CN103419812A - 一种基于摄像及卫星及惯性测量组合的铁轨路基沉降测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于摄像及卫星及惯性测量组合的铁轨路基沉降测量的方法。在车载平台上安装摄像机、卫星定位组件、惯性测量组件、时间同步系统、轨道车体相对测量系统和数据处理专用计算机等，在铁轨沿线布设卫星定位差分基站和摄像测量标志基站，组成摄像与卫星与惯性测量或摄像与惯性测量或卫星与惯性测量的组合测量系统，通过摄像及卫星及惯性测量的深度融合，建立高精度的车载动态位置、姿态和速度测量基准，再根据轨道车体相对测量，长时间保持高精度地测量轨道和路基参数，通过与轨道设计标准数据对比，实现铁轨路基沉降及铁轨几何参数的自动、高精度、长时间、连续测量。

Description

一种基于摄像及卫星及惯性测量组合的铁轨路基沉降测量的方法

技术领域

本发明涉及轨道交通动态检测领域，具体涉及一种车载铁轨路基沉降测量的方法，通过在车载平台上安装摄像/卫星/惯性测量组件，在铁轨沿线布设卫星定位差分站和摄像控制标志，实时动态测量车载平台的位置、姿态、速度信息，利用轨道车体相对测量得到铁轨空间三维位置和几何参数，通过与轨道设计标准数据对比，实现铁轨路基沉降及铁轨几何参数的自动、高精度、长时间、连续测量。

背景技术

轨道交通基础设施的大力建设与使用，对国民经济和社会生活起到了极其重要的作用。轨道交通运营过程中，由于地质变形和列车冲击等原因，轨道、桥梁、隧道等基础设施经常发生路基沉降和变形，会影响行车的舒适性，带来安全隐患，甚至是重大财产损失和人员伤亡。特别是高速铁路的建成和发展，其路基和轨道的微小变形都会造成运营质量下降，影响运营安全。因此，为提高铁路运营安全系数和运营质量、效率，及时发现和防止危害的发生，对铁轨路基沉降进行毫米级的高精度、长时间、动态监测，十分的必要和迫切。

当前对路基沉降进行测量监测的手段可分为两大类——地面测量方式和车载测量方式。常规的路基沉降地面检测/监测主要采用水准仪、测距仪、经纬仪及全站仪等测绘仪器，主要由人工进行大地测量，并且需要分段引入参考基准点的高程数据。这种方法难以实现测量过程的自动化、无法长时间监测、特别是无法实现动态监测，执行监测任务所需观测时间长、效率低、工作量大、测量成本高，不仅要花费大量的人力和资金，而且影响高铁的高效运行，在实际的高铁环境下很难有效实施。

目前，轨检车（或综合检测车）是轨道动态检测的主要设备。轨检车集成了惯性测量设备轨道不平顺测量装置、光点轨距测量装置、多功能振动测量装置以及相应的数据处理系统。有些国家开发的安全综合检测车是集成了轨道检测、接触网检测、通信信号检测等多种功能的综合设备。目前世界绝大多数国家轨道检测车和综合检测车上普遍采用了惯性测量设备，但由于惯性测量存在误差随时间累积的固有缺陷，目前轨检车上的惯性测量，仅能测量路基在局部小范围内的短波变化，而不能敏感检测缓慢变化的长波不平顺和下沉量，无法实现长距离、长时间、高精度的路基沉降测量。中国专利文献CN101913368B公开了一种高速铁路快速精密测量和全要素数据获取系统及方法，系统由激光扫描仪、数码成像设备、GPS 接收器、IMU 惯性测量装置、工业计算机和供电装置组成，在运动中获取高速铁路轨道、路基及周边地物的三维点云和经大地定向的数码影像，使用轨道控制网的控制点进行联合平差计算提高高速铁路移动测量精度，但系统测量速度仅达每小时40公里。北方交通大学博士论文“轨道交通线路几何安全状态动态监测技术研究”（作者余祖俊，2008）提出了车载惯性基准与地面辅助瞬时位置姿态测量相融合的轨检车动态测量方案，定点修正惯性测量误差随时间累积的问题。这类铁轨检测方法和系统存在动态测量速度偏低，地面控制标志设置过密等问题。

本发明提供一种基于摄像/卫星/惯性测量组合的路基沉降测量方法，与现有技术相比，无需激光扫描仪，将摄像/卫星/惯性测量进行深度融合，地面基站布设稀疏（间隔5～10公里），通过摄像测量补偿系统器件误差，通过卫星差分/惯性测量长时间保持毫米级测量精度，能够满足铁轨路基沉降及铁轨几何参数的自动、高精度、长时间、连续测量需求。

