CN110579195A - 一种铁路轨道轨向检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铁路轨道轨向检测装置及方法，其中的装置包括：测量梁、第一位移传感器、第二位移传感器、惯性传感器、加速度计和处理器；测量梁设置在铁路左、右轨道的上方，并且与轨道方向垂直，第一位移传感器和第二位移传感器分别设置在测量梁下部沿与轨道方向垂直的方向上的第一测量点和第二测量点，惯性传感器设置在测量梁的中部；加速度计设置在测量梁的中部，处理器计算得到轨向检测结果。本发明利用位移传感器输出的测量梁相对于轨道的位移信号,加速度计输出的测量梁中心点的加速度信号，以及惯性传感器输出的测量梁中心点的加速度信号等信息,经合成得出左右轨道的轨向值,提高了检测精度。

Description

一种铁路轨道轨向检测装置及方法
技术领域
本发明涉及轨道检测领域，具体涉及一种铁路轨道轨向检测装置及方法。
背景技术
现有轨检车上的轨向检测装置的测量梁安装在轴箱上,随着铁路运营速度不断提高,由于测量梁的自振动增大,导致测量梁相对于测量基准的位移加大,严重影响了轨向测量的准确性。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种铁路轨道轨向检测装置及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种铁路轨道轨向检测装置，包括：测量梁、第一位移传感器、第二位移传感器、惯性传感器、加速度计和处理器；
所述测量梁设置在铁路左、右轨道的上方，并且与轨道方向垂直；
所述第一位移传感器和第二位移传感器分别设置在所述测量梁下部沿与轨道方向垂直的方向上的第一测量点和第二测量点，用于测量所述第一测量点和第二测量点相对于轨道的位移；
所述惯性传感器，设置在所述测量梁的中部，用于测量所述测量梁中心点的姿态角；
所述加速度计，设置在所述测量梁的中部，用于测量所述测量梁中心点的加速度；
所述处理器，用于根据所述位移、姿态角和加速度计算得到轨向检测结果。
本发明的有益效果是：利用位移传感器输出的测量梁相对于轨道的位移信号,加速度计输出的测量梁中心点的加速度信号，以及惯性传感器输出的测量梁中心点的加速度信号等信息,经合成得出左右轨道的轨向值,提高了检测精度。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种基于上述装置的铁路轨道轨向检测方法，包括：
第一位移传感器和第二位移传感器测量第一测量点和第二测量点相对于轨道的位移；
惯性传感器测量测量梁中心点的姿态角；
加速度计测量所述测量梁中心点的加速度；
处理器根据所述位移、姿态角和加速度计算得到轨向检测结果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种铁路轨道轨向检测装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1为本发明实施例提供的一种铁路轨道轨向检测装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括：测量梁1、第一位移传感器2、第二位移传感器3、惯性传感器4、加速度计5和处理器6；
所述测量梁1设置在铁路左轨道7、右轨道8的上方，并且与轨道方向垂直；
所述第一位移传感器2和第二位移传感器3分别设置在所述测量梁1下部沿与轨道方向垂直的方向上的第一测量点和第二测量点，用于测量所述第一测量点和第二测量点相对于轨道的位移；
所述惯性传感器4，设置在所述测量梁1的中部，用于测量所述测量梁1中心点的姿态角；
所述加速度计5，设置在所述测量梁1的中部，用于测量所述测量梁1中心点的加速度；
所述处理器6，用于根据所述位移、姿态角和加速度计算得到轨向检测结果。
具体的，如图1所示，以轨道方向作为x轴，以垂直于轨道方向作为y轴，以垂直方向作为z轴建立坐标系，其中，y轴指向右轨道的方向为正方向，指向左轨道的方向为负方向。
图中，gL为第一测量点在垂直于左轨道的方向上相对于左侧轨距点的位移，gR为第二测量点在垂直于右轨道的方向上相对于右侧轨距点的位移，L1为第一测量点与中心点的距离，L2为第二测量点与中心点的距离，Θb为测量梁的倾角，pL为左轨道轨面顶点相对于测量梁的位移，pR为右轨道轨面顶点相对于测量梁的位移，均由位移传感器测得，G为已知的左右轨道轨面中点之间的标准距离。位移传感器可采用激光图像位移传感器。
