轨道检测系统和相关装置及方法与流程

1.本技术实施例涉及测量和轨道交通等技术领域，尤其涉及一种轨道检测系统和相关装置及方法。


背景技术：

2.轨道交通是指运营车辆需要在特定轨道上行驶的一类交通工具或运输系统。最典型的轨道交通就是由传统火车和标准铁路所组成的铁路系统。随着火车和铁路技术的多元化发展，轨道交通呈现出越来越多的类型，不仅遍布于长距离的陆地运输，也广泛运用于中短距离的城市公共交通中。
3.常见的轨道交通有传统铁路、地铁、轻轨和有轨电车，新型轨道交通有磁悬浮轨道系统、单轨系统和旅客自动捷运系统等。在中国国家标准《城市公共交通常用名词术语》中，将城市轨道交通定义为“通常以电能为动力，采取轮轨运转方式的快速大运量公共交通的总称”。
4.轨道交通普遍具有运量大、速度快、班次密、安全舒适、准点率高、全天候、运费低和节能环保等优点，但同时常伴随着较高的技术要求和维护成本。


技术实现要素：

5.本技术实施例的一个方面提供一种轨道检测系统，包括：光发射端、光接收端，以及与光发射端和光接收端通信连接的计算模块，其中：光发射端包括：激光发射组件、能够操作以在轨道上移动的第一作业车，以及附接到第一作业车上的第一旋转组件，第一旋转组件能够操作以在轨道所在的检测平面内旋转激光发射组件；光接收端包括：激光接收组件、能够操作以在轨道上移动的第二作业车，以及附接到第二作业车上的第二旋转组件，第二旋转组件能够操作以在检测平面内旋转激光接收组件；光发射端被配置为在轨道的第一位置控制第一旋转组件并确定第一旋转组件的第一旋转角度，以控制激光发射组件发射的激光在检测平面内的延伸方向，光接收端被配置为在轨道的第二位置控制第二旋转组件并确定第二旋转组件的第二旋转角度，以控制激光接收组件的主光轴在检测平面内的延伸方向，以使得激光平行于主光轴并入射至激光接收组件；以及，计算模块，被配置为根据第一旋转角度和第二旋转角度，确定轨道在待检测位置的在检测平面内的切线方向角；其中，待检测位置包括第一位置或第二位置，第一旋转角度为激光的延伸方向与轨道在第一位置的在检测平面内的切线方向之间的夹角，且第二旋转角度为主光轴的延伸方向与轨道在第二位置的在检测平面内的切线方向之间的夹角。
6.本技术实施例的一个方面提供一种基于轨道检测系统的轨道检测方法，其中，轨道检测系统，包括：光发射端、光接收端，以及与光发射端和光接收端通信连接的计算模块，其中：光发射端包括：激光发射组件、能够操作以在轨道上移动的第一作业车，以及附接到第一作业车上的第一旋转组件，第一旋转组件能够操作以在轨道所在的检测平面内旋转激光发射组件；以及，光接收端包括：激光接收组件、能够操作以在轨道上移动的第二作业车，
以及附接到第二作业车上的第二旋转组件，第二旋转组件能够操作以在检测平面内旋转激光接收组件；其中，轨道检测方法包括：光发射端在轨道的第一位置控制第一旋转组件并确定第一旋转组件的第一旋转角度，以控制激光发射组件发射的激光在检测平面内的延伸方向；光接收端在轨道的第二位置控制第二旋转组件并确定第二旋转组件的第二旋转角度，以控制激光接收组件的主光轴在检测平面内的延伸方向，以使得激光平行于主光轴并入射至激光接收组件；以及，计算模块根据第一旋转角度和第二旋转角度，确定轨道在待检测位置的在检测平面内的切线方向角；其中，待检测位置包括第一位置或第二位置，第一旋转角度为激光的延伸方向与轨道在第一位置的在检测平面内的切线方向之间的夹角，且第二旋转角度为主光轴的延伸方向与轨道在第二位置的在检测平面内的切线方向之间的夹角。
附图说明
7.附图用来提供对本技术实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术实施例一起用于解释本公开，并不构成对本技术的限制。通过参考附图对详细示例实施例进行描述，以上和其它特征和优点对本领域技术人员将变得更加显而易见。
8.图1为本技术实施例提供的示例性的轨道检测系统的示意图。
9.图2(a)为本技术实施例提供的第一作业车在x-y平面的俯视图。
10.图2(b)为本技术实施例提供的第一作业车在x-z平面的侧视图。
11.图2(c)为本技术实施例提供的第一作业车在y-z平面的侧视图。
12.图3(a)为本技术实施例提供的第一旋转组件在x-y平面的俯视图。
13.图3(b)为本技术实施例提供的第一旋转组件在y-z平面的侧视图。
14.图4为本技术实施例提供的激光发射组件的一种结构示意图。
15.图5(a)为本技术实施例提供的激光发射组件与第一旋转组件在x-y平面的俯视图。
16.图5(b)为本技术实施例提供的激光发射组件与第一旋转组件在y-z平面的侧视图。
17.图6为本技术实施例提供的激光接收组件的一种结构示意图。
18.图7(a)为本技术实施例提供的激光接收组件的工作原理的一种示意图。
19.图7(b)为本技术实施例提供的激光接收组件的工作原理的另一种示意图。
20.图7(c)为本技术实施例提供的激光接收组件的工作原理的再一种示意图。
21.图8为本技术实施例提供的第一旋转组件的一种结构示意图。
22.图9为本技术实施例提供的电子设备的一种结构框图。
具体实施方式
23.为使本领域的技术人员更好地理解本技术的技术方案，下面结合附图对本技术提供的一种轨道检测系统和相关装置及方法进行详细描述。
24.在下文中将参考附图更充分地描述示例实施例，但是所述示例实施例可以以不同形式来体现且不应当被解释为限于本文阐述的实施例。反之，提供该实施例的目的在于使本技术透彻和完整，并将使本领域技术人员充分理解本技术的范围。
25.在不冲突的情况下，本技术各实施方式及实施方式中的各特征可相互组合。
