一种基于激光轮廓扫描的轨道不平顺测量装置与方法

技术领域

本发明涉及轨道交通检测及光电测量技术领域，特别是涉及一种基于激光轮廓扫描的轨道不平顺测量装置与方法。

背景技术

列车运行的安全性和舒适性与轨道线路的状态直接相关，因此需要及时对轨道不平顺进行精确地测量。目前工程上常用的轨道不平顺测量方式为轨道平顺度测量仪和轨道波磨尺等静态测量方法以及轨道检查车和综合检测列车等动态检测方法，以测量轨道的高低、轴向、水平几何不平顺，但这些方法都缺少对轨道空间轮廓的测量，从而无法准确地反映轨道的局部损伤。

此外，在室内进行铁路模型试验时，往往使用小比例缩尺模型，使得钢轨截面比较小，且缩尺后轨道不平顺幅值相应变小，需要测量设备具有较高的测量精度，而传统测量设备的体积较大，不适用于在实验室中对缩尺轨道模型的不平顺信息进行测量。

综上，传统测量方式和设备存在未考虑对轨道截面轮廓进行精确地测量，从而无法准确地反映轨道的局部损伤，以及不适合用于在实验室环境中对轨道缩尺模型进行测量的问题。因此，本领域亟需一种适用于缩尺轨道模型不平顺信息测量的测量装置与方法，以准确地反映轨道的局部损伤。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光轮廓扫描的轨道不平顺测量装置与方法，以适用于缩尺轨道模型不平顺信息测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于激光轮廓扫描的轨道不平顺测量装置，所述装置包括第一激光轮廓传感器、第二激光轮廓传感器、第一可调安装支架、第二可调安装支架、运载平台、第一走行轮、第二走行轮、第三走行轮、第四走行轮、编码器、可编程控制器和计算机；

所述运载平台由第一铝型材、第二铝型材、第三铝型材和第四铝型材围成一个矩形；所述第一铝型材设置于待测轨道上，所述第二铝型材设置于与所述待测轨道对应的另一条轨道上；所述第三铝型材和所述第四铝型材均垂直于所述第一铝型材和所述第二铝型材；

所述第一走行轮安装于所述第一铝型材和所述第四铝型材的交叉点；所述第二走行轮安装于所述第一铝型材和所述第三铝型材的交叉点；所述第三走行轮安装于所述第二铝型材和所述第四铝型材的交叉点；所述第四走行轮安装于所述第二铝型材和所述第三铝型材的交叉点；所述运载平台通过所述第一走行轮、所述第二走行轮、所述第三走行轮和所述第四走行轮在所述待测轨道和与所述待测轨道对应的另一条轨道上移动；

所述第一铝型材的底部设置有第一滑槽，所述第一走行轮和所述第二走行轮之间的距离通过在所述第一滑槽中移动进行调整；

所述第一可调安装支架和所述第二可调安装支架分别固定于所述第一铝型材的两侧；所述第一激光轮廓传感器设置于所述第一可调安装支架上；所述第二激光轮廓传感器设置于所述第二可调安装支架上；所述第一激光轮廓传感器用于向待测轨道一侧发射扫描激光，获取待测轨道一侧轮廓曲线数据；所述第二激光轮廓传感器用于向待测轨道另一侧发射扫描激光，获取待测轨道另一侧轮廓曲线数据；

所述第一可调安装支架用于调节所述第一激光轮廓传感器与所述第一走行轮之间的水平距离；所述第二可调安装支架用于调节所述第二激光轮廓传感器与所述第一走行轮之间的水平距离；

