一种手持式铁路道床断面扫描装置的制作方法

1.本实用新型涉及轨道交通领域，尤其是一种手持式铁路道床断面扫描装置。


背景技术：

2.国外现有技术研究现状：
3.2004年，奥地利的约瑟夫
·
陶依尔等人发明了一种探测道床断面的方法，该方法与配砟整形车作业相结合，主要是利用大型测量车和自行式小车对轨道上所缺道砟的地段分析计算需要补砟的量。随着测量技术的进步，这种测量车已经无法适应国内的需要。
4.俄罗斯特维玛(tvema)公司研发的《gabarit-m》高速三维扫描系统主要用于对隧道状态进行监控，对道床参数进行分析，对接近物体限界及线间距进行检测，该系统安装在自行式轨检车或者轨检车厢上，可以选配快速和高速两种扫描系统：快速扫描系统是专门开发的用于复杂使用环境的扫描系统可以实现对铁路基础设施目标进行全天候检测；高速扫描系统主要用于高速检测。这种扫描系统依然太过于复杂，不便于携带和安装，且不适用于国内轨道工程施工。
5.德国弗劳恩霍夫物理测量技术研究所(fraunhoferipm)研究的钢轨扫描(rts)系统，首度利用扫描仪测量轨道、枕木以及钢轨底座。利用特殊的光学设计使扫描仪可安装在距离钢轨底座仅1.2公尺的上方。该装置可横向扫描轨道，以测量火车在1.7公尺宽的轨道上的行进动态，提供有关轨道及其相关基础架构的详细3d图像。
6.瑞士移动地图服务公司inovitas将用这款仪器为瑞士的窄轨铁路进行检测。
7.意大利mermec公司研制的t.sight 5 000型系统采用摄像技术，是基于激光三角测量法的隧道限界检测系统，linsescan 100型系统是基于激光扫描测距法的隧道限界检测系统。
8.就目前搜集的国外资料来看，已有针对轨道道床断面、隧道状态等的相关研究，其中多数与其他装置作业时相结合，针对有砟轨道道床断面检测还没有进行全面系统的研究。
9.国内现有技术研究现状：
10.2008年，铁道科学研究院的牛怀军提出一种“道床轮廓测量系统(bpd)”，该系统通过测道床的实际轮廓，并将其与标准轮廓进行对比，得到偏差；通常与配砟整形车作业相结合使用，在车行过程中对道床连续扫描，经过系统的分析计算，得到该段线路道床道砟的总量盈亏。
11.2012年，蔡昌胜等人提出一种“铁路配砟整形养护装置”，可实现双向配砟整形作业、双向高速运行的铁路配砟整形养护，该装置中不仅包含清扫等装置，还包含储砟装置和道床扫描装置及控制系统，其中道床扫描装置及控制系统实现对道床的扫描分析功能，指导配砟整形作业。
12.2017年，中铁四局的徐钦国等人提出了一种有砟线路连续卸砟的过程控制方法，该卸砟车是在机车前端设置断面扫描仪，对处在机车前端下方的道床断面进行扫描，获得
各里程段的实际道床结构，包括道床顶宽、道床厚度、道岔边坡坡度和道床砟肩堆高尺寸，利用扫描获得的实际道床结构与设计道床结构进行比较，从而确定所需补充的道砟。
13.2017年，中国铁道科学研究院基础设施检测研究所的孙淑杰等人研制了一套基于激光扫描技术的有砟轨道道床断面检测系统，该系统能够在车辆高速运行的状态下实时获取有砟轨道道床区域的高精度点云信息，建立基于轨道坐标系的道床三维模型，能够检测有砟轨道道床断面缺陷和盈/欠砟量。
14.2018年，刘飞香等人发明了一种智能配砟整形车，该车的车架上分别装有道床扫描装置、扣件清扫装置和避障雷达装置，其中通过道床扫描装置扫描道床轮廓，能够对道床进行配砟、补砟。
15.2019年，中铁十一局集团第三工程有限公司的田志明等人提出了一种有砟轨道道床断面移动式检测装置，该装置通过横向标尺、连接在两根所述横向标尺之间的纵轴、弦线等检测有砟轨道道床断面几何尺寸。
