铁路机车限界激光检测仪及标定技术研究

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铁路机车进行安全运行前都必须由铁路检验部门严格按照标准限界进行检测 J，为铁路机车的运行安全提供保障。铁路机车限界是-个与铁路中心线垂直的横截面包络线，是机车车辆在改造、设计时都必须严格遵循的基本轮廓尺寸。GB146.1-83标准规定的机车车辆截面轮廓是可接受的机车最大理论极限尺寸，不论静态还是动态轮廓都不得超越该尺寸，否则就是超界，将对机车车辆安全运行构成威胁。传统的机车车辆限界检测 J，首先通过人工直接量取车身截面关键点到固定限界架的距离，再与允许偏差比较，判断机车是否超界。

作者简介：李申高(1984-)，男，硕士研究生，主要研究方向为光电测试。

通讯联系人。E-mail：liuehangjie###tin.edu.an收稿 日期 ：2012-05-14；收到修改稿 日期 ：2012-06.11这个过程造成重复劳动量大、测量精度低、自动化程度低等问题。因此，有必要设计-种自动高效、满足精度需要的检测系统来克服现有检测系统的不足。

1 系统设计1.1 系统组成铁路机车限界系统组成如图 1所示。整个系统主要由门状支撑框架、激光传感器 (6个测量范围为o.05m～200m、测量精度为 ±0.5ram的 1维激光测距传感器)、运动平台(6个)、电机及丝杠导轨、测量工作站组成。各部分功能如下：支撑框架用于支撑丝杠导轨；运动平台在大小电机的驱动下带动激光传感器实现2维运动，1号和2号激光传感器实现机车底部的扫描测量，4号和 5号激光传感器实现机车底部的扫描测量，3号和6号激光传感器分别实现机车两侧的扫描测量；测量工作站通过可编程逻辑控制器第 37卷 第 l期 李申高 铁路机车限界激光检测仪及标定技术研究 33 Iuide IF"sI/ 旧 i b - ～ mbtor 1J JSensor 3，. . COranG r 二 l I / / IFig.1 System components(programmable logic controler，PLC)实现对激光传感器的运动控制 ，并控制测距传感器，完成测量计算、显示功能。

1.2 工作原理1.2.1 解算被测点 如图2所示，系统要通过激光测距传感器 完成对机车-侧截面扫描测量并给出被测点的3维坐标值。首先通过控制小电机使传感器从初始位置沿第-运动方向进行扫描截面的对准微调，再通过大电机使传感器沿第二运动方向运动并进行逐点测量，然后综合第-、第二运动方向平移，1维测距传感器测得被测点到激光光源点的距离及事先标定的传感器参量，可以解算出被测点的3维坐标值：P1 P0 l× 1s2× 2 (1)P P1Ls3× 3 (2)式中，P0( ，Yo，Z0)，P 和P分别为固定在传感器上端面的靶标座初始位置，靶标座当前位置和被测点 3维坐标值，s 为测量时传感器沿第-运动方向平移量，P为第-运动方向单位矢量，s 为测量时传感器沿第二运动方向的平移量，P：为第二运动方向单位矢量， 为靶标座中心到激光光源点矢量(事先标定过的传感器参量)，s 为测距传感器测量结果，P。为传感器光线方向矢量。

Fig.2 System schematic1.2.2 限界判别 -般情况下，机车车辆限界检测是在-个3维空间内进行的 J。这样，在上位机中要对测量得到的机车截面轮廓上的每-个点进行 3维判断。

但在工程实践中，判断空间点和平面关系的计算会耗费大量的时间和上位机资源。为了简化到2维平面内的超限检测 ]，以铁轨方向为轴向，对系统建立-个 3维坐标系。假设铁轨方向为所建坐标系的 方向，Y 方向和Z.r方向分别垂直于铁轨中垂面和上表面，原点 O 为铁轨坐标系的中心。对于3维空间中的任意点，通过跟踪仪坐标系到铁轨坐标系变换，都能够把它转化到所建铁轨坐标系中。在进行判断时，就不用考虑 方向坐标分量对系统测量结果的影响，只需要在 D -y'-z 平面内判断机车上的所有被测点是否在标准限界以内。

2 系统标定为了得到铁轨坐标系下被测点的 3维坐标值，实现2维平面内的超界判断，需要进行系统参量标定。

整个标定过程在激光跟踪仪 下完成：首先标定铁轨坐标系，再进行跟踪仪坐标系到铁轨坐标系的转换，最后在铁轨坐标系下标定上述6个传感器的靶标座初始位置 ，第-、第二运动方向单位矢量 P ，P ，传感器光线方向矢量 〖虑到6个传感器相互独立且工作原理相同，本文中以6号传感器的标定过程进行说明。