所述编码器、所述第一激光轮廓传感器和所述第二激光轮廓传感器均与所述可编程控制器连接；

所述编码器设置于所述第一走行轮上；所述第一走行轮每转一圈，所述编码器发送一次脉冲信号给所述可编程控制器，所述可编程控制器同时触发所述第一激光轮廓传感器对待测轨道一侧轮廓进行测量和所述第二激光轮廓传感器对待测轨道另一侧轮廓进行测量；所述第一激光轮廓传感器根据所述可编程控制器的触发发射扫描激光，获取当前脉冲信号对应的待测轨道一侧轮廓曲线数据，并将所述待测轨道一侧轮廓曲线数据发送给所述可编程控制器进行数据存储；所述第二激光轮廓传感器根据所述可编程控制器的触发发射扫描激光，获取当前脉冲信号对应的待测轨道另一侧轮廓曲线数据，并将所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据发送给所述可编程控制器进行数据存储；所述可编程控制器根据所述编码器在移动中产生的所述脉冲信号计算所述运载平台的移动距离；

所述计算机与所述可编程控制器连接；所述计算机用于根据各脉冲信号对应的所述待测轨道一侧轮廓曲线数据和所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据以及所述运载平台的移动距离计算待测轨道的竖向轨道不平顺。

可选地，所述第一可调安装支架包括一个横向固定杆、两个竖向固定杆和多个移动杆；多个所述移动杆用于调节所述第一激光轮廓传感器的高度和角度；

所述第二可调安装支架包括一个横向固定杆、两个竖向固定杆和多个移动杆；多个所述移动杆用于调节所述第二激光轮廓传感器的高度和角度。

可选地，所述第一铝型材和所述第二铝型材的表面均设置有第一刻度尺；所述第一刻度尺用于读取所述第一走行轮与所述第二走行轮之间的水平距离、所述第一可调安装支架的横向固定杆中心点与所述第一走行轮之间的水平距离以及所述第一可调安装支架的横向固定杆中心点与所述第二走行轮之间的水平距离。

本发明还提供了如下方案：

一种基于激光轮廓扫描的轨道不平顺测量方法，所述方法包括：

步骤S1：获取当前第一激光轮廓传感器与第一走行轮之间的水平距离、当前第二激光轮廓传感器与第一走行轮之间的水平距离和当前第一走行轮与第二走行轮之间的距离；

步骤S2：获取当前脉冲信号对应的运载平台的移动距离、待测轨道一侧轮廓曲线数据、待测轨道另一侧轮廓曲线数据和第一可调安装支架的横向固定杆中心点的坐标；

步骤S3：对所述待测轨道一侧轮廓曲线数据和所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据进行数据融合，得到融合后的待测轨道轮廓曲线数据；

步骤S4：根据所述待测轨道轮廓曲线数据确定待测轨道的顶点；

步骤S5：计算所述第一可调安装支架的横向固定杆中心点与所述待测轨道的顶点之间的垂直距离；

步骤S6：根据所述垂直距离计算第一可调安装支架的横向固定杆中心点与所述待测轨道的顶点之间的垂直距离变化值；

步骤S7：根据所述垂直距离变化值、所述当前第一走行轮与第二走行轮之间的距离、第一可调安装支架的横向固定杆中心点与第一走行轮之间的水平距离、第一可调安装支架的横向固定杆中心点与第二走行轮之间的水平距离、运载平台的移动距离、第一可调安装支架的横向固定杆中心点对应的竖向轨道不平顺、第一走行轮对应的竖向轨道不平顺和第二走行轮对应的竖向轨道不平顺构建方程；

步骤S8：重复步骤S2-S7，直到运载平台从测量基准点最终移动到测量终点，构建方程组，得到所述当前第一激光轮廓传感器与第一走行轮之间的水平距离、所述当前第二激光轮廓传感器与第一走行轮之间的水平距离和所述当前第一走行轮与第二走行轮之间的距离对应的方程组；

步骤S9：重复步骤S1-S7至少5次，得到5种不同的所述当前第一激光轮廓传感器与第一走行轮之间的水平距离、所述当前第二激光轮廓传感器与第一走行轮之间的水平距离和所述当前第一走行轮与第二走行轮之间的距离对应的联立方程组；

步骤S10：对所述联立方程组进行求解，得到所述第一可调安装支架的横向固定杆中心点对应的竖向轨道不平顺、所述第一走行轮对应的竖向轨道不平顺和所述第二走行轮对应的竖向轨道不平顺。