16.上述各项研究，并不适合施工现场人员随身携带。而现有的便携式检查工具，依然是采用坡度尺检查道床边坡的坡度值，采用卷尺检查道床顶面宽度，采用坡度尺和卷尺相互配合检查道床厚度，这种方法检查效率低下，精度不高。
17.从查阅的文献和现有技术的应用现状来看，目前用于国内普速铁路有砟轨道道床断面尺寸检测的便携式工具，尚属于空白状态。


技术实现要素：

18.本实用新型需要解决的技术问题是提供一种手持式铁路道床断面扫描装置，利用激光雷达、倾角传感器等技术对铁路道床断面进行扫描的手持式装置，便于施工人员现场检查时能够快速、准确的获得有砟轨道的道床断面状态信息。
19.为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：
20.一种手持式铁路道床断面扫描装置，包括设置于装置底部的能够开口的左支腿和右支腿、设置于左支腿和右支腿上端的立杆、公用轴、安装于立杆上端部的二维激光雷达、安装于立杆上部的单片机、安装于立杆中部的供电源、安装于立杆上的电源开关、检测开关、蓝牙部件以及安装有铁路道床断面扫描app的手机；所述左支腿的上端、所述右支腿的上端与所述立杆的下端通过公用轴铰接在一起；所述二维激光雷达与所述单片机的电源线均与供电源连接；所述二维激光雷达与所述单片机通过数据线连接；所述单片机上设置有能够与手机蓝牙配对的蓝牙信号模块；所述单片机通过数据线采集所述二维激光雷达的数据，采集到的数据经蓝牙部件传输到手机的铁路道床断面扫描app。
21.本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述左支腿、所述右支腿和所述立杆均采用方形空心截面的高强轻质绝缘材料制作。
22.本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述左支腿与所述右支腿的开口尺寸与钢轨的轨距角尺寸相匹配。
23.本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述供电源采用蓄电池进行供电。
24.本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述铁路道床断面扫描app预先内置轨枕的标准尺寸数据、道床断面的标准尺寸数据、道床断面扫描装置尺寸数据、轨道部件尺寸数据。
25.本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述手机采用智能手机。
26.由于采用了上述技术方案，本实用新型取得的技术进步是：
27.1、本实用新型利用轨枕为基准，计算道砟量，能够消除测量装置晃动造成的偏差。
28.2、本实用新型通过二维激光雷达，解决了视频不能解决的诸多难题，如雷达在夜间也能测量等。
29.3、本实用新型结构简单、装置轻巧、使用方便且便于携带，如图11所示。
30.4、本实用新型可自动计算道砟盈亏数据，并根据里程自动给出报告，便于施工人员现场检查时能够快速、准确的获得有砟轨道的道床断面状态信息。
附图说明
31.图1是本实用新型实施例中道床断面扫描装置总体架构正视图；
32.图2是本实用新型实施例中道床断面扫描装置总体架构侧视图；
33.图3是本实用新型道床断面扫描装置测量时俯视图；
34.图4是本实用新型实施例中道床断面扫描装置测量时正视图；
35.图5是本实用新型实施例中道床断面扫描装置扫描原理图；
36.图6是本实用新型实施例中道床断面参数示意图；
37.图7是本实用新型实施例中道床顶面宽度扫描示意图；
38.图8是本实用新型实施例中砟肩堆高扫描示意图；
39.图9是本实用新型实施例中道床厚度扫描示意图；
40.图10是本实用新型实施例中道砟盈亏扫描示意图；
