一种轨枕智能铺设系统及其方法
阅读说明：本技术 一种轨枕智能铺设系统及其方法 (Intelligent sleeper laying system and method ) 是由 伍艳良 马传松 曾观福 谢灵 杨少芹 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及轨枕铺设技术领域,更具体地,涉及一种轨枕智能铺设系统及其方法,包括铺轨车,所述铺轨车内设有驾驶系统,所述铺轨车上设有若干GNSS移动站和360°棱镜组件,所述GNSS移动站无线通信连接有基站,所述360°棱镜组件无线通信连接有全站仪；所述系统还包括设于所述铺轨车内的控制系统,所述驾驶系统、GNSS移动站、360°棱镜组件、基站、全站仪均与控制系统通信连接。本发明能够实现自动放样以及输出,能够精准指导轨枕铺设,提高工作效率。(The invention relates to the technical field of sleeper laying, in particular to an intelligent sleeper laying system and a method thereof, wherein the intelligent sleeper laying system comprises a track laying vehicle, a driving system is arranged in the track laying vehicle, a plurality of GNSS mobile stations and a 360-degree prism assembly are arranged on the track laying vehicle, the GNSS mobile stations are in wireless communication connection with a base station, and the 360-degree prism assembly is in wireless communication connection with a total station; the system also comprises a control system arranged in the track laying vehicle, and the driving system, the GNSS mobile station, the 360-degree prism assembly, the base station and the total station are all in communication connection with the control system. The invention can realize automatic lofting and output, can accurately guide the sleeper laying and improve the working efficiency.)
技术领域
本发明涉及轨枕铺设技术领域，更具体地，涉及一种轨枕智能铺设系统及其方法。
背景技术
铺轨机在进行铺轨工作时需要将车体所装载的每一块轨枕按照一定的间距铺设在道渣上，并且每块轨枕的中心位置须准确地落在到铁轨线路的设计中线上，因此铺轨车车头、车体的点位以及移动路线决定了铺轨工作精度和质量的高低。
传统的轨枕铺设采用人工放样方式，其方法主要是在铁道线路上铺一条与线路设计中线几乎吻合的线作为指导线，通过铺轨车车头中点的摄像头追踪该线，并进行人工放样。该方法在人工中线放样上会存在一定的人为误差，并且工作效率低下。
公开号为CN111519482A的中国专利文献，公开了一种铺轨机的导航控制方法、铺轨机及铺轨机系统，通过全站仪获取的铺轨机车头的实时坐标，以及获取预设规划路线中靠近实时坐标点的两个虚拟坐标点坐标，根据两个虚拟坐标点坐标以及全站仪获取的实时坐标得出铺轨机相对预设规划路径的偏移情况，最后指导铺轨车运行。
