车、徕卡TPS系列全站仪、安装在轨道车上的轨距传感器、超高传感器和里程计传感器，以及数据处理终端等设备所组成。这种轨道测量***的不足之处在于缺少对轨面轮廓的扫描测量；而且全站仪不对安装在轨道车上的反射棱镜进行实时地跟踪并测角测距，导致对轨道轨向的测量精度不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多功能轨道测量***及方法。
本发明的多功能轨道测量***包括：轨道车，所述轨道车放置在左轨和右轨上并沿轨道方向运动；水平仪，所述水平仪安装在轨道车上；三维测量装置，所述三维测量装置具有对设置在轨道车上的目标进行三维空间定位的测量仪器；以及数据处理终端；所述轨道车的左侧安装有左轨侧激光三维轮廓扫描装置，所述左轨侧激光三维轮廓扫描装置具有发出指向左轨内侧并至少覆盖从轨顶部至轨头与轨腰结合部的扫描激光带的激光发射器以及与之对应的激光接收器；所述轨道车的右侧安装有与所述左轨侧激光三维轮廓扫描装置之间已标定相对位置的右轨侧激光三维轮廓扫描装置，所述右轨侧激光三维轮廓扫描装置具有发出指向右轨内侧并至少覆盖从轨顶部至轨头与轨腰结合部的扫描激光带的激光发射器以及与之对应的激光接收器；所述数据处理终端接收来自于水平仪、三维测量装置、左轨侧激光三维轮廓扫描器以及右轨侧激光三维轮廓扫描器的测量信号并进行处理后至少能够获得被测轨道的轨距、超高、轨向及轨面轮廓测量值。
所述左轨侧激光三维轮廓扫描器和右轨侧激光三维轮廓扫描器分别安装在轨道车的左侧和右侧，在轨道车的运行过程中，由左轨侧激光三维轮廓扫描器发出的扫描激光带沿左轨长度方向扫过左轨表面，由右轨侧激光三维轮廓扫描器发出的扫描激光带沿右轨长度方向扫过右轨表面，最终获得左轨及右轨的轨面轮廓测量值。在上述扫描过程中，左轨侧激光三维轮廓扫描器能够测量出左轨轨距测量基点与左轨侧激光三维轮廓扫描器之间的相对坐标（属于三维激光扫描技术中的现有技术），右轨侧激光三维轮廓扫描器能够测量出右轨轨距测量基点与右轨侧激光三维轮廓扫描器之间的相对坐标，同时，左轨侧激光三维轮廓扫描器与右轨侧激光三维轮廓扫描器之间的相对坐标又已标定，在这样的条件下，数据处理终端将左轨轨距测量基点与左轨侧激光三维轮廓扫描器之间的相对坐标、右轨轨距测量基点与右轨侧激光三维轮廓扫描器之间的相对坐标，以及左轨侧激光三维轮廓扫描器与右轨侧激光三维轮廓扫描器之间的相对坐标进行坐标变换运算后就能够获得左轨轨距测量基点与右轨轨距测量基点之间的相对坐标（也就得到了轨距）的测量值；在此基础上，再将所述轨距测量值与由水平仪测量出的倾斜度进行三角函数运算后就可获得被测轨道的超高测量值。
所述的三维测量装置可以采用经纬仪测量***、全站仪测量***、近景数字摄影视觉测量***以及激光跟踪***。上述这些三维测量装置已在工业上广泛运用，均能够实现对被测目标进行三维空间定位的功能。由于三维测量装置能够对设置在轨道车上的目标进行三维空间定位，因此只要实时或间断（间断周期不能太长）的对所述目标的瞬时位置进行测量，就能够计算出目标的运动轨迹，从而获得被测轨道的轨向测量值。
由此可见，本发明的上述多功能轨道测量***能够获得被测轨道的轨距、超高、轨向及轨面轮廓测量值，具有较为全面的轨道测量能力。特别是，本发明的上述多功能轨道测量***能够获得轨面轮廓的测量值，尤其适合于轨道道岔处的测量。
