一種計(jì)算軌道中線坐標(biāo)與被檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鐵路軌道的安裝質(zhì)量檢測(cè)及日常線路維護(hù)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一 種計(jì)算軌道中線坐標(biāo)與被檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)階段的CPIII軌道控制網(wǎng)的軌道三維檢測(cè)系統(tǒng)，其作業(yè)模式都是先對(duì)全站儀進(jìn) 行設(shè)站，然后依靠全站儀自動(dòng)跟蹤軌道檢測(cè)小車上的棱鏡，靜態(tài)或動(dòng)態(tài)測(cè)量以確定線路坐 標(biāo)，其主要缺點(diǎn)在于CPIII軌道控制網(wǎng)點(diǎn)精度不夠高，計(jì)算軌道被檢測(cè)點(diǎn)與中線坐標(biāo)的算法 較為繁瑣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種計(jì)算軌道中線坐標(biāo)與被檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo) 的裝置及其方法，通過歐拉角與剛體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的原理簡(jiǎn)化了檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可以快 速計(jì)算出軌道被檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)與軌道中線坐標(biāo)，顯著提升了檢測(cè)精度與效率。
[0004] 本發(fā)明基于上述需要解決的技術(shù)問題，提出的技術(shù)方案是：一種計(jì)算軌道中線坐 標(biāo)與被檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的裝置，包括右車架、輔助全站儀、基準(zhǔn)全站儀、左車架、雙傾角傳感器， 其中輔助全站儀安裝在軌道檢測(cè)小車的右車架上，基準(zhǔn)全站儀安裝在軌道檢測(cè)小車的左車 架上，左車架與右車架通過螺栓連接在一起，雙傾角傳感器設(shè)置在軌道檢測(cè)小車上。
[0005] -種計(jì)算軌道中線坐標(biāo)與軌道被檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的方法，其特征在于采用高精度的 CPIV軌道基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)作為軌道三維檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量基準(zhǔn)，所述用于計(jì)算軌道中線坐標(biāo)與軌道 被檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的方法采用歐拉角與剛體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的原理，步驟如下：
[0006] 步驟一：選取兩個(gè)坐標(biāo)系，然后通過小車固有的幾何參數(shù)以及軌道檢測(cè)小車坐標(biāo) 系與CPIV基準(zhǔn)坐標(biāo)系的位置關(guān)系求解。這里軌道檢測(cè)小車坐標(biāo)系o'X'y'z'為csyl， 坐標(biāo)系原點(diǎn)位于兩側(cè)行走輪輪緣最低處下16mm處連線的起點(diǎn)；另一個(gè)為CPIV基準(zhǔn)坐標(biāo)系 oxyz為CsyO0
[0007] 步驟二：CPIV基準(zhǔn)點(diǎn)在全站儀上的測(cè)量，其中CPIV基準(zhǔn)點(diǎn)棱鏡在基準(zhǔn)全站儀與輔 助全站儀上的坐標(biāo)為（11"，71"，2 1")和（？2,7"2,2" 2)，全站儀對(duì)0?1￥基準(zhǔn)棱鏡測(cè) 量可得到三個(gè)參數(shù)，這三個(gè)參數(shù)為基準(zhǔn)棱鏡跟測(cè)站點(diǎn)之間的距離r、豎直方向角度0i和水 平方向角度9 2，全站儀的測(cè)量點(diǎn)即基準(zhǔn)棱鏡在全站儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值如下：
[0008] X" =rcos9 :sin9 2j" =rcos9xcos9 2z" =rsin9x
[0009] 步驟三：計(jì)算基準(zhǔn)全站儀與輔助全站儀位置差，基準(zhǔn)全站儀坐標(biāo)系原點(diǎn)到軌道檢 測(cè)小車坐標(biāo)系原點(diǎn)在X'方向上的距離定義為〇，y'方向上的距離定義為sl，Z'方向上的 距離定義為S2,輔助全站儀位于小車車架的右端，左右車架聯(lián)接后會(huì)有誤差存在則不適合 直接采用兩全站儀在小車的固有參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，故利用CPIV基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)在兩全站儀測(cè)得坐 標(biāo)去計(jì)算x，y，z三個(gè)方向的長(zhǎng)度，以消除左右車架連接誤差對(duì)全站儀位置精度的影響，得 輔助全站儀在基準(zhǔn)全站儀的X，y,z方向的長(zhǎng)度差為：
[0010] Ax=X1" _x" 2Ay=Y1+y"2Az=Z1" _z" 2
