一种基于角度量测的轨道沉降自动测量装置及方法

一种基于角度量测的轨道沉降自动测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于角度量测的轨道沉降自动测量装置及方法，包括行走系统，用于提供测试过程搭载平台和行进动力；测量系统，用于沉降测点的定位以及角度大小的量测；采集、计算和存储系统，用于测点定位信息、角度量测信息的采样，并按设定规则进行计算处理和带格式存储。所述行走系统通过行进车轮设置于轨道之上，并沿轨道匀速行进；所述测量系统和所述采集、计算和存储系统通过数据传输电缆连接，并均设置于所述行走系统的车架平台上。该基于角度量测的轨道沉降自动测量装置及方法操作简便、测试快速、实用性强，可广泛用于轨道工程中轨道沉降的自动连续测试。
【专利说明】一种基于角度量测的轨道沉降自动测量装置及方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于角度量测的轨道沉降自动测量装置及方法。

【背景技术】
[0002] 现有技术中，轨道沉降监测仍大多采用传统的水准仪、全站仪等仪器，上述方法仪 器设备成熟，但劳动强度大、测试速度慢，对施工作业或线路运营干扰大，特别是在隧道等 类似的封闭性地下空间内，因光照不足，测试精度难以保证。近年来，随着电子技术的迅速 发展，广大科技工作者也针对上述缺陷研发了多种间接测量产品，如单点沉降计、静力水准 仪等，但这些产品仍然存在较大的局限性，特别是该类产品价格昂贵、测点布置要求高、数 据传输受环境干扰大、使用寿命难以保证，这使得该类产品仅仅是在某些十分复杂或重要 的局部位置作为科研手段应用，难以大范围推广使用。
[0003] 轨道路基沉降监测有多种方法，根据测点布置的儿何分布不同，主要可分为单点 沉降、分层沉降、横剖面沉降以及纵剖面沉降等，根据量测方法又可分为沉降板法、电磁式 沉降仪、土位移计、测斜管法、静力水准法、液压沉降仪、光纤光栅传感器及卫星遥感（成本 高且精度有限）等方法。对于现有的测点布置方式及量测方法来说，测点布置要求高、工作 量大、尤其长期监测时维护工作量大，量测时数据采集受外部环境影响较大且数据采集工 作量也较大。
[0004] 轨道沉降变形直接反映了结构的稳定状态以及线路正常运营的安全状况，对其开 展监测，实时掌握轨道形态对于安全评估和后期维护均具有重要的现实意义，因此，有必要 设计研发一种全新的轨道沉降测量设备和方法，以降低劳动强度、提高测试速度，减少对线 路的干扰、提升测试精度，实现快速精确的轨道变形测量。


【发明内容】

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于角度量测的轨道沉降自动测量装置 及方法，该基于角度量测的轨道沉降自动测量装置及方法成本低、易于实施、测量精度高。 [0006] 发明的技术解决方案如下：
[0007] -种基于角度量测的轨道沉降自动测量装置，包括：
[0008] 行走系统（1)，用于提供测试过程搭载平台和行进动力；
[0009] 测量系统（2)，用于沉降测点的定位以及角度大小的量测；
[0010] 采集、计算和存储系统（3)，集成有采集仪（31)、计算和存储单元（32)、角度仪 (21)和测距编码器（22)，用于测点定位信息和角度量测信息的采样，并计算出每一个测点 的初始高程以及高程的变化值，并将计算结果进行存储；
[0011] 所述行走系统（1)包括车架平台（13)、设置在车架平台上的动力装置（15)以及设 置在车架平台底部的4个行进车轮（11)，4个行进车轮两两一组分别通过滚轴（即滚珠轴 承）安装在车架平台的两侧；车架平台通过行进车轮沿预设的轨道行进；
[0012] 所述测量系统（2)与所述采集、计算和存储系统（3)通过数据传输电缆（33)连 接，并均设于所述行走系统（1)的车架平台（13)上。
[0013] 所述行走系统还包括4组防侧移装置；每一组防侧移装置位于一个行进车轮附 近，包括可调支架（121)(又称为曲杆可调链接）和防侧移车轮组件，可调支架的一端固定 在车架平台上，可调支架的另一端通过可调螺杆安装有所述的防侧移车轮组件；防侧移车 轮组件中的防侧移车轮（12)的轴线与车架平台所在平面垂直，轮体的外表面设有与轨道 内侧凸沿适配的凹槽，行走系统在轨道上移动时，轨道内侧凸沿嵌入到该凹槽内。【防侧移 车轮组件包括防侧移车轮、与该插装在防侧移车轮上的轮轴和用于安装所述轮轴的轮架】
[0014] 所述车架平台（13)包括2根横轴（131)、2根联系纵梁（132)和1块方形平板 (133)；
[0015] 所述横轴（131)分别通过所述滚轴与所述行进车轮（11)连接，通过可调支架 (121)与所述防侧移车轮组件连接；【这里相当于也解释了防侧移车轮组件安装在行进车 轮的附近】
[0016] 所述联系纵梁（132)与所述横轴（131)分别在端头固定连接，形成一方形框架，用 于承载所述方形平板（133)。
[0017] 所述的车架平台还包括2根纵向梁（14)，分别固定布置在所述横轴（131)的两端， 用于模拟两根所述横轴（131)范围内的坡度分布以及提供所述测距编码器（22)和角度仪 (21)的安装平台；
[0018] 所述动力装置（15)由电机、动力传输装置、蓄电池以及变速和制动装置组成，用 于提供行进动力。
[0019] 所述的测距编码器和角度仪均为2个。
[0020] 所述的基于角度量测的轨道沉降自动测量装置还包括用于将所述计算结果发送 出去的无线通信模块以及用于记录当前位置的GPS定位装置。
[0021] 在轨道上等间距设定多个测点，分别是ApApAyAy……，分别称为固定起始点、 第一点、第二点、第三点，…；相邻测点的间距为L ;
[0022] 在计算和存储单元（32)中执行以下步骤得到每一个测点的初始高程以及高程的 变化值：
[0023] 步骤1 :获取各测点的角度初始值并计算各测点的原始高程值：
[0024] 测量车从固定起始点开始，依次运行到第一点、第二点、第三点，…，直到终点；并 分别记录每一测点处测量车倾斜的角度即角度初始值：α _、a lt(l、a 2t(l、a 3t(l、…；
[0025] 设固定起始点高程为Ηω，各测点的原始高程值为：
[0026] δ Alt〇 = HA0+Ltg a 〇t〇
[0027] δ A2t〇 = δ Alt0+Ltg α lt〇
[0028] δ A3t〇 - δ A2t〇+Ltg ct 2t0
[0029] ......
