CN110849299A - 基于图像处理的轨道不平整度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道不平整度测量装置及方法，该装置包括不透明平板、激光器及其水平射线参考点、小车及其姿态传感器、半透明平板、摄像头、悬挂支架、连接部件、轻杆及其姿态传感器、水平测距传感器、垂直测距传感器、待测直线轨道。激光器固定在不透明平板处发射水平激光，半透明平板和摄像头固定在小车上并接收和检测该激光，记录半透明平板上当前激光点与轻杆悬挂点的距离；小车姿态传感器测量小车的俯仰角𝛼 _X 、翻滚角𝛽 _X 。据此，可得到轨道X处相对于轨道起始处的高度差∆H _X ，本发明有效减少了器件数量并降低了成本，能快速、准确地测量出轨道相对于参考水平面的不平整情况，避免了大型轨道检测列车成本高、传统人工测量误差大等不足。

Description

基于图像处理的轨道不平整度测量装置及测量方法

技术领域

本发明创造涉及图像处理领域，尤其涉及基于图像处理的轨道不平整度的测量装置和测量方法。

背景技术

长期以来，铁路运输作为国民经济建设的命脉，承担着全国近70%的货运量和60%的客运量。进入21世纪，随着我国铁路运输向着高速化、重载化的方向发展，铁路桥上的车流密度不断增大，通过铁路桥的列车的轴重和运行速度也不断增加。以南京长江大桥铁路桥为例，1999年全年铁路桥的通过量达到4.5万列，平均每日通过约120列；截止2017年，平均每日通过量就已经达到了300余列，其中动车组36列。在我国京沪线、京九线、京广线等既有普速铁路线上，跨越长江、黄河的桥梁大都采用钢桁梁明桥面体系，如武汉长江大桥、南京长江大桥、九江长江大桥、芜湖长江大桥、济南黄河大桥等。现阶段，因木质桥枕具有重量轻、铺设简单、易于更换等优点，国内大多数钢桁梁明桥面均采用木枕铺设。然而由于木枕耐候性差、硬度低等自身缺陷，在使用过程中，随着桥上行车密度的不断增大，频繁的列车荷载作用更容易导致桥面轨道状态发生改变，从而影响桥枕的耐久性使用，加之天气、温度、湿度等环境的影响，使桥枕劣化速度加快，失效率增加。桥枕通裂、钉孔周围腐朽、桥枕内部腐朽等问题的出现，造成桥枕承载力下降，反过来又降低了明桥面轨道的质量。两者耦合效应的不断放大不仅会影响列车的平稳性和乘客的舒适性，更有甚者会导致“蛇形失稳”、“爬轨”、“脱轨”等重大事故的发生。

为了适应我国铁路的快速发展，使明桥面轨道长期保持良好的状态，满足列车安全平稳运行的条件，需要实现明桥面桥枕高度的快速测定、评估，加强明桥面桥枕的检查和更换力度。目前国内明桥面桥枕高度测量中仍采用人工观测的方法，其采用传统的人工拉尺的测量方式测量桥枕形变，不但耗时费力，而且容易受到天气的影响。轨道专用大型检轨车精度高，但是使用费用较高，影响铁路运输，不利于在我国铁路工段的推广使用。因此，有必要对轨道相对于参考水平面起伏情况的测量方法进一步研究，进而应用于大跨度钢桁梁明桥面的日常检测中，不但能够提高检测的效率，而且还可以有助于降低工人的劳动强度。

发明内容

本发明提供一种基于图像处理的轨道不平整度测量装置和测量方法，实现轨道相对于参考水平面起伏的快速、准确的测量，进而应用于大跨度钢桁梁明桥面的日常检测中，提高检测效率的同时降低工人的劳动强度。

本发明采用如下技术方案：

本发明创造所述的基于图像处理的轨道不平整度测量装置，包括不透明平板、激光器及其水平射线参考点、小车及其姿态传感器、半透明平板、摄像头、悬挂支架、十字轴万向节、轻杆及其姿态传感器、水平测距传感器、垂直测距传感器、待测直线轨道。

激光器固定安装在轨道的一端，另一端设置有激光器水平射线参考点，从激光器到其水平参考点的激光沿直线轨道方向发射且其方向与水平面平行，不透明平板安装在激光器下方且不透明平板平面同时垂直于直线轨道和水平面。小车设置在待测直线轨道上，半透明平板和支架垂直于小车平面安装，半透明平板平面和支架平面平行，摄像头安装于小车上，相对于半透明平板平面在激光器水平射线参考点一侧，其平面与小车平面垂直且与半透明平板平面平行，摄像头平面、半透明平板平面、支架平面等平面和直线轨道垂直。小车姿态传感器和半透明平板安装在一起。轻杆的一端通过十字轴万向节悬挂在悬挂支架上，十字轴平面和水平面平行且十字轴中的一轴与直线轨道方向平行，悬挂中心点位于水平激光的正下方。轻杆姿态传感器安装在轻杆上，用于检测轻杆是否平行于重力方向，水平测距传感器、垂直测距传感器安装在轻杆另一端。水平测距传感器沿轨道向不透明平板方向测距，垂直测距传感器沿重力方向测距。