但上述方案需要人工进行换站的次数较多，且方式单一，自动化程度较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于GNSS与全站仪的轨枕智能铺设方法，能够实现自动放样以及输出，能够精准指导轨枕铺设，提高工作效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种轨枕智能铺设系统，包括铺轨车，所述铺轨车内设有驾驶系统，所述铺轨车上设有若干GNSS移动站和360°棱镜组件，所述GNSS移动站无线通信连接有基站，所述360°棱镜组件无线通信连接有全站仪；所述系统还包括设于所述铺轨车内的控制系统，所述驾驶系统、GNSS移动站、360°棱镜组件、基站、全站仪均与控制系统通信连接。
优选地，所述铺轨车包括车头和与所述车头连接的车体；所述控制系统设于所述车头内；所述GNSS移动站、360°棱镜组件均设置有三个，三个所述GNSS移动站分别装设于所述车头前端、车体前端与后端中线位置；三个所述360°棱镜组件也分别装设于所述车头前端、车体前端与后端中线位置。
本发明还提供一种轨枕智能铺设方法，包括如下步骤：
S1.通过控制系统对设计中线按一定的间距划分为多个点位，得到相应的设计中线坐标以及点位坐标；
S2.根据CPI、CPII、CPIII的控制点设置基站，以及在铺轨车上设置多个GNSS移动站；
S3.根据全站仪后方交会定向法设置全站仪，以及在所述铺轨车上设置多个360°棱镜组件；
S4.实时检测所述铺轨车当前位置的GNSS信号：若每个GNSS移动站接收到的GNSS信号与基站接收到的GNSS信号中具有四个及以上相同的GNSS卫星发出的信号，则执行步骤S5，否则执行步骤S6；
S5.通过GNSS移动站向所述控制系统反馈所述铺轨车的当前位置坐标，并控制所述铺轨车沿所述设计中线从当前点位移动至下一点位坐标位置进行轨枕铺设，然后执行步骤S7；在移动的过程中，所述控制系统通过计算铺轨车的当前位置坐标与设计中线坐标之间的偏差量，再根据所述偏差量对铺轨车的移动方位进行实时调控；
S6.通过360°棱镜组件向所述控制系统反馈所述铺轨车的当前位置坐标，并控制所述铺轨车沿所述设计中线从当前点位移动至下一点位坐标进行轨枕铺设，然后执行步骤S7；在移动的过程中，所述控制系统通过计算铺轨车的当前位置坐标与设计中线坐标之间的偏差量，再根据所述偏差量对铺轨车的移动方位进行实时调控；
S7.若所述铺轨车还未移动至与设计中线的末端点位坐标位置相对应的位置，则返回步骤S4，否则完成枕轨铺设。
进一步地，在步骤S1中，多个点位包括起始点位、终点点位，还包括位于所述起始点位与终点点位之间的若干中间点位。
进一步地，所述步骤S5具体包括如下步骤：
S51.若铺轨区处已具有铺设好的部分轨道，则执行步骤S52，否则执行步骤S53；
S52.所述控制系统控制所述铺轨车移动至所述部分轨道的末端，然后执行步骤S54；
S53.所述控制系统根据起始点位的坐标控制所述铺轨车在铺轨区中移动至与起始点位的坐标位置相对应的位置，然后执行步骤S54；
S54.所述控制系统通过GNSS移动站以及基站控制所述铺轨车沿所述设计中线从当前点位移动至下一点位坐标进行轨枕铺设；在移动的过程中，所述控制系统通过计算铺轨车的当前位置坐标与下一点位坐标之间的偏差量，再根据所述偏差量对铺轨车的移动方位进行实时调控，然后执行步骤S7。
进一步地，所述步骤S6具体包括如下步骤：
S61.若铺轨区处已具有铺设好的部分轨道，则执行步骤S62，否则执行步骤S63；
S62.所述控制系统控制所述铺轨车移动至所述部分轨道的末端，然后执行步骤S64；
S63.所述控制系统根据起始点位的坐标控制所述铺轨车在铺轨区中移动至与起始点位的坐标位置相对应的位置，然后执行步骤S64；