则可按照下列公式计算得到测量梁中心点的y坐标yb：
其中，ay为测量梁的横向加速度，由加速度计测得，g为轨距，ht为已知的测量梁相对于轨距测量平面的高度，εx为已知的所述加速度计的敏感轴对准误差；
g的计算公式为：g＝gL+gR+L1+L2
Θb的计算公式为：
其中，Θt为轨道倾角，由惯性传感器测得。
再按照下列公式计算得到轨向检测结果：
yL＝yb-gL-L1
yR＝yb+gR+L2
其中，yL为第一测量点的y坐标，即左轨道轨向，yR为第二测量点的y坐标，即右轨道轨向，yb为测量梁中心点的y坐标。
可选地，在该实施例中，所述处理器，还用于对所述加速度计输出的加速度经过模拟二阶低通滤波器F(s)和数字滤波器G(z)进行混合滤波，其中，F(s)×G(z)＝1，根据所述位移、姿态角和经过混合滤波的加速度计算得到轨向检测结果。
具体的，根据奈奎斯特采样定理,在对轨向加速度输出的模拟信号数字化前,必须先经过模拟二阶低通滤波器F(s)对加速度计输出的模拟信号进行低通滤波，由于在空域内模拟二阶低通滤波器的幅频响应随轨检车速度的不同而改变,导致得出的轨向测量结果会随轨检车速度的变化而变化。为了消除车速变化对测量结果的影响,设计了数字滤波器G(z),使数字滤波器G(z)与模拟滤波器F(s)的混合滤波幅频响应在所测量的空间频率范围内与速度无关,从而保证了检测结果的准确性。
为了实现上述目标,G(z)须满足以下条件:F(s)×G(z)＝1。
本实施例提供的一种基于上述装置的铁路轨道轨向检测方法，包括：
第一位移传感器和第二位移传感器测量第一测量点和第二测量点相对于轨道的位移；
惯性传感器测量测量梁中心点的姿态角；
加速度计测量所述测量梁中心点的加速度；
处理器根据所述位移、姿态角和加速度计算得到轨向检测结果。
可选地，在该实施例中，所述处理器根据所述位移、姿态角和加速度计算得到轨向检测结果，具体包括：所述处理器根据所述位移、姿态角和加速度计算得到测量梁中心点的坐标，根据所述中心点的坐标和位移计算得到轨向检测结果。
可选地，在该实施例中，以轨道方向作为x轴，以垂直于轨道方向作为y轴，以垂直方向作为z轴建立坐标系，其中，y轴指向右轨道的方向为正方向，指向左轨道的方向为负方向；
所述处理器根据所述位移、姿态角和加速度计算得到测量梁中心点的坐标，具体包括：
按照下列公式计算得到测量梁中心点的y坐标yb：
其中，ay为测量梁的横向加速度，由加速度计测得，g为轨距，其ht为已知的测量梁相对于轨距测量平面的高度，εx为已知的所述加速度计的敏感轴对准误差；
g的计算公式为：g＝gL+gR+L1+L2
其中，gL为第一测量点在垂直于左轨道的方向上相对于左侧轨距点的位移，gR为第二测量点在垂直于右轨道的方向上相对于右侧轨距点的位移，L1为第一测量点与中心点的距离，L2为第二测量点与中心点的距离Θb为测量梁的倾角；
Θb的计算公式为：
其中，Θt为轨道倾角，由惯性传感器测得，pL为左轨道轨面顶点相对于测量梁的位移，pR为右轨道轨面顶点相对于测量梁的位移，均由位移传感器测得，G为已知的左右轨道轨面中点之间的标准距离。
可选地，在该实施例中，所述处理器根据所述中心点的坐标和位移计算得到轨向检测结果，具体包括：
按照下列公式计算得到轨向检测结果：
yL＝yb-gL-L1
yR＝yb+gR+L2
其中，yL为第一测量点的y坐标，即左轨道轨向，yR为第二测量点的y坐标，即右轨道轨向，yb为测量梁中心点的y坐标。
可选地，在该实施例中，该方法还包括：
所述处理器，还用于对所述加速度计输出的加速度经过模拟二阶低通滤波器F(s)和数字滤波器G(z)进行混合滤波，其中，F(s)×G(z)＝1，并根据所述位移、姿态角和经过混合滤波的加速度计算得到轨向检测结果。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种铁路轨道轨向检测装置，其特征在于，包括：测量梁、第一位移传感器、第二位移传感器、惯性传感器、加速度计和处理器；
所述测量梁设置在铁路左、右轨道的上方，并且与轨道方向垂直；
所述第一位移传感器和第二位移传感器分别设置在所述测量梁下部沿与轨道方向垂直的方向上的第一测量点和第二测量点，用于测量所述第一测量点和第二测量点相对于轨道的位移；
所述惯性传感器，设置在所述测量梁的中部，用于测量所述测量梁中心点的姿态角；
所述加速度计，设置在所述测量梁的中部，用于测量所述测量梁中心点的加速度；
所述处理器，用于根据所述位移、姿态角和加速度计算得到轨向检测结果。
