基于激光扫描技术的轨道检测与曲线整正算法设计

摘要

既有铁路线路检测与维修是保障线路运营平顺、舒适和安全稳定的重要手段，高标准的线路需要高精度、全方位的线路检测方法。三维激光扫描技术以其具有全天候、大信息、不干扰行车的特点在既有线复测中得到推广应用，但三维激光扫描数据在轨道检测中的应用尚有许多技术问题需要解决。本文以既有线曲线整正问题为主要研究对象，从基于点云信息的曲率及曲率变化率分析、曲线重构等方面入手，深入研究以下几个方面问题：
　　1.研究三维激光扫描技术在既有线复测中应用方法
　　研究可应用于既有线复测的三维激光扫描设备选型问题，根据资料分析和现场试验，建议采用高精度的相位式扫描仪及“之”字型扫描方式，以不大于50m间距方式进行外业勘测。结合实测资料，通过点云数据处理、线路特征数据提取与精度分析验证勘测方案的可行性。
　　2.不同测点间距条件下的曲率及曲率变化率分析
　　根据利用三维激光扫描技术获取的点云数据信息，采用三次样条曲线实现既有线路轨迹的拟合，获取不同测点间距（20m、10m、5m）条件下的曲率及曲率变化率。经分析发现，采用5m测点间隔条件下的曲率变化率能够较好地反映轨道结构的连续变化特征，建议在高标准的线路曲线状态检测与整正过程中采用5m弦长。同时，结合曲线线形设计及检测标准，分析造成曲率变化率检测中静态与动态标准不统一的根本原因。
　　3.研究基于点云数据的曲线参数重构算法及其应用问题
　　根据点云数据获取不同间距条件下的线路坐标，综合考虑测点的平面坐标（x，y）的变化过程，设计了基于正交最小二乘原理的平面线形拟合方法，利用ZH及JD附近线路的曲率特征进行线路初始参数获取，通过不断迭代实现平面曲线线形的优化重构。结合具体数据进行20m、10m、5m测点间距条件下的曲线参数重构及测点平面调整量的计算，最终发现采用10m、5m弦长计算的测点平面调整量明显优于20m弦长的计算结果，也符合客运专线按照5m弦长进行曲线状态检测的要求。

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目录

1绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3主要研究内容

1.4 论文结构

2 线路点云数据处理及特征线路提取

2.1概述

2.2试验段选取及仪器选型

2.3 点云数据获取

2.4点云数据预处理

2.5 线路特征数据提取

2.6精度分析

2.7 本章小结

3 基于连续曲率变化的既有铁路曲线状态检测

3.1 曲率的定义及铁路曲线曲率特性

3.2 三次样条曲线分析测点曲率

3.3 基于连续曲率变化的既有铁路曲线轨向静态检测

3.3曲率变化率超限分析

3.4 本章小结

4 既有铁路曲线参数重构与整正算法设计

4.1概述

4.2 基于正交最小二乘原理的平面线形拟合

4.3 线路平面线形分段及参数重构

4.4不同弦长的线形参数与平面调整量分析

4.5本章小结

5结论与展望

5.1主要结论

5.2研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果