绝对相对型惯导精调测量机器人关键技术研究

绝对相对型惯导精调测量机器人关键技术研究

吴剑锋1、蒋万军1、曹强1、孙波2、朱康宁1、郭志强2

中交二公局铁路建设有限公司（西安 710000）

2中国交建轨道交通事业部（分公司）（北京 100000）

摘  要：受地基沉降差异性影响，新建及运营轨道都可能发生不等量沉降变形，对轨道质量的检测需求也更加迫切。现有轨道控制网CPⅢ和轨道几何状态测量仪，其作业效率及测量精度低。本文通过研究提出了基于绝对+相对型的精调测量机器人技术，并对测量重复性精度、外符合性精度及调整前后精度等进行了系统研究，验证了该测量技术的可靠性，为进一步推广应用提供了理论及实测试验支撑。

关键词：轨道测量；测量；测量机器人；施工；轨道状态

0引言

目前，全国近40个城市轨道交通建设规划获得国务院批复。轨道工程具有工期短、速度快、施工交叉频繁等特点,惯导轨道测量仪将在城市轨道交通中广泛应用,为铺轨施工提供有力保障。与现有方案相比,惯导轨道测量仪不受CPⅢ控制网限制,能快速精密测量轨道几何状态,提升普速线路的检测水平,更具推广性。

国内有瑞邦、日月明等公司生产同类型产品,但这些产品只搭载单一传感器,测量过程中若数据异常需重测,且测量前提是里程要精准。瑞邦/日月明等产品操作简单,但数据异常不易察觉,且无CPIII时不能进行绝对测量。传统轨道测量仪效率低,无CPIII时需耗费大量人力,数据不能反映铁路细节。

1 测量机器人方案

选择了MP-POS830高精度激光惯导作为原型系统，其惯性测量单元IMU由3个激光陀螺仪、3轴石英加速度计等组成。软件方面，数据采集软件适应了城市轨道线路设计，改进了超高测量方式；数据分析软件根据扣件/垫板类型、轨道设计参数、轨道验收标准以及实测轨道几何形状，生成了扣件/垫板更换方案。测量小车设计考虑了城市轨道小半径曲线和轨距测量，保证了轨距、水平、轨向、高低、规矩变化等参数的测量准确性。

测量系统包括软件层、设备层、通讯层、操作层。

操作层：指的是对作业人员的培训，人员掌握系统的内核，才能让系统发挥最大的效率。

通讯层：基于现在的测量模式，蓝牙可以做为软件（电脑）和全站仪通讯的首选方式。数传电台做为软件和精调机器人之间的通讯，精调机器人为2或4个，需要进行分组控制。

设备层：精调机器人（遥控行程扳手）系本次研发的重点，扭力与抗扭、电机选型、传动方式等都是需要仔细考虑的。其它项目都是配套的设备。

软件层：包含精调软件的改造，新开发的是精调机器人需要嵌入式软件的研发。

2重复性精度研究

2.1测试概述

2.1.1测试设备

测试设备采用国产全站仪惯导型轨道几何状态测量仪(AIS800T)一套,轨道几何状态测量仪(GRP1000)一套,为了充分验证设备重复性,现场对同一段轨道进行了两次测量。

2.1.2测试环境

本次测试测段里程:惯导轨道测量仪,测量里程为:DK56+500~DK58+900,约400m;常规小车,测量里程为:DK56+700~DK57+100,约400m。整个测段包含平曲线、竖曲线、超高。

2.1.3数据采集

常规小车:全站仪架设在轨道中线附近,整平后用6~8个CPIII点后方交会自由设站,精度满足后瞄准精密棱镜,小车停在轨枕位置测量一次。每个测站测量60m,效率10m/h。起点里程DK56+748.03m,终点里程DK57+033.81m。

惯导轨道测量仪:全站仪在小车上,每10~180m用6~8个CPIII点进行一次绝对控制,测站间用组合导航系统实现高精度移动测量,速度≤15km/h,效率.4km/h。起点里程DK56+554.58m,终点里程DK58+809.4m。

2.2惯导轨道测量仪测量重复性

惯导轨道测量仪重复性统计结果如下:

表1惯导轨道测量仪重复性统计表

可以看出,轨道横向偏差重复性、轨道垂向偏差重复性、轨距偏差重复性均满足轨道几何状态测量仪相关技术标准。

2.3常规小车测量重复性

轨道几何状态测量仪(常规小车)重复性统计结果如下:

表2轨道几何状态测量仪重复性统计表

可以看出，轨道横向偏差重复性满足轨道几何状态测量仪相关技术标准，轨道垂向偏差重复性、超高偏差重复性、轨距偏差重复性不完全满足精度要求。

2.4重复性测量精度分析

2.4.1测量精度

从本次现场试验数据分析,惯导轨道测量仪在轨道横向偏差重复性、轨道垂向偏差重复性、超高偏差重复性、轨距重复性四个基础精度指标上优于常规小车,且满足轨道几何状态测量仪相关技术指标。