2.根据权利要求1所述的一种铁路轨道轨向检测装置，其特征在于，所述处理器，具体用于根据所述位移、姿态角和加速度计算得到测量梁中心点的坐标，根据所述中心点的坐标和位移计算得到轨向检测结果。
3.根据权利要求2所述的一种铁路轨道轨向检测装置，其特征在于，以轨道方向作为x轴，以垂直于轨道方向作为y轴，以垂直方向作为z轴建立坐标系，其中，y轴指向右轨道的方向为正方向，指向左轨道的方向为负方向；
所述处理器，具体用于按照下列公式计算得到测量梁中心点的y坐标yb：
其中，ay为测量梁的横向加速度，由加速度计测得，g为轨距，其ht为已知的测量梁相对于轨距测量平面的高度，εx为已知的所述加速度计的敏感轴对准误差；
g的计算公式为：g＝gL+gR+L1+L2
其中，gL为第一测量点在垂直于左轨道的方向上相对于左侧轨距点的位移，gR为第二测量点在垂直于右轨道的方向上相对于右侧轨距点的位移，L1为第一测量点与中心点的距离，L2为第二测量点与中心点的距离Θb为测量梁的倾角；
Θb的计算公式为：
其中，Θt为轨道倾角，由惯性传感器测得，pL为左轨道轨面顶点相对于测量梁的位移，pR为右轨道轨面顶点相对于测量梁的位移，均由位移传感器测得，G为已知的左右轨道轨面中点之间的标准距离。
4.根据权利要求3所述的一种铁路轨道轨向检测装置，其特征在于，所述处理器，具体用于按照下列公式计算得到轨向检测结果：
yL＝yb-gL-L1
yR＝yb+gR+L2
其中，yL为第一测量点的y坐标，即左轨道轨向，yR为第二测量点的y坐标，即右轨道轨向，yb为测量梁中心点的y坐标。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种铁路轨道轨向检测装置，其特征在于，所述处理器，还用于对所述加速度计输出的加速度经过模拟二阶低通滤波器F(s)和数字滤波器G(z)进行混合滤波，其中，F(s)×G(z)＝1，根据所述位移、姿态角和经过混合滤波的加速度计算得到轨向检测结果。
6.一种基于如权利要求1-5任一项所述装置的铁路轨道轨向检测方法，其特征在于，包括：
第一位移传感器和第二位移传感器测量第一测量点和第二测量点相对于轨道的位移；
惯性传感器测量测量梁中心点的姿态角；
加速度计测量所述测量梁中心点的加速度；
处理器根据所述位移、姿态角和加速度计算得到轨向检测结果。
7.根据权利要求6所述的一种铁路轨道轨向检测方法，其特征在于，所述处理器根据所述位移、姿态角和加速度计算得到轨向检测结果，具体包括：所述处理器根据所述位移、姿态角和加速度计算得到测量梁中心点的坐标，根据所述中心点的坐标和位移计算得到轨向检测结果。
8.根据权利要求7所述的一种铁路轨道轨向检测方法，其特征在于，以轨道方向作为x轴，以垂直于轨道方向作为y轴，以垂直方向作为z轴建立坐标系，其中，y轴指向右轨道的方向为正方向，指向左轨道的方向为负方向；
所述处理器根据所述位移、姿态角和加速度计算得到测量梁中心点的坐标，具体包括：
按照下列公式计算得到测量梁中心点的y坐标yb：
其中，ay为测量梁的横向加速度，由加速度计测得，g为轨距，其ht为已知的测量梁相对于轨距测量平面的高度，εx为已知的所述加速度计的敏感轴对准误差；
g的计算公式为：g＝gL+gR+L1+L2
其中，gL为第一测量点在垂直于左轨道的方向上相对于左侧轨距点的位移，gR为第二测量点在垂直于右轨道的方向上相对于右侧轨距点的位移，L1为第一测量点与中心点的距离，L2为第二测量点与中心点的距离Θb为测量梁的倾角；
Θb的计算公式为：
其中，Θt为轨道倾角，由惯性传感器测得，pL为左轨道轨面顶点相对于测量梁的位移，pR为右轨道轨面顶点相对于测量梁的位移，均由位移传感器测得，G为已知的左右轨道轨面中点之间的标准距离。
9.根据权利要求8所述的一种铁路轨道轨向检测方法，其特征在于，所述处理器根据所述中心点的坐标和位移计算得到轨向检测结果，具体包括：
按照下列公式计算得到轨向检测结果：
yL＝yb-gL-L1
yR＝yb+gR+L2
其中，yL为第一测量点的y坐标，即左轨道轨向，yR为第二测量点的y坐标，即右轨道轨向，yb为测量梁中心点的y坐标。
10.根据权利要求6-9任一项所述的一种铁路轨道轨向检测方法，其特征在于，还包括：
所述处理器对所述加速度计输出的加速度经过模拟二阶低通滤波器F(s)和数字滤波器G(z)进行混合滤波，其中，F(s)×G(z)＝1，并根据所述位移、姿态角和经过混合滤波的加速度计算得到轨向检测结果。
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