轨道检测系统试验标定设备

■ 陈春雷 王昊 赵延峰 戚妍娟 李颖

轨道检测车对轨道线路状态进行动态检测，检查线路不良状态类型、程度和位置，指导线路养护维修，保障铁路运输安全。其轨道检测系统在使用前需要进行试验和标定，目的是将检测系统设备部件与整个系统进行功能验证、试运行和参数标定。试验和标定设备对精度、稳定性要求较高，一套完备的标定与试验手段是检测系统运行的最基本条件。

1 轨道检测系统试验及标定内容

轨道检测系统检测内容包括：轨距、高低、轨向、水平（超高）、三角坑、曲率、车体响应，需要进行激光摄像检测参数、轨距、轨向、高低、水平等标定。

2 试验及标定设备

2.1 视觉测量参数简易现场标定器

视觉测量的基本任务之一是通过摄像机获取图像信息计算三维空间中物体的几何信息，并由此重建和识别物体。三维空间中物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系由摄像机成像的几何模型决定，几何模型中的参数是摄像机参数，即视觉测量参数。视觉测量参数包括摄像机的内部几何和光学特性（内部参数）及摄像机的三维位置和方向（外部参数）。内部参数主要包括摄像机焦距、镜头畸变系数及图像平面原点的计算机图像坐标；外部参数包括旋转矩阵和平移矩阵。

视觉测量参数简易现场标定器（见图1）适用于钢轨轮廓图像视觉测量参数的标定，包括固定部（固定在被检测钢轨上）、标定部（与固定部连接）、反射部（针板和在针板上的数个标定针）。

通过固定在检测设备上的固定部和反射部，将轨廓视觉图像测量参数标定器直接固定在钢轨上，解决了以往同类设备标定过程繁琐、效率低和存在安全隐患问题，其标定方法简便，提高了工作效率。视觉测量参数简易现场标定器现场使用状态见图2。

2.2 两自由度激光摄像组件标定台

激光摄像组件是轨道检测系统主要数据采集部件之一，采集的数据包括轨距和高低变化量，其准确度直接影响整个轨道检测系统的检测结果。因此，激光摄像组件的准确验证及标定至关重要。激光摄像组件标定台主体由控制箱、驱动器、平移台、控制卡及主机构成，可在实验室一次性对激光摄像组件作整体标定。在标定获取激光摄像组件图像参数后，使用激光摄像组件标定台对钢轨横向和纵向位移进行控制，同时使用激光摄像组件测量单边轨距的变化。

图1 视觉测量参数简易现场标定器

图2 视觉测量参数简易现场标定器现场使用状态

标定时计算机给出精确的标定台位移量，使标准轨断面按步进或给定频率运动（运动方式包括匀速、加速、减速、正余弦速度往复等）。激光摄像组件中的摄像机采集照射在钢轨断面上的激光线，通过处理转换为测量位移。将2组数值与系统处理数据对比，根据对比差异进行软硬件调整及标定。如电控位移台控制钢轨位移量分别是1、2、3 mm时，检测系统检测得到的单边轨距变化量也应是1、2、3 mm，这样才能保证轨距测量精度在±0.5 mm内。

将单侧短轨移动5个位置进行轨距测量，然后与实际值进行比较。在1 435 mm位置处观测30 min，积累15个样本值，观测其稳定性。标定台两自由度的位移分辨率为0.02 mm，重复定位精度为0.003 mm，绝对定位精度为0.005 mm，可满足轨距测量精度±0.5 mm以内的要求。

2.3 轨向高低标定仪

轨道检测系统的轨向和高低信号来自激光摄像组件测得的单边轨距或高低位移、轨向加速度计和垂向加速度计测得的惯性位移。单边轨距指轨距点相对检测梁（轨向加速度计）的位移，高低位移指轨顶面相对检测梁（垂向加速度计）的位移，惯性位移指轨向及垂向加速度计相对惯性基准的位移。只要保证惯性位移测量与单边轨距精度相似，轨向检测精度即可保证。

轨向高低标定仪（见图3）由伺服电机、运动导轨、钢轨廓面模拟板、加速度计安装板、平台调整支架、平台箱体、电路系统、数字显示器等部分组成。平台调整支架标定时夹紧钢轨以固定整个台体，在加速度计安装板上安装加速度计，其与台面刚性连接。钢轨廓面模拟板通过端部螺栓与台面刚性连接，廓面模拟板与加速度计同步运动。数字显示器实时显示标定仪的运动频率，标定人员可随时了解运动状态。轨向高低标定仪的运动距离为25 mm，运动频率满足0、0.5、1、2 Hz不同档位的随时更换，运动频率准确、稳定。轨向高低标定仪标定时，将轨向加速度计与廓面模拟板固定在加速度计安装板上，当加速度计安装板按一定频率做往复运动时，轨距的测量位移为正弦波，惯性位移的输出值也为正弦波。调试信号调节板的增益和相位，当单边轨距和惯性位移相减后输出值为0时，可认为惯性位移与单边轨距检测精度相同。这种标定方法俗称轨向的“平衡”标定。同理，高低的标定是将平台调整支架翻转90°，加速度计同向旋转90°进行“平衡”标定。轨向高低标定仪的位移范围：0～25 mm；位移精确度：0.2 mm；分辨率：0.1 mm；往复频率：可调0.5、1、2 Hz；供电：220 V，50/60 Hz；运动方向平行度：0.1 mm；环境温度：-20～40 ℃；质量：小于12 kg。