[0030] δ Ait〇 - δ (Ai_1)t〇+Ltg a (i_1)t0
[0031] ......;
[0032] 其中下标tO表示初次的数据；δ Ait(l表示第i个测点的初始位移值，i = 1，2, 3,…；
[0033] 步骤2 :获取各测点的本次角度并计算各测点的本次高程值；
[0034] 测量车再次从初始点开始，依次运行到第一点、第二点、第三点，…，并分别记录每 一测点处测量车倾斜的角度：α Μ1、a m、a 2tl、a 3tl、…；
[0035] 设固定起始点高程为Ηω，各测点的本次高程值为：
[0036] δ Altl = HA0+Ltg a 〇tl
[0037] δ A2tl = δ Am+Ltg α ltl
[0038] δ A3tl = δ A2tl+Ltg α 2tl
[0039] ......
[0040] δΜη = δ (Ai_1)tl+Ltga (i_1)tl
[0041] ......;
[0042] 其中下标tl表示本次的数据；δ Am表示第i个测点的本次高程值，i = 1，2, 3,…；
[0043] 步骤3 :计算得到各测点的沉降值；
[0044] ΑΑηι= δ Altl-δ Alt〇
[0045] A A2tl - δ A2tl_ δ A2t〇
[0046] A A3tl - δ A3tl_ δ A3t〇
[0047] ......
[0048] AAitl= δ Aitl-δ Ait〇
[0049] ......
[0050] AAitl是第i个测点的本次沉降值；i = l，2,3，…。
[0051] 所述的动力装置中的电机采用NTC290型发动机，NTC290型发动机与RT-11509C 型变速箱传动连接，角度测量仪采用LE-60型倾角仪；所述的L小于车架轮轴轴距；当 L < 3000mm车架移动速度控制在40Km/h以下，当3000mm < L < 6000mm时车架移动速度控 制在75Km/h以下。
[0052] -种基于角度量测的轨道沉降自动测量方法，采用前述的基于角度量测的轨道沉 降自动测量装置；测量过程为：
[0053] 在轨道上等间距设定多个测点，分别是WAyAy……，分别称为固定起始点、 第一点、第二点、第三点，…；相邻测点的间距为L ;
[0054] 包括以下步骤：
[0055] 步骤1 :获取各测点的角度初始值并计算各测点的原始高程值：
[0056] 测量车从固定起始点开始，依次运行到第一点、第二点、第三点，…，直到终点；并 分别记录每一测点处测量车倾斜的角度即角度初始值：a _、a lt(l、a 2t(l、a 3t(l、…；
[0057] 设固定起始点高程为Ηω，各测点的原始高程值为：
[0058] δ Alt〇 = HA0+Ltg a 〇t〇
[0059] δ A2t〇 = δ Alt0+Ltg a lt〇
[0060] δ A3t〇 = δ A2t0+Ltg a 2t〇
[0061] ......
[0062] δ Ait〇 - δ (Ai_1)t〇+Ltg a (i_1)t0
[0063] ......;
[0064] 其中下标tO表示初次的数据；δ Ait(l表示第i个测点的初始位移值，i = 1，2, 3,…；
[0065] 步骤2 :获取各测点的本次角度并计算各测点的本次高程值；
[0066] 测量车再次从初始点开始，依次运行到第一点、第二点、第三点，…，并分别记录每 一测点处测量车倾斜的角度：α Μ1、a m、a 2tl、a 3tl、…；
[0067] 设固定起始点高程为Ηω，各测点的本次高程值为：
[0068] δ Altl = HA0+Ltg a 〇tl
[0069] δ A2tl = δ Am+Ltg α ltl
[0070] δ A3tl = δ A2tl+Ltg α 2tl
[0071] ......
[0072] δ Aitl - δ (Ai_1)tl+Ltg α (i_1)tl
[0073] ......;
[0074] 其中下标tl表示本次的数据；δ Am表示第i个测点的本次高程值，i = 1，2, 3,…；
[0075] 步骤3 :计算得到各测点的沉降值；
[0076] AAltl - δ Am_ δ Alt〇
[0077] A A2tl - δ A2tl_ δ A2t〇
[0078] A A3tl - δ A3tl_ δ A3t〇
[0079] ......
