CN212300369U - 高速轨道检测*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及铁路轨道检测领域，提供一种高速轨道检测***及方法，包括：惯性导航***、里程计、多套激光摄像组件和安装基座；其中，所述惯性导航***与所述里程计、所述激光摄像组件通过电气接口连接；所述里程计设置在装载高速轨道检测***的检测车的车轮上；所述安装基座上固定有所述惯性导航***和所述多套激光摄像组件。本实用新型的***能够提升检测精度和可靠性。

Description

高速轨道检测***

技术领域

本实用新型涉及铁路轨道检测领域，具体涉及一种高速轨道检测***及方法。

背景技术

本世纪以来，国家加大了轨道交通设施的建设，高铁、动车、普铁和地铁等各种轨道里程快速发展，列车运输任务的繁重也达到前所未有的程度。轨道是列车运行的基础，轨道几何参数指标(轨距、水平、轨向、高低、横向偏差和垂向偏差等)的优劣程度与列车运行时的安全性密切相关。

随着轨道交通列车的运行速度、行车密度和载重的不断增加，轨道性能经受着巨大考验，轨道的养护工作难度也在不断增加，轨道(几何参数)检测***作为保障轨道安全的重要手段得到了高度重视。各类轨道的建设和养护过程中都需要全面检测轨道几何参数，目前国内外的各种轨道交通里程都在快速增加，对轨道检测***的需求也随之快速增加。

目前，从检测载体和速度方面可将轨道检测***分为两类：

(1)低速轨道检测***：主要载体为不带动力的检测小车，通常为T形结构，检测作业时需要人工或其他带动力车辆推行，最高检测速度通常小于60公里/小时；

(2)高速轨道检测***：主要载体为带动力的各种运营车(高铁、动车、普铁、城际、地铁等)和作业车(捣固车、打磨车、巡检车等)，在列车行驶过程中进行轨道检测，最高检测速度通常大于60公里/小时。

目前高速轨道检测***仅支持测量轨道相对参数(轨距、水平、轨向和高低等)，主要有两类高速轨道检测***：高速光学轨道检测***和高速陀螺轨道检测***。高速光学轨道检测***采用基于弦测法的轨道检测方案，主要采用激光测量和摄影测量等光学检测技术进行轨道检测。高速陀螺轨道检测***采用基于惯性基准法的轨道检测方案，主要采用陀螺和分立传感器数据处理技术进行轨道检测。《GJ-6型轨道检测***的设计与研制.铁道建筑，2012.02》介绍了一种典型的轨道检测方法，如图1所示，该***总共采用了23个主要传感器进行检测，使用激光摄像组件测量钢轨相对于检测梁的横向和纵向位移；使用加速度计、陀螺、位移计等多种传感器测量车体和检测梁的姿态变化。将需要检测的位移、速度、加速度等的物理量转换为相应的模拟信号，由信号处理组件对该模拟信号进行放大、滤波和模数转换，数据处理单元进行轨道参数解算、显示和存储等。

现有的高速陀螺轨道检测***主要存在以下缺点：

(1)采用基于惯性基准的轨道检测方法，所需传感器较多，***比较复杂，成本高，使用和维护难度大。

(2)现有的检测***采用基于陀螺、加速度计、里程计、位移计和摄像激光组件的多传感器简单融合数据处理方法，难以有效克服陀螺误差(零偏、安装误差、标度因数误差等)和加速度计误差(零偏、安装误差、标度因数误差等)对轨道检测精度的负面影响。

(3)不能完全扣除每个陀螺检测的地球自传角度分量和每个加速度计检测的重力加速度分量，由此导致轨道检测精度下降。

(4)实际的高速轨道检测作业工况(环境温度、检测速度、轨道参数)很复杂：环境温度变化范围达到80℃以上，检测速度变化范围达到20倍以上，主要轨道参数(水平、轨向、高低)变化范围达到200mm以上。环境温度变化时，陀螺和加速度计的零偏、安装误差和标度因数等参数都会发生变化，由此导致轨道检测精度下降；检测速度和轨道参数变化时，由于轨道检测车体的运动和振动特性会发生变化，导致陀螺和加速度计的零偏和标度因数等参数会发生变化，由此导致轨道检测精度下降。

