专利名称：基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种轨道参数测量装置及其方法，尤其是涉及一种基于绝对坐标测量参考系的铁路机车轨道参数测量装置及其方法。
背景技术：
由于受承载的列车运动影响，铁路轨道会逐渐偏移，沉降，铁轨的静态曲线参数也会随时间逐渐发生变化，当轨道的曲线参数变化范围超出一定的容许值时，就会对列车运行的平稳性带来影响，甚至有可能造成列车的脱轨、倾覆等严重事故，为了精确控制轨道曲线参数，必须精确测量轨道的曲线形状与曲线在大地坐标中的空间坐标值，但由于技术水平所限，在实际工程应用中，能较好的对轨道曲线形状进行测量(称为轨道曲线参数相对测量)，但对轨道的曲线空间坐标值测量难度较大(称为轨道曲线参数绝对测量)。对轨道的曲线空间坐标值测量，目前存在几种技术方法，常见的轨道参数测量方法主要有1、差分GPS测量方法，利用全球定位系统测量轨道在大地坐标系中的绝对坐标；2、全站仪法，该方法首先在铁轨沿线建设一个测量控制基准网，再将全站仪架设与地面上，通过观测控制基准网中控制点的坐标，解算出全站仪的大地绝对坐标，全站仪再去测量一个沿着铁轨运动的小车的坐标，通过小车的坐标就可以计算出铁轨曲线的参数。现有的轨道的曲线空间坐标值测量方法普遍存在的问题是测量速度慢，效率低下，为了保证测量结果的精度，GPS数分钟才能测量出一个点，然后对点的数据进行拟合得出整个曲线参数，而全站仪则必须每两百米到三百米执行一个耗时长达数十分钟的设站过程，单点测量时间也需数秒，因而整体效率难以有效提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置及其方法，能够克服现有技术测量速度慢，效率低下，测量结果精度低的技术问题，在保证测量精度的前提下，有效地提高了测量效率。本发明具体提供了一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置的具体实施方式
，一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置，包括一个小车平台，小车平台沿铁轨轨道运动，用于安装轨道参数测量所需的设备；一个惯性测量装置，安装于小车平台之上，用于测量小车空间三个正交方向轴上的转角运动量及加速度变化量；一个三维激光扫描仪，安装于小车平台之上，用于测量出特定反射物相对于三维激光扫描仪原点的空间位置坐标值；一个固定点及标记点观测系统，用于小车初始空间位置的定位；一个轨距测量装置，安装于小车平台之上，用于测量小车平台当前所处位置处铁轨的轨距参数；
一台姿态及曲线参数计算机，用于根据惯性测量装置和三维激光扫描仪的测量值计算轨道的曲线参数。作为本发明一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置进一步的实施方式，惯性测量装置包括三轴的高精密陀螺仪与加速度计。作为本发明一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置进一步的实施方式，轨道参数测量装置包括固定点系统，固定点系统位于小车平台之外的轨道沿线，包括一个或多个大地坐标固定的测量点。作为本发明一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置进一步的实施方式，固定点系统中的一个或多个大地坐标固定的测量点大地坐标已预先测定，固定点插入一个反射棱镜或反射销，用于三维激光扫描仪对目标进行判别，对于每一个大地坐标固定的测量点，存在一个唯一对应的标记点。作为本发明一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置进一步的实施方式，姿态及曲线参数计算机包括惯性测量装置测量量与三维激光扫描仪测量量的耦合方程组解算模块，耦合方程组解算模块依据惯性测量装置的测量量与三维激光扫描仪的测量量，建立一个耦合方程组，求解出小车空间姿态，得出三维激光扫描仪的原点在大地坐标系中的运动轨迹。作为本发明一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置进一步的实施方式，耦合方程组解算模块包括Kalman (卡尔曼)滤波模块。