2.4.2测量效率

惯导轨道测量仪:采用绝对+相对的测量模式,每10m使用轨道控制网进行绝对约束,推行过程中依靠惯导相对测量,其绝对测量精度依托轨道控制网,相对测量依靠惯性导航系统。测量数据基本不受换站搭接影响,数据跳动小,精度好。

常规小车:采用绝对测量模式,每60m一测站,测站与测站之间搭接8~12根轨枕,全站仪测量一次静止小车上的棱镜，得到一条测量成果。测量偶然误差大,数据跳动大,不利于轨道精调。

经对比后发现惯导轨道测量仪测量效率远远优于常规小车,其测量效率是常规小车的15~20倍,且操作简单。

3外符合精度研究

3.1测试概述

分别使用常规小车、惯导轨道测量仪对同一段轨道进行测量,包含一条完整的右转曲线,超高44mm。测量过程中以轨枕为基准,设站位置尽可能一致,精度不满足要求的轨道控制网CPIII同步进行剔除。

3.2实测轨距外符合

从成果数据来看,整个测段惯导轨道测量仪与常规小车轨距实测值一致性较好,整体趋势一致,两套设备轨距实测值之差最大值0.63mm,最小值-0.33mm,标准差0.15mm。在常规小车换站位置附近,数据波动较大

图3 实测轨距整体趋势图

图4 实测轨距外符合图

3.3超高偏差外符合

从成果数据来看,整个测段惯导轨道测量仪与常规小车超高偏差一致性较差,但波形一致,两套设备超高偏差之差最大值1.7mm,最小值-1.1mm,标准差0.86mm。在常规小车超高偏差会随着设站、线路设计线型的不同呈现规律性差异,从直缓点开始逐渐变大,圆曲线上两者差异是恒定值,从圆缓点逐渐变小,在直线上趋于恒定。

图5 超高偏差整体趋势图

图6 超高偏差外符合图

3.4轨道横向偏差外符合

从成果数据来看,整个测段惯导轨道测量仪与常规小车轨道横向偏差一致性较好,整体趋势一致,两套设备轨道横向偏差标准差0.57mm。在常规小车换站位置附近,数据波动较大。

图7 轨道横向偏差整体趋势图

图8 轨道横向偏差外符合图

3.5轨道垂向偏差外符合

从成果数据来看,整个测段惯导轨道测量仪与常规小车轨道垂向偏差外符合一致性较差,波形一致性相对于其他三项指标较差,两套设备轨道垂向偏差之差最大值.5mm,最小值-1.99mm,标准差0.99mm。常规小车轨道垂向偏差会随着设站呈现规律性差异。

图9 轨道垂向偏差整体趋势图

图10 轨道垂向偏差外符合图

本次惯导轨道测量仪外符合评估中,以现场使用的常规小车为基准,其轨距实测值、轨道横向偏差外符合相对较好,轨道变化趋势整体趋势一致。从数据上分析,惯导轨道测量仪整体测量效果由于常规小车。

4调整前后对比分析

通过对轨道调整前后的对比数据分析,获得以下结论。

（1）左/右轨横向/垂向偏差值,可能会因为设备安装、检校以及其他因素导致测量成果在整个测段或某一区段内存在一个系统差值。

（2）轨向/高低短波不平顺成果更适合于评估变化情况。实际上,长轨精调阶段,若出现DK57+150~DK57+180m里程段,轨道横向偏差超过设计要求时,才会根据偏差量进行调整,除此之外将轨道调平顺即可。

（3）向偏差/垂向偏差发生同步变化,从横向偏差/垂向偏差量上很难发现是轨道动了还是其他因素引起的,但是从短波不平顺成果上很容易发现。

（4）从统计的结果来看,轨向调整量要大于高低的调整量。

（5）本次调整前后数据对比的意义在于验证惯导轨道测量仪测量精度,即能否发现现场轨道调整的位置及大小。

(6)调整后轨道调整量、不平顺，逐个数值对比意义不大,因此本文未做比对。

5结论

针对轨道建设及维检问题，提出一种结合全站仪和惯性导航系统的惯导测量机器人技术,实现了对轨道的快速精准测量。

通过实测数据对比，该测量技术各项精度及效率，优于传统测量方法。为今后类似技术创新提供了参考价值,具有较高的推广意义。

作者简介：吴剑锋（1979.2—）男，四川通江人，大学学历、工程师、一级建造师，中交二公局铁路建设有限公司广州铺轨项目经理，从事地铁、市政工程施工工作