因此，亟需实用新型一种能够提升检测精度和可靠性的高速轨道检测***。

实用新型内容

针对现有技术存在的多个问题，本实用新型提供一种高速轨道检测***及方法，能够提升铁路轨道的检测精度和可靠性。

根据本实用新型的第一方面，提供一种高速轨道检测***，包括：惯性导航***、里程计、多套激光摄像组件和安装基座；其中，

所述惯性导航***与所述里程计、所述激光摄像组件通过电气接口连接，用于采集陀螺和加速度计的测量数据，解算导航参数和轨道参数，采用惯性导航***和多种传感器深度融合技术测量轨道两根钢轨的三维轨迹，并计算出轨道参数；

所述激光摄像组件用于测量所述惯性导航***或所述安装基座与钢轨之间的相对姿态参数；

所述里程计设置在装载高速轨道检测***的检测车的车轮上，用于测量车体的里程和速度；

所述安装基座上固定有所述惯性导航***和所述多套激光摄像组件。

根据本实用新型的一示例实施方式，所述惯性导航***至少用于测量装载高速轨道检测***的检测车的姿态、速度和位置数据，并结合所述激光摄像组件和里程计的数据计算轨道几何状态。

根据本实用新型的一示例实施方式，高速轨道检测***还包括设置在装载高速轨道检测***的检测车上的卫星导航接收机，所述卫星导航接收机与所述惯性导航***通过电气接口连接。所述卫星导航接收机用于测量装载高速轨道检测***的检测车的位置和速度，同时提供以卫星导航***为时间基准的时间数据和同步的秒脉冲信号，惯性导航***还用于结合卫星导航接收机的数据计算轨道几何状态。卫星导航接收机为选择配备的传感器，对于地下的轨道检测不需要卫星导航接收机，但需要在惯性导航初始对准时输入地理位置。

根据本实用新型的一示例实施方式，所述惯性导航***包括陀螺、加速度计、惯性器件电路、温度传感器和通用接口电路；其中，

陀螺用于测量角速度数据；

加速度计用于测量加速度数据；

惯性器件电路用于采集陀螺和加速度计的测量数据；

温度传感器用于测量温度数据；

通用接口电路至少用于连接里程计、激光摄像组件和温度传感器，如果高速轨道检测***还包括卫星导航接收机和显示控制装置，则通用接口电路还用于连接卫星导航接收机和显示控制装置。

根据本实用新型的一示例实施方式，所述惯性导航***还包括导航计算机，所述导航计算机至少用于完成惯性导航解算、温度数据的解算、激光摄像数据的解算、里程计数据的解算、多种测量模型和误差补偿模型的解算，如果高速轨道检测***还包括卫星导航接收机，则导航计算机还用于完成卫星导航接收机数据的解算。

根据本实用新型的一示例实施方式，导航计算机包括***误差校正模块、导航解算模块、最优估计模块和轨道检测解算模块，

***误差校正模块至少用于校正***误差；

导航解算模块用于根据陀螺和加速度计的测量数据完成姿态解算、速度解算和位置解算；

最优估计模块至少用于结合惯性导航数据、里程计数据、激光摄像数据对***误差进行最优估计，如果高速轨道检测***还包括卫星导航接收机，则最优估计模块还结合卫星导航接收机数据对***误差进行最优估计；

轨道检测解算模块用于轨道检测模型解算和误差补偿。

根据本实用新型的一示例实施方式，所述最优估计模块还用于结合温度数据对***误差进行最优估计。

根据本实用新型的一示例实施方式，导航计算机还包括虚拟传感器，所述虚拟传感器包括重力异常解算模块、轨道约束解算模块和车体动力学解算模块中的一个或多个模块；其中，

重力异常计算模块用于计算重力异常数据，补偿实际重力与惯性导航解算过程中采用的重力模型之间的误差；

轨道约束解算模块用与装载高速轨道检测***的检测车在轨道上的运动约束模型解算和误差补偿；

车体动力学解算模块用于车体动力学运动模型解算和误差补偿。

根据本实用新型的一示例实施方式，***误差校正模块还用于校正重力异常误差。

根据本实用新型的一示例实施方式，最优估计模块还用于结合轨道约束解算模块的数据和车体动力学解算模块的数据对***误差进行最优估计。

根据本实用新型的一示例实施方式，车体动力学解算模块利用里程计和激光摄像组件的输出数据和运动模型进行运动参数解算和误差补偿。

根据本实用新型的一示例实施方式，导航计算机还包括误差补偿模块、故障检测模块和结果输出模块；其中，

误差补偿模块用于对陀螺数据、加速度计数据、里程计数据、激光摄像数据和温度数据进行误差补偿，如果高速轨道检测***还包括卫星导航接收机，则误差补偿模块还用于对卫星导航接收机数据进行误差补偿；

