一种轨枕水平度检验系统及其工作方法与流程

本发明属于铁路运营安全技术领域，更具体地，涉及一种轨枕水平度检验系统及其工作方法。

背景技术：

在铁路建设快速发展的当下，因地质条件或者施工条件影响，会发生轨道下沉或者塌陷、进而影响铁路行车安全的问题，因此对于轨道下沉和塌陷的提前预防，对于铁路安全显得尤其重要。

目前，轨道下沉和塌陷的预防主要靠人工巡检的方式，即巡检人员通过其双眼对轨道周边情况进行安全检测。

然而，现有的人工巡检方式存在一些不可忽略的缺陷，第一，人工巡检的工作效率低，漏检概率大；第二，人工巡检往往只能在轨道下沉和塌陷发生后，才能发现轨道存在的问题，这会严重影响行车安全。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种轨枕水平度检验系统及其工作方法。其目的在于，解决现有轨道下沉和塌陷的人工巡检方法存在的效率低、漏检概率大的技术问题，以及由于往往在事故发生后才能发现问题、从而严重影响行车安全的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种轨枕水平度检验系统，其是设置在铁轨上，且包括车轮驱动模块、多个车轮、数字信号处理模块、存储模块、通讯模块、第一激光测距模块、第二激光测距模块、人机交互模块、gps模块、水平倾角传感器、第一三轴加速度传感模块、以及第二三轴加速度传感模块，车轮驱动模块与多个车轮、以及数字信号处理模块电连接；数字信号处理模块还与存储模块、通讯模块、第一激光测距模块、第二激光测距模块、人机交互模块、gps模块、水平倾角传感器、第一三轴加速度传感模块、以及第二三轴加速度传感模块电连接；第一激光测距模块和第二激光测距模块完全相同，二者的光轴平行。

总体而言，通过本发明所构思的以上系统与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明采用激光测距结合水平仪测角的方式来测量轨枕是否存在肉眼无法轻易分辨的下沉和塌陷现象，精度高，可以在发生轨道发生下沉和完全塌陷之前提前发现问题，预防此类事故的发生，因此能够解决现有人工巡检效率低、漏检概率大，以及事故发生后才能发现问题从而严重影响行车安全的问题。

2、本发明测量过程使用自动控制方式，不需要人工过多干预，即可完成规定路线的测量，效率高，时间成本低。

3、本发明通过设置第一激光测距模块和第二激光测距模块，分别测量第一激光测距模块到一侧铁轨的高度，和第二激光测距模块到另一侧铁轨的高度，可以减小因为铁轨磨损不一致所造成的水平倾角测量误差过大的问题。

4、本发明通过设置第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块对z轴方向加速度进行监测，可以减小装置运行过程中的振动对第一激光测距模块和第二激光测距模块测距精度的影响。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述轨枕水平度检验系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)数字信号处理模块接收用户输入的轨枕水平检验指令，并控制车轮驱动模块使至少一个车轮处于静止状态，其中该轨枕水平检验指令用于指示检验方向和检验路程；

(2)数字信号处理模块分别获取第一三轴加速度传感模块沿着x轴方向输出的多个加速度信号、沿着y轴方向输出的多个加速度信号，以及第二三轴加速度传感模块沿着x轴方向输出的多个加速度信号、沿着y轴方向输出的多个加速度信号，分别对获取的四个信号集合获取其平均值，从而得到第一三轴加速度传感模块在静止状态下沿x轴和y轴方向的加速度信号平均值ax1avg、ay1avg，以及第二三轴加速度传感模块在静止状态下沿x轴和y轴方向的加速度信号平均值ax2avg、ay2avg，并将这些平均值存入存储模块，设置计数器i＝1，并设置定时器tgps；

(3)数字信号处理模块读取gps模块输出的数据；

(4)数字信号处理模块判断读取的数据中是否包含有效位置信息，如果是则存储该数据，并进入步骤(5)，否则判断定时器tgps是否超时，如果是则进入步骤(18)，否则返回步骤(3)；

(5)数字信号处理模块指示车轮驱动模块控制车轮按照轨枕水平检验指令中的检测方向匀速行驶，并且命令第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块分别获取沿x轴方向的第i次加速度值axli和ax2i，计算第i次加速度值axli与第一三轴加速度传感模块在静止状态下沿x轴方向的加速度信号平均值ax1avg之间的差值axli’、以及ax2i与第二三轴加速度传感模块在静止状态下沿x轴方向的加速度信号平均值ax20之间的差值ax2i’，并命令第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块分别获取z轴方向上的第i次加速度值azli和az2i；