可选地，所述对所述待测轨道一侧轮廓曲线数据和所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据进行数据融合，得到融合后的待测轨道轮廓曲线数据，具体包括：

基于最近迭代点算法对所述待测轨道一侧轮廓曲线数据和所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据进行数据融合，得到融合后的待测轨道轮廓曲线数据。

可选地，所述对所述待测轨道一侧轮廓曲线数据和所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据进行数据融合，得到融合后的待测轨道轮廓曲线数据，具体包括：

对所述待测轨道一侧轮廓曲线数据和所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据建立匹配对应关系；

寻找所述待测轨道一侧轮廓曲线数据和所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据中距离最近的两个数据点；

根据所述距离最近的数据点求解转换参数；

根据所述转换参数对所述待测轨道一侧轮廓曲线数据中的所有数据点和所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据中的所有数据点进行坐标变换，以匹配所述待测轨道一侧轮廓曲线数据中的所有数据点和所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据中的所有数据点，最终得到融合后的待测轨道轮廓曲线数据。

可选地，所述根据所述垂直距离计算第一可调安装支架的横向固定杆中心点与所述待测轨道的顶点之间的垂直距离变化值，具体包括：

获取初始脉冲信号对应的第一可调安装支架的横向固定杆中心点与所述待测轨道的顶点之间的第一垂直距离；所述初始脉冲信号为运载平台从测量基准点开始向测量终点移动时，所述编码器发送给所述可编程控制器的第一个脉冲信号；

将所述垂直距离与所述第一垂直距离相减，得到第一可调安装支架的横向固定杆中心点与所述待测轨道的顶点之间的垂直距离变化值。

可选地，所述方程为

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开的基于激光轮廓扫描的轨道不平顺测量装置与方法，采用小体积的激光轮廓传感器，由于激光轮廓传感器的尺寸小，因此适合用于轨道缩尺模型的测量；采用激光轮廓传感器发射扫描激光对轨道轮廓进行测量的非接触测量方式，在激光轮廓传感器的接收组件上清晰成像，生成稳定的轮廓，精度高；只需要移动运载平台，调整运载平台支撑间距，即第一走行轮与第二走行轮之间的水平距离，以及激光轮廓传感器与第一走行轮之间的水平距离后，再多次测量，经过计算后即可得到高精度轨道不平顺信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于激光轮廓扫描的轨道不平顺测量装置实施例的结构图；

图2为调整运载平台支撑间距和传感器安装位置的示意图；

图3为激光轮廓传感器测量轨道截面轮廓示意图；

图4为运载平台支撑轮的细部构造示意图；

图5为本发明基于激光轮廓扫描的轨道不平顺测量方法实施例的流程图；

图6为两侧轮廓数据融合的具体流程图；

图7为轨道不平顺测量原理示意图；

图8为测量工况示意图；

图9为本发明测量方法的总体运行框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于激光轮廓扫描的轨道不平顺测量装置与方法，以适用于缩尺轨道模型不平顺信息测量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明基于激光轮廓扫描的轨道不平顺测量装置实施例的结构图。参见图1，该基于激光轮廓扫描的轨道不平顺测量装置包括第一激光轮廓传感器1、第二激光轮廓传感器2、第一可调安装支架3、第二可调安装支架4、运载平台5、第一走行轮6、第二走行轮7、第三走行轮8、第四走行轮9、编码器10、可编程控制器11和计算机(图中未示出)。

所述运载平台5放置于待测轨道以及与待测轨道对应的另一条轨道之上，并沿着轨道方向运动，所述运载平台5用于搭载和支撑第一激光轮廓传感器1和第二激光轮廓传感器2，且运载平台5的支撑间距(第一走行轮6与第二走行轮7之间的水平距离)和激光轮廓传感器的安装位置(激光轮廓传感器与第一走行轮6之间的水平距离)允许调整，以得到不同支撑条件下不同相关性的轨道不平顺测量数据。需要多次对待测轨道进行测量，在一次测量结束后，需要对运载平台5的支撑间距和传感器安装位置进行调整并记录，从而实现不同位置组合的轨道不平顺测量。

