УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ ИНФРАСТРУКТУРЫ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к устройствам для непрерывной регистрации пространственного положения инфраструктуры железных дорог и геометрических параметров рельсовой колеи, проектно-изыскательских работах и других видах работ с использованием вагонов-путеизмерителей, выправочно-рихтовочных машин, путеизмерительных тележек.
Известно устройство для определения пространственных параметров рельсового пути, содержащее ходовую тележку, включающую опорное колесо и расположенные на одной оси над одной из рельсовых нитей первое и второе измерительные колеса и мерное колесо (см. патент РФ №2261302, Е01В 35/00). Указанное опорное колесо связано с измерительными колесами, установленной под углом 90° относительно направления движения штангой, на которой установлен датчик ширины колеи, на мерном колесе смонтирован датчик пути, а на оси, связывающей измерительные колеса, установлен курсокреноуказатель, выходы датчика пути, датчика ширины колеи и курсокреноуказателя связаны через контроллер с компьютером. Устройство осуществляет регистрацию информации с датчиков межрельсового расстояния, пройденного пути, текущего курсового угла, продольного и поперечного уклона при движении транспортного средства и вычисление по этим данным текущих координат рельсовой колеи. Регистрацию курсового угла, продольного уклона с указанных датчиков и определение текущих координат Xi, Yi, Hi осуществляется по одной из рельсовых нитей относительно любого исходного направления в горизонтальной плоскости.
Однако данное устройство не позволяет определять пространственные данные инфраструктуры пути, земляного полотна, инженерных сооружений объектов связи, сигнализации и т.д., съемка которых является неотъемлемой частью работ при проведении проектно-изыскательских работ, натурных проверок плана и профиля железнодорожных путей.
Известно также устройство для определения пространственных параметров объектов инфраструктуры железной дороги, содержащее ходовую тележку, включающую опорное колесо и расположенные на одной оси над одной из рельсовых нитей первое и второе измерительные колеса и мерное колесо, при этом опорное колесо связано с измерительными колесами установленной перпендикулярно направлению движения штангой, на которой установлен датчик ширины колеи, на мерном колесе смонтирован датчик пути, на указанной штанге установлен блок пространственной ориентации, включающий контроллер и связанный с осью измерительных колес курсокреноуказатель, при этом вход-выход указанного курсокреноуказателя связан с первым входом-выходом контроллера, а выходы датчиков пути и ширины колеи связаны соответственно с первым и вторым входами указанного контроллера, второй вход-выход которого связан с первым входом-выходом управляющего компьютера, спутниковую систему позиционирования, связанную с управляющим компьютером, и установленными на раме ходовой тележки лазерными сканирующими головками, входы-выходы которых связаны соответственно со вторым и третьим входами-выходами управляющего компьютера, при этом указанные лазерные сканирующие головки установлены с наклоном относительно вертикальной оси, а их горизонтальные оси ориентированы под углом друг к другу и относительно оси направления движения (см. патент на ПМ №116862, Е01В 35/00)
Конструкция устройства сложна в реализации за счет наличия инерциальной системы, включающей гироскопы и акселерометры, требующие определения масштабных коэффициентов, контроля ухода оси гироскопа, определения "нуля" акселерометра, что при практическом применении устройства после каждого «схода» с пути требует заново определять уход оси гироскопа и «нуля» акселерометров. При интенсивном движении поездов это значительно увеличивает (до 15 минут на одну настройку) продолжительность работ.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции устройства с обеспечением его высоких технических характеристик.
Поставленная задача достигается за счет того, что в устройстве для определения пространственных параметров объектов инфраструктуры железной дороги, содержащем ходовую тележку, включающую связанные опорной рамой измерительные и опорные колеса, спутниковую систему позиционирования, включающую спутниковую антенну, спутниковый приемник и контроллер спутникового приемника, блок пространственной ориентации, сканирующее устройство и управляющий компьютер, блок пространственной ориентации выполнен в виде жестко закрепленного на карданном подвесе магнита, взаимодействующего с магнитным демпфером, установленным на опорной раме ходовой тележки, на которой также закреплены светоотражающие элементы, при этом сканирующее устройство и спутниковая антенна жестко закреплены на карданном подвесе, кроме того первый и второй входы управляющего компьютера связаны с выходами сканирующего устройства и спутникового приемника, первый вход которого связан со спутниковой антенной, а второй - с выходом спутникового контроллера, причем сканирующее устройство представляет собой 2D-сканер, ось вращения которого ориентирована вдоль продольной оси ходовой тележки.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства, на фиг. 2 - структурная схема устройства.
Устройство согласно полезной модели содержит ходовую тележку, выполненную в виде разборной рамы 1, включающей измерительные колеса 2, 3 и опорных колес 4 (одно или два на короткой базе 20-30 см). Колеса 4 связано с измерительными колесами 2 и 3 рамой 1, установленной под углом 90° относительно направления движения. На раме 1 закреплена платформа 5, на которой смонтирован блок пространственной ориентации, содержащий закрепленный на карданном подвесе 6, магнит 7, взаимодействующий с магнитным демпфером 8, установленным на опорной раме 1, 2D-лазерный сканер 9 и спутниковую антенну 10, жестко закрепленные на карданном подвесе 6, при этом спутниковая антенна 10 связана с входом спутникового приемника 11 глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), выход которого соединен с входом управляющего компьютера 12, другой вход спутникового приемника 11 связан со спутниковым контроллером 13. На раме 1 ходовой тележки в плоскости вращения 2D-сканера 9 и ориентированные вдоль продольной оси головки рельсов установлены светоотражающие геодезические марки 14. В состав ГНСС входит также базовая станция ГНСС или спутниковая референц-станция 15 для передачи дифференциальных поправок в спутниковый приемник 11. Для перемещения тележки по железнодорожному пути устройство может быть снабжено ручкой (на черт. не показано). Кроме того устройство может быть оснащено видеокамерой, синхронно записывающей видеопоток в управляющий компьютер 12.
