专利名称：一种基于描点的轨道方向及水平不平顺测量方法
技术领域：
本发明涉及一种基于描点的轨道方向及水平不平顺测量方法，属于轨道交通、铁路养护与维修领域。
背景技术：
轨道是机车、客\货运车厢等大型有轨交通工具运行的承载面，由路基、枕木、钢轨、扣件等器件构成。理想的轨道应当是平顺的，但是由于钢轨存在的初始弯曲、磨耗、损伤，轨枕间距不均、质量不均等问题的影响，并受到道床的级配和强度不均、松动、脏污、板结，路基下沉不均勻、刚度变化等因素的综合作用，导致轨道的平顺程度呈现随机特征。当轨道不平顺程度(简称不平顺度)超出一定范围，会造成在其上运行的轨道交通车辆发生颠簸、晃动，严重时甚至会导致出轨等重大交通事故的发生。因此，在日常的轨道安装、维护过程中，必须对轨道的不平顺度进行测量和及时校正。行业内统一认为，轨道不平顺主要分为4大类，即水平不平顺、垂向不平顺、方向不平顺和轨距不平顺，量化这些不平顺的具体指标有轨距、轨道方向、高低、水平、三角坑、轨距变化率等多项轨道几何形位参数，其中轨道方向(以下简称轨向)和轨道水平(以下简称水平)分别用于衡量轨道在垂直和水平方向的不平顺度，是最为重要的两项平顺度指标。轨道不平顺检测方法有绝对测量与相对测量两大类。绝对测量主要是采用人工拉弦实测，虽准确性较高，但存在实施过程复杂、测量效率低、耗费人力等缺陷，因此目前广泛应用的是相对测量法。相对测量法利用轨道检查仪(轨检小车、轨检车等)在轨道上滑行， 按一定的里程间隔顺序测量并记录，再通过专门设计的算法推算出整个测量轨道相对于基准轨的不平顺度，从而实现测量。相对测量法较人工拉弦的绝对测量而言，更加快速、高效， 且节约人力。相对测量又分弦测法、惯性基准法、惯性元件测量法等不同方法，其中惯性元件测量法测量轨向、高低不平顺时，可以使用陀螺仪等高精度惯性测量元件检测轨道不平顺变化，测量精度非常高。受到元件敏感参数的限制，按照惯性元件测量法设计的轨道检查仪，目前还不能直接测量出轨向和水平，因此必须对测量数据进行计算才能得到结果值。在计算轨向和水平时，现行算法采用以小推大(用小弦长不平顺度推算大弦长不平顺度)、里程代替弦长 (用里程输出代替实际拉弦长度)的方法具有较大的累计误差，且该误差随测量轨道的长度增加而增加，影响相对测量法结果的准确性，有待改进。
发明内容
要解决的技术问题为了消除现有相对测量法轨道方向和轨道水平不平顺度计算方法的累计误差，提高轨道监测精度，本发明提出一种基于描点的轨道方向及水平不平顺测量方法，在对测量轨建立二维坐标的基础上通过几何计算来获得轨道方向和水平不平顺度，可以消除累计误差，从而提高测量精度。
技术方案本发明的基本思想是在轨检小车上安装高精度陀螺仪(以轨向为例安装位置如
图1)；测量时驱动轨检小车沿轨道前进并按照微量步长间隔记录陀螺仪输出角度(如图 2)，该角度为因轨道不平顺而引起陀螺仪在水平方向产生的摆角(如图3中0点位置到1点位置将产生摆角α，这里约定α顺时针为正，逆时针为负)或垂直方向产生的俯仰角；利用测量值建立二维直角坐标系，逐次计算出测量点的坐标，进而实现测量轨道的曲线拟合； 利用所拟合曲线，按照不平顺度值的弦长要求，通过算法实现拉弦，再利用点到直线的距离公式计算轨道的不平顺度值。公式推导过程如下将被测轨道视为许多个半径相当大(大于1000米)的圆曲线段拼接而成的长曲线段。将小车至于被测轨道上，这时所处位置记为小车O点位置，如图4所示，点Α(°)、B 分别为小车A轮、B轮接触点，A((I)、B(CI)之间的轨道构成圆曲线弧γοΓβ(。)，并认为是大圆栌)的一段。小车纵梁上A轮、B轮之间的长度为1，即线段;^^ = /。假设的中心点为C ，以线段^^的中点ο(°)和圆心R(°)做直线作为直角坐标系X(°)0(°)y((l)的x(°)轴， 线段^^所处直线为y(°)轴，坐标原点为o(°)。推动小车沿轨道前进行程ΔΧ，至1点位置(如图5所示)，小车A轮、B轮分别接触轨道于Aa)、Ba)。由圆心R(°)做^^的垂线， 交^^于οω点，交圆弧沪^Cw点，显然^^1^^,0(1)为Ti^的中点。在图5上，分别过C(°)、C(1)做圆弧於。啲切线^和;^，两线相交于K，交y(Q) 轴于点I，并有平行于^^ J^iy平行于^^得到图6。由图3可知，测量轨检小车沿轨道行进时因为轨道不平顺引起的水平方向的摆角为和;^的夹角，即Z y(°)IJ = a 10根据几何关系可知，Z C(1)R(0)C(0) =Z y(°)IJ = a 因此可由公式⑴计算圆弧及(())的半径r r(0) = 180 · Δχ/(α 丄· Ji)(1)Δ χ即为轨检小车的里程计所记录的小车从0点位置到1点位置在轨道上的行程。由此可以计算C(°)、C⑴在中的坐标(C&C;。),),(CJmC^1)，分别如⑵、 (3)式所示