26.如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列举条目的任何和所有组合。
27.本文所使用的术语仅用于描述特定实施例，且不意欲限制本技术。如本文所使用的，单数形式“一个”和“该”也意欲包括复数形式，除非上下文另外清楚指出。还将理解的是，当本说明书中使用术语“包括”和/或“由
……
制成”时，指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。
28.除非另外限定，否则本文所用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本领域普通技术人员通常理解的含义相同。还将理解，诸如那些在常用字典中限定的那些术语应当被解释为具有与其在相关技术以及本技术的背景下的含义一致的含义，且将不解释为具有理想化或过度形式上的含义，除非本文明确如此限定。
29.轨道交通对轨道的状态要求很高，因此，需要对轨道的状态进行定期检测及维护。轨道检测的项目通常包括轨道的平滑度、水平度与倾角(上下坡)，和/或转弯的曲率等。
30.相关技术需要投入大量的时间和人工，以实现对轨道状态较为准确的检测，其具体表现为：在施工阶段，通过人工测绘的方式对轨道的状态进行测量，这不但耗费时间长、检测精度低，而且对测绘人员的技能和经验依赖较大，容易导致轨道的实际状态与施工图纸不一致；在运行阶段，通过人工巡道的方式发现问题，这同样需要花费大量的时间，导致轨道运行的时长缩短，同时由于缺乏高精度的工具，通过人工巡道的方式仅能发现人的感官能够察觉的问题，这会导致无法及时发现隐患，最终导致更严重的事故。
31.为了解决上述技术问题，本技术提出了基于激光聚焦成像技术的轨道检测系统，可连续、快速和高精度地测量轨道的平滑度和水平度与倾角等，从而发现轨道起伏、断裂等问题；以及连续、快速和高精度地测量轨道的平滑度和转弯的曲率等，从而发现轨道与施工设计的差别、轨道异常弯曲形变等问题。并在此基础上提出了相关装置以及使用该轨道检测系统进行轨道自动检测的方法，从而可大幅提升施工质量和效率，并能够大幅提升轨道交通运行阶段的自动化巡检的效率，进而提升轨道运行期间的安全性和可靠性。
32.本技术实施例的一方面提供了一种轨道检测系统，如图1所示，其为示例性的轨道检测系统的示意图。
33.轨道检测系统包括光发射端10、光接收端20和与光发射端10和光接收端20通信连接的计算模块(图1中未示出)。
34.光发射端10包括激光发射组件101、能够操作以在轨道上移动的第一作业车102，以及附接到第一作业车102上的第一旋转组件(图1中未示出)，第一旋转组件能够操作以在轨道所在的检测平面内旋转激光发射组件101。
35.光接收端20包括激光接收组件201、能够操作以在轨道上移动的第二作业车202，以及附接到第二作业车202上的第二旋转组件(图1中未示出)，第二旋转组件能够操作以在检测平面内旋转激光接收组件201。
36.光发射端10被配置为在轨道的第一位置控制第一旋转组件并确定第一旋转组件的第一旋转角度α，以控制激光发射组件101发射的激光在检测平面内的延伸方向，光接收端20被配置为在轨道的第二位置控制第二旋转组件并确定第二旋转组件的第二旋转角度β，以控制激光接收组件201的主光轴在检测平面内的延伸方向，以使得激光平行于主光轴并入射至激光接收组件201。
37.计算模块被配置为根据第一旋转角度α和第二旋转角度β，确定轨道在待检测位置的在检测平面内的切线方向角θ。待检测位置包括第一位置或第二位置。
38.第一旋转组件的第一旋转角度α实际为激光的延伸方向与轨道在第一位置的在检测平面内的切线方向之间的夹角，且第二旋转组件的第二旋转角度β实际为激光接收组件201的主光轴的延伸方向与轨道在第二位置的在检测平面内的切线方向之间的夹角。因此，当激光的延伸方向与激光接收组件201的主光轴重合时，根据在检测平面内的预设参考方向、激光的延伸方向与轨道在第一位置的在检测平面内的切线方向之间的夹角α，以及主光轴的延伸方向与轨道在第二位置的在检测平面内的切线方向之间的夹角β，则可以确定在检测平面内，轨道在第一位置的切线方向与预设参考方向之间的夹角(即轨道在第一位置的切线方向角θ，如图1所示)和轨道在第二位置的切线方向与预设参考方向之间的夹角(即轨道在第二位置的切线方向角θ，图1中未示出)。
39.轨道所在的检测平面可包括第一平面或第二平面，第一平面平行于轨道的上表面，第二平面垂直于轨道的上表面。也就是说，该轨道检测系统能够检测轨道的待检测位置在平行于地面的第一平面内的切线方向角θ，也能够检测轨道的待检测位置在垂直于地面的第二平面内的切线方向角θ。
40.例如，在图1中，以检测平面为第一平面(即，平行于轨道的上表面)，且在该检测平面内，光发射端10所在的第一位置为待检测位置，且预设参考方向与轨道在初始辅助检测位置(即，光接收端20所在的第二位置)的切线方向平行为示例。在该检测平面内，当激光平行于激光接收组件201的主光轴并入射至激光接收组件201时，激光的延伸方向(即主光轴的延伸方向)与轨道在待检测位置的切线方向之间的夹角为α。根据图1所示的几何关系可知，在该检测平面内，轨道在待检测位置的切线方向角θ等于激光的延伸方向与轨道在待检测位置的切线方向之间的夹角α与激光的延伸方向与预设参考方向之间的夹角φ之和。又由于在该检测平面内，预设参考方向与轨道在初始辅助检测位置的切线方向平行，因此，激光的延伸方向与预设参考方向之间的夹角φ，等于主光轴的延伸方向与轨道在初始辅助检测位置的切线方向之间的夹角β，因此，可确定轨道在待检测位置的切线方向角θ＝α+β。