故障检测模块用于对各种误差补偿模块输出的数据进行故障检测；

结果输出模块至少用于输出轨道检测数据、惯性导航数据和轨道的几何状态。

根据本实用新型的一示例实施方式，所述导航计算机还包括数据存储模块，所述数据存储模块用于实时存储各种传感器数据和结果数据，主要包括传感器数据、轨道检测数据、惯性导航数据和各种状态数据。

根据本实用新型的一示例实施方式，里程计安装在邻近安装基座的检测车的车轮上。

根据本实用新型的一示例实施方式，所述里程计为2个以上(含2个)，每个里程计安装在一个车轮上。现有的轨道检测***通常采用1个里程计，难以避免里程计失效问题。本实用新型采用多个里程计，并将里程计数据和惯性导航数据深度融合，能有效解决单个里程计失效问题，还能明显提高里程测量精度和可靠性，从而提高轨道检测精度和可靠性。

根据本实用新型的一示例实施方式，里程计用于测量装载高速轨道检测***的检测车的里程和速度。

根据本实用新型的一示例实施方式，将里程计数据和惯性导航***的数据深度融合。

根据本实用新型的一示例实施方式，里程计包括光电编码器、磁电编码器、电阻编码器或磁钉加霍尔传感器。

根据本实用新型的一示例实施方式，利用多套激光摄像组件对所述惯性导航***或安装基座和轨道之间的相对姿态与位置变化进行高精度补偿，根据几何学方法、激光摄像组件的测量数据和标定数据解算相对位置参数和相对姿态参数。此方法为一种相对误差补偿方法。

根据本实用新型的一示例实施方式，所述激光摄像组件为3套以上(含3套)。

根据本实用新型的一示例实施方式，每套激光摄像组件包括激光器、发射光学***、高速相机和接收光学***，用于测量安装基座或惯性导航***与钢轨之间的相对位置和相对姿态参数。

根据本实用新型的一示例实施方式，每套激光摄像组件内部还集成了温度传感器，通过温度传感器测量温度数据，采用全温标定和误差补偿方法提高测量精度。

根据本实用新型的一示例实施方式，安装基座包括整体式安装基座或分布式安装基座，整体式安装基座为由单个或多个机械部件组成为一体的能够同时承载惯性导航***和多套激光摄像组件的安装基座，分布式安装基座包括多个只能承载惯性导航***或激光摄像组件中的一个或多个部件的安装基座，需要尽量选择车体底部刚性较强的区域进行安装，尽量减小在环境温度变化和受力变化条件下各安装设备(惯性导航***和激光摄像组件)之间的姿态变形和位置变形。

根据本实用新型的一示例实施方式，整体式安装基座的形状为三角形、矩形或其他不规则形状。

根据本实用新型的一示例实施方式，整体式安装基座的形状为直角三角形截去两个锐角的形状，多套激光摄像组件中有3套激光摄像组件分别设置在邻近直角三角形的三个角的位置上。

根据本实用新型的一示例实施方式，高速轨道检测***还包括显示控制装置，所述显示控制装置与所述惯性导航***通过电气接口连接，至少用于***的显示和控制。

根据本实用新型的一示例实施方式，高速轨道检测***还包括***电源，***电源用于为***各部分供电。

根据本实用新型的第二方面，提供一种高速轨道检测方法，包括如下步骤：

A：对惯性导航***和每套激光摄像组件进行单独的***标定和误差补偿；

B：将惯性导航***和多套激光摄像组件安装到基座上，并对惯性导航***和多套激光摄像组件之间整体的安装误差参数进行标定和补偿；

C：对惯性导航***进行初始对准；

D：采集陀螺、加速度计、温度传感器、里程计和激光摄像组件的数据；

E：将步骤D中采集到的数据解算得到运动过程中惯性导航***的三维运动轨迹和姿态；

F：通过多套激光摄像组件之间的安装误差和每套激光摄像组件的测量数据计算安装基座或惯性导航***相对于钢轨的相对位置和姿态参数，相对位置包括横向位移和垂向位移，姿态包括方位角、俯仰角和横滚角；