[0080] Δ Aitl - δ Aitl_ δ Ait〇
[0081] ......
[0082] AAitl是第i个测点的本次沉降值；i = 1,2,3,…。
[0083] 所述的L小于车架轮轴轴距；
[0084] 当L < 3000mm车架移动速度控制在40Km/h以下，当3000mm < L < 6000mm时车 架移动速度控制在75Km/h以下。
[0085] 所述的动力装置中的电机采用NTC290型发动机，NTC290型发动机与RT-11509C型 变速箱传动连接，角度测量仪采用LE-60型倾角仪。
[0086] 有益效果：
[0087] 本发明的基于角度量测的轨道沉降自动测量装置及方法，是一种全新而巧妙的方 案；
[0088] 本发明巧妙的利用了现有的轨道这一前提和基础，并基于此基础创造性地提出了 一种独特的方案，虽然其实现方法本身是简单的，但是效果却是极其明显的，包括成本低 (只需增加车架及少许测量设备和运算平台）、易于实施（可以实现全自动的数据采集和计 算，而且计算过程简单）且精度极高。
[0089] 本发明只需一个参考基点和若干个里程校核点（当监测范围较长时），无需埋设 其它测点，量测时将本发明中的量测装置沿被测轨道行走通过即可完成量测数据采集，沿 线被测点数不限，沿线被测点间距不限（当测点间距大于6米时可按L < 3000mm模式或按 L < 6000mm模式进行数据采集，并在数据输出时进行筛选【如果测点间距要求15m时，可按 L = 3000mm模式进行数据采集，数据输出时只输出A。，A5, A1Q，…，等点的值】）。
[0090] 本发明能应用于轨道（尤其是运营轨道如高铁、准轨、城铁、地铁等）的路堤、桥梁 及隧道沉降量测，亦可在建已铺轨道的路堤、桥梁及隧道沉降量测，操作方便，对线路通行 影响小。最大的优点是不需破坏路堤（路基）埋设沉降观测点，不受气象条件的影响，量测 精度高，量测数据采集快等。
[0091] 本发明中，对于两个物理量均设置了平行（冗余）检测装置，采用两平行装置检测 值的平均值作为输出结果，提高了该设备对检测结果的稳定性、可靠性和精确性。
[0092] 另外，四个防侧移车轮分别布置在所述行进车轮（11)附近，通过可调支架（121) 与所述车架平台（13)连接，用于防止测试过程中装置沿轨道横向产生整体侧向移动而影 响测试结果的准确性。
[0093] 这种基于角度量测的轨道沉降自动测量装置配置有无线通信模块和GPS定位装 置后，还可以将检测结果和计算结果发送给远端的服务器或手机，便于工程师及时获取各 测点的具体位置和沉降信息。
[0094] 本发明设计的车架平台结构简单，工作可靠，纵向梁用于模拟两根所述横轴（131) 范围内的坡度分布以及提供所述测量系统（2)中角度仪（21)的安装平台。
[0095] 综上所述，本发明操作简便、测试快速、实用性强，可广泛用于轨道工程中轨道沉 降的自动连续测试。

【专利附图】

【附图说明】
[0096] 图1为本发明的结构示意图（立面图）；
[0097] 图2为本发明的顶部结构示意图（俯视图）；
[0098] 图3为图2中A-A剖面示意图；
[0099] 图4为车架平台的结构示意图；
[0100] 图5为图2中的B-B剖面示意图【即防侧移装置和行进车轮与轨道配合时的结构 示意图】。
[0101] 图6为本发明数据传输示意图；
[0102] 图7为轨道上的测点及倾斜角的示意图。
[0103] 标号说明：1、行走系统；11、行进车轮；12、防侧移车轮；121、可调支架；13、车架平 台；131、横轴；132、联系纵梁；133、方形平板；14、纵向梁；15、动力装置；2、测量系统；21、 角度仪；22、测距编码器；3、采集、计算和存储系统；31、采集仪；32、计算和存储单元；33、数 据电缆。

【具体实施方式】
[0104] 以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
[0105] 如图1-6,一种基于角度量测的轨道沉降自动测量装置，包括：
[0106] 行走系统（1)，用于提供测试过程搭载平台和行进动力；
[0107] 测量系统（2)，用于沉降测点的定位以及角度大小的量测；
[0108] 采集、计算和存储系统（3)，集成有采集仪（31)、计算和存储单元（32)、角度仪 (21)和测距编码器（22)，用于测点定位信息和角度量测信息的采样，并计算出每一个测点 的初始高程以及高程的变化值，并将计算结果进行存储；
[0109] 所述行走系统（1)包括车架平台（13)、设置在车架平台上的动力装置（15)以及设 置在车架平台底部的4个行进车轮（11)，4个行进车轮两两一组分别通过滚轴（即滚珠轴 承）安装在车架平台的两侧；车架平台通过行进车轮沿预设的轨道行进；
[0110] 所述测量系统（2)与所述采集、计算和存储系统（3)通过数据传输电缆（33)连 接，并均设于所述行走系统（1)的车架平台（13)上。
[0111] 所述行走系统还包括4组防侧移装置；每一组防侧移装置位于一个行进车轮附 近，包括可调支架（121)(又称为曲杆可调链接）和防侧移车轮组件，可调支架的一端固定 在车架平台上，可调支架的另一端通过可调螺杆安装有所述的防侧移车轮组件；防侧移车 轮组件中的防侧移车轮（12)的轴线与车架平台所在平面垂直，轮体的外表面设有与轨道 内侧凸沿适配的凹槽，行走系统在轨道上移动时，轨道内侧凸沿嵌入到该凹槽内。【防侧移 车轮组件包括防侧移车轮、与该插装在防侧移车轮上的轮轴和用于安装所述轮轴的轮架】