作为对本发明的上述多功能轨道测量***的进一步优化，所述三维测量装置采用激光跟踪***，该激光跟踪***中的激光***固定在轨道车附近并实时跟踪安装在轨道车上的反射器；所述数据处理终端接收来自于激光***的测量信号并进行处理后至少能够获得被测轨道的轨向测量值。
激光***的特点是实时地跟踪反射器并测角测距，因此能够非常精确的建立反射器的运动轨迹，从而提高对轨道轨向的测量精度。由于激光***能够精确的建立反射器的运动轨迹，就可通过该运动轨迹精确的计算出轨道车的运行里程，因而，本发明的多功能轨道测量***还能够具备通过所述数据处理终端接收来自于激光***的测量信号并进行处理后获得轨道车运行里程的测量值的功能，以便取消现有的里程计传感器。
作为对本发明的上述多功能轨道测量***的再进一步优化，最好确保所述左轨侧激光三维轮廓扫描装置发出的扫描激光带与右轨侧激光三维轮廓扫描装置发出的扫描激光带位于同一与被测轨道垂直的基准平面上。这样，就能够完全避免由于左右的扫描激光带在轨道方向上互相错开而导致对轨距、超高测量不准确问题。基于相同的道理，水平仪的中心最好也应位于所述的基准平面上。
作为对本发明的上述多功能轨道测量***的更进一步优化，所述轨道车上安装有使轨道车紧靠左轨轨头内侧壁运行的磁性元件，所述磁性元件位于轨道车的左侧车底处并靠近左轨内侧；或者，所述轨道车上安装有使轨道车紧靠右轨轨头内侧壁运行的磁性元件，所述磁性元件位于轨道车的右侧车底处并靠近右轨内侧。
在此基础上，所述轨道车的车体为一左宽右窄的结构，位于轨道车左侧车底处的磁性元件分布在该左侧车底处的前后两端，且左轨侧激光三维轮廓扫描装置位于这两端的磁性元件之间；或者，所述轨道车的车体为一右宽左窄的结构，位于轨道车右侧车底处的磁性元件分布在该右侧车底处的前后两端，且右轨侧激光三维轮廓扫描装置位于这两端的磁性元件之间。
以上的磁性元件具有向左（右）轨内侧进行吸附的趋势，由此使得轨道车车轮轮缘紧贴住左（右）轨轨头内侧壁，防止轨道车运行时左右振动，影响轨向测量的准确度。而将轨道车的车体设计为左（右）宽右（左）窄的结构，既便于将磁性元件前后分布在车体较宽的一侧以保证磁力平衡，又可提高对车体较窄的一侧的轨道进行激光三维轮廓扫描测量的准确度。
本发明的多功能轨道测量方法，采用的多功能轨道测量***包括：轨道车，所述轨道车放置在左轨和右轨上并沿轨道方向运动；水平仪，所述水平仪安装在轨道车上；三维测量装置，所述三维测量装置具有对设置在轨道车上的目标进行三维空间定位的测量仪器；以及数据处理终端；其中，所述轨道车的左侧安装有左轨侧激光三维轮廓扫描装置，所述左轨侧激光三维轮廓扫描装置具有发出指向左轨内侧并至少覆盖从轨顶部至轨头与轨腰结合部的扫描激光带的激光发射器以及与之对应的激光接收器；所述轨道车的右侧安装有与所述左轨侧激光三维轮廓扫描装置之间已标定相对位置的右轨侧激光三维轮廓扫描装置，所述右轨侧激光三维轮廓扫描装置具有发出指向右轨内侧并至少覆盖从轨顶部至轨头与轨腰结合部的扫描激光带的激光发射器以及与之对应的激光接收器；所述数据处理终端接收来自于水平仪、三维测量装置、左轨侧激光三维轮廓扫描器以及右轨侧激光三维轮廓扫描器的测量信号并进行处理后至少能够获得被测轨道的轨距、超高、轨向及轨面轮廓测量值；其中，所述数据处理终端将由左轨侧激光三维轮廓扫描器测量出的左轨轨距测量基点与左轨侧激光三维轮廓扫描器之间的相对坐标、由右轨侧激光三维轮廓扫描器测量出的右轨轨距测量基点与右轨侧激光三维轮廓扫描器之间的相对坐标，以及已标定的左轨侧激光三维轮廓扫描器与右轨侧激光三维轮廓扫描器之间的相对坐标进行运算从而获得被测轨道的轨距测量值；将所述轨距测量值与由水平仪测量出的倾斜度进行运算从而获得被测轨道的超高测量值。