G：利用步骤E的惯性导航***的三维运动轨迹和姿态、步骤F的安装基座或惯性导航***相对于钢轨的相对位置和姿态参数、惯性导航***和多套激光摄像组件之间的安装误差计算出每根钢轨的三维轨迹；

H：根据每根钢轨的三维轨迹计算出每根钢轨的轨向和高低参数；

I：根据两根钢轨的三维轨迹计算出轨道的轨距、水平和扭曲的参数。

上述方案采用惯性轨迹法，通过惯性导航***和多传感器深度融合技术测量轨道上两根钢轨的三维轨迹，然后在此基础上计算轨道参数。

轨向表示沿轨道延长方向钢轨内侧的横向凹凸不平顺程度。在铁路线路上要做到直线要直、曲线要圆顺，如果在直线地段线路不直、曲线地段轨向不圆顺，必然会导致列车在两股钢轨之间蛇形运动，使得列车晃动明显，轨道几何参数难以保持。

高低表示钢轨顶面沿延长方向的垂向凹凸不平顺程度。列车通过高低不平顺处时，列车轮对钢轨顶面的低洼处形成动力冲击，加速道床变形和高低不平顺性病害，从而形成列车对高低不平顺的恶性加剧循环。

轨距是钢轨轨头部踏面下16mm范围内两股钢轨工作边之间的最小距离。

水平是轨道同一横截面上左右轨顶面相对所在水平面的高度差。

扭曲，即为三角坑，是指左右两轨顶面相对轨道平面的扭曲。轨道三角坑，即为扭曲不平顺，表现为先是左股钢轨高于右股钢轨，接着是右股钢轨高于左股钢轨，反之亦然。

根据本实用新型的一示例实施方式，步骤C中，可以在静态或动态运动状态下完成初始对准。

根据本实用新型一示例实施方式，步骤D中，采集数据之前，先根据高速轨道检测作业的检测速度和轨道参数变化特性对陀螺、加速度计和激光摄像组件的标度因数的对称性、非线性进行标定。

根据本实用新型一示例实施方式，步骤的D中，采集数据之前，先根据高速轨道检测作业的环境温度变化特性对陀螺、加速度计和激光摄像组件的零偏、安装误差、标度因数进行温度补偿。

根据本实用新型一示例实施方式，步骤E中，所述解算的方法包括：

E1：对陀螺数据和加速度计数据根据重力异常解算模块的数据进行导航解算；

E2：将导航解算的结果与温度数据、里程计数据、激光摄像数据、轨道约束解算模块的数据和车体动力学解算模块的数据进行最优估计；

E3：对最优估计结果进行轨道检测解算模型的解算和误差补偿，得到三维运动轨迹和姿态。

根据本实用新型一示例实施方式，步骤E1中，采用圆锥误差补偿、划桨误差补偿和涡卷误差补偿方法进行导航解算，提高导航解算的精度。

根据本实用新型一示例实施方式，步骤E2中，采用卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波和最小二乘的方法进行最优估计，采用单级或多级最优估计结构。

根据本实用新型一示例实施方式，步骤D还包括采集卫星导航接收机的数据，步骤E2还包括将导航解算的结果与卫星导航接收机数据进行最优估计。

根据本实用新型一示例实施方式，步骤F中，如果激光摄像组件为3套，则利用几何学方法、激光摄像组件的测量数据和标定数据计算惯性导航***或安装基座相对于钢轨的相对位置参数和姿态参数；如果激光摄像组件超过3套，则通过最小二乘方法等最优估计方法提高相对误差测量精度。

根据本实用新型的第三方面，提供一种高速轨道检测***，包括所述高速轨道检测***和带动力的车，带动力的车包括运营车和作业车，运营车包括高铁、动车、普铁列车、城际列车和地铁，作业车包括捣固车、打磨车和巡检车。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用惯性导航***、里程计、激光摄像组件、卫星导航接收机这些物理传感器，结合轨道约束解算模型、车体动力学解算模型和重力异常解算模型进行深度融合，明显提高轨道检测精度和可靠性。具体通过以下几点进行阐述：