所述编码器10安装在运载平台5轮轴处，轮轴转动带动编码器10输出脉冲信号，所述可编程控制器11采集脉冲信号后，作为触发信号，下发给所述第一激光轮廓传感器1和所述第二激光轮廓传感器2，传感器完成触发时刻的轨道轮廓采集。所述编码器10可记录所述运载平台5移动过程中的运动距离信息(运载平台5的移动距离)，用于后续的轨道不平顺处理，即将运动距离作为轨道不平顺中的横坐标以表征竖向的轨道不平顺在运动距离上是如何变化的。所述编码器10是一种用于运动控制的传感器，编码器10由一个中心有轴的光电码盘组成，码盘上有环形的明暗刻线，且有光电发射和接收器读取明暗变化，通过这种方式，编码器10可以随着转动输出脉冲信号，根据脉冲的数量，可知编码器转动的次数，进而通过滚轮的周长与转动次数来计算运载平台5所移动的距离。

所述第一激光轮廓传感器1和所述第二激光轮廓传感器2向待测轨道发射扫描激光，并通过接收获得稳定的高精度截面轮廓数据，同步测量待测轨道两侧轮廓，激光轮廓传感器可通过自带的成像模块直接得到所测量区域的轨道轮廓，通过数据处理(通过激光轮廓传感器与待测轨道之间的相对运动提供约束信息，对测量得到的截面进行空间连续轮廓数据融合及拼接，实现待测轨道三维形态的构建)，即将两侧钢轨廓形在轨头部分进行重合，从而组成所测量轨道截面的二维轮廓。其中，轮廓数据表征的是待测轨道截面外轮廓的几何形貌，激光在待测轨道表面形成轮廓曲线，该曲线的反射光在传感器中成像，来测量轨道截面的形状。

所述运载平台5在待测轨道上单向运行一次，所述第一激光轮廓传感器1和所述第二激光轮廓传感器2扫描经过的轨道截面，可获得整条待测轨道的一组三维轮廓数据。图2为调整运载平台支撑间距和传感器安装位置的示意图，参见图2，所述运载平台5由铝型材组成基本结构，型材内部提供了可调整的滑槽，从而允许对所述运载平台5的支撑间距(第一走行轮6和第二走行轮7之间的水平距离)和激光轮廓传感器安装位置(第一激光轮廓传感器1和第一走行轮6之间的水平距离以及第二激光轮廓传感器2和第一走行轮6之间的水平距离)进行微调。在轨道上设定测量基准点，完成一次测量之后，对运载平台5的支撑间距和传感器安装位置进行调整，每次调整后需要将运载平台5移动回至测量基准点，从测量基准点开始新的一次测量，通过移动运载平台5，使激光轮廓传感器扫过待测轨道的表面，测量待测轨道的空间截面轮廓，测量过程中，采用编码器10触发传感器，通过编码器10触发测量得到的待测轨道外轮廓，还带有对编码器10输入脉冲数计数得到的脉冲计数值，编码器10同时可随着运载平台5的移动输出脉冲信号以计算运载平台5的移动距离。激光轮廓传感器记录相对坐标信息用于处理两个激光轮廓传感器记录得到的轨道单侧轮廓，通过数据融合形成一个完整的轨道截面轮廓，并进行数据存储。由于所述运载平台5从测量基准点至测量终点(由人为设定)的一次运行，即可得到一次测量工况。因此，可调整所述运载平台5的支撑间距和激光轮廓传感器安装位置，将所述运载平台5移动回初始的测量基准点，再次测量，可得到具有不同支撑间距和传感器安装位置的轨道不平顺信息。为得到精确的轨道不平顺信息，需要多次调整运载平台支撑间距和传感器安装位置以组成不同的测试工况，对于运载平台5以及传感器位置的每一次调整，均需要重复上述从测量基准点至测量终点的测量过程，最终可得到多组轨道三维轮廓数据，每组数据均是支撑间距和传感器位置的函数，且具有一定相关性，组成相关方程组，通过对方程组的求解，可得到轨道竖向和横向不平顺数据。其中，第一激光轮廓传感器1和第一走行轮6之间的水平距离以及第二激光轮廓传感器2和第一走行轮6之间的水平距离保持一致。