所述三维测量装置采用激光跟踪***，该激光跟踪***中的激光***固定在轨道车附近并实时跟踪安装在轨道车上的反射器；所述数据处理终端接收来自于激光***的测量信号并进行处理后至少能够获得被测轨道的轨向测量值。
所述左轨侧激光三维轮廓扫描装置发出的扫描激光带与右轨侧激光三维轮廓扫描装置发出的扫描激光带位于同一与被测轨道垂直的基准平面上。
所述轨道车上安装有使轨道车紧靠左轨轨头内侧壁运行的磁性元件，所述磁性元件位于轨道车的左侧车底处并靠近左轨内侧；或者，所述轨道车上安装有使轨道车紧靠右轨轨头内侧壁运行的磁性元件，所述磁性元件位于轨道车的右侧车底处并靠近右轨内侧。
所述轨道车的车体为一左宽右窄的结构，位于轨道车左侧车底处的磁性元件分布在该左侧车底处的前后两端，且左轨侧激光三维轮廓扫描装置位于这两端的磁性元件之间；或者，所述轨道车的车体为一右宽左窄的结构，位于轨道车右侧车底处的磁性元件分布在该右侧车底处的前后两端，且右轨侧激光三维轮廓扫描装置位于这两端的磁性元件之间。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明多功能轨道测量***的工作示意图。
图2为图1中的轨道车沿轨道方向的侧视图。
图3为本发明多功能轨道测量***中左（右）轨侧激光三维轮廓扫描装置工作示意图。
图4为本发明多功能轨道测量方法中的轨距、超高测量原理图。
具体实施方式
首先说明，本发明中的术语“前”、“后”、“左”、“右”均为基于附图的关系。其中，如图1所示，在由X轴、Y轴和Z轴定义的坐标系中，Y轴方向对应术语“前”、“后”，X轴方向对应术语“左”、“右”。
如图1、2所示，轨道车2的车体为一左宽右窄的结构，轨道车2左侧前后端分别设有带轮缘的车轮，磁性元件5安装在轨道车2左侧车底处的前后两端，由于磁性元件5向左轨1a的内侧施加磁力，因而使轨道车2左侧两车轮的轮缘紧贴左轨1a轨头内侧壁，左轨侧激光三维轮廓扫描装置3a位于这两端的磁性元件5之间；轨道车2右侧前后端分别设有不带轮缘的车轮，右轨侧激光三维轮廓扫描装置3b位于轨道车2右侧车底中心处；轨道车2上位于左轨侧激光三维轮廓扫描装置3a与右轨侧激光三维轮廓扫描装置3b之间安装有水平仪4。
如图1、2所示，激光跟踪***6中的激光***601固定在轨道车2附近，轨道车2的车体上有一支撑立柱，在该支撑立柱的腰部设有一平台，激光跟踪***6中的反射器602即安装在该平台上。在激光跟踪***6的工作状态下，从激光***601发出的指向反射器602的激光束（由图1中激光***601与反射器602之间的虚线表示）经过反射器602反射后又原路返回激光***601，并通过激光***601中的测角装置和测距装置测得反射器602与激光***601之间的相对坐标；一旦激光***601中的传感器感应到反射器602移动，则随即通过伺服机构驱动激光***601的跟踪头旋转，从而调整激光束的发射方向，这时，测角装置和测距装置将重新测得反射器602与激光***601之间的相对坐标。