发明内容

本发明提供一种基于摄像/卫星/惯性测量组合的路基沉降测量方法，通过摄像与卫星与惯性测量或摄像与惯性测量或卫星与惯性测量的组合，建立高精度的车载动态位置、姿态和速度测量基准，再根据轨道车体相对测量，长时间保持高精度地测量轨道和路基参数，通过与轨道设计标准数据对比，实现铁轨路基沉降及铁轨几何参数的自动、高精度、长时间、连续测量。

本发明的一种基于摄像/卫星/惯性测量组合的路基沉降测量方法包含：

（1）在车载平台上安装摄像机、卫星定位组件、惯性测量组件、时间同步系统、数据处理专用计算机等，标定摄像机、卫星测量和惯性测量坐标系间的关系，组成摄像与卫星与惯性测量或摄像与惯性测量或卫星与惯性测量的组合动态基准车载测量系统。同时安装轨道车体相对测量系统，用于测量轨道路基相对于动态基准的几何参数。

（2）在铁轨附近选择适当地点设置卫星定位差分基站和摄像测量标志基站，基站间隔5～10公里重复布设，保证卫星定位差分基站信号覆盖测量区域。卫星定位差分基站和摄像测量标志基站可布设在一起，也可独立布设。基站和控制点在基准坐标系下的坐标已知或已测。基准坐标系可以选择为大地坐标系或其他基准坐标系。

（3）当车载测量系统经过摄像测量标志基站时，摄像机实时采集基站的标志点的图像，提取各标志点在图像中的坐标位置，将各标志点的坐标数据按成像几何约束关系进行运算，获得摄像机坐标系相对基准坐标系的位置和姿态关系，根据标志序列图像或多像机拍摄图像，解算摄像机的速度。根据已标定的摄像机、卫星测量和惯性测量坐标系间的关系，高精度定点修正摄像/卫星/惯性组合测量系统的测量结果，并估计补偿系统器件误差。

（4）在摄像测量标志基站之间，采用卫星实时动态差分方法，将卫星/惯性深度融合测量更新系统的位置、姿态和速度。

（5）利用轨道车体相对测量系统实时测量轨道路基与车载平台间的几何参数，根据车载平台的位置、姿态和速度测量结果实时得到轨道和路基参数，通过与轨道设计标准数据对比，实现铁轨路基沉降及铁轨几何参数的自动、高精度、长时间、连续测量。

优选的，摄像机能够满足短曝光成像的条件，使其能够在检测设备高速行驶时拍摄标志点的清晰图像。

优选的，摄像测量标志基站设置的标志点为反光片或反射膜制成的反光标志。在检测设备到达该地点时开启照明光源照亮该标志。

优选的，在隧道等卫星信号不易覆盖的区域，增设摄像测量标志基站，缩短基站间的距离，采用摄像/惯性深度融合方法更新系统位置，以保证铁轨路基沉降及铁轨几何参数的测量精度。

与现有技术相比，本发明具有以下明显的优点：

本发明建立了摄像/卫星/惯性组合车载动态测量基准，解决了惯性测量设备精度随时间漂移的问题，采用卫星实时动态差分方法，测量精度达毫米量级，可实现铁轨路基沉降及铁轨几何参数的自动、高精度、长时间、连续测量；本发明铁路沿线上的基站间隔5～10公里重复布设，设置密度不是很高，易于实施。

附图说明

图1为基于摄像/卫星/惯性组合的铁轨路基沉降测量系统方案示意图；

图2为路基沉降测量系统数据处理结构图。

具体实施方式

本发明提供一种基于摄像/卫星/惯性测量组合的路基沉降测量方法，其系统方案如图1所示，包含地面基站与车载测量系统。

地面基站是指在地面上沿轨道附近的特定位置设置的卫星定位差分基站和摄像测量标志基站，基站间隔5～10公里重复布设。卫星定位差分基站和摄像测量标志基站可布设在一起，也可独立布设。卫星定位差分基站保证卫星定位差分基站信号覆盖测量区域。摄像测量标志基站处的合作标志采用原有的自然标志或人工制作的特征标志，如十字丝、圆斑或对顶角等。标志点可以主动发光，也可以依靠反射日光或其他光源进行成像，优选为反射式标志，在检测设备到达该地点时开启照明光源照亮该标志。基站和控制点在基准坐标系下的坐标已知或已测，基准坐标系可以选择为大地坐标系或其他基准坐标系。