(1)本实用新型采用基于惯性轨迹法的轨道检测方法，采用惯性导航***和多种传感器深度融合技术，测量轨道两根钢轨的轨迹，然后在此基础上计算轨道参数。该方案明显提高轨道检测精度和可靠性，明显降低了***复杂程度、***成本、使用和维护难度。

(2)本实用新型将轨道约束解算模型、车体动力学解算模型和重力异常解算模型作为虚拟传感器与惯性导航***进行深度融合，可以进一步提高轨道检测精度和可靠性。

(3)本实用新型将惯性导航***、里程计、激光摄像组件、卫星导航接收机这些物理传感器进行深度融合，采用最优估计方法对惯性导航***的姿态误差和惯性器件(陀螺和加速度计)误差进行有效估计和补偿，从而明显提高轨道检测精度和可靠性。

(4)本实用新型采用多个里程计进行深度融合，能有效解决单个里程计失效问题，而且能明显提高里程测量精度和可靠性，从而提高轨道检测精度和可靠性。

(5)本实用新型采用多套激光摄像组件***对惯性导航***和轨道之间的相对姿态与位置变化进行高精度补偿，明显提高轨道检测精度。

(6)本实用新型提出了一种高精度温度补偿方法，对陀螺、加速度计和激光摄像组件的零偏、安装误差和标度因数进行高精度温度补偿，明显提高环境温度变化时的轨道检测精度和可靠性。

(7)本实用新型提出了一种高精度***标定方法，对陀螺、加速度计和激光摄像组件的标度因数对称性、非线性进行高精度标定，明显提高在检测速度和轨道参数变化时的检测精度和可靠性。

附图说明

图1是现有技术陀螺轨道检测***传感器安装示意图。

图2是第一种实施方式高速轨道检测***的模块连接关系图。

图3是第一种实施方式导航计算机的模块连接关系图。

图4是激光摄像组件的结构图。

图5是惯性导航***和激光摄像组件安装在安装基座上的结构图。

图6是第三种实施方式高速轨道检测***的模块连接关系图。

图7是第二种实施方式导航计算机的模块连接关系图。

其中，1—惯性导航***，2—里程计，3—激光摄像组件，4—卫星导航接收机，5—显示控制装置，6—安装基座。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本实用新型的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本实用新型的示意性图解，并非一定是按比例绘制。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本实用新型的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本实用新型的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本实用新型的各方面变得模糊。

根据本实用新型的第一种实施方式，本实用新型提供一种高速轨道检测***，如图2所示，包括：惯性导航***1、里程计2、3套激光摄像组件3、显示控制装置5、安装基座6和***电源(图中未示出)。

惯性导航***1包括至少用于测量装载高速轨道检测***的检测车的姿态、速度和位置数据，并结合激光摄像组件和里程计的数据计算轨道几何状态。惯性导航***1包括陀螺、加速度计、惯性器件电路、导航计算机、温度传感器和通用接口电路；其中，

陀螺用于测量角速度数据；

加速度计用于测量加速度数据；

惯性器件电路用于采集陀螺和加速度计测量数据；

导航计算机至少用于完成惯性导航解算、温度数据的解算、激光摄像数据的解算、里程计数据的解算、多种测量模型和误差补偿模型的解算；

温度传感器用于测量温度数据；

通用接口电路至少用于连接里程计、激光摄像组件、温度传感器和显示控制装置。

如图3所示，导航计算机包括重力异常解算模块、轨道约束解算模块、车体动力学解算模块、***误差校正模块、导航解算模块、最优估计模块、轨道检测解算模块、误差补偿模块、故障检测模块、数据存储模块和结果输出模块。

重力异常计算模块用于计算重力异常数据，补偿实际重力与惯性导航解算过程中采用的重力模型之间的误差。

轨道约束解算模块用与装载高速轨道检测***的检测车在轨道上的运动约束模型解算和误差补偿。

车体动力学解算模块用于车体动力学运动模型解算和误差补偿，车体动力学解算模块利用里程计和激光摄像组件的输出数据和运动模型进行运动参数解算和误差补偿。

***误差校正模块用于校正***误差和重力异常误差。

导航解算模块用于完成姿态解算、速度解算和位置解算。

最优估计模块用于结合惯性导航数据(即为陀螺数据和加速度数据经过导航解算模块解算之后的数据)、里程计数据、激光摄像数据、温度数据、轨道约束解算模块的数据和车体动力学解算模块的数据对***误差进行最优估计。