41.图11是本实用新型实施例中道床断面扫描装置收起后俯视图；
42.其中，1、左支腿，2、供电源，3、单片机，4、二维激光雷达，5、立杆，6、公用轴，7、右支腿，8、钢轨，9、轨枕，10、扫描线，11、理论道床断面，12、实际道床断面，13、边坡亏，14、边坡盈，15、砟肩亏。
具体实施方式
43.需要说明的是，在本实用新型的描述中，技术术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“纵”、“横”、“内”、“外”等表示方向或位置关系是基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述和理解本实用新型的技术方案，以上说明并非对本实用新型作了限制，本实用新型也不仅限于上述说明的举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、增添或替换，都应视为本实用新型的保护范围。
44.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
45.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两
个，三个等，除非另有明确具体的限定。
46.下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步详细说明：
47.如图1、2所示，一种手持式铁路道床断面扫描装置，包括设置于装置底部的能够开口的左支腿1和右支腿7、设置于左支腿1和右支腿7上端的立杆5、公用轴6、安装于立杆5上端部的二维激光雷达4、安装于立杆5上部的单片机3、安装于立杆5中部的供电源2、安装于立杆5上电源开关、检测开关、蓝牙部件(蓝牙部件位于单片机3附近，在立杆5上空出一块，使得蓝牙部件能够伸出。)以及安装有铁路道床断面扫描app的手机；所述左支腿1的上端、所述右支腿7的上端与所述立杆5的下端通过公用轴6铰接在一起；所述二维激光雷达4与所述单片机3的电源线均与供电源2连接；所述二维激光雷达4与所述单片机3通过数据线连接；所述单片机3上设置有能够与手机蓝牙配对的蓝牙信号模块；所述单片机3通过数据线采集所述二维激光雷达4的数据，采集到的数据经蓝牙传输到手机的铁路道床断面扫描app。所述铁路道床断面扫描app为专门针对铁路道床断面扫描制作的专用app。电源开关、检测开关、蓝牙部件均通过在立杆5上开孔以便安装，同时电源开关、检测开关、蓝牙部件与相关电源线、数据线相连接。
48.进一步的，所述左支腿1、所述右支腿2和所述立杆5均采用方形空心截面的高强轻质绝缘材料制作。所述供电源2、单片机3安装于立杆5的内部。
49.进一步的，所述左支腿1与所述右支腿2的开口尺寸与钢轨8的轨距角尺寸相匹配。
50.进一步的，所述供电源2采用蓄电池进行供电；所述蓄电池能够充电。
51.进一步的，所述铁路道床断面扫描app预先内置轨枕9的标准尺寸数据、道床断面的标准尺寸数据、道床断面扫描装置尺寸数据、轨道8部件尺寸数据。
52.进一步的，手机采用智能手机，方便操作者操作。
53.本实用新型收起装置后，若将检测装置竖直放置，则俯视图如图11所示，结构简单、装置轻巧、使用方便且便于携带。
54.使用方法：
55.(1)打开电源开关；
56.(2)打开检测开关；
57.(3)开启智能手机蓝牙，使智能手机蓝牙与手持式铁路道床断面扫描装置(以下简称扫描装置)的蓝牙设置配对。
58.(4)打开智能手机的铁路道床断面扫描app，铁路道床断面扫描app收取二维激光雷达4的检测数据。