41.在该示例中，当仅光发射端10在轨道上移动时，根据上面的方法，可以确定在该检测平面内，轨道在第n待检测位置ln的切线方向角为θn，轨道在第n+1待检测位置l
n+1
的切线方向角为θ
n+1
，则在第n+1待检测位置l
n+1
至第n待检测位置ln之间的这段轨道的平均曲率ρ等于θ
n+1
与θn的差值的绝对值与轨道在第n+1待检测位置l
n+1
与第n待检测位置ln之间的弧长的比值；当在第n+1待检测位置l
n+1
与第n待检测位置ln之间的弧长足够小时，该平均曲率ρ近似等于轨道在第n+1待检测位置l
n+1
处的曲率ρ
n+1
。因此，光发射端10可被配置为在轨道上移动，例如，光发射端10被配置为在轨道上向远离光接收端20的方向移动，并分别确定轨道在各待检测位置ln的切线方向角为θn，从而确定轨道在各待检测位置ln的处的曲率ρn，进而可根据轨道在各待检测位置ln的处的曲率ρn确定轨道的平滑度。也就是说，在该示例中，可以将光接收端20固定在初始辅助检测位置，且设置预设参考方向与轨道在初始辅助检测位置的在检测平面内的切线方向平行，并使光发射端10在轨道上向远离光接收端20的方向移动或向靠近光接收端20的方向移动，从而可自动、连续地测量轨道在各待检测位置ln的处的切线方向角为θn和曲率ρn，进而可确定轨道在各待检测位置ln的处的平滑度。
42.在该示例中，进一步地，也可光发射端10和光接收端20均在轨道上移动，例如，光
发射端10被配置为在轨道上向远离光接收端20的方向移动，光接收端20被配置为在轨道上向靠近光发射端10的方向移动。当光发射端10在待检测位置l，光接收端20在辅助检测位置p，且激光平行于主光轴并入射至激光接收组件201时，根据几何关系可知，在该检测平面内，轨道在待检测位置l的切线方向角θ
l
仍然等于激光的延伸方向与轨道在待检测位置l的切线方向之间的夹角α
l
与激光的延伸方向与预设参考方向之间的夹角φ之和。但由于光接收端20也在轨道上移动，在该检测平面内，轨道在辅助检测位置p的切线方向很有可能不平行于预设参考方向，则激光的延伸方向与预设参考方向之间的夹角φ很有可能不等于主光轴的延伸方向与轨道在辅助检测位置p的切线方向之间的夹角β
p
，且φ＝β
p-θ
p
，其中θ
p
为轨道在辅助检测位置p的切线方向与预设参考方向之间的夹角，即轨道在辅助检测位置p的在检测平面内的切线方向角。从而可以确定，在检测平面内，轨道在待检测位置l的切线方向角θ
l
＝α
l
+β
p-θ
p
。又由于光发射端10在轨道上向远离光接收端20的方向移动，光接收端20在轨道上向靠近光发射端10的方向移动，因此，光发射端10已经途径过辅助检测位置p，即已经获取到了轨道在辅助检测位置p的在检测平面内的切线方向角θ
p
，因此，仍然可确定轨道在待检测位置l的在检测平面内的切线方向角θ
l
。
43.在该示例中，当光发射端10和光接收端20均在轨道上移动时，根据上面的方法，在检测平面内，可分别确定轨道的各待检测位置ln的切线方向角为θn，从而确定轨道在各待检测位置ln的处的曲率ρn，进而可根据轨道在各待检测位置ln的处的曲率ρn确定轨道的平滑度。此外，已经被测量过的待检测位置又可以作为后续测量的辅助检测位置，因此，测量得到的轨道在该已经被测量过的待检测位置的切线方向角，又可以用于确定轨道在后续测量的待检测位置的切线方向角。例如，确定在检测平面内，轨道在位置l1的切线方向角为θ1；光发射端10在轨道上向远离光接收端20的方向移动，光接收端20在轨道上向靠近光发射端10的方向移动；当光发射端10移动到位置l2，光接收端20移动到位置l1，且激光平行于主光轴并入射至激光接收组件201时，则在该检测平面内，θ2＝α2+β
1-θ1，其中，θ2为轨道在位置l2的切线方向角，α2为激光的延伸方向与轨道在位置l2的切线方向之间的夹角，以及β1为主光轴的延伸方向与轨道在位置l1的切线方向之间的夹角。也就是说，在该示例中，可以设置预设参考方向与轨道在初始辅助检测位置的在检测平面内的切线方向平行，光接收端20在轨道上从初始辅助检测位置向靠近光发射端10的方向移动，且光发射端10在轨道上向远离光接收端20的方向移动，从而可自动、连续地测量轨道在各待检测位置ln的处的切线方向角θn和曲率ρn，进而可确定轨道在各待检测位置ln的处的平滑度。需要说明的是，为确保整个测量过程的连续性与准确性，预设参考方向可保持不变。
44.在其它示例中，也可第二位置为待检测位置，第一位置为辅助检测位置，即测量轨道上的光接收端20所在的位置处在待检测平面内的切线方向角θ；在其它示例中，检测平面也可为第二平面，即检测轨道在垂直于地面的平面内的曲率、水平度、倾角和平滑度等。由于检测方法同理，此处不再赘述。
45.基于轨道列车的工作原理，实际应用对曲率有上限要求，曲率超过上限则要么列车车轮无法通过，要么虽列车能通过却会导致列车发生倾倒、脱轨等事故。此外，如果轨道的某位置处的曲率较大或者陡变，则说明轨道发生了严重的形变、下陷、甚至断裂。因此，通过确定轨道在各待检测位置ln的处的切线方向角θn和曲率ρn，可以检测出轨道中曲率异常增大的点、实际曲率与设计期望曲率差异过大的点，从而可以排查出各种安全隐患。
46.在一种可实施方式中，为能够获得轨道的实际状态，可不在光发射端10的第一作业车102与光接收端20的第二作业车202上安装减震或避震装置。