[0011] 對(duì)于基準(zhǔn)全站儀，其測(cè)出的CPIV基準(zhǔn)棱鏡在軌道檢測(cè)小車坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值為 U1'，y/ ,Z1')，同理對(duì)于輔助全站儀（X' 2，y' 2，z' 2)，則得到：
[0012] (x/ ，y/ ，z/ ) = (X1"，Y1" -SI,Z1" +S2)
[0013] (X' 2,y' 2,z' 2) = (X1" +AX，Y1" -SI+Ay，Z1" +S2+Az)
[0014] 步驟四：剛體坐標(biāo)與歐拉角定義，取軌道檢測(cè)小車坐標(biāo)系原點(diǎn)作為剛體坐標(biāo)系原 點(diǎn)，即軌道檢測(cè)小車坐標(biāo)系Csyl作為剛體坐標(biāo)系，確定其在CPIV基準(zhǔn)坐標(biāo)系CsyO的剛體 坐標(biāo)；計(jì)算剛體坐標(biāo)系原點(diǎn)O'在CPIV基準(zhǔn)坐標(biāo)系oxyz中的坐標(biāo)值（X'。，y。'，z'。)，以 及坐標(biāo)軸X'，y'，z'分別與坐標(biāo)軸x，y，z的方向余弦，運(yùn)用歐拉角進(jìn)行求解；以〇'為原 點(diǎn)，各坐標(biāo)軸分別與絕對(duì)坐標(biāo)系oxyz的坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)平行，建立一個(gè)直角坐標(biāo)系o'InV。 平面Co'n與X'o'y'的交線o'N稱為節(jié)線，在定義進(jìn)動(dòng)角IK自轉(zhuǎn)角0、章動(dòng)角0 時(shí)，方向均按照逆時(shí)針方向進(jìn)行計(jì)算，則進(jìn)動(dòng)角$取在Co'n平面中軸O'I與節(jié)線 O'N之間的夾角；自轉(zhuǎn)角W取在X'o'y'平面中節(jié)線o'N與o'X'之間的夾角；章動(dòng) 角Q取對(duì)著節(jié)線〇'N正上方的正向看去的軸o'I與o'z'之間的夾角。
[0015] 步驟五：軌道被檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算，確定軌道檢測(cè)小車坐標(biāo)系csyl在CPIV基準(zhǔn)坐標(biāo) 系csyO下的坐標(biāo)和角度，需確定X'Q，y。'，z'。，以及六個(gè)剛體坐標(biāo)。由于CPIV 軌道基準(zhǔn)網(wǎng)在軌道檢測(cè)小車坐標(biāo)系csyl上的坐標(biāo)為（X'，y'，z')，軌道檢測(cè)小車坐標(biāo) 系csyl在CPIV基準(zhǔn)坐標(biāo)系csyO下的坐標(biāo)為。，，z'。)，軌道基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)在CPIV基 準(zhǔn)坐標(biāo)系csyO下的是（x，y，z)，結(jié)合傾角傳感器測(cè)得的縱向傾角Q1和橫向傾角Q2，可得 到六個(gè)剛體坐標(biāo)，并由剛體運(yùn)動(dòng)規(guī)律得：
[0016]
[0017] 其中a0a2, 0 2,y2,a3, 0 3,y3為CPIV基準(zhǔn)坐標(biāo)系X軸、y軸、z軸分 別于軌道檢測(cè)小車坐標(biāo)系X'軸、y'軸、Z'軸的方向余弦，則得：
[0018]
[0019] 結(jié)合雙軸傾角傳感器測(cè)量得到的兩個(gè)方向角度nJPQ2，有：
[0020] Yi= c〇s (90° _ ^ i)
[0021] y 2= cos (90。- Q 2)
[0022] 計(jì)算得：
[0025] 兩個(gè)CP IV軌道基準(zhǔn)網(wǎng)的棱鏡坐標(biāo)為（Xl，yi，Z1)和（x2, y2, Z2)，而其在軌道檢測(cè)小 車坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（x/，y/,Z1')和（X' 2，y' 2，z' 2)。
[0026] Z1=Z1o+y/ X1r+Y2Yi1 +T 3Zir
[0027] Z2=Zr0+y/ X12+Y2Y12+T3Zr2
[0028] 結(jié)合一系列式子可以得到；
[0032] 由此得軌道檢測(cè)小車坐標(biāo)系csyl在CP IV基準(zhǔn)坐標(biāo)系csyO下的坐標(biāo) (X 〇) y〇 ，z 〇)為：
[0033]
[0034]
[0036] 由于軌道檢測(cè)小車固連的坐標(biāo)系原點(diǎn)位于兩側(cè)行走輪輪緣最低處下16mm處連線 的起點(diǎn)，即軌道被檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)為（X' <：，％'，z'
[0037] 步驟六：軌道中線坐標(biāo)計(jì)算，由于軌道檢測(cè)小車軌距傳感器所測(cè)得的軌距為L(zhǎng)，則 將坐標(biāo)（x/ +L/2，y/，Zl')和（X' 2+L/2，y' 2，z' 2)代入上式就可以求得軌道中線坐 柄^為：（X〇中，y〇中，z。中）。
[0038] 本發(fā)明的有益效果：
[0039] 1、采用高精度的CPIV軌道基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)作為軌道三維檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量基準(zhǔn)，檢測(cè)精 度有了較大提升。