所述运载平台5由第一铝型材51、第二铝型材52、第三铝型材53和第四铝型材54围成一个矩形；所述第一铝型材51设置于待测轨道上，所述第二铝型材52设置于与所述待测轨道对应的另一条轨道上；所述第三铝型材53和所述第四铝型材54均垂直于所述第一铝型材51和所述第二铝型材52。

所述第一走行轮6安装于所述第一铝型材51和所述第四铝型材54的交叉点；所述第二走行轮7安装于所述第一铝型材51和所述第三铝型材53的交叉点；所述第三走行轮8安装于所述第二铝型材52和所述第四铝型材54的交叉点；所述第四走行轮9安装于所述第二铝型材52和所述第三铝型材53的交叉点；所述运载平台5通过所述第一走行轮6、所述第二走行轮7、所述第三走行轮8和所述第四走行轮9在所述待测轨道和与所述待测轨道对应的另一条轨道上移动。

所述第一铝型材51的底部设置有第一滑槽，所述第一走行轮6和所述第二走行轮7之间的距离通过在所述第一滑槽中移动进行调整。

所述第一铝型材51和所述第二铝型材52的表面均设置有第一刻度尺；所述第一刻度尺用于读取所述第一走行轮6与所述第二走行轮7之间的水平距离、所述第一可调安装支架3的横向固定杆31中心点与所述第一走行轮6之间的水平距离以及所述第一可调安装支架3的横向固定杆31中心点与所述第二走行轮7之间的水平距离。

所述第一可调安装支架3和所述第二可调安装支架4分别固定于所述第一铝型材51的两侧；所述第一激光轮廓传感器1设置于所述第一可调安装支架3上；所述第二激光轮廓传感器2设置于所述第二可调安装支架4上；所述第一激光轮廓传感器1和所述第二激光轮廓传感器以一定的角度对称地安装在待测轨道两侧；所述第一激光轮廓传感器1用于向待测轨道一侧发射扫描激光，获取待测轨道一侧轮廓曲线数据；所述第二激光轮廓传感器2用于向待测轨道另一侧发射扫描激光，获取待测轨道另一侧轮廓曲线数据。

所述第一激光轮廓传感器1和所述第二激光轮廓传感器2均与待测轨道截面平行地布置，由第一激光轮廓传感器1和第二激光轮廓传感器2发出激光带，照射轨道截面的两侧形成两条激光线条，使来自待测轨道的反射光在第一激光轮廓传感器1和第二激光轮廓传感器2的接收组件中成像，激光轮廓传感器通过检测位置、形状的变化来测量待测轨道的外轮廓，从而获得待测轨道两侧的截面轮廓，通过安装在运载平台5上的可编程控制器11接收传感器测量得到的轮廓，实现了轨道轮廓线的数据记录。图3为激光轮廓传感器测量轨道截面轮廓示意图，如图3所示，第一激光轮廓传感器1和第二激光轮廓传感器2对称地设置在待测轨道上方的两侧，对一条轨道的左右两侧截面同步进行测量。在所述运载平台5沿着轨道方向移动时，激光轮廓扫描传感器随着运载平台的移动，测量经过的轨道截面轮廓，由第二激光轮廓传感器2发出激光带测量轨道一侧，由第一激光轮廓传感器1发出激光带测量轨道另一侧，如此可获得待测轨道截面两侧的二维轮廓。两侧激光轮廓传感器均已测量得到待测轨道的两侧轨道的轮廓，在这样的条件下，对两侧轨道轮廓数据进行数据融合操作，使测得的轨道两侧轮廓在轨头处重合，组合成完整的轨道二维截面轮廓。