车载测量系统主要包含摄像机、卫星定位组件、惯性测量组件、时间同步系统、轨道车体相对测量系统和数据处理专用计算机。摄像机用于采集提取地面基站的摄像测量标志，计算位置、姿态、速度后定点修正摄像/卫星/惯性组合测量系统的测量结果和系统器件误差。卫星定位组件采用实时动态差分技术，与惯性组件融合测量位置、姿态、速度。时间同步系统用于摄像机、卫星定位组件和惯性测量组件间的测量时间同步。轨道车体相对测量系统用于测量轨道路基与车载测量系统间的几何参数，可根据车载系统测量的位置、姿态、速度得到铁轨路基沉降及铁轨几何参数。数据处理专用计算机用于数据处理，结构图如图2所示，包含摄像/卫星/惯性测量系统标定单元、卫星/惯性融合测量单元、摄像标志检测提取与摄像位姿速度计算单元、摄像定点修正单元和铁轨路基沉降及几何参数计算单元。

所述摄像/卫星/惯性测量系统标定单元，用于标定摄像/卫星/惯性测量组合系统内外参数，包含摄像机主点、焦距、畸变，惯性测量组件刻度因子、零偏，摄像机、卫星测量和惯性测量坐标系间的位置、姿态关系。

卫星/惯性融合测量单元，利用卫星测量和惯性测量信息，采用卫星实时动态差分方法，将卫星/惯性深度融合测量系统的位置、姿态和速度。

摄像标志检测提取与摄像位姿速度计算单元，利用摄像机实时采集基站的标志点的图像，提取各标志点在图像中的坐标位置，将各标志点的坐标数据按成像几何约束关系进行运算，获得摄像机坐标系相对基准坐标系的位置和姿态关系，并测量摄像机的速度。测量速度时，可以采用单摄像机以短时间间隔连续拍摄标志，根据序列图像中的坐标数据及摄像机拍摄频率，计算系统速度；也可以安装2台或多台摄像机，先后拍摄同一标志，根据2台或多台摄像机间的位置关系和拍摄间隔计算系统速度。

摄像定点修正单元，根据已标定的摄像机、卫星测量和惯性测量坐标系间的关系，将摄像机坐标系相对基准坐标系的位置、姿态和速度测量结果与卫星/惯性测量结果深度融合，高精度定点修正摄像/卫星/惯性组合测量系统的测量结果，并估计系统各器件的误差，提高系统精度。

铁轨路基沉降及几何参数计算单元，利用轨道车体相对测量设备实时测量的轨道路基与车载测量系统间的几何参数，根据摄像/卫星/惯性组合系统测量的位置、姿态和速度结果，实时得到轨道和路基参数，与轨道设计标准数据对比，测量铁轨路基沉降及铁轨几何参数。

本发明基于摄像/卫星/惯性组合车载测量系统测量铁轨路基沉降及铁轨几何参数，测量步骤如下：

(1) 安装标定摄像/卫星/惯性组合动态基准车载测量系统；

(2) 当车载测量系统经过摄像测量标志基站时，摄像机实时采集基站的标志点图像，提取各标志点在图像中的坐标，按成像几何约束关系计算摄像机系统的位置和姿态，利用标志点序列图像或多摄像机图像计算摄像机系统的速度。

(3) 根据摄像机、卫星测量和惯性测量坐标系间的关系，高精度定点修正摄像/卫星/惯性组合测量系统的测量结果，并估计补偿系统器件误差。

(4) 在摄像测量标志基站之间，采用卫星实时动态差分方法，将卫星/惯性深度融合测量、更新系统的位置、姿态和速度。

(5) 利用轨道车体相对测量系统实时测量的轨道路基与车载测量系统间的几何参数，根据车载平台的位置、姿态和速度测量结果实时得到轨道和路基参数，与轨道设计标准数据对比，自动测量铁轨路基沉降及铁轨几何参数。

Claims (6)

1.一种基于摄像及卫星及惯性测量组合的铁轨路基沉降测量的方法，通过摄像与卫星与惯性测量或摄像与惯性测量或卫星与惯性测量的组合，建立高精度的车载动态位置、姿态和速度测量基准，再根据轨道车体相对测量，长时间保持高精度地测量轨道和路基参数，通过与轨道设计标准数据对比，实现铁轨路基沉降及铁轨几何参数的自动、高精度、长时间、连续测量，其特征在于，内容包含：