47.在一种可实施方式中，光发射端10的第一作业车102与光接收端20的第二作业车202可具有相同的结构。在一个示例中，以光发射端10的第一作业车102为例，图2(a)为第一作业车102在x-y平面的俯视图，图2(b)为第一作业车102在x-z平面的侧视图，图2(c)为第一作业车102在y-z平面的侧视图。第一作业车102可包括作业平台1021，以及设置在作业平台1021下方且与作业平台1021转动连接的至少一个轮组(图2(a)-2(c)中以第一作业车102包括2个轮组为示例)。每个轮组包括由轮轴1022连接的左轮1023和右轮1024，左轮1023和右轮1024中的每一个的外侧具有滚动面和贴合面，滚动面与轨道的上表面贴合，且贴合面与轨道的内侧面贴合。基于上述结构，光发射端10的第一作业车102可在轨道上沿y方向移动，也就是说，y方向为光发射端10的可移动方向，y方向也即轨道在该位置(例如前文所述的第一位置)处的在检测平面内(第一平面即x-y平面，或第二平面即与x-y平面垂直的平面)的切线方向。
48.在该示例中，光发射端10的第一作业车102与光接收端20的第二作业车202具有左右轮，可贴合双轨轨道滑动，因此，该示例中的轨道检测系统可适用于双轨轨道的检测。
49.在该示例中，轮轴1022上还可设置有第一码盘，其可被配置为确定左轮1023和/或右轮1024的旋转角度。在第一作业车102在轨道上移动(滚动)时，基于左轮1023和/或右轮1024的旋转角度，以及左轮1023或右轮1024的尺寸(例如、半径、直径和/或周长)，可以确定第一作业车102在轨道上移动的距离，也即与该旋转角度对应的一段轨道的弧长。例如，轮轴1022上可设置有光电码盘，其可确定第一作业车102在轨道上从第n待检测位置ln移动到第n+1待检测位置l
n+1
的左轮1023和/或右轮1024的旋转角度，则根据左轮1023和/或右轮1024的半径，则可确定轨道在第n+1待检测位置l
n+1
与第n待检测位置ln之间的弧长。光接收端20的第二作业车202可具有相似的结构和功能，此处不再赘述。
50.在另一个示例中，仍以光发射端10的第一作业车102为例，第一作业车102可包括作业平台，以及设置在作业平台下方且与作业平台转动连接的至少一个轮组。每个轮组包括前轮和后轮，前轮和后轮中的每一个可具有滚动面和至少一个贴合面，滚动面与轨道的上表面贴合，且该至少一个贴合面与轨道的至少一个侧面贴合。例如，前轮和后轮中的每一个可具有滚动面和两个贴合面，滚动面与轨道的上表面贴合，且两个贴合面分别与轨道的两个侧面贴合。在该示例中，光发射端10的第一作业车102与光接收端20的第二作业车202具有前后轮，可贴合单轨轨道滑动，因此，该示例中的轨道检测系统可适用于单轨轨道的检测。
51.在该示例中，在与前轮和/或后轮相关的轮轴上也可设置码盘，从而基于该码盘确定的前轮和/或后的轮旋转角度以及前轮和/或后的尺寸，可确定第一作业车102在轨道上移动的距离，即轨道的弧长。光接收端20的第二作业车202可具有相似的结构和功能，此处不再赘述。
52.在一种可实施方式中，为精确控制光发射端10和/或光接收端20的移动距离，并获取高精度的光发射端10和/或光接收端20的位置信息，可在第一作业车102和/或第二作业车202中的轮轴上加装步进电机和/或减速齿轮组，减速齿轮组可包括相互齿合的第一齿轮和第二齿轮。步进电机可保证轮轴的微小转角可控且准确；如果步进角度仍然不够小，减速
齿轮组可以进一步缩小轮轴的转角。这样可以精确调整光发射端10和/或光接收端20的移动距离，并确定光发射端10和/或光接收端20的精确的位置信息，从而可通过连续测量获得轨道的第n待检测位置ln和曲率ρn的一一对应关系，和/或获得轨道的每段弧长(其长度为光发射端10或光接收端20的步进距离)与平均曲率ρ的一一对应关系。
53.需要说明的是，在另一种可实施方式中，光发射端10的第一作业车102与光接收端20的第二作业车202也可具有不同的结构。例如，当第一位置为待检测位置时，光发射端10的第一作业车102可包括作业平台，以及设置在作业平台下方且与作业平台转动连接的至少一个轮组；而光接收端20的第二作业车202可仅包括作业平台。再如，当第二位置为待检测位置时，光接收端20的第二作业车202可包括作业平台，以及设置在作业平台下方且与作业平台转动连接的至少一个轮组；而光发射端10的第一作业车102可仅包括作业平台。也就是说，在该示例中的轨道检测系统中，主检测端(光发射端10或光接收端20)具备在轨道上移动(滚动)的功能，而辅检测端(光接收端20或光发射端10)被设置在轨道上的固定位置(即，初始辅助检测位置)，该轨道检测系统仍可实现对轨道的检测。
54.在一种可实施方式中，光发射端10的第一旋转组件与光接收端20的第二旋转组件中的至少一个可包括：可转动圆台，通过第一旋转轴与作业平台转动连接，可转动圆台能够操作以在第一平面内旋转；和/或，可转动臂，通过第二旋转轴与作业平台转动连接，可转动臂能够操作以在第二平面内旋转。
55.在一个示例中，以光发射端10的第一旋转组件为例，图3(a)为第一旋转组件在x-y平面的俯视图，图3(b)为第一旋转组件在y-z平面的侧视图。第一旋转组件可包括固定地连接在作业平台1021的上表面上的静圆台1031，通过第一旋转轴1034与静圆台1031转动连接的可转动圆台1032，以及通过第二旋转轴1035与可转动圆台1032转动连接的可转动臂1033。第一旋转轴1034垂直于作业平台1021，第二旋转轴1035与第一旋转轴1034相互垂直，从而可转动圆台1032可在第一平面(即x-y平面)内旋转激光发射组件101，可转动臂1033可在第二平面(即与x-y平面垂直的平面)内旋转激光发射组件101。光接收端20的第二旋转组件可具有相似的结构和功能，此处不再赘述。