一种利用上述基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置进行轨道参数测量的方法，该方法包括以下步骤SlOl 将小车平台放置于需测量的铁轨轨道上，开进至所需测量的第一个标记点处，固定点及标记点观测系统执行一个观测动作，将小车平台与标记点对齐，通过小车平台结构上的几何关系求出三维激光扫描仪的坐标系原点在大地坐标系中的坐标；S102:三维激光扫描仪扫描标记点所对应的下一对固定点，求出它们在三维激光扫描仪坐标系中的坐标数据，同时记录惯性测量装置当前值作为耦合方程组的初始值；S103:完成上述的初始对点过程后，小车平台沿铁轨向下一对固定点开进，在开进过程中，惯性测量装置测量当前位置相对于初始位置的转角与空间位移的变化量，三维激光扫描仪扫描尽可能多的固定点，并测量他们在三维激光扫描仪坐标系中的坐标位置，同时小车平台上的轨距测量装置测量铁轨轨距的变化量；S104 根据惯性测量装置、三维激光扫描仪、轨距测量装置的测量结果，小车平台上的姿态及曲线参数计算机建立藕合方程组，解算出小车平台在大地坐标系中的运动轨迹，并最终计算出铁轨的轨道曲线参数；S105 当小车平台经过第二个标记点时，固定点及标记点观测系统自动判别小车平台当前所处的位置，在第二个标记点处再次执行对齐动作，重复步骤SlOl至S105，得出整个铁轨连续的轨道参数曲线。作为本发明一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量方法进一步的实施方式，三维激光扫描仪在工作时，向外发射一束旋转的激光束，并纪录激光束返回的时间，以及返回时所发射激光束的水平与垂直角度，从而测得一个或数个特定反射物相对于三维激光扫描仪的空间坐标，以三维激光扫描仪激光发射点为原点建立三维激光扫描仪的空间坐
5标系。作为本发明一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量方法进一步的实施方式，将惯性测量装置与三维激光扫描仪按照固定的几何位置关系安装于小车平台上，再在小车平台之外建立一个或多个大地坐标固定的测量点，三维激光扫描仪测量出大地坐标固定的测量点在三维激光扫描仪坐标系中的坐标，通过预测量手段，求得三维激光扫描仪坐标系原点在大地坐标系中的坐标，当三维激光扫描仪的空间姿态发生变化时，惯性测量装置将三维激光扫描仪的原点坐标及坐标轴转角的在大地坐标系中的变化量测出，同时大地坐标固定的测量点在三维激光扫描仪坐标系中的坐标值也发生相应变化，建立惯性测量装置测量量与三维激光扫描仪测量量的耦合方程组，并代入起始测量时三维激光扫描仪坐标系原点的坐标作为初始条件求解，解得三维激光扫描仪原点在大地坐标系中的运动轨迹， 由小车上三维激光扫描仪原点的空间运动曲线计算出铁轨的曲线参数。作为本发明一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量方法进一步的实施方式，姿态及曲线参数计算机根据惯性测量装置的测量量与三维激光扫描仪的测量量，建立耦合方程组，通过卡尔曼滤波算法求解出小车的空间姿态，得出三维激光扫描仪的原点在大地坐标系中的运动轨迹。通过实施本发明一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置及其方法的具体实施方式
，克服了现有技术测量速度慢，效率低下，测量结果精度低的技术问题，提高了整个轨道参数测量过程的自动化程度，通过使用三维激光扫描仪可在水平范围内360度跟踪目标，拓宽了测试的应用范围，整个测量过程可连续自动进行，无须人工干预，大大提高了作业效率。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明轨道参数测量装置一种具体实施方式
的结构示意图1 ；图2是本发明轨道参数测量装置一种具体实施方式
的结构示意图2 ；图3是本发明轨道参数测量方法一种具体实施方式
初始对点过程的示意图；图4是本发明轨道参数测量方法一种具体实施方式
测量过程的示意图；图5是本发明轨道参数测量方法一种具体实施方式
