车载轨道检测系统能够对钢轨的几何参数进行实时检测、掌握其状态变化，是铁路基础设施养护维修和保障列车运行安全的重要装备。近年来，随着我国大量建设高速度等级的铁路线路，列车运行速度不断提升，乘客对舒适性的要求进一步提高，因此对轨道几何状态的控制也提出了更高的要求，需要不断研制更高精度、更可靠的轨道检测系统［1-3］。

世界各国的轨道检测设备随着现代科技数字化技术的进步同步发展，主要体现在以下2 个方面：一是传统轨道检测系统的数字化改进；二是基于数字技术的全新设计。近年来，俄罗斯圣彼得堡电子技术大学开发的惯性技术测量系统（Inertial Tech?nology Measurement System，ITMS）以及瑞士的数字激光轨道检测系统等都是直接采用基于数字技术的全新设计。

我国的轨道检测系统经历长期发展已经有6 代产品。其中，GJ-4 型轨道检测系统采用伺服跟踪式检测技术，全部使用模拟信号传感器，经过计算机采样后再使用数字滤波技术，波形和超限判断都通过计算机显示和输出［4］。GJ-5 型轨道检测系统引进美国的激光摄像式检测技术，采用8个模拟信号相机，加速度计和陀螺仍采用模拟信号传感器，经过A/D 转换后进入计算机中进行处理［5］，该系统也只是在后端使用了数字化技术。2009年，研制出GJ-6 型轨道检测系统并大量应用，该系统采用了激光摄像检测技术，使用数字相机和数字图像处理技术，但陀螺、加速度计和位移计仍然是模拟信号传感器，经过A/D 转换后进行数字化处理，是目前广泛使用的轨道几何参数检测系统［6-7］。

本文设计和研制基于控制器局域网（CAN）总线的车载轨道检测系统，其全部使用数字信号传感器通过CAN 总线组成信号传输网络，而且与前几代轨道检测系统将惯性器件安装在车体上不同，该系统将测量用的传感器全部安装到车下，将激光摄像组件和集成的惯性组件安装在检测梁上，分别用于测量检测梁与轨道之间的位移和姿态。根据传感器安装位置与轨道之间的相对位置关系，建立新的数学计算模型，通过数字信号采集和处理方法，对轨道几何参数进行合成计算，随车实时在线检测，为铁路工务部门提供有效数据，指导轨道养护维修。

1 基本原理及组成

基于CAN 总线的车载轨道检测系统结构如图1所示，在车下转向架上悬挂检测梁，检测梁左、右2 侧安装激光摄像组件，用于测量钢轨左、右轨距点的横向位移和左、右轨顶点的垂向位移。将测量用的分立式惯性传感器集成为惯性组件，其内部由3 个轴向的陀螺和3 个轴向的加速度计组成，安装在检测梁中间，用于测量检测梁的姿态。数字式地面标志传感器ALD（简称数字ALD）安装在检测梁外部，用于探测道岔、桥梁等地面标识。车体上一侧安装数字加速度计，用于测量车体横向和垂向加速度。车上计算机设备通过CAN 总线接收并处理传感器信号，根据相应的轨道几何参数数学模型，对信号进行滤波、补偿等数据处理，最终获得轨道几何参数，同时系统还接受GPS 的信息进行里程修正。

图1 基于CAN总线的车载轨道检测系统结构示意图

2 硬件设计

2.1 检测梁

安装在转向架上的检测梁结构示意图如图2所示。检测梁主要由吊臂、梁体、激光摄像组件、惯性组件、惯性组件防护罩、遮阳罩、减震垫、调整垫片等组成。

检测梁选取材质坚硬的材料，以保障与所有传感器相互之间牢固安装，检测梁的重量经过严格控制，不影响转向架的惯性特性。在安全方面，对检测梁的平衡负重、结构寿命和强度进行了设计和检验。在减振装置设计上，考虑安装连接环节安全余量，在线路恶劣的环境下能够保护传感器和布置的线缆不松动或下落，当机械主体部分受到冲击振动，能够确保检测梁运用安全。

图2 安装在转向架上检测梁结构示意图

2.2 激光摄像组件

激光摄像组件内部安装有激光器和高速相机，如图3所示。激光器发出的光源在钢轨表面形成能量较高的窄光带，便于高速相机提取钢轨的轮廓外形，激光器光源的光谱特性、强度和稳定性都会对摄像机采集到的图形质量产生影响。高速相机透过光学玻璃片获取轨道图像信息，相机的分辨率、帧频速度、曝光时间等方面都需要满足相应的指标，达到高速采集的要求。

图3 激光摄像组件结构图

采集到的钢轨断面图像经过灰度提取、细化、坐标转换等一系列处理后得到钢轨轮廓，提取轨距点和轨顶点得到在测量坐标系内钢轨的横向、垂向位移，2 者是测量轨道几何参数的重要分量，钢轨断面图像处理过程及效果如图4所示［8-11］。

文章来源：《数字技术与应用》 网址: http://www.szjsyyyzz.cn/qikandaodu/2021/0115/1094.html