[发明专利]铁路轨道外轨超高测量系统及方法

权利要求书

1.一种铁路轨道外轨超高测量系统，其特征在于：包括中央控制模块及分别与其相连接的空间定位模块、坡角测量模块、轨距测量模块；

所述空间定位模块包括一个增量型光电编码器与一台GPS定位器；

所述坡角测量模块包括两个加速度计、两台激光测距机及一个捷联式惯性导航系统；

所述轨距测量模块包括一台黑白面阵相机及一台红外线性激光器；

所述中央控制模块包括一部便携式数据处理器、无线局域网交换机及一台同步控制器；

基于测量系统的铁路轨道外轨超高测量方法，包括两种检测模式：经典模式和巡检模式；

经典模式包括以下步骤：

步骤S1：设m为列车质量，v为列车行驶速度，ρ为列车拐弯时的曲率半径，g为重力加速度，G为列车所受重力，h为铁路轨道外轨超高，其向心力表达式如下式所示：由受力平衡，得到Jcosγ＝Gsinγ；γ为坡角值；

步骤S2：将代入式Jcosγ＝Gsinγ，得到表达式：化简可得S₁为铁路轨距；

步骤S3：编码器测量得点Q_i与点Q_i+1之间的里程为Δd，同时由惯导测得点Q_i对应的航向角为A_i，点Q_i+1对应的航向角A_i+1，因此得到曲率K_i如表达式：曲率半径ρ：将代入得得到外轨超高的高度值h表达式:进一步的，

步骤S4：巡检模式包括以下步骤：

由得到：h＝S₁×tanγ；

铁路轨距S₁的测量包括以下步骤：

步骤一：设在两个加速度计的辅助修正下由两台测距机测量铝合金型材到铁轨之间的距离分别为L₁、L₂，坡角测量模块与铁轨横断面的夹角为θ，则坡角测量模块与铁轨横断面的夹角满足函数关系表达式：δ为由捷联式惯性导航系统获取坡角测量模块与大地水平面的夹角，则γ、θ、δ的三角函数关系为：γ＝δ-θ；

D为两台激光测距机的横向间距；

步骤二：轨距测量模块收到来自同步控制器的触发信号后通过黑白面阵相机拍摄红外激光线生成的原始灰度图像，此时激光线在图像上呈现为白色亮线，将原始灰度图像通过无线局域网交换机发送到便携式数据处理器，在便携式数据处理器中采用反溯算法滤除图像背景后得到的图像，采用反溯算法滤除白天检测时两条钢轨反射日光形成的两条带状亮线和夜晚检测时两条钢轨反射相机闪光灯形成的两条带状亮线后提取得到只含激光亮线的图像；

步骤三：当相机和激光器安装位置和角度确定后，根据三角函数关系易得相机靶面上每个像元的尺寸均对应一定的实际物理距离，将图像中像素坐标映射为实际物理坐标后，由激光亮线在图像中长度所占的像素个数乘上每个像素所代表的实际物理距离，即测得激光亮线的实际长度，亦即铁路轨距。

2.根据权利要求1所述的铁路轨道外轨超高测量系统，其特征在于：还包括一扩展模块；所述扩展模块包括用于上传、下载和存储铁路各里程对应的铁路轨道外轨超高测量数据的服务器。

3.根据权利要求1所述的铁路轨道外轨超高测量系统，其特征在于：两台测距机垂直安装在一根铝合金型材上。

4.根据权利要求1所述的铁路轨道外轨超高测量系统，其特征在于：所述黑白面阵相机相对钢轨所在水平面的安装夹角为α，α90°；红外线性激光器相对钢轨所在水平面的安装夹角为β，β90°。

5.根据权利要求1所述的铁路轨道外轨超高测量系统，其特征在于：所述GPS定位器安装在车体顶部无遮挡处；增量型光电编码器与车轮同轴固定连接；增量型光电编码器随车轮每转动一周都会输出固定数目和周期长度的方波脉冲。

6.根据权利要求1所述的铁路轨道外轨超高测量系统，其特征在于：经典模式中要求将列车限制在v＝N*V_max，V_max是铁路轨道所在地段最大设计时速，N为常数。