二次对点过程的示意图；其中1-小车平台，2-惯性测量装置，3-三维激光测量仪，4-固定点及标记点观测系统，5-轨距测量装置，6-姿态计曲线参数计算机。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图1至附图5所示，给出了本发明一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置及其方法应用于铁路机车轨道参数测量系统的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。如图1和图2所示，一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置的具体实施方式
，包括一个小车平台1，小车平台1沿铁轨轨道运动，用于安装轨道参数测量所需的设备；一个惯性测量装置2，安装于小车平台1之上，用于测量小车空间三个正交方向轴上的转角运动量及加速度变化量；一个三维激光扫描仪3，安装于小车平台1之上，用于测量出特定反射物相对于三维激光扫描仪3原点的空间位置坐标值；一个固定点及标记点观测系统4，用于小车初始空间位置的定位；一个轨距测量装置5，安装于小车平台1之上，用于测量小车平台1当前所处位置处铁轨的轨距参数；一台姿态及曲线参数计算机6，用于根据惯性测量装置2和三维激光扫描仪3的测量值计算轨道的曲线参数。惯性测量装置2进一步包括三轴的高精密陀螺仪与加速度计，它可以测量惯性装置在三个正交的空间轴X/Y/Z上的旋转变化量以及装置沿着X/Y/Z轴向装置的加速度变化量。轨道参数测量装置还进一步包括固定点系统，固定点系统位于小车平台1之外的轨道沿线，包括一个或多个大地坐标固定的测量点。固定点系统中的一个或多个大地坐标固定的测量点大地坐标已预先测定，固定点插入一个反射棱镜或反射销，用于三维激光扫描仪3 对目标进行判别，对于每一个大地坐标固定的测量点，存在一个唯一对应的标记点。姿态及曲线参数计算机6进一步包括惯性测量装置2测量量与三维激光扫描仪3 测量量的耦合方程组解算模块，耦合方程组解算模块依据惯性测量装置2的测量量与三维激光扫描仪3的测量量，建立一个耦合方程组，求解出小车空间姿态，得出三维激光扫描仪 3的原点在大地坐标系中的运动轨迹。耦合方程组解算模块还进一步包括Kalman滤波模块。作为本发明一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量方法的具体实施方式
， 如图3、4、5所示，本测量方法必须依赖于一个已经在铁轨沿线建设好的测量控制网方可实现，该测量控制网包含一系列架设在轨道沿线的固定点，其特征是固定点大地坐标已预先测得，且固定点可插入一个反射棱镜或反射销以便于三维扫描仪进行目标判别。对于每一个固定点，存在一个唯一对应的标记点。基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量方法包括以下步骤SlOl 将小车平台1放置于需测量的铁轨轨道上，开进至所需测量的第一个标记点处，固定点及标记点观测系统4执行一个观测动作，将小车平台1与标记点对齐，通过小车平台1结构上的几何关系求出三维激光扫描仪3坐标系原点在大地坐标系中的坐标；S102:三维激光扫描仪3扫描标记点所对应的下一对固定点，求出它们在扫描仪坐标系中的坐标数据，同时记录惯性测量装置2的当前值作为耦合方程的初始值；S103 完成上述的初始对点过程后，小车平台1沿铁轨向下一对固定点开进，在开进过程中，惯性测量装置2测量当前位置相对于初始位置的转角与空间位移的变化量，三维激光扫描仪3扫描尽可能多的固定点，并测量他们在扫描仪坐标系中的坐标位置，同时小车平台1上的轨距测量装置5测量轨距的变化量；S104 根据惯性测量装置2、三维激光扫描仪3、轨距测量装置5的测量结果，小车平台1上的姿态及曲线参数计算机6建立藕合方程组，解算出小车在大地坐标系中的运动轨迹，并最终计算出轨道的曲线参数；S105 当小车平台1经过第二个标记点时，固定点及标记点观测系统4自动判别小车平台当前所处的位置，在第二个标记点处再次执行对齐动作，重复SlOl至到S105，则可以得初整个铁轨连续的轨道参数曲线。三维激光扫描仪3是一种空间位置测量装置，在工作时，三维激光扫描仪3向外发射一束旋转的激光束，并纪录激光束返回的时间，以及返回时所发射激光束的水平与垂直角度，从而测得一个或数个特定反射物相对于三维激光扫描仪3的空间坐标。以三维激光扫描仪3激光发射点为原点可以建立三维激光扫描仪3的空间坐标系，简称扫描仪坐标系。与此相对应，在地球的大地平面内，可以建立一个全局的大地空间坐标系，简称大地坐标系。