56.在该可实施方式中，第一旋转组件和第二旋转组件中的至少一个还可包括：第二码盘和/或第三码盘。第二码盘设置在第一旋转轴上，第二码盘被配置为确定第一旋转组件在第一平面内的第一旋转角度α或第二旋转组件在第一平面内的第二旋转角度β。第三码盘设置在第二旋转轴上，第三码盘被配置为确定第一旋转组件在第二平面内的第一旋转角度α或第二旋转组件在第二平面内的第二旋转角度β。例如，在图3(a)和3(b)所示的示例中，第一旋转轴1034上可设置有第二码盘(图中未示出)，第二旋转轴1035上可设置有第三码盘(图中未示出)。光接收端20的第二旋转组件可具有相似的结构和功能，此处不再赘述。
57.在图3(a)和3(b)所示的示例中，设置在第一旋转组件的第一旋转轴1034上的第二码盘和/或第二旋转轴1035上的第三码盘，可被配置为确定第一旋转角度α。例如，预先设置当激光发射组件101发射的激光在图3(a)中的y方向(即光发射端10的可移动方向)上延伸时，第二码盘和第三码盘确定相应旋转轴的初始旋转角均为0，当在第一平面(即x-y平面)内旋转可转动圆台1032和/或在第二平面(即与x-y平面垂直的平面)内旋转可转动臂1033，使得激光平行于激光接收组件201的主光轴并入射至激光接收组件201时，则第一旋转轴1034上的第二码盘确定的第一旋转轴1034的旋转角即为在第一平面内的第一旋转角度α，
和/或第二旋转轴1035上的第三码盘确定的第二旋转轴1035的旋转角即为在第二平面内的第一旋转角度α。
58.相似地，设置在第二旋转组件的第一旋转轴上的第二码盘和/或第二旋转轴上的第三码盘，也可被配置为确定在第一平面内的第二旋转角度β和/或在第二平面内的第二旋转角度β；由于结构和原理类似，此处不再赘述。此处需要说明的是，如图1所示，由于激光接收组件201的光接收平面的延伸方向始终与主光轴的延伸方向垂直，光接收平面的初始延伸方向与光接收端20的可移动方向(即轨道在辅助检测位置的在检测平面内的切线方向)垂直，因此在检测平面内，主光轴的延伸方向与轨道在辅助检测位置的切线方向之间的夹角，实际上也是激光接收组件201的光接收平面的当前延伸方向与初始延伸方向在检测平面内的夹角β(如图1所示)。从而，可以基于第二码盘和/或第三码盘，确定激光接收组件201在第一平面和/或第二平面内的旋转角度，也即确定激光接收组件201的光接收平面的当前延伸方向相对于初始延伸方向在第一平面和/或第二平面内的旋转角度，也即确定了第一平面和/或第二平面内的第二旋转角度β。
59.在一种可实施方式中，光发射端10和/或光接收端20上还可以设置有水平仪模块，例如电子水平仪，以确定光发射端10和/或光接收端20的作业平台与绝对水平面的倾角。在检测轨道在第二平面(即垂直于轨道的上表面的平面)内的曲率、水平度、倾角和平滑度等参数时，由于轨道的高低起伏不同于轨道转弯，存在可参考的绝对水平面，为使测量数据在应用时更加有效，可在光发射端10和/或光接收端20上加装电子水平仪，以确定光发射端10和/或光接收端20的作业平台(即，轨道在第一位置和/或第二位置的在第二平面内的切线方向)与绝对水平面的倾角，光发射端10和/或光接收端20输出的第一旋转角度α和/或第二旋转角度β可以通过加上倾角补偿以获得激光的延伸方向和/或主光轴的延伸方向相对于绝对水平面的斜率。
60.在一种可实施方式中，如图4所示，其为激光发射组件101的一种结构示意图。激光发射组件101可包括：第一外壳1011和激光发射器1012。第一外壳1011为长方体，且包括相对的第二侧1011b和第三侧1011c。激光发射器1012设置在第一外壳1011的内部并被配置为从第一外壳1011的第二侧1011b向第一外壳1011的外部发射激光。激光的延伸方向平行于第一外壳1011从第三侧1011c到第二侧1011b的延伸方向。
61.在一个示例中，图5(a)为激光发射组件101与第一旋转组件在x-y平面的俯视图，图5(b)为激光发射组件101与第一旋转组件在y-z平面的侧视图。激光发射组件101的第一外壳1011的第一侧1011a固定地连接到光发射端10的第一旋转组件上，具体地，第一外壳1011的第一侧1011a固定地连接到第一旋转组件的可转动臂1033上，且第一侧1011a位于第二侧1011b和第三侧1011c之间。激光发射器(图5(a)和5(b)中未示出)设置在第一外壳1011的内部并被配置为从第一外壳1011的第二侧1011b向第一外壳1011的外部发射激光，且激光的延伸方向平行于第一外壳1011从第三侧1011c到第二侧1011b的延伸方向。
62.在一种可实施方式中，如图6所示，其为激光接收组件201的一种结构示意图。激光接收组件201可包括：第二外壳2011、凸透镜2012和感光元件阵列2013。第二外壳2011为长方体，且包括相对的第二侧2011b和第三侧2011c。凸透镜2012设置在第二外壳2011的第二侧2011b的壳体表面上，凸透镜2012延伸的平面即为前文所述的激光接收组件201的光接收平面，且凸透镜2012的主光轴平行于第二外壳2011从第三侧2011c到第二侧2011b的延伸方
向。感光元件阵列2013设置在第二外壳2011的内部，且排布在凸透镜2012的靠近第二外壳2011的第三侧2011c的焦平面上。在一个示例中，与图5(a)和图5(b)所示的激光发射组件101与第一旋转组件类似地，激光接收组件201的第二外壳2011具有位于第二侧2011b和第三侧2011c之间的第一侧，且外壳2011的第一侧可固定地连接到光接收端20的第二旋转组件上。具体地，第二外壳2011的第一侧可固定地连接到第二旋转组件的可转动臂上。