[0112] 所述车架平台（13)包括2根横轴（131)、2根联系纵梁（132)和1块方形平板 (133)；
[0113] 所述横轴（131)分别通过所述滚轴与所述行进车轮（11)连接，通过可调支架 (121)与所述防侧移车轮组件连接；【这里相当于也解释了防侧移车轮组件安装在行进车 轮的附近】
[0114] 所述联系纵梁（132)与所述横轴（131)分别在端头固定连接，形成一方形框架，用 于承载所述方形平板（133)。
[0115] 所述的车架平台还包括2根纵向梁（14)，分别固定布置在所述横轴（131)的两端， 用于模拟两根所述横轴（131)范围内的坡度分布以及提供所述测距编码器（22)和角度仪 (21)的安装平台；
[0116] 所述动力装置（15)由电机、动力传输装置、蓄电池以及变速和制动装置组成，用 于提供行进动力。
[0117] 所述的测距编码器和角度仪均为2个。
[0118] 所述的基于角度量测的轨道沉降自动测量装置还包括用于将所述计算结果发送 出去的无线通信模块以及用于记录当前位置的GPS定位装置。
[0119] 在轨道上等间距设定多个测点，分别是心、Αρ A2、A3、……，分别称为固定起始点、 第一点、第二点、第三点，…；相邻测点的间距为L ;
[0120] 在计算和存储单元（32)中执行以下步骤得到每一个测点的初始高程以及高程的 变化值：
[0121] 步骤1 :获取各测点的角度初始值并计算各测点的原始高程值：
[0122] 测量车从固定起始点开始，依次运行到第一点、第二点、第三点，…，直到终点；并 分别记录每一测点处测量车倾斜的角度即角度初始值：α _、a lt(l、a 2t(l、a 3t(l、…；
[0123] 设固定起始点高程为Ηω，各测点的原始高程值为：
[0124] δ Alt〇 = HA0+Ltg a 〇t〇
[0125] δ A2t〇 = δ Alt0+Ltg α lt〇
[0126] δ A3t〇 - δ A2t〇+Ltg ct 2t0
[0127] ......
[0128] δ Ait〇 - δ (Ai_1)t〇+Ltg a (i_1)t0
[0129] ......；
[0130] 其中下标t0表示初次的数据；δ Ait(l表示第i个测点的初始位移值，i = 1，2, 3,…；
[0131] 步骤2 :获取各测点的本次角度并计算各测点的本次高程值；
[0132] 测量车再次从初始点开始，依次运行到第一点、第二点、第三点，…，并分别记录每 一测点处测量车倾斜的角度：α Μ1、a m、a 2tl、a 3tl、…；
[0133] 设固定起始点高程为Ηω，各测点的本次高程值为：
[0134] δ Altl = HA0+Ltg a 〇tl
[0135] δ A2tl = δ Am+Ltg α ltl
[0136] δ A3tl = δ A2tl+Ltg α 2tl
[0137] ......
[0138] δ Aitl - δ (Ai_1)tl+Ltg α (i_1)tl
[0139] ......；
[0140] 其中下标11表示本次的数据；δ Aitl表示第i个测点的本次高程值，i = 1，2，3，…；
[0141] 步骤3 :计算得到各测点的沉降值；
[0142] ΑΑηι= δ Altl-δ Alt〇
[0143] AA2tl - δ A2tl_ δ A2t〇
[0144] ^ A3tl - δ A3tl_ δ A3t〇
[0145] ......
[0146] Δ Aitl = δ Aitl-δ Ait〇
[0147] ......
[0148] AAitl是第i个测点的本次沉降值；i = 1,2,3,…。
[0149] 所述的动力装置中的电机采用NTC290型发动机，NTC290型发动机与RT-11509C 型变速箱传动连接，角度测量仪采用LE-60型倾角仪；所述的L小于车架轮轴轴距；当 L < 3000mm车架移动速度控制在40Km/h以下，当3000mm < L < 6000mm时车架移动速度控 制在75Km/h以下。
[0150] 测试过程中，所述行进车轮（11)放置于待测轨道之上，用于支撑所述车架平台并 保持车架平台沿待测轨道行进。所述行进车轮（11)与待测轨道接触的外表面包由一层橡 胶层，用于降低和缓冲测试过程中所述行进车轮（11)与待测轨道之间的碰撞震动。
[0151] 所述防侧移车轮（12)为四个，分别布置在所述行进车轮（11)附近，通过可调支架 (121)与所述车架平台（13)固定连接，用于防止测试过程中装置沿轨道横向产生整体侧向 移动而影响测试结果的准确性。
[0152] 所述角度测量仪（21)分别安装在所述纵向梁（14)上，用于检测待测轨道不同位 置与水平面形成的角度大小，并按设定规则输出对应测试信号。
[0153] 所述测距编码器（22)安装在纵向梁14上，用于实时检测行进距离和表征测点位 置，并按设定规则输出对应测试信号。
[0154] 所述采集仪（31)安装在所述车架平台（13)上，用于对所述测距编码器（22)和所 述角度仪（21)的输出信号进行采样。
[0155] 所述计算和存储单元（32)内安装在所述车架平台（13)上，内含多个加法器和乘 法器，用于对所述采集仪（31)的采样执行数值计算，并将计算结果按规则输出，进行格式 存储。
[0156] 所述采集仪（31)的采样时间间隔满足如下条件：采样间隔时间段内所述行进系 统（2)行进的距离应小于所述纵向梁（14)的长度。