S64.所述控制系统通过360°棱镜组件以及全站仪控制所述铺轨车沿所述设计中线从当前点位移动至下一点位坐标进行轨枕铺设；在移动的过程中，所述控制系统通过计算铺轨车的当前位置坐标与下一点位坐标之间的偏差量，再根据所述偏差量对铺轨车的移动方位进行实时调控，然后执行步骤S7。
进一步地，在步骤S54和步骤S64中，所述偏差量包括纵向偏差量和横向偏差量；
所述横向偏差量的计算公式为：
Ax+By+C＝0；
式中，d表示所述横向偏差量，(x1,y1)表示所述铺轨车的当前位置坐标；Ax+By+C＝0表示经过两个点位坐标的直线表达式，且该两个点位与所述铺轨车当前位置坐标相邻；
所述纵向偏差量的计算公式为：
式中，v表示所述纵向偏差量，A、B、C分别表示直线表达式Ax+By+C＝0的系数，(x2,y2)表示所述铺轨车的当前位置坐标到所述设计中线的垂足点坐标，(xN,yN)表示下一点位的坐标。
进一步地，在步骤S54中，当超出所述基站的可测量范围时，则对所述基站进行重新设站；在步骤S64中，当超出所述全站仪的可测量范围时，则对所述全站仪进行重新设站。
进一步地，在步骤S2中，所述铺轨车上装设三个所述GNSS移动站，所述GNSS移动站位于所述铺轨车的中线位置；在步骤S3中，所述铺轨车上装设三个所述360°棱镜组件，所述360°棱镜组件位于所述铺轨车的中线位置。
进一步地，所述铺轨车包括车头和与所述车头连接的车体；三个所述GNSS移动站分别装设于所述车头前端、车体前端与后端位置；三个所述360°棱镜组件也分别装设于所述车头前端、车体前端与后端位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明为一种轨枕智能铺设系统及其方法，通过检测GNSS信号的强弱来进行铺轨车位置测量仪器的切换，结合GNSS技术以及全站仪来对铺轨车进行测量，能够针对不同的环境选择不同的测量方式，以提高测量精度，还能够增加适用范围，提高铺轨效率。
当GNSS信号较强时，以基站作为基准点，控制系统通过GNSS移动站实现掌握铺轨车当前位置坐标和设计中线点位坐标之间的偏差量，根据该偏差量对铺轨车的移动方位进行实时调控，实现铺轨车的精准定向移动；而当GNSS信号较弱时，以全站仪作为基准点，控制系统通过360°棱镜组件实现掌握铺轨车当前位置坐标和设计中线点位坐标之间的偏差量，再根据该偏差量对铺轨车的移动方位进行实时调控，对实现铺轨车的精准定向移动。
附图说明
图1为本发明一种轨枕智能铺设系统的结构示意图；
图2为本发明一种基于GNSS与全站仪的轨枕智能铺设方法的流程图；
图3为本发明铺轨车、基站、GNSS卫星之间的通信连接示意图；
图4为本发明设计中线的结构示意图；
图5为本发明基站可测范围的示意图；
图6为本发明全站仪可测范围的示意图；
图7为本发明偏差量计算的示意图。
图示标记说明如下：
1-铺轨车，11-车头，12-车体，2-GNSS移动站，3-360°棱镜组件，4-基站，5-GNSS卫星，6-设计中线，61-起始点位，62-中间点位，63-终点点位，7-全站仪。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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发明和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1所示为本发明一种轨枕智能铺设系统的实施例，包括铺轨车1，铺轨车1内设有驾驶系统，铺轨车1上设有若干GNSS移动站2和360°棱镜组件3，GNSS移动站2无线通信连接有基站4，360°棱镜组件3无线通信连接有全站仪7；系统还包括设于铺轨车1内的控制系统，驾驶系统、GNSS移动站2、360°棱镜组件3均与控制系统通信连接，基站4、全站仪7均与控制系统无线通信连接。GNSS移动站2与基站4用于接收GNSS卫星发射的信号。
如图1所示，铺轨车1包括车头11和与车头11连接的车体12；控制系统设于车头11内；GNSS移动站2、360°棱镜组件3均设置有三个，三个GNSS移动站2分别装设于车头11前端、车体12前端与后端中线位置；三个360°棱镜组件3也分别装设于车头11前端、车体12前端与后端中线位置。