63.在一个示例中，感光元件阵列2013可包括排布的多个独立的感光元件，例如，排布的多个独立的光敏二极管或排布的多个独立的光敏三极管。感光元件可将接收到的光信号转换为电信号，因此，当激光通过凸透镜2012透射到排布在凸透镜2012的焦平面上的多个独立的感光元件时，通过相关的信号检测电路，可确定发生光电转换的感光元件；再根据多个感光元件在凸透镜2012的焦平面上的排布位置，则可确定激光在凸透镜2012的焦平面上的成像位置。
64.在另一个示例中，感光元件阵列2013还可包括已经被制作成感光器件矩阵的感光器件，例如，ccd图像传感器或cmos图像传感器。该感光器件可确定感光器件中每个感光单元感应到的亮度值，因此，当激光通过凸透镜2012透射到设置在凸透镜2012的焦平面上的感光器件时，通过对比各感光单元感应到的亮度值，则可确定感应到的亮度值最高的感光单元；再根据该感光单元在凸透镜2012的焦平面上的排布位置，则可确定激光在凸透镜2012的焦平面上的成像位置。
65.图7(a)、图7(b)和图7(c)为激光接收组件201的工作原理示意图。激光是平行光，一个点状的激光光源所发出的光是纤细的平行光束，这样的光束通过凸透镜，能够在凸透镜的焦平面上呈现能量密度非常高的点状光斑像。如图7(a)所示，当激光平行于凸透镜2012的主光轴入射到凸透镜2012时，能够在凸透镜2012的焦平面的焦点上成像。如图7(b)所示，当激光与凸透镜2012的主光轴成一定的角度入射到凸透镜2012时，能够在凸透镜2012的焦平面的偏离焦点处成像，该成像位置为与该激光平行且经过凸透镜2012的光心的直线(图7(b)中的虚直线)与凸透镜2012的焦平面的交点。
66.基于上述激光接收组件201的工作原理可知，如图7(c)所示，在确定感光元件阵列2013中排布在激光接收组件201的凸透镜2012的焦平面的非焦点上的感光元件感应到激光的情况下，可确定激光与凸透镜2012的主光轴成一定的角度入射到凸透镜2012；在确定感光元件阵列2013中排布在激光接收组件201的凸透镜2012的焦平面的焦点上的感光元件感应到激光的情况下，可确定激光平行于凸透镜2012的主光轴入射到凸透镜2012。从而，光接收端20通过确定感应到激光的感光元件的位置，即可确定激光是否平行于主光轴并入射至凸透镜2012。
67.在一种可实施方式中，光发射端10还可包括第一控制组件和第一通信组件，光接收端20还可包括第二控制组件和第二通信组件，且光发射端10的第一通信组件和光接收端20的第二通信组件可进行通信。第一控制组件和第二控制组件，可被配置为根据第一通信组件与第二通信组件的第一通信结果，分别控制第一旋转角度α和第二旋转角度β，以使得激光平行于主光轴并入射至凸透镜。第二控制组件可被配置为在确定感光元件阵列中排布在激光接收组件201的凸透镜的焦平面的焦点上的感光元件感应到激光的情况下，确定激光沿平行于主光轴的方向入射至凸透镜。
68.计算模块还可包括第三通信组件。计算模块课被配置为在根据第二通信组件与第
三通信组件的第三通信结果，确定激光沿平行于主光轴的方向入射至凸透镜的情况下，根据第一通信组件与第三通信组件的第二通信结果确定第一旋转角度α，以及，根据第二通信组件与第三通信组件的第三通信结果确定第二旋转角度β。
69.也就是说，光发射端10和光接收端20在分别调整激光的延伸方向和主光轴的延伸方向的过程中可进行多次协调通信，在激光平行于主光轴并入射至激光接收组件201时，光发射端10和光接收端20可分别将第一旋转角度α和第二旋转角度β协调通信至计算模块。为达到协调通信的目的，可以在光发射端10、光接收端20和计算模块加装通信线缆，或在光发射端10、光接收端20和计算模块之间建立无线通信，或将光发射端10、光接收端20和计算模块均接入移动通信网络，通过云端服务器提供中介通信。
70.在一种可实施方式中，为精确控制第一旋转组件和/或第二旋转组件，以精确调整激光的延伸方向和/或主光轴的延伸方向，并获取高精度的第一旋转角度α和/或第二旋转角度β，可在第一旋转组件和/或第二旋转组件中的第一旋转轴和/或第二旋转轴上加装步进电机和/或减速齿轮组。例如，在图8所示的光发射端10的第一旋转组件的另一种示例中，第一旋转组件还可包括步进电机801和减速齿轮组，减速齿轮组包括相互齿合的第一齿轮802和第二齿轮803。步进电机801可保证第一旋转轴1034的微小转角可控且准确；如果步进角度仍然不够小，减速齿轮组可以进一步缩小第一旋转轴1034的转角。
71.存在多种方式可以实现对激光的延伸方向和/或主光轴的延伸方向的精确调节，本技术对此不作任何限定。例如，在确定激光接收组件201的感光元件阵列未感应到激光的情况下，光发射端10的第一控制组件增大或减少第一旋转组件的旋转角度，以使感光元件阵列能够感应到激光；在确定感光元件阵列感应到激光的情况下，光发射端10的第一控制组件停止调整第一旋转组件的旋转角度，光接收端20的第二控制组件增大或减少第二旋转组件的旋转角度，以使激光的成像位置向激光接收组件201的凸透镜的焦平面的焦点靠近，反复执行上面的操作，最终使得激光的成像位置为激光接收组件201的凸透镜的焦平面的焦点(即激光接收组件201的感光元件阵列中排布在凸透镜的焦平面的焦点上的感光元件感应到激光)。
72.综上所述，本技术实施例提供的基于激光聚焦成像技术的轨道检测系统，可连续、快速和高精度地测量轨道的平滑度和水平度与倾角等，从而发现轨道起伏、断裂等问题；以及连续、快速和高精度地测量轨道的平滑度和转弯的曲率等，从而发现轨道与施工设计的差别、轨道异常弯曲形变等问题。
73.本技术实施例的另一方面还提供了用于轨道检测的光发射端，光发射端的具体实现可参考前文对光发射端10的相关描述，此处不再赘述。
74.本技术实施例的另一方面还提供了用于轨道检测的光接收端，光接收端的具体实现可参考前文对光接收端20的相关描述，此处不再赘述。