(6)数字信号处理模块判断步骤(5)得到的差值axli’和ax2i’和的绝对值是否小于第一预设阈值b，如果是则转入步骤(7)，否则设置i＝i+1，并返回步骤(5)；

(7)数字信号处理模块设置采样定时器t1＝t1，设置计数器j＝1，并计算第一三轴加速度传感模块在z轴方向上的加速度平均值azlavg＝(azl1+…+azli)/i，以及第二三轴加速度传感模块在z轴方向上的加速度平均值az2avg＝(az21+…+az2i)/i；

(8)数字信号处理模块控制第一激光测距模块和第二激光测距模块开始工作，以分别获得第j次测距数据d1j和d2j，读取水平倾角传感器输出的第j次倾斜角angj，命令第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块分别获取z轴方向上的第j次加速度值azlj和az2j，并分别计算第一和第二三轴加速度传感模块在垂直方向的第j次当前速度v1j＝(az1j+az1j-1)*t1/2，v2j＝(az2j+az2j-1)*t1/2；

(9)数字信号处理模块分别根据第一和第二三轴加速度传感模块在垂直方向的第j次当前速度v1j和v2j计算第一和第二三轴加速度传感模块从第j-1次到第j次的垂直方向位移s1j和s2j；

(10)数字信号处理模块分别对步骤(9)得到的第一和第二三轴加速度传感模块的所有垂直方向位移s1j和s2j进行求和，以得到第一求和结果和第二求和结果，并根据第一求和结果和第二求和结果分别计算第一和第二三轴加速度传感模块的测试距离d1j’和d2j’；

(11)数字信号处理模块判断是否有测试距离d1j’小于第二预设阈值a1，且有d2j’小于第二预设阈值a1，如果是则进入步骤(12)，否则进入步骤(16)；

(12)数字信号处理模块根据第一和第二三轴加速度传感模块的测试距离d1j’和d2j’、以及水平倾角传感器输出的第j次倾斜角angj计算轨枕相对于水平面的第j次倾斜角度incj＝arctan(d1j’-d2j’)/l+angj，读取gps模块当前输出的数据，并命令第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块分别获取沿y轴方向的第i次加速度值ayli和ay2i，其中l表示第一激光测距模块和第二激光测距模块沿着光轴的距离；

(13)数字信号处理模块判断是否有a3>ay1j-ay1avg>a2且a3>ay2j-ay2avg>a2成立，如果是则表示轨枕水平度检验系统没有进入弯道，并进入步骤(14)，否则表示轨枕水平度检验系统进入了弯道，并进入步骤(15)，其中a2和a3分别表示第三预设阈值和第四预设阈值；

(14)数字信号处理模块将步骤(12)得到的轨枕相对于水平面的第j次倾斜角度incj和gps模块当前输出的数据、以及未进入弯道的信息一起发送到存储模块存储，并通过通讯模块发送到外部数据管理系统，然后进入步骤(16)；

(15)数字信号处理模块将步骤(12)得到的轨枕相对于水平面的第j次倾斜角度incj和gps模块当前输出的数据、以及已进入弯道的信息一起发送到存储模块存储，并通过通讯模块发送到外部数据管理系统，然后进入步骤(16)。

(16)数字信号处理模块判断步骤(12)得到的gps模块当前输出的数据中所指示的轨枕水平度检验系统的位置是否超过轨枕水平检验指令所指示的检验路程，如果是则数字信号处理模块控制车轮驱动模块驱动至少一个车轮返回到步骤(4)的有效位置信息所对应的位置，过程结束，否则进入步骤(17)；

(17)数字信号处理模块判断采样定时器t1是否超时，如果是则设置j＝j+1，并返回步骤(8)，否则继续本步骤的判断过程。

(18)数字信号处理模块通过人机交互模块提示“gps模块错误”，过程结束。

优选地，第一预设阈值b的取值范围是0.01到0.1之间，优选为0.05；常数t1的取值范围为50至100ms之间，优选为80ms。

优选地，在步骤(9)中，s1j＝(v1j+v1j-1)*t1/2，s2j＝(v2j+v2j-1)*t1/2；

在步骤(10)中，第一求和结果s1j’＝s11+s12+…+s1j；第二求和结果s2j’＝s21+s22+…+s2j，且有d1j’＝d1j-s1j’，d2j’＝d2j-s1j’。