Основным условием работы устройства с получением заданной точности измерений является обеспечение строгой параллельности оси вращения 2D-лазера 9, вектора движения и оси ходовой тележки. Устройство, при подготовке к работе и установке на железнодорожный путь не требует кого-либо прогрева, калибровок и настроек. Организованная в устройстве, стабилизирующая система маятникового типа автоматически приводит в плоскость горизонта измерительные системы, 2D-лазерную головку и спутниковую антенну, при этом время на подготовку к работе всех этих устройств не требуется. Работа устройства основана на лазерном сканировании и координатном способе привязки всей получаемой информации при движении устройства по железнодорожному пути (массива лазерных отражений от поверхностей съемки (облако точек), координат, относительных высот, расстояний, текущего курсового угла, поперечного и продольного уклонов).
Перед началом работы с использованием спутникового контроллера 13 осуществляют инициализацию спутниковой аппаратуры, установку исходных данных для съемки и обеспечивают связь с базовой спутниковой станцией 15 (в течение 2-3 минут).
Устройство, согласно полезной модели, работает следующим образом. В контроллер 13 предварительно введены закодированные данные инфраструктуры железной дороги. При движении тележки по рельсовому пути колеса 2, 3, 4 прижимаются к рельсовым нитям, обеспечивая параллельность вектора движения и продольной оси тележки. При этом, за счет силы тяжести магнита 7, автоматически обеспечивается жесткое расположение 2D-сканера 9 и спутниковой антенны 10 в горизонтальной плоскости, перпендикулярной вектору силы тяжести, действующей на магнит 7. При этом отклонения подвеса 6 (за счет воздействия на тележку линейных и угловых ускорений) компенсируются магнитным демпфером 8. Со спутникового приемника базовой спутниковой станции 15 ГНСС дифференциальные поправки поступают на спутниковый приемник 11, с которого данные (координаты) поступают в управляющий компьютер 12. В процессе съемки с использованием контроллера 13 выполняется сбор информации о текущих объектах инфраструктуры путем фиксации выявленного объекта (точки) и осуществляется регистрация координат данной точки (объекта). Полученная информация используется для пространственной привязки объектов инфраструктуры железной дороги, например при создании продольных профилей или электронных проектов. По данным поступающим со спутникового приемника 11 управляющий компьютер 12 вычисляет текущие координаты оси рельсового пути, вычисляет редукцию на ось пути, дирекционный угол (азимут) оси ходовой тележки, высотные отметки. Синхронно в управляющий компьютер 12 поступает поток данных с 2D-лазера 9 (расстояния и углы до точек отражения), включая данные от светоотражающих марок 14, и определяются пространственные положения рельсовых нитей, координат X, Y, H, которые используются для расчета по известным зависимостям геометрических параметров рельсовой колеи путем решения обратной геодезической задачи. Компьютер 12 с использованием разработанных прикладных программ по заданным алгоритмам вычисляет:
- дирекционный угол оси ходовой тележки для определения дирекционного угла оси 20-лазера, по координатам ГНСС;
- по приращениям координат текущих точек - текущее пройденное расстояние;
- по данным 2D-лазера от светоотражающих марок вычисляется разность высот (возвышение рельса), ширина колеи (шаблон);
- по данным 2D-лазера и ГНСС - данным вычисляются координаты всего окружающего пространства (облако точек).
Данные, получаемые при лазерном сканировании, измеряют в RTK - режиме спутниковой аппаратуры ГНСС, могут быть сохранены в компьютере 12 и в дальнейшем экспортированы в персональный компьютер для обработки и создания отчетных форматов данных.
Таким образом, устройство позволяет одновременно проводить измерения планово - высотных и геометрических координат, параметров рельсовой колеи и обеспечивает получение данных для 3D моделирования железнодорожных объектов.
Устройство, за счет упрощения конструкции, может быть эффективно использовано для диагностики железнодорожного пути и его паспортизации, при съемке натурного положения пути в плане, продольном и поперечном профилях, определении габаритов приближения строений, для выправки железнодорожного пути и проектировании его капитального ремонта, при мониторинге состояния, калибровки вагонов-путеизмерителей с обеспечением высокой производительности лазерного сканирования, определения пространственного положения инфраструктуры железных дорог и геометрических параметров рельсовой колеи.
В сравнении с прототипом использование в устройстве, вместо инерциальной системы, системы стабилизации маятникового типа обеспечивает удерживание сканирующего устройства и спутниковой антенны в плоскости горизонта. И при этом данное техническое решение позволяет исключить необходимые ранее подготовительные работы, такие как калибровка, контроль ухода оси гироскопа, определение "нуля" акселерометра. Кроме того, в данном техническом решении, за счет применения светоотражающих марок, установленных над рельсовыми нитями, отпала необходимость в использовании датчика ширины колеи, инклинометра и датчика пути, что значительно упрощает конструкцию и эксплуатацию устройства.