75.本技术实施例的另一方面还提供了一种电子设备。该电子设备可实现为前文所述的计算模块、第一控制组件或第二控制组件。如图9所示，其为本技术实施例提供的电子设备的一种结构框图。该电子设备可包括：至少一个处理器901；存储器902，其上存储有至少一个程序，当至少一个程序被至少一个处理器901执行，使得至少一个处理器901实现本技术实施例提供的用于执行轨道检测的至少一个方法步骤；以及，至少一个i/o接口(读写接口)903，连接在至少一个处理器901与存储器902之间，配置为实现至少一个处理器901与存
储器902的信息交互。
76.其中，处理器901为具有数据处理能力的器件，其包括但不限于中央处理器(central processing unit，cpu)等；存储器902为具有数据存储能力的器件，其包括但不限于随机存取存储器(random access memory，ram，更具体如sdram(synchronous dynamic random access memory)、ddr(data direction register)等)、只读存储器(read-only memory，rom)、带电可擦可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory，eeprom)、闪存(flash)；i/o接口903连接在处理器901与存储器902间，能实现处理器901与存储器902的信息交互，其包括但不限于数据总线(bus)等。
77.在一种可实施方式中，处理器901、存储器902和i/o接口903通过总线相互连接，进而与电子设备的其它组件连接。
78.本技术实施例的另一方面，在轨道检测系统的基础上还提供了一种使用该轨道检测系统进行轨道自动检测的轨道检测方法，从而可大幅提升施工质量和效率，并能够大幅提升轨道交通运行阶段的自动化巡检的效率，进而提升轨道运行期间的安全性和可靠性。轨道检测方法包括s1、s2和s3。
79.在s1中，光发射端10在轨道的第一位置控制第一旋转组件并确定第一旋转组件的第一旋转角度，以控制激光发射组件101发射的激光在检测平面内的延伸方向。
80.在s2中，光接收端20在轨道的第二位置控制第二旋转组件并确定第二旋转组件的第二旋转角度，以控制激光接收组件201的主光轴在检测平面内的延伸方向，以使得激光平行于主光轴并入射至激光接收组件201。
81.在s3中，计算模块根据第一旋转角度和第二旋转角度，确定轨道在待检测位置的在检测平面内的切线方向角。
82.待检测位置包括第一位置或第二位置，第一旋转角度为激光的延伸方向与轨道在第一位置的在检测平面内的切线方向之间的夹角，且第二旋转角度为主光轴的延伸方向与轨道在第二位置的在检测平面内的切线方向之间的夹角。
83.本技术实施例提供的轨道检测方法的具体实现可参考前文的相关描述，此处不再赘述。
84.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其它存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其它光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其它的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读
指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其它传输机制之类的调制数据信号中的其它数据，并且可包括任何信息递送介质。
85.本文已经公开了示例实施例，并且虽然采用了具体术语，但它们仅用于并仅应当被解释为一般说明性含义，并且不用于限制的目的。在一些示例中，对本领域技术人员显而易见的是，除非另外明确指出，否则可单独使用与特定实施方式相结合描述的特征、特性和/或元素，或可与其它实施方式相结合描述的特征、特性和/或元件组合使用。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离由所附的权利要求阐明的本技术的范围的情况下，可进行各种形式和细节上的改变。

技术特征：
1.一种轨道检测系统，包括：光发射端、光接收端，以及与所述光发射端和所述光接收端通信连接的计算模块，其中：所述光发射端包括：激光发射组件、能够操作以在所述轨道上移动的第一作业车，以及附接到所述第一作业车上的第一旋转组件，所述第一旋转组件能够操作以在所述轨道所在的检测平面内旋转所述激光发射组件；所述光接收端包括：激光接收组件、能够操作以在所述轨道上移动的第二作业车，以及附接到所述第二作业车上的第二旋转组件，所述第二旋转组件能够操作以在所述检测平面内旋转所述激光接收组件；所述光发射端被配置为在所述轨道的第一位置控制所述第一旋转组件并确定所述第一旋转组件的第一旋转角度，以控制所述激光发射组件发射的激光在所述检测平面内的延伸方向，所述光接收端被配置为在所述轨道的第二位置控制所述第二旋转组件并确定所述第二旋转组件的第二旋转角度，以控制所述激光接收组件的主光轴在所述检测平面内的延伸方向，以使得所述激光平行于所述主光轴并入射至所述激光接收组件；以及所述计算模块，被配置为根据所述第一旋转角度和所述第二旋转角度，确定所述轨道在待检测位置的在所述检测平面内的切线方向角；其中，所述待检测位置包括所述第一位置或所述第二位置，所述第一旋转角度为所述激光的延伸方向与所述轨道在所述第一位置的在所述检测平面内的切线方向之间的夹角，且所述第二旋转角度为所述主光轴的延伸方向与所述轨道在所述第二位置的在所述检测平面内的切线方向之间的夹角。