[0040] 2、CPIV軌道三維檢測(cè)系統(tǒng)利用軌道檢測(cè)小車上的雙全站儀直接捕捉CPIV基準(zhǔn)網(wǎng) 棱鏡，消除了CPIII軌道三維檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)全站儀實(shí)施后方交會(huì)設(shè)站與跟蹤軌道檢測(cè)小車上 的棱鏡所帶來的繁瑣與誤差。
[0041] 3、CPIV軌道三維檢測(cè)系統(tǒng)采用歐拉角與剛體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的原理簡(jiǎn)化了檢測(cè)系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型，可以快速計(jì)算出軌道被檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)與軌道中線坐標(biāo)，顯著提升了檢測(cè)效率。
【附圖說明】
[0042] 圖1為用于配合測(cè)量的雙全站儀軌道檢測(cè)小車結(jié)構(gòu)圖；
[0043] 圖2為基準(zhǔn)全站儀與輔助全站儀測(cè)量CPIV軌道基準(zhǔn)網(wǎng)棱鏡示意圖；
[0044] 圖3為軌道三維坐標(biāo)系定義示意圖；
[0045] 圖4為剛體坐標(biāo)與歐拉角定義示意圖。
[0046] 圖中：1.右車架；2.輔助全站儀；3.基準(zhǔn)全站儀；4.左車架；5.雙傾角傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合
【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0048] 如圖1所示，一種計(jì)算軌道中線坐標(biāo)與被檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的裝置，包括右車架1、輔助 全站儀2、基準(zhǔn)全站儀3、左車架4、雙傾角傳感器5,其中輔助全站2儀安裝在軌道檢測(cè)小車 的右車架1上，基準(zhǔn)全站儀3安裝在軌道檢測(cè)小車的左車架4上，左車架4與右車架1通過 螺栓連接在一起，雙傾角傳感器5設(shè)置在軌道檢測(cè)小車上。
[0049] 如圖2、3、4所示，一種計(jì)算軌道中線坐標(biāo)與被檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的方法，其特征在于采 用高精度的CPIV軌道基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)作為軌道三維檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量基準(zhǔn)，所述用于計(jì)算軌道中 線坐標(biāo)與軌道被檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的方法采用歐拉角與剛體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的原理，步驟如下：
[0050] 步驟一：選取兩個(gè)坐標(biāo)系，然后通過小車固有的幾何參數(shù)以及軌道檢測(cè)小車坐標(biāo) 系與CPIV基準(zhǔn)坐標(biāo)系的位置關(guān)系求解。這里軌道檢測(cè)小車坐標(biāo)系o'X'y'z'為csyl， 坐標(biāo)系原點(diǎn)位于兩側(cè)行走輪輪緣最低處下16mm處連線的起點(diǎn)；另一個(gè)為CPIV基準(zhǔn)坐標(biāo)系oxyz為csyO,如圖3所示。
[0051] 步驟二：CPIV基準(zhǔn)點(diǎn)在全站儀上的測(cè)量，如圖2所示，其中CPIV基準(zhǔn)點(diǎn)棱鏡在基 準(zhǔn)全站儀3與輔助全站儀2上的坐標(biāo)為（Xl〃，y/，Zl")和（X" 2，y" 2，z" 2)，全站儀 對(duì)CPIV基準(zhǔn)棱鏡測(cè)量可得到三個(gè)參數(shù)，這三個(gè)參數(shù)為基準(zhǔn)棱鏡跟測(cè)站點(diǎn)之間的距離r、豎 直方向角度9 :和水平方向角度9 2，全站儀的測(cè)量點(diǎn)即基準(zhǔn)棱鏡在全站儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo) 值如下：
[0052] X"=r cos 9 : sin 9 2j" =rcos 9x cos 9 2 z"=r sin 9x
[0053] 步驟三：計(jì)算基準(zhǔn)全站儀3與輔助全站儀2位置差，基準(zhǔn)全站儀3坐標(biāo)系原點(diǎn)到軌 道檢測(cè)小車坐標(biāo)系原點(diǎn)在X'方向上的距離定義為0，y'方向上的距離定義為sl，z'方向 上的距離定義為s2,輔助全站儀2位于小車車架的右端，左右車架1，4聯(lián)接后會(huì)有誤差存在 則不適合直接采用兩全站儀在小車的固有參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，故利用CPIV基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)在兩全站 儀測(cè)得坐標(biāo)去計(jì)算x，y，z三個(gè)方向的長(zhǎng)度，以消除左右車架連接誤差對(duì)全站儀位置精度的 影響，得輔助全站儀2在基準(zhǔn)全站儀3的X，y，z方向的長(zhǎng)度差為：
[0054] AX=X1"_x"2Ay=Y1"+y" 2Az=Z1"_z" 2
[0055] 對(duì)于基準(zhǔn)全站儀3,其測(cè)出的CPIV基準(zhǔn)棱鏡在軌道檢測(cè)小車坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值為 U1'