激光***601最好是直线测量距离在100米以上的激光***，并具有较宽的水平转角范围，以便每次进行激光跟踪测量时使轨道车2在轨道上运行尽量长的距离。本发明推荐采用API公司的Radian激光跟踪仪（直线测量距离≥100m，水平转角±320°）或Tracker3激光跟踪仪（直线测量距离120m）。反射器602可以采用角偶棱镜或猫眼反射器等，并且最好能够在激光跟踪测量时自动地向激光***601方向旋转。本发明推荐采用可360°自动旋转的角偶棱镜。
如图1、2所示，支撑立柱的顶部设于一工作平台，多功能轨道测量***的数据处理终端7安放在该工作平台上。数据处理终端7包括安装有数据处理软件的计算机701以及在计算机701与水平仪4、激光跟踪***6、左轨侧激光三维轮廓扫描装置3a以及右轨侧激光三维轮廓扫描装置3b之间实现信号传送的无线通讯控制箱702。
如图1、3所示，在左轨侧激光三维轮廓扫描装置3a的工作状态下，左轨侧激光三维轮廓扫描装置3a中的激光发射器发出指向左轨1a内侧并至少覆盖从轨顶部101至轨头与轨腰结合部102的扫描激光带301，扫描激光带301中各束激光经左轨1a表面反射后由左轨侧激光三维轮廓扫描装置3a中的激光接收器接收，最后通过计算得到扫描激光带301与左轨1a表面的交线上各点相对于左轨侧激光三维轮廓扫描装置3a的三维坐标。
同样，在右轨侧激光三维轮廓扫描装置3b的工作状态下，右轨侧激光三维轮廓扫描装置3b中的激光发射器发出指向右轨1b内侧并至少覆盖从轨顶部101至轨头与轨腰结合部102的扫描激光带301，扫描激光带301中各束激光经右轨1b表面反射后由右轨侧激光三维轮廓扫描装置3b中的激光接收器接收，最后通过计算得到扫描激光带301与右轨1b表面的交线上各点相对于右轨侧激光三维轮廓扫描装置3b的三维坐标。
如图3、4所示，只有当左轨侧激光三维轮廓扫描装置3a发出的扫描激光带301与右轨侧激光三维轮廓扫描装置3b发出的扫描激光带301位于同一与被测轨道垂直的基准平面9上时，并且水平仪的中心也刚好位于该基准平面9上时，所测得的轨距D和超高L才是该基准平面9上最真实的轨距和超高。关于轨距D和超高L的测量原理为：左轨侧激光三维轮廓扫描器3a发出的扫描激光带301中指向左轨轨距测量基点10a（即左轨1a的顶点）的激光束302经左轨轨距测量基点10a反射后被激光接收器接收，通过计算得到左轨轨距测量基点10a相对于左轨侧激光三维轮廓扫描器3a的坐标值；同时，右轨侧激光三维轮廓扫描器3b发出的扫描激光带301中指向右轨轨距测量基点10b（即右轨1b的顶点）的激光束302经右轨轨距测量基点10b反射后被激光接收器接收，通过计算得到右轨轨距测量基点10b相对于右轨侧激光三维轮廓扫描器3b的坐标值；另外，左轨侧激光三维轮廓扫描器3a与右轨侧激光三维轮廓扫描器3b之间的相对坐标又是已知的（已被预先标定）；这样，就可以通过运算获得轨距D的测量值；将所述轨距测量值与由水平仪4测量出的倾斜度进行运算就可获得被测轨道的超高L的测量值。
例如，若假定在图1中的坐标系下某基准平面9上的左轨轨距测量基点10a的坐标值为(x1，y1,z1)，右轨轨距测量基点10b的坐标值为(x2，y2,z2)，则轨距D=[(x1-x2)2+(z1-z2)2]1/2。若假定由水平仪4测量出的倾角为α，则超高L=D sinα。