2.根据权利要求1所述的轨道检测系统，其中，所述第一作业车和所述第二作业车中的至少一个包括：作业平台；以及至少一个轮组，设置在所述作业平台下方，且与所述作业平台转动连接；其中，所述至少一个轮组中的每一个包括由轮轴连接的左轮和右轮，所述左轮和所述右轮中的每一个的外侧具有滚动面和贴合面，所述滚动面与所述轨道的上表面贴合，且所述贴合面与所述轨道的内侧面贴合。3.根据权利要求2所述的轨道检测系统，其中，所述轮轴上设置有第一码盘，被配置为确定所述左轮和/或所述右轮的旋转角度。4.根据权利要求1所述的轨道检测系统，其中，所述第一旋转组件和所述第二旋转组件中的至少一个包括：可转动圆台，通过第一旋转轴与作业平台转动连接，所述可转动圆台能够操作以在第一平面内旋转；和/或可转动臂，通过第二旋转轴与所述作业平台转动连接，所述可转动臂能够操作以在第二平面内旋转；其中，所述检测平面包括所述第一平面或所述第二平面，所述第一平面平行于所述作业平台延伸的平面，所述第二平面垂直于所述第一平面。5.根据权利要求4所述的轨道检测系统，其中，在所述第一旋转轴上设置有第二码盘，被配置为确定所述可转动圆台在所述第一平面内的旋转角度；和/或
在所述第二旋转轴上设置有第三码盘，被配置为确定所述可转动臂在所述第二平面内的旋转角度。6.根据权利要求1所述的轨道检测系统，其中，所述激光发射组件包括：第一外壳，具有第一侧，以及相对的第二侧和第三侧，其中，所述第一侧位于所述第二侧和所述第三侧之间，且所述第一侧固定地连接到所述第一旋转组件；以及激光发射器，设置在所述第一外壳的内部，并被配置为从所述第二侧向所述第一外壳的外部发射所述激光；其中，所述激光的延伸方向平行于所述第一外壳从所述第三侧到所述第二侧的延伸方向。7.根据权利要求1所述的轨道检测系统，其中，所述激光接收组件包括：第二外壳，具有第一侧，以及相对的第二侧和第三侧，其中，所述第一侧位于所述第二侧和所述第三侧之间，且所述第一侧固定地连接到所述第二旋转组件；凸透镜，设置在所述第二外壳的所述第二侧的壳体表面上；以及感光元件阵列，设置在所述第二外壳的内部，且排布在所述凸透镜的靠近所述第三侧的焦平面上；其中，所述激光接收组件的所述凸透镜的所述主光轴平行于所述第二外壳从所述第三侧到所述第二侧的延伸方向。8.根据权利要求7所述的轨道检测系统，其中，所述光发射端，包括第一控制组件和第一通信组件；所述光接收端，包括第二控制组件和第二通信组件；以及所述计算模块，包括第三通信组件；其中所述第一控制组件和所述第二控制组件，被配置为根据所述第一通信组件与所述第二通信组件的第一通信结果，分别控制所述第一旋转角度和所述第二旋转角度，以使得所述激光平行于所述主光轴并入射至所述凸透镜；以及所述计算模块，被配置为根据所述第一通信组件与所述第三通信组件的第二通信结果，确定所述第一旋转角度；以及，根据所述第二通信组件与所述第三通信组件的第三通信结果，确定所述第二旋转角度。9.根据权利要求8所述的轨道检测系统，其中，所述第二控制组件，被配置为响应于确定所述感光元件阵列中排布在所述焦平面的焦点上的感光元件感应到所述激光，确定所述激光平行于所述主光轴并入射至所述凸透镜。10.一种基于轨道检测系统的轨道检测方法，其中，所述轨道检测系统，包括：光发射端、光接收端，以及与所述光发射端和所述光接收端通信连接的计算模块，其中：所述光发射端包括：激光发射组件、能够操作以在所述轨道上移动的第一作业车，以及附接到所述第一作业车上的第一旋转组件，所述第一旋转组件能够操作以在所述轨道所在的检测平面内旋转所述激光发射组件；以及所述光接收端包括：激光接收组件、能够操作以在所述轨道上移动的第二作业车，以及附接到所述第二作业车上的第二旋转组件，所述第二旋转组件能够操作以在所述检测平面内旋转所述激光接收组件；其中，所述轨道检测方法包括：
所述光发射端在所述轨道的第一位置控制所述第一旋转组件并确定所述第一旋转组件的第一旋转角度，以控制所述激光发射组件发射的激光在所述检测平面内的延伸方向；所述光接收端在所述轨道的第二位置控制所述第二旋转组件并确定所述第二旋转组件的第二旋转角度，以控制所述激光接收组件的主光轴在所述检测平面内的延伸方向，以使得所述激光平行于所述主光轴并入射至所述激光接收组件；以及所述计算模块根据所述第一旋转角度和所述第二旋转角度，确定所述轨道在待检测位置的在所述检测平面内的切线方向角；其中，所述待检测位置包括所述第一位置或所述第二位置，所述第一旋转角度为所述激光的延伸方向与所述轨道在所述第一位置的在所述检测平面内的切线方向之间的夹角，且所述第二旋转角度为所述主光轴的延伸方向与所述轨道在所述第二位置的在所述检测平面内的切线方向之间的夹角。

技术总结
轨道检测系统，包括：光发射端、光接收端和计算模块。光发射端包括：激光发射组件、第一作业车和附接到第一作业车上的第一旋转组件，第一旋转组件能够操作以在轨道所在的检测平面内旋转激光发射组件。光接收端包括：激光接收组件、第二作业车和附接到第二作业车上的第二旋转组件，第二旋转组件能够操作以在检测平面内旋转激光接收组件。光发射端和光接收端被配置为分别在轨道的第一位置和第二位置分别控制激光的延伸方向和激光接收组件的主光轴的延伸方向，以使得激光平行于主光轴并入射至激光接收组件。计算模块，被配置为根据激光和主光轴的延伸方向，确定轨道在第一位置和/或第二位置的在检测平面内的切线方向角。二位置的在检测平面内的切线方向角。二位置的在检测平面内的切线方向角。


技术研发人员：李笑君
受保护的技术使用者：李笑君
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/6/27