[0157] 测试时，所述行走系统（1)行进时应满足如下条件：应使得所述纵向梁（14)上的 起始端或标示为起始端与事先选定的已知高程和坐标的基准点对齐。对待测轨道不同时 间进行连续测试，即可得到不同时刻轨道的实际状态，进一步对比，即可确定轨道的沉降情 况。
[0158] 所述2个角度仪（21)和所述2个测距编码器（22)所测得的数据采用平均的方式 作为输出结果，以提高测试精度。
[0159] 具体测量过程如下：
[0160] 在轨道上等间距设定多个测点，分别是心、Αρ A2、A3、……，分别称为固定起始点 (基点或高程参考点）、第一点、第二点、第三点，…；相邻测点的间距为L ;
[0161] 所述的量测包括以下步骤：
[0162] 步骤1 :获取各测点的角度初始值并计算各测点的原始高程值：
[0163] 测量车从固定起始点开始，依次运行到第一点、第二点、第三点，…，直到终点；并 分别记录每一测点处测量车倾斜的角度即角度初始值：α _、a lt(l、a 2t(l、a 3t(l、…；
[0164] 设固定起始点为Ηω，各测点的原始高程值为：
[0165] δ Alt〇 = HA0+Ltg a 〇t〇
[0166] δ A2t〇 = δ Alt〇+Ltg α lt〇
[0167] δ A3t0 = δ A2t0+Ltg α 2t〇
[0168] ......；
[0169] 其中下标t0表示初次的数据；δ AitQ表示第i个测点的初始位移值，i = 1，2, 3,…；
[0170] 步骤2 :获取各测点的本次角度并计算各测点的本次高程值；
[0171] 测量车再次从初始点开始，依次运行到第一点、第二点、第三点，…，并分别记录每 一测点处测量车倾斜的角度：α Μ1、a m、a 2tl、a 3tl、…；
[0172] 设固定起始点为Ηω，各测点的本次高程值为：
[0173] δ Altl = HA0+Ltg a 〇tl
[0174] δ A2tl = δ Am+Ltg α ltl
[0175] δ A3tl = δ A2tl+Ltg α 2tl
[0176] ......
[0177] 其中下标tl表示本次的数据；δΑηι表示第i个测点的本次高程值，i = 1，2,3,…；
[0178] 步骤3 :计算得到各测点的沉降值；
[0179] Δ Altl - δ Am_ δ Alt(l
[0180] ^ A2tl - δ A2tl_ δ A2t〇
[0181] ^ A3tl - δ A3tl_ δ A3t〇
[0182] ......
[0183] AAitl是第i个测点的本次量测沉降值【又称为实际沉降值】；i = 1，2,3,…。
[0184] 图1中的输出单元用于显示和打印相关数据。
[0185] 所述的L小于车架轮轴轴距【轴距是指前后轮轴之间的距离】。
[0186] 当L < 3000mm车架移动速度控制在40Km/h以下，当3000mm彡L彡6000mm时车 架移动速度控制在75Km/h以下。
[0187] 所述的动力装置采用NTC290型发动机，NTC290型发动机与RT-11509C型变速箱 传动连接，车轮位置信号由测距编码器获得（也可以从RT-11509C型变速箱输出的里程信 号中获取），角度测量仪采用LE-60型倾角仪。【即RT-11509C型变速箱兼做车轮位置传感 器】
[0188] 实施例1 :
[0189] 在本实例中，车架采用双轴结构，轴距6000mm，轨距1435mm(标准轨距），轮径 840mm，配康明斯（Cummins)NTC290发动机及富勒（Fuller)RT-11509C变速箱，行走速度 50-100Km/h。车轮位置通过变速箱输出的里程信号中获取，通过车轮转动的角度（ω)和周 数可精确计算移动的距离L。角度测量采用陕西航天长城测控有限公司LE-60高精度倾角 仪。Ε-60的测量范围±15度，分辨率±0.001度，输出速度1-5次/秒。
[0190] 操作时，先设定一端为固定起始点并读出初始角度，在动力装置控制下沿轨道匀 速移动车架至第一点（每次车架移动距离相同且不超过车架轮轴轴距【轴距是指前后轮轴 之间的距离，距离相同便于计算】）并读出第一点的角度，如此类推第二点、第三点至最终 点，并进行计算作为初始值；再次操作时（此时，除起始点固定不动外，其余测点假设有沉 降发生），仍以一端固定起始点开始并读出角度，移动车架至第一点并读出第一点的角度， 如此类推第二点、第三点至最终点，并进行计算作本次量测值；前后两次的读数分别计算并 对同一点数值进行比较即可计算出轨道相对下沉量。
[0191] 需要注明的是：从图7来看，是假设各测点（Α1和Α2等）在X轴上的投影点没有变 化，实际上，只要轨道有沉降发生，投影点的位置是有细微区别的，但是由于L远远大于沉 降量，因此，这种差别太细微了，不影响测量精度，这种近似处理是工程上的基本处理手段。
[0192] 设 1、L = 2JI D = 2*31 *840 = 5278mm ;监测范围 30Km，则可测点数约为 5684 个。
[0193] 初始值（初始高程）：
[0194] δ Alt〇 = HA0+Ltg a _ = HA0+5278*tg3 = Hao+276. 61mm( α _ = 3° )
[0195] δ A2t〇 = δ Alt〇+Ltg α lt〇 = ΗΑ0+276· 61+5278*tg2. 998 = ΗΑ0+553· 03mm( α lt〇 = 2.998。 ）
[0196] δ A3t0 = δ A2t〇+Ltg α 2t〇 = ΗΑ0+553· 03+5278*tg2. 995 = ΗΑ0+829· 18mm( α 2t〇 = 2.995。）
[0197] ......