轨道解算模块用于轨道检测模型解算和误差补偿。

误差补偿模块用于对陀螺数据、加速度计数据、里程计数据、激光摄像数据和温度数据进行误差补偿。

故障检测模块用于对各种误差补偿模块输出的数据进行故障检测。

数据存储模块用于实时存储各种传感器数据和结果数据，主要包括传感器数据、轨道检测数据、惯性导航数据和各种状态数据。

结果输出模块至少用于输出轨道检测数据、惯性导航数据和轨道的几何状态，结果输出模块将结果输出至显示控制装置5(即为显控电脑)。

里程计2用于测量装载高速轨道检测***的检测车的里程和速度。里程计2为多个，每个里程计2安装在邻近安装基座的检测车的一个车轮上，里程计2包括光电编码器、磁电编码器、电阻编码器或磁钉加霍尔传感器。

3套激光摄像组件用于测量安装基座6或惯性导航***1与钢轨之间的相对位置和相对姿态参数。如图4所示，每套激光摄像组件包括激光器、发射光学***、高速相机和接收光学***，激光器发出的激光经过发射光学***准直整形后变为线形激光，照射到平面目标上的激光光斑形状为一条直线，照射到钢轨等非平面目标上的激光光斑为曲线。照射到目标上的激光光斑经过接收光学***后成像到高速相机的面阵成像单元(CMOS或CCD)上，采用相机标定、图像处理和三角测量方法可以高精度测量激光光斑各处在激光平面坐标系中的二维坐标。每套激光摄像组件内部还集成了温度传感器，通过温度传感器测量温度数据，采用全温标定和误差补偿方法提高测量精度。

显示控制装置5至少用于***的显示和控制。

安装基座6用于固定惯性导航***1和3套激光摄像组件3，安装基座6包括整体式安装基座或分布式安装基座，整体式安装基座为由单个或多个机械部件组成为一体的能够同时承载惯性导航***1和3套激光摄像组件3的安装基座6，分布式安装基座包括多个只能承载惯性导航***1或激光摄像组件3中的一个或多个部件的安装基座6。如图5所示，如果采用整体式安装基座时，整体式安装基座的形状为直角三角形截去两个锐角的形状，3套激光摄像组件3分别设置在邻近直角三角形的三个角的位置上。

***电源用于为***各部分供电。

采用第一种实施方式的高速轨道检测***对铁路轨道进行检测，包括如下步骤：

A：对惯性导航***1和每套激光摄像组件3进行单独的***标定和误差补偿；

B：将惯性导航***1和3套激光摄像组件3安装到安装基座6上，并对惯性导航***1和3套激光摄像组件3之间的安装误差参数进行标定和补偿；

C：对惯性导航***1进行初始对准，初始对准时输入地理位置；

D：根据高速轨道检测作业的检测速度和轨道参数变化特性对陀螺、加速度计和激光摄像组件的标度因数的对称性、非线性进行标定，根据高速轨道检测作业的环境温度变化特性对陀螺、加速度计和激光摄像组件的零偏、安装误差、标度因数进行温度补偿，采集陀螺、加速度计、温度传感器、里程计2和激光摄像组件3的数据；

E：将步骤D中采集到的数据解算得到运动过程中惯性导航***的三维运动轨迹和姿态，具体方法为：

E1：对陀螺数据和加速度计数据根据重力异常解算模块的数据进行导航解算，采用圆锥误差补偿、划桨误差补偿和涡卷误差补偿方法提高导航解算精度；

E2：将导航解算的结果与温度数据、里程计数据、激光摄像数据、轨道约束解算模块的数据和车体动力学解算模块的数据进行最优估计，采用卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波和最小二乘的方法进行最优估计，采用单级或多级最优估计结构；