所述第一可调安装支架3包括一个横向固定杆31、两个竖向固定杆32和多个移动杆33；多个所述移动杆33用于精细调节所述第一激光轮廓传感器1的高度和角度。

所述第二可调安装支架4包括一个横向固定杆41、两个竖向固定杆42和多个移动杆43；多个所述移动杆43用于精细调节所述第二激光轮廓传感器2的高度和角度。

所述第一可调安装支架3用于精细调节所述第一激光轮廓传感器1与所述第一走行轮6之间的水平距离，即所述第一激光轮廓传感器1的安装位置；所述第二可调安装支架4用于精细调节所述第二激光轮廓传感器2与所述第一走行轮6之间的水平距离，即所述第二激光轮廓传感器2的安装位置。通过调节传感器的高度、角度和安装位置，保证轨道截面位于传感器有效测量范围内，且传感器发出的激光与水平面之间的角度应大于70°，保证对轨道截面单侧全覆盖。

为避免两个激光轮廓传感器之间产生互相干扰，通过在可编程控制器11中对传感器进行设置，可使两个激光轮廓传感器发射激光的时间错开，使两个激光轮廓传感器分别单独地对轨道两侧截面发射激光，从而避免了两个激光轮廓传感器之间的干扰。由于采用了两个激光轮廓传感器对轨道截面进行测量，两个激光轮廓传感器发射的激光不可避免的将存在一定的重叠区域，即测量得到的内外两侧轮廓线的公共区域进行整合，需要将两个激光轮廓传感器记录的轮廓数据进行融合，并且通过移动测量轮廓的方式将左右两侧的轮廓线在轨头处进行坐标对齐，即将轨头处中心坐标均调整为一致，使最终得到的轮廓连续、平顺。

所述编码器10、所述第一激光轮廓传感器1和所述第二激光轮廓传感器2均与所述可编程控制器11连接。

所述编码器10设置于所述第一走行轮6上；所述第一走行轮6每转一圈，所述编码器10发送一次脉冲信号给所述可编程控制器11，所述可编程控制器11同时触发所述第一激光轮廓传感器1对待测轨道一侧轮廓进行测量和所述第二激光轮廓传感器2对待测轨道另一侧轮廓进行测量；所述第一激光轮廓传感器1根据所述可编程控制器11的触发发射扫描激光，获取当前脉冲信号对应的待测轨道一侧轮廓曲线数据，并将所述待测轨道一侧轮廓曲线数据发送给所述可编程控制器11进行数据存储；所述第二激光轮廓传感器2根据所述可编程控制器的触发发射扫描激光，获取当前脉冲信号对应的待测轨道另一侧轮廓曲线数据，并将所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据发送给所述可编程控制器11进行数据存储；所述可编程控制器11根据所述编码器10在移动中产生的所述脉冲信号计算所述运载平台5的移动距离。

所述计算机与所述可编程控制器11连接；所述计算机用于根据各脉冲信号对应的所述待测轨道一侧轮廓曲线数据和所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据以及所述运载平台5的移动距离计算待测轨道的竖向轨道不平顺。其中，竖向轨道不平顺即垂向轨道不平顺，轨道平顺与轨道不平顺的判断，依据的是行业内判断轨道平顺与轨道不平顺的统一标准。

图4为运载平台支撑轮的细部构造示意图。参见图4，所述运载平台5安装了使运载平台5紧靠待测轨道移动的定位夹紧装置12，第一走行轮6直接运行在待测轨道上，编码器10安装在走行轮轮轴处记录运载平台5的行走位置信息。为保证运载平台足够的稳定性，可在平台处加装配重块13，配重块13放置于运载平台5前后位置，用以平衡运载平台5的重量分布。