[0198] 第一次高程值：
[0199] δ Altl = HA0+Ltg a 〇tl = HA0+5278*tg2. 998 = ΗΑ0+276· 42mm( a 〇tl = 2· 998。)
[0200] δ A2tl = δ Altl+Ltg a ltl = ΗΑ(ι+276· 42+5278*tg2. 998 = ΗΑ(ι+552· 84mm( a ltl = 2.998。 ）
[0201] δ A3tl = δ A2tl+Ltg a 2tl = HA(i+552. 84+5278*tg2. 994 = HA(i+828. 89mm( a 2tl = 2.994。）
[0202] ......
[0203] 第一次量测结果（沉降量，+为上升，-为下沉）
[0204] AAltl = δ Altl- δ Alt〇 = ΗΑ0+276· 42_ΗΑ0+276· 61 = _0· 19mm
[0205] Δ A2tl = δ A2tl- δ A2t〇 = ΗΑ0+552· 84_ΗΑ0+553· 03 = -〇· 19mm
[0206] ΔΑ3?1 = δ A3tl- δ A3t〇 = ΗΑ0+828· 89_ΗΑ0+829· 18 = -〇· 29mm
[0207] ......
[0208] 第二次高程值：
[0209] δ Alt2 = HA0+Ltg a 〇t2 = HA0+5278*tg2. 997 = ΗΑ0+276· 33mm( a 〇t2 = 2· 997。）
[0210] δ A2t2 = δ Alt2+Ltg a lt2 = ΗΑ(ι+276· 33+5278*tg2. 996 = ΗΑ(ι+552· 57mm( a lt2 = 2.996。）
[0211] δ A3t2 = δ A2t2+Ltg α 2t2 = ΗΑ0+552· 57+5278*tg2. 993 = ΗΑ0+828· 53mm( α 2t2 = 2.993。）
[0212] ......
[0213] 第二次量测结果（沉降量，+为上升，-为下沉）
[0214] ΔΑ1?2 = δ Alt2- δ Altl = Η Α0+276· 33_ΗΑ0+276· 42 = _0· 09mm
[0215] ΔΑ2?2 = δ A2t2- δ A2tl = Η Α0+552· 57_ΗΑ0+552· 84 = -〇· 27mm
[0216] ΔΑ3?2 = δ A3t2- δ A3tl = Η Α0+828· 53_ΗΑ0+828· 89 = -〇· 36mm
[0217] ......
[0218] 设 2、L = π Dc〇/360 = π *840*818. 5/360 = 6000mm ;监测范围 30Km，则可测点数 约为5000个。
[0219] 初始值（初始高程）：
[0220] δ Alt(l = HA(I+Ltg a _ = HA(l+6000*tgl = HA(i+104. 73mm( α _ = Γ )
[0221] δ A2t〇 = δ Alt〇+Ltg α lt〇 = ΗΑΟ+104· 73+6000*tg0. 998 = ΗΑΟ+209· 25mm( α lt〇 = 0.998。）
[0222] δ A3t0 = δ A2t〇+Ltg α 2t〇 = ΗΑΟ+209· 25+6000*tg0. 996 = ΗΑ0+313· 56mm( α 2t〇 = 0.996。）
[0223] ......
[0224] 第一次高程值：
[0225] δ Altl = HA0+Ltg a 〇tl = HA(l+6000*tg0. 997 = ΗΑΟ+104· 42mm( a 〇tl = 〇· 997。）
[0226] δ A2tl = δ Altl+Ltg a ltl = HAO+104. 42+6000*tg0. 996 = HAO+208. 73mm( a ltl = 0.996。）
[0227] δ A3tl = δ A2tl+Ltg a 2tl = HAO+208. 73+6000*tg0. 994 = HA0+312. 83mm( a 2tl = 0.994。）
[0228] ......
[0229] 第一次量测结果（沉降量，+为上升，-为下沉）
[0230] = δ Altl- δ Alt〇 = Hao+104. 42-Hao+104. 73 = -〇. 31mm
[0231] Δ A2tl = δ A2tl- δ A2t〇 = HAO+208. 73_HAO+209· 25 = _0· 52mm
[0232] ΔΑ3?1 = δ A3tl- δ A3t〇 = ΗΑ0+312· 83_Hao+313. 56 = -〇· 73mm
[0233] ......
[0234] 第二次高程值：
[0235] δ Alt2 = HA0+Ltg a 〇t2 = HA(l+6000*tg0. 997 = ΗΑΟ+104· 42mm( a 〇t2 = 〇· 997。）
[0236] δ A2t2 = δ Alt2+Ltg a lt2 = HAO+104. 42+6000*tg0. 995 = HAO+208. 63mm( a lt2 = 0.995。）
[0237] δ A3t2 = δ A2t2+Ltg a 2t2 = HAO+208. 63+6000*tg0. 993 = HA0+312. 63mm( a 2t2 = 0.993。）
[0238] ......