如果测得扫描仪坐标系原点在大地坐标系中的坐标值，以及扫描仪坐标系三坐标轴相对于大地坐标系的旋转值，则扫描仪坐标系中任一点坐标均可转化至大地坐标中。将惯性测量装置2与三维激光扫描仪3按一定的几何位置关系安装于小车平台1 上，再在小车平台1之外建立一个或多个大地坐标固定的测量点，简称固定点。三维激光扫描仪3可以测量出固定点在扫描仪坐标系中的坐标，通过一个预测量的手段，可以求得扫描仪坐标系原点在大地坐标系中的坐标。当三维激光扫描仪3的空间姿态发生变化时，惯性测量装置可以将扫描仪的原点坐标及坐标轴转角的在大地坐标系中的变化量测出。同时固定点在扫描仪坐标系中的坐标值亦会发生相应变化，建立惯性测量装置测量量与扫描仪测量量的耦合方程组，并代入起始测量时扫描仪坐标系原点的坐标作为初始条件求解，则可以解得扫描仪原点在大地坐标系中的运动轨迹。结合其他测量装置的测量结果，如果小车沿铁轨运动，则铁轨的曲线参数可以由小车平台1上三维激光扫描仪3原点的空间运动曲线计算出。其中，依据惯性测量装置2的测量量与三维激光扫描仪3的测量量，建立一个耦合方程组，进而求解出小车空间姿态，得出三维激光扫描仪3原点在大地坐标系中的运动轨迹，耦合方程组的数学原理描述如下建立一个状态量包括速度误差δ V、小车平台角误差Ψ、陀螺仪漂移ε、加速度计漂移ΔΑ在内的Kalman(卡尔曼)滤波器，其坐标系为大地坐标系，Xt为未修正的小车姿态矩阵。Xt = ( δ Vn δ Ve Ψν Ψε ε χ ε y ε ζ Δ Ax AAy Δ Az)扫描仪所测得的东、北向速度Vsoffl与陀螺仪所测得东、北向速度Vsins之差
权利要求
1.一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置，其特征在于，包括一个小车平台(1)，小车平台(1)沿铁轨轨道运动，用于安装轨道参数测量所需的设备；一个惯性测量装置O)，安装于小车平台(1)之上，用于测量小车空间三个正交方向轴上的转角运动量及加速度变化量；一个三维激光扫描仪(3)，安装于小车平台(1)之上，用于测量出特定反射物相对于三维激光扫描仪(3)原点的空间位置坐标值；一个固定点及标记点观测系统G)，用于小车初始空间位置的定位；一个轨距测量装置(5)，安装于小车平台(1)之上，用于测量小车平台(1)当前所处位置处铁轨的轨距参数；一台姿态及曲线参数计算机(6)，用于根据惯性测量装置(2)和三维激光扫描仪(3)的测量值计算轨道的曲线参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置，其特征在于所述的惯性测量装置( 包括三轴的高精密陀螺仪与加速度计。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置，其特征在于所述的轨道参数测量装置包括固定点系统，固定点系统位于小车平台(1)之外的轨道沿线，包括一个或多个大地坐标固定的测量点。
4.根据权利要求3所述的一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置，其特征在于所述的固定点系统中的一个或多个大地坐标固定的测量点大地坐标已预先测定，固定点插入一个反射棱镜或反射销，用于三维激光扫描仪(3)对目标进行判别，对于每一个大地坐标固定的测量点，存在一个唯一对应的标记点。
5.根据权利要求4所述的一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置，其特征在于所述的姿态及曲线参数计算机(6)包括惯性测量装置( 测量量与三维激光扫描仪 (3)测量量的耦合方程组解算模块，耦合方程组解算模块依据惯性测量装置O)的测量量与三维激光扫描仪(3)的测量量，建立一个耦合方程组，求解出小车空间姿态，得出三维激光扫描仪(3)的原点在大地坐标系中的运动轨迹。
6.根据权利要求5所述的一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置，其特征在于所述的耦合方程组解算模块包括卡尔曼滤波模块。
