大型养路机械轨道纵向水平光电测量技术研究

作     者：张钰荧 

作者单位：中国铁道科学研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：高春雷

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：捣固车 纵向水平 光电测量 图像处理 CCD 

摘      要：随着中国铁路高速发展,保证高品质的铁路安全运输所必需的轨道高平顺性也正在面临着严峻挑战。捣固车作为重要的大型养路机械之一,提高捣固车测量轨道参数的精度,对于提升捣固车作业质量,实现铁路轨道的平顺性要求具有十分重要的意义。目前捣固车利用弦测法测量轨道纵向水平,该方法所用弦线材质为钢丝绳。随着使用时间的推移,钢丝绳弦线会产生磨损、断裂,需要人员定期保养、更换;且目前捣固车测量系统所采用的传感器为机械式传感器,在测量精度、重复性方面存在一定的局限性;运行过程中,钢丝绳弦线会因车身的震动而产生抖动,导致测量值不稳定且准确性有待提高。为解决上述不足,本文设计一个光电测量系统,利用激光弦线代替钢丝绳弦线,采用激光弦线可实现非接触测量,减少因接触测量带来的误差,并且使用激光弦线测量具有精度高、速度快及使用方便等优点。本文首先对光电测量系统进行了理论计算和推导,然后根据弦测法的基本原理,对其传递函数进行了分析和计算,并结合捣固车目前的空间情况,对光电测量系统参数进行选取。根据《铁路线路修理规则》要求,确定测量范围和精度。在此基础上,结合系统误差传递原理,对传感器精度等级和安装位置提出具体的要求。其次,在确定整个光电测量系统的总体方案之后,针对硬件部分的光源、光电探测器件、图像传感器采集板卡、倾角传感器等进行了选型设计。由于CCD图像传感器所获取光条的中心位置是否正确,会直接影响光电测量系统的精度。为了提高获得激光光条中心信息的准确性,采用二值化、滤波、图像增强和激光边缘信息确定等方法,对光条图像进行处理。再与倾角传感器获取的三个方向姿态角信息进行融合滤波,计算得出纵向水平测量值,在屏幕端显示测量值并存储。最后实验结果表明,经过算法处理的CCD图像传感器采集到的光条在户外静态测试中的跳动量比处理之前减小±0.1mm;在室内静态测试中,激光的跳动量降低±0.1 mm。结果表明,采用本文所提算法对激光中心进行的测量,其稳定性可以得到一定的提升。通过现场实测轨道纵向水平,光电测量系统与捣固车原有测量系统测量数据的时间响应基本一致,且测量差值最大不超过0.5mm。说明光电测量系统能够满足实际测量的需求,为解决钢丝绳弦线现有的局限性提供一种可行的方法,具备工程实际应用价值。