可编程控制器11安装在运载平台5一侧，其作用在于设置和调整第一激光轮廓传感器1和第二激光轮廓传感器2的工作参数，如传感器触发条件、采样周期和过滤处理等。用手推动运载平台5使第一激光轮廓传感器1和第二激光轮廓传感器2产生的激光带打在待测轨道上，通过传感器内部电路将光信号转化为电信号，通过可编程控制器11进行测量结果的记录，测量结束后将测量数据导入计算机，进行数据分析以及可视化处理，至此，完成一次轨道不平顺信息测量。激光轮廓传感器测量得到所测量的各个位置的轨道截面，并将所测量的各个位置处的截面轮廓存储在控制器中，将存储的截面轮廓拷贝至计算机中，进行下一步的数据处理，主要处理包括：(1)运动距离的生成，根据编码器10的脉冲信号以及滚动周长对运载平台5的移动距离进行计算；(2)从截面轮廓中提取关键点的不平顺信号，如提取轨头处的竖向位移坐标作为测量点处的位移变化值；(3)将不同工况下(即不同的运载平台支撑间距和传感器安装位置)的位移变化值组合成方程组，对轨道不平顺信息进行求解。(4)对求解得到的轨道不平顺进行可视化后处理，并求解波长等关键指标。可编程控制器11主要提供了传感器的输入信号与输出信号的连接端口以及对激光轮廓传感器的工作参数进行设定，并对测量数据进行存储。由于轨道不平顺的数据处理是基于传感器测量得到的截面轮廓处理而得到，可编程控制器11并不具备上述功能，因此需要在计算机中进一步地处理。

图5为本发明基于激光轮廓扫描的轨道不平顺测量方法实施例的流程图。参见图5，该方法应用于上述实施例中基于激光轮廓扫描的轨道不平顺测量装置，该方法包括：

步骤S1：获取当前第一激光轮廓传感器与第一走行轮之间的水平距离、当前第二激光轮廓传感器与第一走行轮之间的水平距离和当前第一走行轮与第二走行轮之间的距离。

步骤S2：获取当前脉冲信号对应的运载平台的移动距离、待测轨道一侧轮廓曲线数据、待测轨道另一侧轮廓曲线数据和第一可调安装支架的横向固定杆中心点的坐标。

步骤S3：对所述待测轨道一侧轮廓曲线数据和所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据进行数据融合，得到融合后的待测轨道轮廓曲线数据。

该步骤S3中，所述融合后的待测轨道轮廓曲线数据即完整的待测轨道轮廓曲线数据，通过传感器与待测轨道之间的约束关系，可实现连续轮廓数据的融合，实现对轨道空间形貌的测量。

该步骤S3具体包括：

基于最近迭代点算法对所述待测轨道一侧轮廓曲线数据和所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据进行数据融合，得到融合后的待测轨道轮廓曲线数据，具体包括：

对所述待测轨道一侧轮廓曲线数据和所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据建立匹配对应关系。

寻找所述待测轨道一侧轮廓曲线数据和所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据中距离最近的两个数据点。

根据所述距离最近的数据点求解转换参数。

根据所述转换参数对所述待测轨道一侧轮廓曲线数据中的所有数据点和所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据中的所有数据点进行坐标变换，以匹配所述待测轨道一侧轮廓曲线数据中的所有数据点和所述待测轨道另一侧轮廓曲线数据中的所有数据点，最终得到融合后的待测轨道轮廓曲线数据。

因传感器本身性能差异、测量角度的差异、局部磨损和局部振动的影响，可能引起在统一坐标系下，内外两侧的截面轮廓不能完全重合，因此需要对内外两侧的截面轮廓进行数据整合，使两个轮廓在连接处能够保持线型上的连续和平滑，基于最近迭代点算法(Interactive Closest Points)对两个传感器测量得到的截面轮廓数据点进行了数据融合。两侧轮廓数据融合的具体流程图如图6所示。