7.一种利用权利要求1所述的基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置进行轨道参数测量的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤5101将小车平台(1)放置于需测量的铁轨轨道上，开进至所需测量的第一个标记点处，固定点及标记点观测系统⑷执行一个观测动作，将小车平台⑴与标记点对齐，通过小车平台(1)结构上的几何关系求出三维激光扫描仪(3)的坐标系原点在大地坐标系中的坐标；5102三维激光扫描仪(3)扫描标记点所对应的下一对固定点，求出它们在三维激光扫描仪(3)坐标系中的坐标数据，同时记录惯性测量装置O)当前值作为耦合方程组的初始值；S103:完成上述的初始对点过程后，小车平台(1)沿铁轨向下一对固定点开进，在开进过程中，惯性测量装置( 测量当前位置相对于初始位置的转角与空间位移的变化量，三维激光扫描仪(3)扫描尽可能多的固定点，并测量他们在三维激光扫描仪(3)坐标系中的坐标位置，同时小车平台(1)上的轨距测量装置( 测量铁轨轨距的变化量；5104根据惯性测量装置O)、三维激光扫描仪O)、轨距测量装置(5)的测量结果，小车平台(1)上的姿态及曲线参数计算机(6)建立藕合方程组，解算出小车平台在大地坐标系中的运动轨迹，并最终计算出铁轨的轨道曲线参数；5105当小车平台(1)经过第二个标记点时，固定点及标记点观测系统自动判别小车平台(1)当前所处的位置，在第二个标记点处再次执行对齐动作，重复步骤SlOl至S105， 得出整个铁轨连续的轨道参数曲线。
8.根据权利要求7所述的一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量方法，其特征在于三维激光扫描仪(3)在工作时，向外发射一束旋转的激光束，并纪录激光束返回的时间，以及返回时所发射激光束的水平与垂直角度，从而测得一个或数个特定反射物相对于三维激光扫描仪(3)的空间坐标，以三维激光扫描仪(3)激光发射点为原点建立三维激光扫描仪(3)的空间坐标系。
9.根据权利要求7或8所述的一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量方法，其特征在于将惯性测量装置O)与三维激光扫描仪(3)按照固定的几何位置关系安装于小车平台(1)上，再在小车平台(1)之外建立一个或多个大地坐标固定的测量点，三维激光扫描仪C3)测量出大地坐标固定的测量点在三维激光扫描仪C3)坐标系中的坐标，通过预测量手段，求得三维激光扫描仪(3)坐标系原点在大地坐标系中的坐标，当三维激光扫描仪 (3)的空间姿态发生变化时，惯性测量装置( 将三维激光扫描仪( 的原点坐标及坐标轴转角的在大地坐标系中的变化量测出，同时大地坐标固定的测量点在三维激光扫描仪(3) 坐标系中的坐标值也发生相应变化，建立惯性测量装置( 测量量与三维激光扫描仪(3) 测量量的耦合方程组，并代入起始测量时三维激光扫描仪(3)坐标系原点的坐标作为初始条件求解，解得三维激光扫描仪C3)原点在大地坐标系中的运动轨迹，由小车上三维激光扫描仪(3)原点的空间运动曲线计算出铁轨的曲线参数。
10.根据权利要求9所述的一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量方法，其特征在于所述的姿态及曲线参数计算机(6)根据惯性测量装置O)的测量量与三维激光扫描仪(3)的测量量，建立耦合方程组，通过卡尔曼滤波算法求解出小车的空间姿态，得出三维激光扫描仪(3)的原点在大地坐标系中的运动轨迹。
全文摘要
本发明公开了一种基于绝对坐标测量参考系的轨道参数测量装置及其方法，包括一个小车平台，沿铁轨轨道运动，用于安装所需设备；一个惯性测量装置，安装在小车平台上，测量小车空间三轴方向上的转角运动量及加速度变化量；一个三维激光扫描仪，安装在小车平台上，测量反射物相对于三维激光扫描仪原点的空间位置坐标值；一个固定点及标记点观测系统，用于小车初始空间位置定位；一个轨距测量装置，安装在小车平台上，测量小车平台当前所处位置处铁轨的轨距参数；一台姿态及曲线参数计算机，根据测量值计算轨道的曲线参数。本发明能够克服现有技术测量速度慢，效率低下，测量结果精度低的技术问题，在保证测量精度的前提下，有效地提高了测量效率。
文档编号B61K9/08GK102358325SQ20111017849
公开日2012年2月22日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者伍启天, 季育文, 马世宏, 龚军 申请人:株洲南车时代电气股份有限公司, 株洲时代电子技术有限公司