总之，该多功能轨道测量***工作时，数据处理终端7接收来自于水平仪4、激光***601、左轨侧激光三维轮廓扫描器3a以及右轨侧激光三维轮廓扫描器3b的测量信号，其中，对激光***601得到的测量数据进行处理够获得被测轨道的轨向测量值和轨道车2运行里程的测量值，对左轨侧激光三维轮廓扫描器3a、右轨侧激光三维轮廓扫描器3b以及水平仪4得到的测量数据进行处理够获得被测轨道的轨面轮廓测量值、轨距以及超高的测量值。

Claims (10)

1.多功能轨道测量***，包括：
轨道车（2），所述轨道车（2）放置在左轨（1a）和右轨（1b）上并沿轨道方向运动；
水平仪（4），所述水平仪（4）安装在轨道车（2）上；
三维测量装置，所述三维测量装置具有对设置在轨道车（2）上的目标进行三维空间定位的测量仪器；以及
数据处理终端（7）；其特征在于，
所述轨道车（2）的左侧安装有左轨侧激光三维轮廓扫描装置（3a），所述左轨侧激光三维轮廓扫描装置（3a）具有发出指向左轨（1a）内侧并至少覆盖从轨顶部（101）至轨头与轨腰结合部（102）的扫描激光带（301）的激光发射器以及与之对应的激光接收器；
所述轨道车（2）的右侧安装有与所述左轨侧激光三维轮廓扫描装置（3a）之间已标定相对位置的右轨侧激光三维轮廓扫描装置（3b），所述右轨侧激光三维轮廓扫描装置（3b）具有发出指向右轨（1b）内侧并至少覆盖从轨顶部（101）至轨头与轨腰结合部（102）的扫描激光带（301）的激光发射器以及与之对应的激光接收器；
所述数据处理终端（7）接收来自于水平仪（4）、三维测量装置、左轨侧激光三维轮廓扫描器（3a）以及右轨侧激光三维轮廓扫描器（3b）的测量信号并进行处理后至少能够获得被测轨道的轨距、超高、轨向及轨面轮廓测量值。
2.如权利要求1所述的多功能轨道测量***，其特征在于：所述三维测量装置采用激光跟踪***（6），该激光跟踪***（6）中的激光***（601）固定在轨道车（2）附近并实时跟踪安装在轨道车（2）上的反射器（602）；所述数据处理终端（7）接收来自于激光***（601）的测量信号并进行处理后至少能够获得被测轨道的轨向测量值。
3.如权利要求2所述的轨道测量***，其特征在于：所述数据处理终端（7）接收来自于激光***（601）的测量信号并进行处理后能够获得轨道车（2）运行里程的测量值。
4.如权利要求1、2或3所述的多功能轨道测量***，其特征在于：所述左轨侧激光三维轮廓扫描装置（3a）发出的扫描激光带（301）与右轨侧激光三维轮廓扫描装置（3b）发出的扫描激光带（301）位于同一与被测轨道垂直的基准平面（9）上。
5.如权利要求1、2或3所述的多功能轨道测量***，其特征在于：所述数据处理终端（7）将由左轨侧激光三维轮廓扫描器（3a）测量出的左轨轨距测量基点（10a）与左轨侧激光三维轮廓扫描器（3a）之间的相对坐标、由右轨侧激光三维轮廓扫描器（3b）测量出的右轨轨距测量基点（10b）与右轨侧激光三维轮廓扫描器（3b）之间的相对坐标，以及已标定的左轨侧激光三维轮廓扫描器（3a）与右轨侧激光三维轮廓扫描器（3b）之间的相对坐标进行运算从而获得被测轨道的轨距测量值；将所述轨距测量值与由水平仪（4）测量出的倾斜度进行运算从而获得被测轨道的超高测量值。