E3：对最优估计结果进行轨道检测解算模型的解算和误差补偿，得到三维运动轨迹和姿态；

F：通过3套激光摄像组件3之间的安装误差和每套激光摄像组件3的测量数据计算安装基座6或惯性导航***1相对于钢轨的相对位置和姿态参数，相对位置包括横向位移和垂向位移，姿态包括方位角、俯仰角和横滚角，计算相对位置和姿态的方法包括：每套激光摄像组件3测量该组件相对于钢轨的相对位置(横向位移和垂向位移)，通过3套激光摄像组件测量安装基座6或惯性导航***1上相对于钢轨的相对位置(横向位移和垂向位移)，由此利用几何学方法、激光摄像组件的测量数据和标定数据计算出安装基座6或惯性导航***1相对于钢轨的相对位置(横向位移和垂向位移)和姿态(方位角、俯仰角、横滚角)参数；

G：利用步骤E的惯性导航***的三维运动轨迹和姿态、步骤F的安装基座6或惯性导航***1相对于钢轨的相对位置和姿态参数、惯性导航***1和3套激光摄像组件3之间的安装误差计算出每根钢轨的三维轨迹；

H：根据每根钢轨的三维轨迹计算出每根钢轨的轨向和高低参数；

I：根据两根钢轨的三维轨迹计算出轨道的轨距、水平和扭曲的参数。

根据本实用新型的第二种实施方式，提供了一种高速轨道检测车，包括第一种实施方式的高速轨道检测***和在地下的轨道上运行的带动力的车，在地下的轨道上运行的带动力的车包括运营车和作业车，运营车为地铁。

根据本实用新型的第三种实施方式，提供了一种高速轨道检测***，该***与第一种实施方式的高速轨道检测***基本相同，不同的地方在以下两个方面：

第一，如图6所示，第三种实施方式的高速轨道检测***还包括卫星导航接收机4，卫星导航接收机4用于测量装载高速轨道检测***的检测车的位置和速度，同时提供以卫星导航***为时间基准的时间数据和同步的秒脉冲信号。卫星导航接收机4为选择配备的传感器，对于地下的轨道检测不需要卫星导航接收机4，但需要在惯性导航初始对准时输入地理位置。

第二，惯性导航***1还用于结合卫星导航接收机4的数据计算轨道的几何状态，具体的如图7所示，导航计算机还用于完成卫星导航接收机数据的解算，导航计算机的最优估计模块用于结合惯性导航数据(即为陀螺数据和加速度数据经过导航解算模块解算之后的数据)、里程计数据、激光摄像数据、温度数据、卫星导航接收机数据、轨道约束解算模块的数据和车体动力学解算模块的数据对***误差进行最优估计；误差补偿模块用于对陀螺数据、加速度计数据、里程计数据、卫星导航接收机数据、激光摄像数据和温度数据进行误差补偿。通用接口电路还用于连接卫星导航接收机。

采用第三种实施方式的高速轨道检测***对铁路轨道进行检测，包括如下步骤：

A：对惯性导航***1和每套激光摄像组件3进行单独的***标定和误差补偿；

B：将惯性导航***1和3套激光摄像组件3安装到安装基座6上，并对惯性导航***1和3套激光摄像组件3之间的安装误差参数进行标定和补偿；

C：对惯性导航***1进行初始对准；

D：对陀螺、加速度计和激光摄像组件的标度因数的对称性、非线性进行标定，对陀螺、加速度计和激光摄像组件的零偏、安装误差、标度因数进行温度补偿，采集陀螺、加速度计、温度传感器、里程计2、激光摄像组件3和卫星导航接收机4的数据；

E：将步骤D中采集到的数据解算得到运动过程中惯性导航***的三维运动轨迹和姿态，具体方法为：

E1：对陀螺数据和加速度计数据根据重力异常解算模块的数据进行导航解算，采用圆锥误差补偿、划桨误差补偿和涡卷误差补偿方法进行导航解算；

E2：将导航解算的结果与温度数据、卫星导航接收机数据、里程计数据、激光摄像数据、轨道约束解算模块的数据和车体动力学解算模块的数据进行最优估计，采用卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波和最小二乘的方法进行最优估计，采用单级或多级最优估计结构；