59.(5)保持电源开关和检测开关处于打开状态，携带扫描装置到需要检测道床断面的位置处，打开左右支腿，将左支腿1、右支腿7分别置于左右两根钢轨8顶面，此时应保证右支腿7的上边缘的铅锤面紧贴轨枕9下边缘，立杆5竖起尽可能呈90
°
竖直方向。如图3所示。二维激光雷达4的扫描线10与轨枕9的边线平行；扫描的理论道床断面11与实际道床断面12如图4所示，激光雷达扫描的原理如图5所示。
60.(6)读数：先输入外轨超高值(即铁路曲线地段外轨顶面与内轨顶面的高程差，直线地段时输入0)；若不输入，则默认为直线地段。点击手机上的测量按钮，则智能手机铁路道床断面扫描app根据最近一段时间(1s～5s)数据进行计算；得到道床厚度h、道床边坡坡度n、道床顶面宽度b、砟肩堆高c、断面盈亏(主要包括砟肩盈、砟肩亏15和边坡盈14、边坡亏
13)等信息。图6所示为检测装置能够测得的数据示意。
61.特别说明：道床数据计算的基准为两根钢轨8之间的轨枕9顶面数据，因此，测量时立杆5是否处于绝对竖直，不会对测量结果造成系统误差。但是，读数过程中，须确保二维激光雷达4的水平面投影应位于轨枕9中轴线附近。
62.手机铁路道床断面扫描app中通过编入下述方案达到获得道床厚度h、道床边坡坡度n、道床顶面宽度b、砟肩堆高c、断面盈亏等信息的目的。
63.具体方案如下：
64.轨距记为a1，立杆5的高度为a2，左支腿1的长度记为a3，右支腿7的长度记为a4，钢轨8的高度记为a5，轨枕9的长度记为a6，θ为外轨超高度。
65.①
道床顶面宽度b
66.如图7所示，二维激光雷达4扫描到左侧枕端的距离为l
z1
，此时该点m1与立杆5的夹角为α1，则枕端左侧至二维激光雷达4的垂向距离为h
z1
＝l
z1
·
cos(α
1-θ)。二维激光雷达4扫描到砟肩上的点与二维激光雷达4的垂向距离，等于枕端左侧至二维激光雷达4的垂向距离h
z1
时，此时该点m2与二维激光雷达4的扫描距离为l
z2
，与立杆5的夹角为α2，即h
z2
＝l
z2
·
cos(α
2-θ)＝h
z1
，二维激光雷达4与此点的横向距离值为k
z2
＝l
z2
·
sin(α2+θ)，左侧砟肩宽度为k
zzk
＝k
z2-a6/2＝l
z2
·
sin(α2+θ)-a6/2。
67.二维激光雷达4扫描到右侧枕端的距离为l
y3
，此时该点m3与立杆5的夹角为α3，则枕端左侧至二维激光雷达4的垂向距离为h
y3
＝l
y3
·
cos(α
3-θ)。二维激光雷达4扫描到砟肩上的点与二维激光雷达4的垂向距离，等于枕端左侧至二维激光雷达4的垂向距离h
y3
时，此时该点m4与二维激光雷达4的扫描距离为l
y4
，与立杆5的夹角为α4，即h
y4
＝l
y4
·
cos(α
4-θ)＝h
y3
，二维激光雷达4与此点的横向距离值为k
y4
＝l
y4
·
sin(α4+θ)，左侧砟肩宽度为：
68.k
yzk
＝k
y4-a6/2＝l
y4
·
sin(α4+θ)-a6/2。
69.道床顶面宽度为：b＝k
yzk
+k
zzk
+a6＝l
y4
·
sin(α4+θ)+l
z2
·
sin(α2+θ)
70.②
砟肩堆高c
71.如图8所示，以道床断面左侧为例，二维激光雷达4扫描到砟肩上的点m5与二维激光雷达4的垂向距离最小，为h
z5
＝l
z5
·
cos(α
5-θ)，l
z5
为二维激光雷达4扫描到m5的扫描距离。此时砟肩堆高c＝h
z1-h
z5
＝l
z1
·
cos(α
1-θ)-l
z5
·
cos(α
5-θ)
72.③
道床厚度h
73.此处以单线铁路为例，如图9所示，二维激光雷达4至枕端的垂向距离为h
z1
，二维激光雷达4扫描到路基上的点记为m6，该点与二维激光雷达4的扫描距离为l
z6
，二维激光雷达4与路基的垂直距离为h