[0239] 第二次量测结果（沉降量，+为上升，-为下沉）
[0240] ΔΑ1?2 = δ Alt2- δ Altl = ΗΑ(Ι+104· 42_ΗΑ(Ι+104· 42 = 0· 00mm
[0241] ΔΑ2?2 = δ A2t2- δ A2tl = ΗΑΟ+208· 63_ΗΑΟ+208· 73 = -〇· 10mm
[0242] ΔΑ3?2 = δ A3t2- δ A3tl = ΗΑ0+312· 73_Η Α0+312· 83 = -〇· 10mm
[0243] ......
[0244] 设Λ Ai为Ai在t0?tn的累计沉降（总沉降），且0 < η，则
[0245] ΔΜ(?0ι?η) = ΔΑ--0+ΔΑ--1+ΔΑ--2+···+··· + ΔΑ--η_2+ΔΑ--η_1+ΔΑ--η
[0246] 设Λ Ai为Ai在ti?t j的累计沉降，且0 < i < j < η，则
[0247] AAi(ti,tj) = ΔAiti+1+ΔAiti+2+ΔAiti+3+…+… + ΔAitj_2+ΔAitj_1+ΔAitj
[0248] 若数据采集时间间隔为n分钟，则平均每分钟的沉降速度为
[0249] νΔΜ = ( Δ Aitn-Δ Aitn_!)/η
[0250] 若数据采集时间间隔为η小时，则平均每小时的沉降速度为
[0251] νΔΜ = ( Δ Aitn-Δ Aitn_!)/η
[0252] 若数据采集时间间隔为η天，则平均每天的沉降速度为
[0253] VAAi = (AA^-AU/n
[0254] ......
[0255] 根据上述测试计算，当L < 3000mm时，分辨率为0. 005mm ;3000mm < L < 6000时， 分辨率为0.01mm。精度高于现有的量测方法的精度【现有量测方法的精度〇. 1_，更低位数 即0.01位时为估读数】
[0256] 注意事项：
[0257] 1、数据采集时，当L< 3000mm车架移动速度宜控制在40Km/h以下，当 3000 S L < 6000mm时车架移动速度宜控制在75Km/h以下。
[0258] 2、当采取L = 2639mm (车轮转动一周）进行数据采集时，建议车架每移动200Km 进行一次里程确认，当采取2639 < L < 6000mm进行数据采集时，建议车架每移动600Km进 行一次里程确认。【以防累计误差导致测量失准】
[0259] 3、若能确定&点为不动点，便可从&点开始采集数据并进行计算；若不能确定& 点为不动点则每次应从已知不动点来确定&点高程，再从&点开始采集数据并进行计算。
【权利要求】
1. 一种基于角度量测的轨道沉降自动测量装置，其特征在于，包括： 行走系统（1)，用于提供测试过程搭载平台和行进动力； 测量系统（2)，用于沉降测点的定位以及角度大小的量测； 采集、计算和存储系统（3)，集成有采集仪（31)、计算和存储单元（32)、角度仪（21)和 测距编码器（22)，用于测点定位信息和角度量测信息的采样，并计算出每一个测点的初始 高程以及高程的变化值，并将计算结果进行存储； 所述行走系统（1)包括车架平台（13)、设置在车架平台上的动力装置（15)以及设置在 车架平台底部的4个行进车轮（11)，4个行进车轮两两一组分别通过滚轴安装在车架平台 的两侧；车架平台通过行进车轮沿预设的轨道行进； 所述测量系统（2)与所述采集、计算和存储系统（3)通过数据传输电缆（33)连接，并 均设于所述行走系统（1)的车架平台（13)上。
2. 根据权利要求1所述的基于角度量测的轨道沉降自动测量装置，其特征在于，所述 行走系统还包括4组防侧移装置；每一组防侧移装置位于一个行进车轮附近，包括可调支 架（121)和防侧移车轮组件，可调支架的一端固定在车架平台上，可调支架的另一端通过 可调螺杆安装有所述的防侧移车轮组件；防侧移车轮组件中的防侧移车轮（12)的轴线与 车架平台所在平面垂直，轮体的外表面设有与轨道内侧凸沿适配的凹槽，行走系统在轨道 上移动时，轨道内侧凸沿嵌入到该凹槽内。
3. 根据权利要求1所述的基于角度量测的轨道沉降自动测量装置，其特征在于， 所述车架平台（13)包括2根横轴（131)、2根联系纵梁（132)和1块方形平板（133); 所述横轴（131)分别通过所述滚轴与所述行进车轮（11)连接，通过可调支架（121)与 所述防侧移车轮组件连接； 所述联系纵梁（132)与所述横轴（131)分别在端头固定连接，形成一方形框架，用于承 载所述方形平板（133)。
4. 根据权利要求3所述的基于角度量测的轨道沉降自动测量装置，其特征在于，所述 的车架平台还包括2根纵向梁（14)，分别固定布置在所述横轴（131)的两端，用于模拟两根 所述横轴（131)范围内的坡度分布以及提供所述测距编码器（22)和角度仪（21)的安装平 台； 所述动力装置（15)由电机、动力传输装置、蓄电池以及变速和制动装置组成，用于提 供行进动力。
5. 根据权利要求3所述的基于角度量测的轨道沉降自动测量装置，其特征在于，所述 的测距编码器和角度仪均为2个。
6. 根据权利要求1所述的基于角度量测的轨道沉降自动测量装置，其特征在于，所述 的基于角度量测的轨道沉降自动测量装置还包括用于将所述计算结果发送出去的无线通 信模块以及用于记录当前位置的GPS定位装置。