E3：对最优估计结果进行轨道检测解算模型的解算和误差补偿，得到三维运动轨迹和姿态；

F：通过3套激光摄像组件3之间的安装误差和每套激光摄像组件3的测量数据计算安装基座6或惯性导航***1相对于钢轨的相对位置和姿态参数，相对位置包括横向位移和垂向位移，姿态包括方位角、俯仰角和横滚角，计算相对位置和姿态的方法包括：每套激光摄像组件3测量该组件相对于钢轨的相对位置(横向位移和垂向位移)，通过3套激光摄像组件测量安装基座6或惯性导航***1上相对于钢轨的相对位置(横向位移和垂向位移)，由此利用几何学方法、激光摄像组件的测量数据和标定数据计算出安装基座6或惯性导航***1相对于钢轨的相对位置(横向位移和垂向位移)和姿态(方位角、俯仰角、横滚角)参数；

G：利用步骤E的惯性导航***的三维运动轨迹和姿态、步骤F的安装基座6或惯性导航***1相对于钢轨的相对位置和姿态参数、惯性导航***1和3套激光摄像组件3之间的安装误差计算出每根钢轨的三维轨迹；

H：根据每根钢轨的三维轨迹计算出每根钢轨的轨向和高低参数；

I：根据两根钢轨的三维轨迹计算出轨道的轨距、水平和扭曲的参数。

根据本实用新型的第四种实施方式，提供了一种高速轨道检测***，包括第三种实施方式的高速轨道检测***和在地面上的轨道上运行的带动力的车，在地面上的轨道上运行的带动力的车包括运营车和作业车，运营车包括高铁、动车、普铁列车和城际列车，作业车包括捣固车、打磨车和巡检车。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种高速轨道检测***，其特征在于，包括：惯性导航***、里程计、多套激光摄像组件和安装基座；其中，

所述惯性导航***与所述里程计、所述激光摄像组件通过电气接口连接，用于采集陀螺和加速度计的测量数据，解算导航参数和轨道参数，采用惯性导航***和多种传感器深度融合技术测量轨道两根钢轨的三维轨迹，并计算出轨道参数；

所述激光摄像组件用于测量所述惯性导航***或所述安装基座与钢轨之间的相对位置参数和相对姿态参数；

所述里程计设置在装载高速轨道检测***的检测车的车轮上，用于测量车体的里程和速度；

所述安装基座上固定有所述惯性导航***和所述多套激光摄像组件。

2.根据权利要求1所述的高速轨道检测***，其特征在于，还包括设置在装载高速轨道检测***的检测车上的卫星导航接收机，所述卫星导航接收机与所述惯性导航***通过电气接口连接。

3.根据权利要求1所述的高速轨道检测***，其特征在于，所述惯性导航***包括导航计算机，所述导航计算机包括***误差校正模块、导航解算模块、最优估计模块和轨道检测解算模块；

***误差校正模块至少用于校正***误差；

导航解算模块用于根据陀螺和加速度计的测量数据完成姿态解算、速度解算和位置解算；

最优估计模块至少用于结合惯性导航数据、里程计数据、激光摄像数据对***误差进行最优估计；

轨道检测解算模块用于轨道检测模型解算和误差补偿。

4.根据权利要求3所述的高速轨道检测***，其特征在于，导航计算机还包括虚拟传感器，所述虚拟传感器包括重力异常解算模块、轨道约束解算模块和车体动力学解算模块中的一个或多个模块；

重力异常解算模块用于计算重力异常数据，补偿实际重力与惯性导航解算过程中采用的重力模型之间的误差；

轨道约束解算模块用于装载高速轨道检测***的检测车在轨道上的运动约束模型解算和误差补偿；

车体动力学解算模块用于车体动力学运动模型解算和误差补偿。

5.根据权利要求1所述的高速轨道检测***，其特征在于，所述里程计为2个以上，并将里程计数据和惯性导航***的数据深度融合。

6.根据权利要求1所述的高速轨道检测***，其特征在于，每套激光摄像组件包括激光器、发射光学***、高速相机和接收光学***，利用3套及以上激光摄像组件对所述惯性导航***或安装基座和轨道之间的相对姿态与位置变化进行高精度补偿，根据几何学方法、激光摄像组件的测量数据和标定数据解算相对位置参数和相对姿态参数。

7.根据权利要求1所述的高速轨道检测***，其特征在于，安装基座包括整体式安装基座或分布式安装基座，整体式安装基座为由单个或多个机械部件组成为一体的能够同时承载惯性导航***和多套激光摄像组件的安装基座，分布式安装基座包括多个只能承载惯性导航***或激光摄像组件中的一个或多个部件的安装基座。

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