本实施例中控制系统包括处理器和与处理器通信连接的显示屏、存储器、信号收发器。
实施例2
如图1至图7所示为本发明一种轨枕智能铺设方法的第一实施例，包括如下步骤：
S1.通过控制系统对设计中线6按一定的间距划分为多个点位，得到相应的设计中线坐标以及点位坐标；
需要说明的是，该间距可根据设计单位提供的文件按实际情况进行确定，例如，当要求0.6米放一根轨枕，放置14根轨枕则为8.4米，那么此时设置该间距为8.4米。
其中，多个点位包括起始点位61、终点点位63，还包括排列于起始点位61与终点点位63之间的多个中间点位62，如图4所示。
S2.根据CPI、CPII、CPIII的控制点设置一个基站4，以及在铺轨车1上设置多个GNSS移动站2；本实施例中基站4为GNSS基准站；
其中，CPI为基础平面控制网，CPII为线路平面控制网，CPIII为轨道控制网；本实施例中铺轨车1上装设三个GNSS移动站2，具体地，三个GNSS移动站2分别装设于车头11前端的中线位置、车体12前端的中线位置与车体12后端的中线位置。
S3.根据全站仪后方交会定向法设置一个全站仪7，以及在铺轨车1上设置多个360°棱镜组件3；
其中，铺轨车1上装设三个360°棱镜组件3，具体地，三个360°棱镜组件3也分别装设于车头11前端的中线位置、车体12前端的中线位置与车体12后端的中线位置。
S4.实时检测铺轨车1当前位置的GNSS信号：若每个GNSS移动站2接收到的GNSS信号与基站4接收到的GNSS信号中具有四个及以上相同的GNSS卫星5发出的信号，则执行步骤S5，否则执行步骤S6。
S5.通过GNSS移动站2向控制系统反馈铺轨车1的当前位置坐标，并控制铺轨车1沿设计中线6从当前点位移动至下一点位坐标位置进行轨枕铺设，然后执行步骤S7；在移动的过程中，控制系统通过计算铺轨车1的当前位置坐标与设计中线坐标之间的偏差量，再根据偏差量对铺轨车1的移动方位进行实时调控。
S6.通过360°棱镜组件3向控制系统反馈铺轨车1的当前位置坐标，并控制铺轨车1沿设计中线6从当前点位移动至下一点位坐标进行轨枕铺设，然后执行步骤S7；在移动的过程中，控制系统通过计算铺轨车1的当前位置坐标与设计中线坐标之间的偏差量，再根据偏差量对铺轨车1的移动方位进行实时调控。
S7.若铺轨车1还未移动至与终点点位63坐标位置相对应的位置，则返回步骤S4，否则完成枕轨铺设。
需要说明的是，步骤S2与步骤S3之间无先后顺序。
本发明通过检测GNSS信号的强弱来进行铺轨车1位置测量仪器的切换，结合GNSS技术以及全站仪7对铺轨车1进行测量，能够针对不同的环境选择不同的测量方式，以提高测量精度，还能够增加适用范围，提高铺轨效率。
当GNSS信号较强时，以基站4作为基准点，控制系统通过GNSS移动站2实现掌握铺轨车1当前位置坐标和设计中线6点位坐标之间的偏差量，根据该偏差量对铺轨车1的移动方位进行实时调控，实现铺轨车1的精准定向移动；而当GNSS信号较弱时，以全站仪7作为基准点，控制系统通过360°棱镜组件3实现掌握铺轨车1当前位置坐标和设计中线6点位坐标之间的偏差量，再根据该偏差量对铺轨车1的移动方位进行实时调控，对实现铺轨车1的精准定向移动。
实施例3
本实施例与实施例2类似，所不同之处在于，本实施例中步骤S5具体包括如下步骤：
S51.若铺轨区处已具有铺设好的部分轨道，则执行步骤S52，否则执行步骤S53；
需要说明的是，在进行轨道铺设时分为两种情况，第一种情况为轨道已完成部分铺设，现需要紧接着完成铺设的部分轨道进行继续铺设，则此时执行步骤S52；第二种情况为铺轨区还未铺设轨道，则执行步骤S53。
S52.处理器控制铺轨车1的驾驶系统，使铺轨车1移动至部分轨道的末端，然后执行步骤S54；
S53.控制系统根据起始点位61的坐标控制铺轨车1在铺轨区中移动至与起始点位61的坐标位置相对应的位置，然后执行步骤S54；