优选地，第二预设阈值a1的取值等于(第一激光测距模块到轨枕的高度+第二激光测距模块到轨枕的高度)/2+10cm；

第三预设阈值a2是0.001到0.005之间的小数，优选为0.003；

第四预设阈a3是0.005到0.01之间的小数，优选为0.008。

总体而言，通过本发明所构思的以上方法与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明由于采用了步骤(2)和步骤(5)，其通过分别获取第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块在静止状态下的x轴(即与列车行驶方向平行)加速度信号平均值ax1avg、ax1avg，并在运动状态下获取第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块x轴方向加速度信号，然后减去静止状态下的加速度信号平均值，消除了第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块x轴方向静止状态下的输出漂移影响，提高了运动状态下第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块x轴方向加速度传感器输出信号的准确性。

2、本发明由于采用了步骤(2)和步骤(13)，其通过分别获取第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块在静止状态下的y轴(即与列车行驶方向垂直)加速度信号平均值ay1avg、ay1avg，并在运动状态下获取第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块y轴方向加速度信号，然后减去静止状态下的y轴加速度信号平均值，消除了第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块y轴方向静止状态下的输出漂移(包括重力加速度)影响，提高了运动状态下第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块y轴方向加速度传感器输出信号的准确性。

3、本发明由于采用了步骤(3)和步骤(4)，其通过读取gps模块输出是否有效，并设置定时器tgps，对gps模块读取是否超时进行判断，可以保证位置信息的准确性，并防止死机现象的发生，提高系统的鲁棒性。

4、本发明由于采用了步骤(5)和步骤(6)，其通过获取消除了漂移影响的第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块x轴方向的第i次加速度值axli’和ax2i’，并对axli’和ax2i’求和后取绝对值判断是否小于第一预设阈值b，可以消除仅有一侧单个三轴加速度传感模块情况下对装置速度(装置匀速转弯会造成装置一侧加速一侧减速)的错误判断。

5、本发明由于采用了步骤(7)到步骤(10)，其通过获取运动状态下第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块在z轴方向上的加速度平均值azlavg和az2avg，将azlavg和az2avg设置为运动状态下装置z轴方向上的平衡位置和初始振动位置，并计算第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块在第i次测距时相对于初始振动的位移，用于修正振动对第一和第二三轴加速度传感模块测距的影响。

6、本发明由于采用了步骤(11)和步骤(12)，其通过获取第一激光测距模块和第二激光测距模块的测试距离d1j’和d2j’，以及第一激光测距模块和第二激光测距模块沿着光轴的距离l，计算钢轨相对于轨枕的倾斜角度，从而解决因钢轨磨损不一致，单纯通过水平倾角传感器测得轨枕倾角误差较大的问题。

7、本发明由于采用了步骤(13)到步骤(15)，其通过获取消除了漂移影响的第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块y轴方向的第j次加速度值ay1j-ay1avg和ay2j-ay2avg,并以此判断第j次倾斜角度incj是否是在弯道(弯道轨枕外侧比内侧高)处获得，避免了外部数据管理系统在收到第j次倾斜角度incj数据后对其的错误判断。

8、本发明由于采用了步骤(16)，其通过获取gps模块当前输出的数据中所指示的轨枕水平度检验系统的位置，并判断是否超过轨枕水平检验指令所指示的检验路程来实现自动返回，不需要人工过多干预，即可完成规定路线的测量，效率高，时间成本低。

附图说明

图1是本发明轨枕水平度检验系统的模块示意图。

图2是本发明轨枕水平度检验系统的工作方法的流程图。

图3是本发明轨枕水平度检验系统的应用示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和3所示，根据本发明的第一方面，提供了一种轨枕水平度检验系统，其是设置在铁轨上(同时参照图3所示)，且包括车轮驱动模块1、多个车轮2、数字信号处理模块3、存储模块4、通讯模块5、第一激光测距模块6、第二激光测距模块7、人机交互模块8、gps模块9、水平倾角传感器10、第一三轴加速度传感模块11、以及第二三轴加速度传感模块12。

车轮驱动模块1与多个车轮、以及数字信号处理模块3电连接，车轮驱动模块1具体是伺服电机，车轮的数量是4个，其中至少一个是动力车轮。在本发明中，数字信号处理模块3的型号是stm32f103rct6。

数字信号处理模块3还与存储模块4、通讯模块5、第一激光测距模块6、第二激光测距模块7、人机交互模块8、gps模块9、水平倾角传感器10、第一三轴加速度传感模块11、以及第二三轴加速度传感模块12电连接。