以水平激光所在水平面为参考水平面，以激光器安装处轨道为轨道起始处，轨道起始处与水平面之间的距离为H ₀ 。半透明平板安放位置可以接收到水平方向的激光，摄像头安放位置可以清晰的观测到半透明平板上激光的位置；

水平测距传感器测得其与不透明平板的水平距离X，垂直测距传感器到轻杆悬挂中心点的距离固定为L ₁ ,可测得其与轨道在重力方向上的距离H _1X ；激光器固定在不透明平板处发射水平激光，半透明平板和摄像头固定在小车上并接收和检测该激光，记录半透明平板上当前激光点与轻杆悬挂点的距离L _2X ；小车姿态传感器测量小车的俯仰角𝛼 _X 、翻滚角𝛽 _X 。

本发明所述的基于图像处理的轨道不平整度测量方法：

步骤1：小车在轨道上沿直线运动，当轻杆姿态传感器测得俯仰角和翻滚角都为0度时，即垂直测距传感器测得在重力方向上其与轨道的距离，水平测距传感器测得在水平方向上其与不透明平板的距离时，采用测得的数据。此时，水平测距传感器测得其与不透明平板在水平方向上的距离为X，垂直测距传感器测得其与轨道在重力方向上的距离为H _1X ；小车姿态传感器测得小车的俯仰角𝛼 _X 、翻滚角𝛽 _X ，摄像头记录半透明平板上当前激光点与轻杆悬挂点的距离为L _2X ；

轻杆悬挂点与当前激光点的高程差为H _2X ；

H _2X = L _2X × cos𝛼 _X × cos𝛽 _X

轨道X处与参考水平面的高程差为H _3X

H _3X = H _1X + L ₁ + H _2X

轨道X处相对于轨道起始处的起伏为∆H _X ；

∆H _X = H ₀ – H _3X ；

步骤2：由X可以确定所测轨道的位置，由∆H _X 可以确定轨道X处相对于轨道起始处的高度差，小车沿直线轨道运动，采集多点数据，从而绘制出轨道相对于参考水平面的不平整情况。

如果测量轨道为双轨，小车分别沿两根轨道测量，即可测得双轨两条轨道各自的不平整情况。

本发明具有以下有效效果：

（1）本专利考虑到车身前后倾斜和左右倾斜时的情况。因为轨道不平整，小车在沿轨道直线前进过程中，车身可能会前后俯仰或左右翻滚。本发明将垂直测距传感器、水平测距传感器安装在轻杆的一端，将摆姿态传感器安装在轻杆上，轻杆的另一端则用十字轴万向节悬挂在小车上，使其可沿前后、左右摆动。当摆姿态传感器测得俯仰角和翻滚角都为0度时，即垂直测距传感器测得在重力方向上其与轨道的距离，水平测距传感器测得在水平方向上其与平板的距离时，采用测得的数据。小车姿态传感器和半透明平板安装在一起，测量小车的俯仰角和翻滚角。通过将垂直测距传感器、水平测距传感器悬挂和安装姿态传感器的方式，可以消除车身前后俯仰和左右翻滚带来的误差。

（2）讨论轨道的不平整情况，本专利所实现的测量装置可以测量得到直线轨道的起伏情况，且本发明以水平激光所在的水平面作为参考水平面，可以进一步得到轨道相对于此参考水平面的空间起伏情况；以水平测距传感器测量其与平板在水平方向上的距离，确定被测轨道的具***置；即可得到某处轨道相对于参考水平面的起伏情况，从而得到轨道准确的不平整度。

（3）在不破坏被测轨道结构的情况下，将轨道相对于轨道起始处的起伏∆H _X 转化为便于测量的量，降低了测量难度。

（4）本发明考虑到应用范围涉及到铁轨，因此在测量方向上会出现长度方向远远大于宽度方向，甚至不必考虑宽度方向的数据，仅需要采集长度方向的数据。通过选择使用激光束校准，成本较低，且光的直线传播特性，一次对基准的校准可以提供较长距离的测量标准，减少标定基准的次数，可以一定程度上增加测量过程的便捷性。