2.4 两自由度惯性组件试验台

惯性组件是轨道检测系统中重要的惯性器件，可转动测量（横摇、航偏、俯仰）2或3个方向，是进行惯性组件试验和水平标定的关键设备。惯性组件试验台（见图4）由控制箱、伺服驱动器、控制卡、角位台、旋转台及主机组成，其上平台为一个水平方向的旋转台（航偏运动），下平台为一个垂直方向的摇摆台（横摇或俯仰运动）。惯性组件试验台可实现惯性组件的波形比较试验，验证不同检测车上的不同类型惯性组件间的差异，并根据差异进行一致性调整。水平标定时，可对惯性组件姿态进行精确控制，通过采集的数据波形进行数据软硬件调整，达到水平标定目的。惯性组件试验台可长时间按两自由度给定波形运动，横摇角可30°往复运动，航偏角可360°无限量旋转，分辨率0.02 mm，最高速度180°/s；重复定位精度0.005°；绝对定位精度0.01°。

2.5 多自由度综合系统试验台

图3 轨向高低标定仪

图4 惯性组件试验台

多自由度综合系统试验台（见图5）是可多自由度运动的平台，由控制计算机、驱动控制箱、光学平台、上下运动平台等部分组成，其中上下运动平台可横向及纵向运动，可对任意组合的图像识别设备进行相对运动试验。多自由度综合系统试验台的4台电机可同时控制，控制器由控制单元、驱动器、稳压电路组成。控制单元采用高速、高性能、低功耗的MCU芯片，软硬件采用防护措施，保证系统运行的稳定性和可靠性。全功能手动键盘配置和丰富的液晶屏信息显示便于操作。运动过程中速度快慢可调节。驱动器可控，并根据具体型号进行细分设置，最大为256细分。支持S曲线加减速，加速度可根据负载类型自由设置，最快加速时间10 ms，可进行轻载、小惯量和重载、大惯量的负载平滑加减速。支持软硬限位功能、零位安装位置设置、脉冲、毫米及度、分、秒的输入和显示。多自由度综合系统试验台可控位移0.001 mm，目前可进行扣件识别、钢轨表面擦伤、弓网定位器坡度识别等试验。

2.6 六自由度轨检系统测试与标定试验台

轨道检测系统测试与标定试验台为一套机电控制系统，是目前我国唯一的轨检梁整系统试验与标定平台，主要功能如下：

（1）检测系统仿真分析。轨道检测系统运动试验台用于模拟轨道检测设备在列车转向架上的相对钢轨运动。其控制系统可采用自动和人工控制，可预先设置轨道检测系统传感器及钢轨的运动状态。计算机处理系统可精确给出轨道检测梁及钢轨的姿态变化，仿真轨道不平顺，达到近似模拟轨道检测系统在线路上运行的效果。

（2）检测系统标定分析。轨道检测系统试验台为满足激光摄像组件、惯性组件等设备标定试验要求，可实现实验设备的正弦波振动、实际列车运行环境下的轨检梁振动模拟、按指定波形参数进行的振动，使各种运动得到分解，满足轨道检测系统的分析及标定。轨道检测系统测试与标定试验台（见图6）由上下平台、作动缸、控制机箱、驱动器、上位机、数据网络等部分组成。

轨道检测系统测试与标定试验台具有六自由度的运动模拟功能，可实现3个正交方向的直线运动，同时可对俯仰、摇摆和航偏方向的运动进行模拟。轨道检测系统接收上位计算机的运动指令，控制器控制6个电动伺服作动器，实现六自由度的运动再现。运动模拟平台可实现各自由度上规则波和随机波的运动。

轨道检测系统测试与标定试验台两侧的轨道安装平台具有沿轨道切线水平和垂直2个方向运动的自由度，可模拟轨道高度和水平的横向运动；可控制正弦波、三角波、方波、梯形波、锯齿波、任意形状随机波的波形，也可以通过数据文件直接输入自定义波形；可实时显示运动平台的6个运动方向波形、位移和各个电动作动器的受力；可将命令值、反馈值等数据实时存储到文件中；可对位移超限和力超限保护。

图5 多自由度综合系统试验台

图6 轨道检测系统测试与标定试验台

轨道检测系统标定时，将轨道检测梁放置在试验台的上平台，根据轨道检测车采集到的现场数据进行平台位姿及加速度控制。数据的回放和姿态复现对轨道检测系统的重复性验证及可靠性验证具有重要意义。

轨道检测系统测试与标定试验台可进行0～50 Hz的扫频运动，垂向最大加速度±5 g，横向最大加速度±3 g，满足Z方向-100～100 mm垂向运动、Y方向-100～100 mm水平横向运动、绕Z轴转动-30 °～30 °（偏航）、绕X轴转动-26 °～26 °（横摇）。

3 结束语

轨道检测系统是一个多学科、复杂的系统工程，对列车的安全运行起重要作用。轨道检测系统试验及标定设备的完备是轨道检测系统职能的根本保证，轨道检测标定设备大幅度提升的同时，实现了对轨道检测系统的试验可控能力。