6.如权利要求1、2或3所述的多功能轨道测量***，其特征在于：所述轨道车（2）上安装有使轨道车（2）紧靠左轨（1a）轨头内侧壁运行的磁性元件（5），所述磁性元件（5）位于轨道车（2）的左侧车底处并靠近左轨（1a）内侧；或者，所述轨道车（2）上安装有使轨道车（2）紧靠右轨（1b）轨头内侧壁运行的磁性元件（5），所述磁性元件（5）位于轨道车（2）的右侧车底处并靠近右轨（1b）内侧。
7.如权利要求6所述的多功能轨道测量***，其特征在于：所述轨道车（2）的车体为一左宽右窄的结构，位于轨道车（2）左侧车底处的磁性元件（5）分布在该左侧车底处的前后两端，且左轨侧激光三维轮廓扫描装置（3a）位于这两端的磁性元件（5）之间；或者，所述轨道车（2）的车体为一右宽左窄的结构，位于轨道车（2）右侧车底处的磁性元件（5）分布在该右侧车底处的前后两端，且右轨侧激光三维轮廓扫描装置（3b）位于这两端的磁性元件（5）之间。
8.多功能轨道测量方法，采用的多功能轨道测量***包括：
轨道车（2），所述轨道车（2）放置在左轨（1a）和右轨（1b）上并沿轨道方向运动；
水平仪（4），所述水平仪（4）安装在轨道车（2）上；
三维测量装置，所述三维测量装置具有对设置在轨道车（2）上的目标进行三维空间定位的测量仪器；以及
数据处理终端（7）；其特征在于,
所述轨道车（2）的左侧安装有左轨侧激光三维轮廓扫描装置（3a），所述左轨侧激光三维轮廓扫描装置（3a）具有发出指向左轨（1a）内侧并至少覆盖从轨顶部（101）至轨头与轨腰结合部（102）的扫描激光带（301）的激光发射器以及与之对应的激光接收器；
所述轨道车（2）的右侧安装有与所述左轨侧激光三维轮廓扫描装置（3a）之间已标定相对距离的右轨侧激光三维轮廓扫描装置（3b），所述右轨侧激光三维轮廓扫描装置（3b）具有发出指向右轨（1b）内侧并至少覆盖从轨顶部（101）至轨头与轨腰结合部（102）的扫描激光带（301）的激光发射器以及与之对应的激光接收器；
所述数据处理终端（7）接收来自于水平仪（4）、三维测量装置、左轨侧激光三维轮廓扫描器（3a）以及右轨侧激光三维轮廓扫描器（3b）的测量信号并进行处理后至少能够获得被测轨道的轨距、超高、轨向及轨面轮廓测量值；其中
所述数据处理终端（7）将由左轨侧激光三维轮廓扫描器（3a）测量出的左轨轨距测量基点（10a）与左轨侧激光三维轮廓扫描器（3a）之间的相对坐标、由右轨侧激光三维轮廓扫描器（3b）测量出的右轨轨距测量基点（10b）与右轨侧激光三维轮廓扫描器（3b）之间的相对坐标，以及已标定的左轨侧激光三维轮廓扫描器（3a）与右轨侧激光三维轮廓扫描器（3b）之间的相对坐标进行运算从而获得被测轨道的轨距测量值；将所述轨距测量值与由水平仪（4）测量出的倾斜度进行运算从而获得被测轨道的超高测量值。
9.如权利要求8所述的多功能轨道测量方法，其特征在于：所述三维测量装置采用激光跟踪***（6），该激光跟踪***（6）中的激光***（601）固定在轨道车（2）附近并实时跟踪安装在轨道车（2）上的反射器（602）；所述数据处理终端（7）接收来自于激光***（601）的测量信号并进行处理后至少能够获得被测轨道的轨向测量值。
10.如权利要求8或9所述的多功能轨道测量方法，其特征在于：所述左轨侧激光三维轮廓扫描装置（3a）发出的扫描激光带（301）与右轨侧激光三维轮廓扫描装置（3b）发出的扫描激光带（301）位于同一与被测轨道垂直的基准平面（9）上。
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