7. 根据权利要求1-6任一项所述的基于角度量测的轨道沉降自动测量装置，其特征在 于， 在轨道上等间距设定多个测点，分别是ApApAyAy……，分别称为固定起始点、第一 点、第二点、第三点，…；相邻测点的间距为L ; 在计算和存储单元（32)中执行以下步骤得到每一个测点的初始高程以及高程的变化 值： 步骤1 :获取各测点的角度初始值并计算各测点的原始高程值： 测量车从固定起始点开始，依次运行到第一点、第二点、第三点，…，直到终点； 并分别记录每一测点处测量车倾斜的角度即角度初始值：α _、a lt(l、a 2t(l、a 3t(l、…； 设固定起始点高程为HA(I，各测点的原始高程值为： 5 Alto = HA〇+Ltg a 〇t〇 ^ A2t0 - ^ AltO+Ltg α lto ^ A3t0 - S A2t0+Ltg α 2t0 ^ AitO - ^ (Ai-l)tO+Ltg α (i-l)tO 其中下标to表示初次的数据；δ Ait(l表示第i个测点的初始位移值，i = 1，2,3，···； 步骤2 :获取各测点的本次角度并计算各测点的本次高程值； 测量车再次从初始点开始，依次运行到第一点、第二点、第三点，…，并分别记录每一测 点处测量车倾斜的角度：α Μ1、a m、a 2tl、a 3tl、…； 设固定起始点高程为HA(I，各测点的本次高程值为： 5 Aiti = HA〇+Ltg a 〇tl 5 A2ti = 5 Aiti+Ltg a ltl ^ A3tl _ ^ A2tl+Ltg Q 2tl ^ Aitl - S (Ai-l)tl+Ltg α (i-i)ti 其中下标tl表示本次的数据；SAitl表示第i个测点的本次高程值，i = 1，2,3，···； 步骤3 :计算得到各测点的沉降值； A Altl - δ Altl~ δ Alt〇 A A2U - ^ A2tl_ ^ A2t0 A A3tl - δ A3tl~ δ A3t〇 A Aitl - δ Aitl~ δ Ait〇 AAitl是第i个测点的本次沉降值；i = 1,2,3,…。
8. 根据权利要求7所述的基于角度量测的轨道沉降自动测量装置，其特征在于，所述 的动力装置中的电机采用NTC290型发动机，NTC290型发动机与RT-11509C型变速箱传动 连接，角度测量仪采用LE-60型倾角仪；所述的L小于车架轮轴轴距；当L < 3000mm车架移 动速度控制在40Km/h以下，当3000mm < L < 6000mm时车架移动速度控制在75Km/h以下。
9. 一种基于角度量测的轨道沉降自动测量方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一 项所述的基于角度量测的轨道沉降自动测量装置；测量过程为： 在轨道上等间距设定多个测点，分别是ApApAyAy……，分别称为固定起始点、第一 点、第二点、第三点，…；相邻测点的间距为L ; 包括以下步骤： 步骤1 :获取各测点的角度初始值并计算各测点的原始高程值： 测量车从固定起始点开始，依次运行到第一点、第二点、第三点，…，直到终点； 并分别记录每一测点处测量车倾斜的角度即角度初始值：α _、a lt(l、a 2t(l、a 3t(l、…； 设固定起始点高程为HA(I，各测点的原始高程值为： 5 Alto = HA〇+Ltg a 〇t〇 ^ A2t0 - ^ AltO+Ltg α lto ^ A3t0 - S A2t0+Ltg α 2t0 ^ AitO - ^ (Ai-l)tO+Ltg α (i-l)tO 其中下标to表示初次的数据；δ Ait(l表示第i个测点的初始位移值，i = 1，2,3，···； 步骤2 :获取各测点的本次角度并计算各测点的本次高程值； 测量车再次从初始点开始，依次运行到第一点、第二点、第三点，…，并分别记录每一测 点处测量车倾斜的角度：α Μ1、a m、a 2tl、a 3tl、…； 设固定起始点高程为HA(I，各测点的本次高程值为： 5 Aiti = HA〇+Ltg a 〇tl 5 A2ti = 5 Aiti+Ltg a ltl ^ A3tl _ ^ A2tl+Ltg Q 2tl ^ Aitl - S (Ai-l)tl+Ltg α (i-i)ti 其中下标tl表示本次的数据；SAitl表示第i个测点的本次高程值，i = 1，2,3，···； 步骤3 :计算得到各测点的沉降值； A Altl - δ Altl~ δ Alt〇 A A2U - ^ A2tl_ ^ A2t0 A A3tl - δ A3tl~ δ A3t〇 A Aitl - δ Aitl~ δ Ait〇 AAitl是第i个测点的本次沉降值；i = 1,2,3,…。
10.根据权利要求9所述的基于角度量测的轨道沉降自动测量方法，其特征在于，所述 的L小于车架轮轴轴距； 当L < 3000mm车架移动速度控制在40Km/h以下，当3000mm < L < 6000mm时车架移 动速度控制在75Km/h以下。 所述的动力装置中的电机采用NTC290型发动机，NTC290型发动机与RT-11509C型变 速箱传动连接，角度测量仪采用LE-60型倾角仪。
【文档编号】B61D15/08GK104047212SQ201410287234
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】邱业建, 雷明锋, 彭立敏, 施成华 申请人:中南大学