在本发明中，存储模块4使用的是eeprom芯片。

通讯模块5使用的是4g、5g、或gprs通讯模块。

第一激光测距模块6和第二激光测距模块7完全相同，二者的光轴平行，均采用atk-vl53l0x激光测距模块。

人机交互模块8包括一个显示屏和一个键盘。

gps模块9的具体型号是neo-7n。

水平倾角传感器10具体使用sca60c型水平倾角传感器模块。

第一三轴加速度传感模块11和第二三轴加速度传感模块12完全相同，其均使用adxl345传感器。

如图2所示，根据本发明的第二方面，提供了上述轨枕水平度检验系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)数字信号处理模块接收用户输入的轨枕水平检验指令，并控制车轮驱动模块使至少一个车轮处于静止状态，其中该轨枕水平检验指令用于指示检验方向和检验路程；

(2)数字信号处理模块分别获取第一三轴加速度传感模块沿着x轴(即与列车行驶方向平行)方向输出的多个加速度信号、沿着y轴(即与列车行驶方向垂直)方向输出的多个加速度信号，以及第二三轴加速度传感模块沿着x轴(即与列车行驶方向平行)方向输出的多个加速度信号、沿着y轴(即与列车行驶方向垂直)方向输出的多个加速度信号，分别对获取的四个信号集合获取其平均值，从而得到第一三轴加速度传感模块在静止状态下沿x轴和y轴方向的加速度信号平均值ax1avg、ay1avg，以及第二三轴加速度传感模块在静止状态下沿x轴和y轴方向的加速度信号平均值ax2avg、ay2avg，并将这些平均值存入存储模块，设置计数器i＝1，并设置定时器tgps；

具体而言，本步骤中获取的时长为1s，且每隔1ms读取一次，因此本步骤中得到的各个信号为1000个。

(3)数字信号处理模块读取gps模块输出的数据；

(4)数字信号处理模块判断读取的数据中是否包含有效位置信息，如果是则存储该数据，并进入步骤(5)，否则判断定时器tgps是否超时(在本发明中超时阈值设置为8-10分钟)，如果是则进入步骤(18)，否则返回步骤(3)；

具体而言，如果读取的数据中第一个字段和第三个字段中显示了“$gprmc”和“v”，则表示该数据包含有效位置信息，反之则表示不包含。

(5)数字信号处理模块指示车轮驱动模块控制车轮按照轨枕水平检验指令中的检测方向匀速行驶，并且命令第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块分别获取沿x轴方向的第i次加速度值axli和ax2i，计算第i次加速度值axli与第一三轴加速度传感模块在静止状态下沿x轴方向的加速度信号平均值ax1avg之间的差值axli’、以及ax2i与第二三轴加速度传感模块在静止状态下沿x轴方向的加速度信号平均值ax20之间的差值ax2i’，并命令第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块分别获取z轴(其是垂直于上述x轴和y轴方向)方向上的第i次加速度值azli和az2i；

具体而言，本步骤中匀速行驶的速度为0.6m/s。

(6)数字信号处理模块判断步骤(5)得到的差值axli’和ax2i’和的绝对值是否小于第一预设阈值b，如果是则转入步骤(7)，否则设置i＝i+1，并返回步骤(5)；

具体而言，第一预设阈值b的取值范围是0.01到0.1之间，优选为0.05。

上述步骤(5)到(6)的优点在于，通过获取消除了漂移影响的第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块x轴方向的第i次加速度值axli’和ax2i’，并对axli’和ax2i’求和后取绝对值判断是否小于第一预设阈值b，可以消除仅有一侧单个三轴加速度传感模块情况下对装置速度(装置匀速转弯会造成装置一侧加速一侧减速)的错误判断，从而提高步骤(8)中第j次测距被测点在物理位置上的均匀性，从而避免了轨枕检验遗漏的问题。

(7)数字信号处理模块设置采样定时器t1＝t1，设置计数器j＝1，并计算第一三轴加速度传感模块在z轴方向上的加速度平均值azlavg＝(azl1+…+azli)/i，以及第二三轴加速度传感模块在z轴方向上的加速度平均值az2avg＝(az21+…+az2i)/i；

具体而言，常数常数t1的取值范围为50至100ms之间，优选为80ms。

(8)数字信号处理模块控制第一激光测距模块和第二激光测距模块开始工作，以分别获得第j次测距数据d1j和d2j，读取水平倾角传感器输出的第j次倾斜角angj，命令第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块分别获取z轴方向上的第j次加速度值azlj和az2j，并分别计算第一和第二三轴加速度传感模块在垂直方向的第j次当前速度v1j＝(az1j+az1j-1)*t1/2，v2j＝(az2j+az2j-1)*t1/2；

(9)数字信号处理模块分别根据第一和第二三轴加速度传感模块在垂直方向的第j次当前速度v1j和v2j计算第一和第二三轴加速度传感模块从第j-1次到第j次的垂直方向位移s1j和s2j；