S54.控制系统通过GNSS移动站2以及基站4控制铺轨车1沿设计中线6从当前点位移动至下一点位坐标进行轨枕铺设；
当首次执行步骤S54时，则控制铺轨车1沿设计中线6从起始点位61移动至与其相邻的中间点位62；当不属于首次执行步骤S54时，则控制铺轨车1沿设计中线6从当前中间点位62移动至下一中间点位62或终点点位63；
在移动的过程中，控制系统通过三个GNSS移动站2分别得到车头11前端、车体12前端、车体12后端的当前位置坐标，然后计算三个当前位置坐标与下一点位坐标之间的偏差量，再根据偏差量对铺轨车1的移动方位进行实时调控，当车头11移动至下一点位时停止，然后执行步骤S7；
其中，如图7所示，偏差量包括纵向偏差量和横向偏差量；
横向偏差量的计算公式为：
Ax+By+C＝0；
式中，d表示横向偏差量，P1点(x1,y1)表示车头11前端、车体12前端或车体12后端的当前位置坐标；Ax+By+C＝0表示经过M点(xM,yM)与N点(xN,yN)两个点位坐标的直线表达式，M点(xM,yM)表示铺轨车1已经经过的且与其当前位置相邻的点位，N点(xN,yN)表示铺轨车1还未经过的且与其当前位置相邻的点位；
纵向偏差量的计算公式为：
式中，v表示纵向偏差量，A、B、C分别表示直线表达式Ax+By+C＝0的系数，P2点(x2,y2)表示车头11前端、车体12前端或车体12后端的当前位置坐标到设计中线6的垂足点坐标，(xN,yN)表示铺轨车1还未经过的且与其当前位置相邻的点位，即，也表示下一点位的坐标。
具体地，当铺轨车1沿设计中线6从起始点位61移动至与其相邻的中间点位62时，控制系统通过该起始点位61与中间点位62得到相应的直线表达式Ax+By+C＝0，再根据横向、纵向偏差量的计算公式得到相应的偏差量，然后通过偏差量对铺轨车1的移动方位进行实时调控。
在步骤S54中，当超出基站4的可测量范围时，则对基站4进行重新设站，如图5所示。本实施例中基站4的可测量范围为5000米。具体地，基站4换站时可利用拉轨的间隙同步进行，能够提高作业效率。
本实施例中步骤S6具体包括如下步骤：
S61.若铺轨区处已具有铺设好的部分轨道，则执行步骤S62，否则执行步骤S63；
S62.处理器控制铺轨车1的驾驶系统，使铺轨车1移动至部分轨道的末端，然后执行步骤S64；
S63.控制系统根据起始点位61的坐标控制铺轨车1在铺轨区中移动至与起始点位61的坐标位置相对应的位置，然后执行步骤S64；
S64.控制系统通过360°棱镜组件3以及全站仪7控制铺轨车1沿设计中线6从当前点位移动至下一点位坐标进行轨枕铺设；
在移动的过程中，控制系统通过三个360°棱镜组件3分别得到车头11前端、车体12前端、车体12后端的当前位置坐标，然后计算三个当前位置坐标与下一点位坐标之间的偏差量，再根据偏差量对铺轨车1的移动方位进行实时调控，当车头11移动至下一点位时停止，然后执行步骤S7；
其中，如图7所示，偏差量包括纵向偏差量和横向偏差量；
横向偏差量的计算公式为：
Ax+By+C＝0；
式中，d表示横向偏差量，P1点(x1,y1)表示车头11前端、车体12前端或车体12后端的当前位置坐标；Ax+By+C＝0表示经过M、N两个点位坐标的直线表达式，且M、N两个点位与铺轨车1当前位置坐标相邻；
纵向偏差量的计算公式为：
式中，v表示纵向偏差量，A、B、C分别表示直线表达式Ax+By+C＝0的系数，P2点(x2,y2)表示车头11前端、车体12前端或车体12后端的当前位置坐标到设计中线6的垂足点坐标。
在步骤S64中，当超出全站仪7的可测量范围时，则对全站仪7进行重新设站，如图6所示。本实施例中全站仪7的可测量范围为200米。具体地，全站仪7换站时可利用拉轨的间隙同步进行，能够提高作业效率。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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