2.1 铁轨坐标系建立按照如图3所示方式，将-端有固定垂直位置关系、另-端可调的标定卡规固定在平行铁轨上，其下侧水平面与外侧垂直面分别与铁轨上端面和内侧面贴合，先用激光跟踪仪测量出4个靶标座中心 3维坐标值，由事先标定过的标定卡规得出卡规固定端下侧面与外侧面方程，再通过下侧面与外侧面计算出交线方程，即铁轨上端面与内侧面的-条交线方程；将标定卡规固定端换到平行铁轨另-侧固定，用同样的方法确定铁轨上端面与内侧面的另-条交线方程；由以上两条铁轨交线可确定铁轨上端面作为 -O-Y面，同时确定两铁轨内侧面的中分面为 -O-z面，再将过任-传感器靶标座零点且与铁轨平面和铁轨中分面均垂直的第三平面为 y-O-z平面，再由如下旋转矩阵 变换：( ，Y ， ，1)( ，Y，z，1)(- 。，-y0，-Zo，1)·R (3)式中，( ，Y ，z ，1)为铁轨坐标系下任意点，( ，Y， ，1)为激光跟踪仪跟踪仪坐标系下任意点， (- ，- ，- ，1)和R分别为激光跟踪仪坐标系到铁轨平面坐标系的平移矩阵和旋转矩阵，通过以上计算，进而得到铁轨平面坐标系。

Fig.3 Establishment of rail coordinate激 光 技 术 2013年 1月2.2 系统现场标定图4a-图 4c中分别实现第-、第二方向及光线方向标定。按图示方式，首先用跟踪仪测量传感器位于初始位置时传感器上表面靶标座中心坐标，再通过上位机控制传感器分别沿着第-、第二运动方向运动(传感器沿第-运动方向运动时应保持其在第二运动方向静止，反之亦然)，用跟踪仪获得整个行程且分布均匀6点 ～10点的传感器靶标座中心坐标，并由此分别做直线拟合，获得第-、第二运动方向单位矢量 e和e 。点亮传感器，使传感器能够持续发光并产生形状固定的光斑，用跟踪仪小球将跟踪仪光线引导至验证装置球座处(见图5)，同时微调三脚架，使跟踪仪小球接收到传感器发出的光点并调节两光点在小球内重合，这样就能获取传感器光线上的第 1点 3维坐标。

沿光线方向移动三脚架至下-处，同样的方法，利用跟踪仪获得传感器光线上 6点 -10点的坐标值，并从中选出最合适的若干点做直线拟合，由此可获得传感器光线方向矢量 e 。至此，完成系统参量标定，系统参量标定结果如表 1所示。

lFig.4 Calibration of system pammetersTable 1 System parameters calibrationZ，3 实验结果现场实验验证主要完成系统重复性验证和系统精度验证两部分。

3.1 系统重复性验证系统重复性验证的目的是确定系统多次连续工作的重复性精度，包含机械运动、运动控制系统、激光测距传感器的可靠性。通过上位机控制，将传感器移动到指定合适位置，然后由系统测得当前点的 3维坐标值( ，Y， )，再将传感器移出测量点后返回，重复上述操作过程6次，得到传感器相同位置的6个点坐标，再计算各自相应的极差 尺和重复性标准差 ，以上数据记录如表2所示。

Table 2 System repeatability experiment3.2 系统精度验证为了结合激光跟踪仪可靠验证系统精度，设计了如图5所示的验证装置，该装置采用简易的台阶立体构式，第-阶面制作两个用于放置激光跟踪仪小球的球座，第二阶面制作-个球座及贴上激光接收十字标记，用于接收传感器激光点。验证前用激光跟踪仪分别标定出图示球座中球心的3维坐标值以及标记处的3维坐标值 ，从而确定标记处与两球座中心的几何关系。系统精度验证时，将验证装置安装在可调三角架上，使其上端面标记处能准确接收激光测距传感器的激光点，然后通过上位机读取-次测量数据( ，Y， )(上位机不控制电机移动传感器)，同时用跟踪仪获取验证装置 3个球座中心处点的3维坐标值，再将验证装置分别沿光线方向移动 20mm，40ram(保持标记处准确接收激光点)，并读取-次相应点的测量数据及 3个球座中心点 3维坐标值。由事先标定的验证装置标记点与 3个球座中心点的几何位置关系可确定由跟踪仪得到的标记点的3维坐标( 。，Yo， 。)，数据记录于表 3中。

markerket 3第37卷 第 1期 李申高 铁路机车限界激光检测仪及标定技术研究 35由表 2可以看出，系统实际重复性绝对误差小于11TIm，且仅在-个方向影响重复性精度；由表 3可以看出，系统精 度验证 绝对误 差小 于 1mm，均达 到 了-4-0.5ram的测量精度，满足测量需求。

4 结 论在传感器上表面固定-个靶标座，使用事先标定过传感器参量的激光测距传感器作为外部测量仪器 ，完成铁轨坐标系建立及系统参量标定 ，最后设计了验证装置，实现系统测量数据与激光跟踪仪测量数据的比对。该系统及其标定方法有效消除了轨道平面与水平面偏差所引入的测量误差，以及机械安装误差。检测系统测量特征包括机车截面全局扫描测量和局部关键点测量，系统重复性标准差不大于0.3mrfl，测量精度可达 ±0.5mm，达到了机车车辆限界检测的要求。