（5）本发明测量装置只包括两个测距传感器、激光器、激光射线水平参考点、摄像头，两个姿态传感器、平板、轻杆和十字轴万向节，在确保测量精度的前提下，有效减少了器件数量并降低了成本。另外，我国大型轨道检测列车的资源十分有限，传统的人工拉尺的测量方式耗时费力，且容易引入人工测量误差。采用本测量装置，能快速、准确地测量出轨道相对于参考水平面的不平整情况。

附图说明

图1是一种基于图像处理的轨道不平整度测量装置结构示意图。

图2是一种基于图像处理的轨道不平整度测量装置侧面示意图。

图3是当前激光点与悬挂中心点高程差示意图。

图4是无参考水平面时测量装置示意图。

图中标号示意如下：1、不透明平板；2、激光器；3、水平射线参考点；4、小车；5、小车姿态传感器；6、半透明平板； 7、摄像头；8、悬挂支架；9、十字轴万向节；10、轻杆；11、轻杆姿态传感器；12、水平测距传感器；13、垂直测距传感器；14、待测直线轨道；15、悬挂中心点；16、参考水平面；17、当前激光点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

图1为测量装置结构示意图。如图1所示，该测量装置包括不透明平板（1）、激光器（2）及其水平射线参考点（3）、小车（4）及其姿态传感器（5）、半透明平板（6）、摄像头（7）、悬挂支架（8）、十字轴万向节（9）、轻杆（10）及其姿态传感器（11）、水平测距传感器（12）、垂直测距传感器（13）、待测直线轨道（14）。

激光器固定安装在轨道的一端，另一端设置有激光器水平射线参考点，从激光器到其水平参考点的激光沿直线轨道方向发射且其方向与水平面平行，不透明平板安装在激光器下方且不透明平板平面同时垂直于直线轨道和水平面。小车设置在待测直线轨道上，半透明平板和支架垂直于小车平面安装，半透明平板平面和支架平面平行，摄像头安装于小车上，相对于半透明平板平面在激光器水平射线参考点一侧，其平面与小车平面垂直且与半透明平板平面平行，摄像头平面、半透明平板平面、支架平面等平面和直线轨道垂直。小车姿态传感器和半透明平板安装在一起。轻杆的一端通过十字轴万向节悬挂在悬挂支架上，十字轴平面和水平面平行且十字轴中的一轴与直线轨道方向平行，悬挂中心点（15）位于水平激光的正下方。轻杆姿态传感器安装在轻杆上，用于检测轻杆是否平行于重力方向，水平测距传感器、垂直测距传感器安装在轻杆另一端。水平测距传感器沿轨道向不透明平板方向测距，垂直测距传感器沿重力方向测距。

图2是测量装置侧面示意图。如图2所示，以水平激光所在水平面为参考水平面（16），以激光器安装处轨道为轨道起始处，轨道起始处与水平面之间的距离为H ₀ 。垂直测距传感器到轻杆悬挂中心点的距离固定为L ₁ ,可测得其与轨道在重力方向上的距离H _1X ，水平测距传感器测得其与不透明平板的水平距离X。激光器固定在不透明平板处发射水平激光，半透明平板和摄像头固定在小车上并接收和检测该激光，记录半透明平板上当前激光点（17）与轻杆悬挂点的距离L _2X ；小车姿态传感器测量小车的俯仰角𝛼 _X 、翻滚角𝛽 _X 。

小车在轨道上沿直线运动，由于轨道不平整，轻杆会前后、左右摆动。当轻杆姿态传感器测得俯仰角和翻滚角都为0度时，即垂直测距传感器测得在重力方向上其与轨道的距离，水平测距传感器测得在水平方向上其与不透明平板的距离时，采用测得的数据。此时，水平测距传感器测得其与不透明平板在水平方向上的距离为X，垂直测距传感器测得其与轨道在重力方向上的距离为H _1X 。小车姿态传感器测得小车的俯仰角𝛼 _X 、翻滚角𝛽 _X 。摄像头记录半透明平板上当前激光点与轻杆悬挂点的距离为L _2X 。

轻杆悬挂点与当前激光点的高程差为H _2X ，如图3所示；

H _2X = L _2X × cos𝛼 _X × cos𝛽 _X

轨道X处与参考水平面的高程差为H _3X

H _3X = H _1X + L ₁ + H _2X

轨道X处相对于轨道起始处的起伏为∆H _X ；

∆H _X = H ₀ – H _3X ；

步骤2：由X可以确定所测轨道的位置，由∆H _X 可以确定轨道X处相对于轨道起始处的高度差，小车沿直线轨道运动，采集多点数据，从而绘制出轨道相对于参考水平面的不平整情况。