（1）在车载平台上安装摄像机、卫星定位组件、惯性测量组件、时间同步系统、数据处理专用计算机，标定摄像机、卫星测量和惯性测量坐标系间的关系，组成摄像与卫星与惯性测量或摄像与惯性测量或卫星与惯性测量的组合动态基准车载测量系统，同时安装轨道车体相对测量系统，用于测量轨道路基相对于动态基准的几何参数；

（2）在铁轨附近地点设置卫星定位差分基站和摄像测量标志基站，卫星定位差分基站和摄像测量标志基站可布设在一起，也可独立布设，基站和控制点在基准坐标系下的坐标已知或已测，基准坐标系可以选择为大地坐标系或其他基准坐标系；

（3）当车载测量系统经过摄像测量标志基站时，摄像机实时采集基站的标志点的图像，提取各标志点在图像中的坐标位置，将各标志点的坐标数据按成像几何约束关系进行运算，获得摄像机坐标系相对基准坐标系的位置和姿态关系，根据标志序列图像或多像机拍摄图像，解算摄像机的速度，根据已标定的摄像机、卫星测量和惯性测量坐标系间的关系，高精度定点修正摄像与卫星与惯性组合测量系统的测量结果，并估计补偿系统器件误差；

（4）在摄像测量标志基站之间，采用卫星实时动态差分方法，将卫星/惯性深度融合测量更新系统的位置、姿态和速度；

（5）利用轨道车体相对测量系统实时测量轨道路基与车载平台间的几何参数，根据车载平台的位置、姿态和速度测量结果实时得到轨道和路基参数，通过与轨道设计标准数据对比，实现铁轨路基沉降及铁轨几何参数的自动、高精度、长时间、连续测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于摄像及卫星及惯性测量组合的铁轨路基沉降测量的方，其特征在于，所述卫星定位差分基站和摄像测量标志基站间隔5~10公里重复布设，保证卫星定位差分基站信号覆盖测量区域，在隧道等卫星信号不易覆盖的区域，增设摄像测量标志基站，缩短基站间的距离，采用摄像与惯性深度融合方法更新系统位置，以保证铁轨路基沉降及铁轨几何参数的测量精度。

3.根据权利要求1所述的一种基于摄像及卫星及惯性测量组合的铁轨路基沉降测量的方，其特征在于， 所述摄像机能够满足短曝光成像的条件，使其能够在检测设备高速行驶时拍摄标志点的清晰图像；所述摄像测量标志基站设置的标志采用原有的自然标志或人工制作的特征标志，优选为反光片或反射膜人工制作的反光标志，在检测设备到达该地点时开启照明光源照亮该标志。

4.根据权利要求1所述的一种基于摄像及卫星及惯性测量组合的铁轨路基沉降测量的方，其特征在于，测量系统数据处理包含摄像与卫星与惯性测量系统标定单元、卫星与惯性融合测量单元、摄像标志检测提取与摄像位姿速度计算单元、摄像定点修正单元和铁轨路基沉降及几何参数计算单元。

5.根据权利要求1所述的一种基于摄像及卫星及惯性测量组合的铁轨路基沉降测量的方，其特征在于，动态基准车载测量系统测量车载平台速度时，可以采用单摄像机以短时间间隔连续拍摄标志，根据序列图像中的坐标数据及摄像机拍摄频率，计算系统速度；也可以安装2台或多台摄像机，先后拍摄同一标志，根据2台或多台摄像机间的位置关系和拍摄间隔计算系统速度。

6.根据权利要求1所述的一种基于摄像及卫星及惯性测量组合的铁轨路基沉降测量的方，其特征在于，该方法的测量步骤如下：

(1) 安装标定摄像与卫星与惯性组合动态基准车载测量系统；

(2) 当车载测量系统经过摄像测量标志基站时，摄像机实时采集基站的标志点图像，提取各标志点在图像中的坐标，按成像几何约束关系计算摄像机系统的位置和姿态，利用标志点序列图像或多摄像机图像计算摄像机系统的速度；

(3) 根据摄像机、卫星测量和惯性测量坐标系间的关系，高精度定点修正摄像与卫星与惯性组合测量系统的测量结果，并估计补偿系统器件误差；

(4) 在摄像测量标志基站之间，采用卫星实时动态差分方法，将卫星与/惯性深度融合测量、更新系统的位置、姿态和速度；

(5) 利用轨道车体相对测量系统实时测量的轨道路基与车载测量系统间的几何参数，根据车载平台的位置、姿态和速度测量结果实时得到轨道和路基参数，与轨道设计标准数据对比，自动测量铁轨路基沉降及铁轨几何参数。

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