z6
＝l
z6
·
cos(α
6-θ)，枕端下轨枕9的高度为a6/cosθ。二维激光雷达4扫描到临近钢轨8的枕端点为m7，此时该点与二维激光雷达4的横向距离为k
z7
＝l
z7
·
sin(α7+θ)，道床厚度为
[0074][0075]
④
边坡坡度n
[0076]
二维激光雷达4扫描到边坡上的相邻点间的斜率记为k，最后对所有斜率进行拟合，得到最终的边坡坡度n。
[0077]
⑤
道砟盈亏
[0078]
如图10所示，二维激光雷达4扫描到道砟上的点记为m8，该点对应的理论点为m9，当m8与二维激光雷达4的垂向距离值大于m9与二维激光雷达4的垂向距离值则为亏，否则为盈。
[0079]
(7)保存数据。输入测量的里程值，点击手机铁路道床断面扫描app的保存数据按钮，可保存测量数据至手机本地。
[0080]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种手持式铁路道床断面扫描装置，其特征在于：包括设置于装置底部的能够开口的左支腿（1）和右支腿（7）、设置于左支腿（1）和右支腿（7）上端的立杆（5）、公用轴（6）、安装于立杆（5）上端部的二维激光雷达（4）、安装于立杆（5）上部的单片机（3）、安装于立杆（5）中部的供电源（2）、安装于立杆（5）上的电源开关、检测开关、蓝牙部件以及安装有铁路道床断面扫描app的手机；所述左支腿（1）的上端、所述右支腿（7）的上端与所述立杆（5）的下端通过公用轴（6）铰接在一起；所述二维激光雷达（4）与所述单片机（3）的电源线均与供电源（2）连接；所述二维激光雷达（4）与所述单片机（3）通过数据线连接；所述单片机（3）上设置有能够与手机蓝牙配对的蓝牙信号模块；所述单片机（3）通过数据线采集所述二维激光雷达（4）的数据，采集到的数据经蓝牙部件传输到手机的铁路道床断面扫描app。2.根据权利要求1所述的一种手持式铁路道床断面扫描装置，其特征在于：所述左支腿（1）、所述右支腿（7）和所述立杆（5）均采用方形空心截面的高强轻质绝缘材料制作。3.根据权利要求1所述的一种手持式铁路道床断面扫描装置，其特征在于：所述左支腿（1）与所述右支腿（7）的开口尺寸与钢轨（8）的轨距角尺寸相匹配。4.根据权利要求1所述的一种手持式铁路道床断面扫描装置，其特征在于：所述供电源（2）采用蓄电池进行供电。5.根据权利要求1所述的一种手持式铁路道床断面扫描装置，其特征在于：所述铁路道床断面扫描app预先内置轨枕（9）的标准尺寸数据、道床断面的标准尺寸数据、道床断面扫描装置尺寸数据、钢轨（8）部件尺寸数据。6.根据权利要求1所述的一种手持式铁路道床断面扫描装置，其特征在于：所述手机采用智能手机。

技术总结
本实用新型公开了一种手持式铁路道床断面扫描装置，属于轨道交通领域，包括设置于装置底部的能够开口的左右支腿、设置于左右支腿上端的立杆、分别安装于立杆上的二维激光雷达、单片机、供电源、电源开关、检测开关、蓝牙部件以及安装有铁路道床断面扫描App的手机；左右支腿的上端与立杆的下端通过公用轴铰接在一起；二维激光雷达与单片机的电源线均与供电源连接；二维激光雷达与单片机通过数据线连接；单片机上设置有能够与手机蓝牙配对的蓝牙信号模块；单片机通过数据线采集二维激光雷达的数据，采集到的数据经蓝牙部件传输到手机的铁路道床断面扫描App。本实用新型便于施工人员现场检查时快速、准确的获得有砟轨道的道床断面状态信息。断面状态信息。断面状态信息。


技术研发人员：冉海洋 姜晓军 蒋万军 杨淏宇 钟彪 王尔秋 李康康 吴桐 武永强
受保护的技术使用者：中交二公局铁路建设有限公司
技术研发日：2022.10.26
技术公布日：2023/2/28