如果测量轨道为双轨，小车分别沿两根轨道测量，即可测得双轨两条轨道各自的不平整情况。

如果没有参考水平面，则无法得出轨道准确的不平整情况。如图4所示，该轨道以固定角度倾斜，在没有参考水平面的情况下，可认为该待测轨道是平整的。与此同时，小车在轨道上运动时垂直测距传感器测得的距离也将保持不变，但相对于参考水平面来说，该待测轨道是倾斜的。因此，讨论轨道的不平整情况，必须选择一水平面作为参考面。

Claims (7)

1.一种基于图像处理的轨道不平整测量装置，包括不透明平板、激光器及其水平射线参考点、小车及其姿态传感器、半透明平板、摄像头、悬挂支架、连接部件、轻杆及其姿态传感器、水平测距传感器、垂直测距传感器、待测直线轨道，其特征在于：所述的激光器固定安装在轨道的一端，另一端设置有激光器水平射线参考点，从激光器到其水平参考点的激光沿直线轨道方向发射且其方向与水平面平行，不透明平板安装在激光器下方且不透明平板平面同时垂直于直线轨道和水平面；小车设置在待测直线轨道上，半透明平板和支架垂直于小车平面安装，半透明平板平面和支架平面平行，摄像头安装于小车上，相对于半透明平板平面在激光器水平射线参考点一侧，其平面与小车平面垂直且与半透明平板平面平行，摄像头成像平面、半透明平板平面和直线轨道垂直；小车姿态传感器和半透明平板安装在一起；轻杆的一端通过连接部件悬挂在悬挂支架上，悬挂中心点位于水平激光的正下方；轻杆姿态传感器和水平测距传感器安装在轻杆上，垂直测距传感器安装在轻杆另一端。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的轨道不平整测量装置，其特征在于：小车行进轨道为单轨。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的轨道不平整测量装置，其特征在于：所述的连接部件为十字轴万向节，十字轴平面和水平面平行且十字轴中的一轴与直线轨道方向平行。

4.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的轨道不平整测量装置，其特征在于：所述的连接部件为两个铰链，第一个铰链悬挂在悬挂支架上，转轴与直线轨道方向平行或垂直，第二个铰链悬挂在第一个铰链上，两个铰链的转轴相互垂直。

5.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的轨道不平整测量装置，其特征在于：水平测距传感器测得其与不透明平板的水平距离X，垂直测距传感器到轻杆悬挂中心点的距离固定为L ₁ ,可测得其与轨道在重力方向上的距离H _1X ；激光器固定在不透明平板处发射水平激光，半透明平板和摄像头固定在小车上并接收和检测该激光，记录半透明平板上当前激光点与轻杆悬挂中心点的距离L _2X ；小车姿态传感器测量小车的俯仰角𝛼 _X 、翻滚角𝛽 _X 。

6.一种基于图像处理的轨道不平整测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：所述安装测量装置以水平激光所在水平面为参考水平面，以激光器安装处轨道为轨道起始处，轨道起始处与水平面之间的距离为H ₀ ；半透明平板安放位置可以接收到水平方向的激光，摄像头安放位置可以清晰的观测到半透明平板上激光的位置；

步骤2：小车在轨道上沿直线运动，当轻杆姿态传感器测得俯仰角和翻滚角都为0度时，即垂直测距传感器测得在重力方向上其与轨道的距离，水平测距传感器测得在水平方向上其与不透明平板的距离时，采用测得的数据；此时，水平测距传感器测得其与不透明平板在水平方向上的距离为X，垂直测距传感器测得其与轨道在重力方向上的距离为H _1X ；小车姿态传感器测得小车的俯仰角𝛼 _X 、翻滚角𝛽 _X ，摄像头记录半透明平板上当前激光点与轻杆悬挂点的距离为L _2X ；

轻杆悬挂点与当前激光点的高程差为H _2X ；

H _2X = L _2X × cos𝛼 _X × cos𝛽 _X

轨道X处与参考水平面的高程差为H _3X

H _3X = H _1X + L ₁ + H _2X

轨道X处相对于轨道起始处的起伏为∆H _X ；

∆H _X = H ₀ – H _3X ；

步骤3：由X可以确定所测轨道的位置，由∆H _X 可以确定轨道X处相对于轨道起始处的高度差，小车沿直线轨道运动，采集多点数据，从而绘制出轨道相对于参考水平面的不平整情况。

7.根据权利要求6所述的一种基于图像处理的轨道不平整测量方法，其特征在于：小车行进轨道为双轨；小车分别沿两根轨道测量，即可测得双轨两条轨道各自的不平整情况。

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