权利要求
1. 一种基于描点的轨道方向及水平不平顺测量方法，其特征在于步骤如下 步骤1.安装小车到测量轨上将轨检车安装于被测轨道上，以此时小车所处的位置为 0点位置，小车刚性纵梁上行进方向的后轮为A轮、前轮为B轮，A轮、B轮与测量轨接触的点为A(°)、B(°)，连接A(°)和B(°)的直线段为^iy Π 二 /，1为小车A轮和B轮的距离，线段^两的中点为ο(°)，沿轨道连接Α(°)和Β(°)构成圆弧γ。 >)) 乂ο >冲点为C ；步骤2.推动小车进行摆角测量向前推动小车沿轨道行进进行数据测量，小车总行程距离为dis，dis为正数，测量步长为ΔΧ，八1>0;每行进到距离0点位置为1· Δχ处的 i点位置，i为整数，且0 < i < η，《 = |_ ^/Δχ」，测量水平不平顺时采集一个陀螺仪在垂直方向摆角，测量方向不平顺时采集一个陀螺仪在水平方向摆角，该摆角为CIi, CIi单位为度，这时小车A轮、B轮与测量轨道接触点为Αω、Βω，连接A⑴和Βω的直线段为，= \AmBm\ = I，⑩诉的中点为o(i)，沿轨道连接Aa)和B(i)构成圆弧为#& fAo Bo)中点为C(i)；将小车推行过程中采集到的摆角按照采集顺序构成摆角集合…，α”… aj ；_步骤3.建立参照坐标系将小车的:^^方向为二维平面直角坐标系纵轴y(°)正方向，y 的右侧垂线为二维平面直角坐标系横轴χ 的正方向，χω与y(tl)相交于点ο ，ο 的坐标设为( ，(^，建立参照坐标系^ ^ ；步骤4.计算0点位置处测量点坐标计算小车0点位置处，测量点C(°)和οω对于坐标系X(°)o(°)y(°)的坐标值，将数据ΔΧ、Ci1带入下式计算圆弧的半径产 r(0) = 180 · Δ χ/ ( a ！ . ji )利用下式计算点c(°)在坐标系x 0(°)y(°)的坐标，C^为该坐标系的横坐标值，为该坐标系的纵坐标值 C^ =0利用下式计算点c(1)在坐标系x((l)0(°)y(°)的坐标， ^为该坐标系的横坐标值，($1为该坐标系的纵坐标值 Cyo)=r(0)-sina,‘C% = V(/0))2-(//2)2 - /。). cos a,利用下式计算点oa)在坐标系x^o^y 的坐标'^o, =(VW))2-("2)2).sinaid-{U2f-(1/2)2 -cosa,为该坐标系的横坐标值，ο》为该坐标系的纵坐标值； 步骤5.计算1点位置处测量点坐标计算小车1点位置处，测量点C(1)和ο⑵对于坐标系x^o^y 的坐标值，以o(1)为直角坐标系原点，？^方向为二维平面直角坐标系纵轴y(1)正方向，y(1)的右侧垂线为二维平面直角坐标系横轴χ(1)的正方向，从而建立坐标系 x(1)o(1)y(1)；将数据Δχ、CI2带入下式计算圆弧的半径Γω ； r ⑴=180 · Δ χ/ ( α 2 · ji )将数据ΔΧ、r(1)带入下式，计算点C(2)在坐标系^)0(1)/1)的坐标(q^，C$)，Ci2,丨为该坐标的横坐标值，cp为该坐标系的纵坐标值； 'Cfu =Vm-Sma全文摘要
本发明涉及一种基于描点的轨道方向及水平不平顺测量方法，属于轨道交通、铁路养护与维修领域。本发明的特征在于首先使用安装惯性传感器小车测量数据；之后建立参照坐标系；再计算0点位置处测量点坐标；接着计算1点位置处测量点坐标；继而从2点位置后开始循环计算测量区间内诸位置的测量点坐标，实现对整个测量轨的曲线描点；根据得到的描点曲线计算不平顺度值。有益效果本发明通过对测量轨建立二维坐标和几何计算来获得轨道方向和水平不平顺，消除了现有相对测量法轨道方向和水平不平顺度计算方法的累计误差，提高了测量精度，具有很好的适应性，可以广泛应用于使用惯性元件测量的轨道不平顺检测设备。
文档编号G01B11/30GK102252633SQ20111011499
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月5日 优先权日2011年5月5日
发明者李寒, 王晓东, 陶晓燕 申请人:陕西威蓝工业自动化有限公司