步骤S4：根据所述待测轨道轮廓曲线数据确定待测轨道的顶点。

步骤S5：计算所述第一可调安装支架的横向固定杆中心点与所述待测轨道的顶点之间的垂直距离。

步骤S6：根据所述垂直距离计算第一可调安装支架的横向固定杆中心点与所述待测轨道的顶点之间的垂直距离变化值。

该步骤S6具体包括：

获取初始脉冲信号对应的第一可调安装支架的横向固定杆中心点与所述待测轨道的顶点之间的第一垂直距离；所述初始脉冲信号为运载平台从测量基准点开始向测量终点移动时，所述编码器发送给所述可编程控制器的第一个脉冲信号。

将所述垂直距离与所述第一垂直距离相减，得到第一可调安装支架的横向固定杆中心点与所述待测轨道的顶点之间的垂直距离变化值。

步骤S7：根据所述垂直距离变化值、所述当前第一走行轮与第二走行轮之间的距离、第一可调安装支架的横向固定杆中心点与第一走行轮之间的水平距离、第一可调安装支架的横向固定杆中心点与第二走行轮之间的水平距离、运载平台的移动距离、第一可调安装支架的横向固定杆中心点对应的竖向轨道不平顺、第一走行轮对应的竖向轨道不平顺和第二走行轮对应的竖向轨道不平顺构建方程。

该步骤S7中，所述方程为

步骤S8：重复步骤S2-S7，直到运载平台从测量基准点最终移动到测量终点，构建方程组，得到所述当前第一激光轮廓传感器与第一走行轮之间的水平距离、所述当前第二激光轮廓传感器与第一走行轮之间的水平距离和所述当前第一走行轮与第二走行轮之间的距离对应的方程组。

步骤S9：重复步骤S1-S7至少5次，得到5种不同的所述当前第一激光轮廓传感器与第一走行轮之间的水平距离、所述当前第二激光轮廓传感器与第一走行轮之间的水平距离和所述当前第一走行轮与第二走行轮之间的距离对应的联立方程组。

步骤S10：对所述联立方程组进行求解，得到所述第一可调安装支架的横向固定杆中心点对应的竖向轨道不平顺、所述第一走行轮对应的竖向轨道不平顺和所述第二走行轮对应的竖向轨道不平顺。

该实施例中，为了精确计算待测轨道的竖向轨道不平顺信息，需要调整运载平台的支撑间距(第一走行轮与第二走行轮之间的水平距离)和传感器安装位置(第一激光轮廓传感器与第一走行轮之间的水平距离以及第二激光轮廓传感器与第二走行轮之间的水平距离)后进行多次测量。图7为轨道不平顺测量原理示意图，在图7中，R(x)为待测轨道的轨道不平顺信息，在测量的短时间内，可认为保持不变；变量x为各位置与测量基准点之间的距离，下标表示不同的位置，上标k表示测量的次数，具体的，

本发明公开的基于激光轮廓扫描的轨道不平顺测量装置与方法，基于目前光视觉测量技术和图像处理技术等非接触的轨道参数测量方法具有体积小、便携性好、测量精度高和自动化程度高的特点，提出采用激光轮廓传感器，测量轨道截面轮廓，通过激光轮廓传感器，可准确地对轨道的截面轮廓进行测量，且激光轮廓传感器体积小，适合用于在实验室环境中对轨道缩尺模型进行测量，从而为列车桥上行车等室内缩尺试验的高精度轨道不平顺的获取提供技术保障，其有益效果包括：

(1)体积小，采用的激光轮廓传感器尺寸小，适合用于轨道缩尺模型的测量。

(2)高精度，激光传感器本身精度较高，其测量精度是微米级别的，采用非接触测量方式，在激光轮廓传感器的接收组件上清晰成像，生成稳定的轮廓。

(3)易操作，平台支撑轮的间距可调以及传感器的位置可调是传感器运载平台本身所具有的特点，安装平台本身通过连接机构的移动和锁定，可以改变平台支撑轮对之间的距离以及调整传感器的安装位置，因此只需要移动运载平台，调整运载平台支撑间距和传感器安装位置后，再多次测量，经过计算后即可得到高精度轨道不平顺信息。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。