具体而言，s1j＝(v1j+v1j-1)*t1/2，s2j＝(v2j+v2j-1)*t1/2。

(10)数字信号处理模块分别对步骤(9)得到的第一和第二三轴加速度传感模块的所有垂直方向位移s1j和s2j进行求和，以得到第一求和结果和第二求和结果，并根据第一求和结果和第二求和结果分别计算第一和第二三轴加速度传感模块的测试距离d1j’和d2j’；

具体而言，第一求和结果s1j’＝s11+s12+…+s1j；第二求和结果s2j’＝s21+s22+…+s2j，且有d1j’＝d1j-s1j’，d2j’＝d2j-s1j’。

上述步骤(7)到步骤(10)的优点在于，通过获取运动状态下第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块在z轴方向上的加速度平均值azlavg和az2avg，将azlavg和az2avg设置为运动状态下装置z轴方向上的平衡位置和初始振动位置，并计算第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块在第i次测距时相对于初始振动的位移，用于修正振动对第一和第二三轴加速度传感模块测距的影响。

(11)数字信号处理模块判断是否有测试距离d1j’小于第二预设阈值a1，且有d2j’小于第二预设阈值a1，如果是则进入步骤(12)，否则进入步骤(16)；

具体而言，第二预设阈值a1的取值，等于(第一激光测距模块到轨枕的高度+第二激光测距模块到轨枕的高度)/2+10cm。

(12)数字信号处理模块根据第一和第二三轴加速度传感模块的测试距离d1j’和d2j’、以及水平倾角传感器输出的第j次倾斜角angj计算轨枕相对于水平面的第j次倾斜角度incj＝arctan(d1j’-d2j’)/l+angj，读取gps模块当前输出的数据，并命令第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块分别获取沿y轴方向的第i次加速度值ayli和ay2i，其中l表示第一激光测距模块和第二激光测距模块沿着光轴的距离；

上述步骤(11)和步骤(12)的优点在于，通过获取第一激光测距模块和第二激光测距模块的测试距离d1j’和d2j’，以及第一激光测距模块和第二激光测距模块沿着光轴的距离l，计算钢轨相对于轨枕的倾斜角度，从而解决因钢轨磨损不一致，单纯通过水平倾角传感器测得轨枕倾角误差较大的问题。

(13)数字信号处理模块判断是否有a3>ay1j-ay1avg>a2且a3>ay2j-ay2avg>a2成立，如果是则表示轨枕水平度检验系统没有进入弯道，并进入步骤(14)，否则表示轨枕水平度检验系统进入了弯道，并进入步骤(15)，其中a2和a3分别表示第三预设阈值和第四预设阈值，a2是0.001到0.005之间的小数，优选为0.003，a3是0.005到0.01之间的小数，优选为0.008；

(14)数字信号处理模块将步骤(12)得到的轨枕相对于水平面的第j次倾斜角度incj和gps模块当前输出的数据、以及未进入弯道的信息一起发送到存储模块存储，并通过通讯模块发送到外部数据管理系统，然后进入步骤(16)；

(15)数字信号处理模块将步骤(12)得到的轨枕相对于水平面的第j次倾斜角度incj和gps模块当前输出的数据、以及已进入弯道的信息一起发送到存储模块存储，并通过通讯模块发送到外部数据管理系统，然后进入步骤(16)；

上述步骤(13)到步骤(15)的优点在于，通过获取消除了漂移影响的第一三轴加速度传感模块和第二三轴加速度传感模块y轴方向的第j次加速度值ay1j-ay1avg和ay2j-ay2avg,并以此判断第j次倾斜角度incj是否是在弯道(弯道轨枕外侧比内侧高)处获得，避免了外部数据管理系统在收到第j次倾斜角度incj数据后对其的错误判断。

(16)数字信号处理模块判断步骤(12)得到的gps模块当前输出的数据中所指示的轨枕水平度检验系统的位置是否超过轨枕水平检验指令所指示的检验路程，如果是则数字信号处理模块控制车轮驱动模块驱动至少一个车轮返回到步骤(4)的有效位置信息所对应的位置，过程结束，否则进入步骤(17)；

上述步骤(16)的优点在于，其通过获取gps模块当前输出的数据中所指示的轨枕水平度检验系统的位置，并判断是否超过轨枕水平检验指令所指示的检验路程来实现自动返回，不需要人工过多干预，即可完成规定路线的测量，效率高，时间成本低。

(17)数字信号处理模块判断采样定时器t1是否超时，如果是则设置j＝j+1，并返回步骤(8)，否则继续本步骤的判断过程；

(18)数字信号处理模块通过人机交互模块提示“gps模块错误”，过程结束。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。