本發(fā)明涉及利用行駛車輛來測量軌道的三維位置的軌道位置測量裝置。

背景技術(shù)：

以往示出了使用搭載了激光掃描器的測量車輛來獲取鐵道沿線的三維數(shù)據(jù)、以進(jìn)行建筑界限測定等的技術(shù)。

例如，下述專利文獻(xiàn)1公開了一種三維數(shù)據(jù)獲取裝置，該三維數(shù)據(jù)獲取裝置包括第一激光掃描器，該第一激光掃描器是使激光邊旋轉(zhuǎn)邊向?qū)ο笪镞M(jìn)行輻射、并接收反射光來測定到測量對象物的距離的裝置，所述第一激光掃描器搭載在鐵道車輛的上部，以使得構(gòu)成激光的輻射方向的旋轉(zhuǎn)截面的測量截面相對于鐵道車輛的前進(jìn)方向呈垂直面；以及第二激光掃描器，該第二激光掃描器是使激光邊旋轉(zhuǎn)邊向?qū)ο笪镞M(jìn)行輻射、并接收反射光來測定到對象物的距離的裝置，所述第二激光掃描器搭載在鐵道車輛的上部，以使得構(gòu)成激光的輻射方向的旋轉(zhuǎn)截面的測量截面相對于第一激光掃描器的測量截面形成為向近似前進(jìn)方向傾斜規(guī)定角度的面。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本專利特開2005-69700號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的技術(shù)問題

作為鐵道沿線測量的一種，有軌道自身的測量。此外，例如在使用了建筑界限測量車的測量中，通常將軌道的位置作為基準(zhǔn)來進(jìn)行測量。因此，鐵道沿線測量中，高精度地進(jìn)行軌道位置的測量是基本。

然而，在上述現(xiàn)有技術(shù)中，作為傳感器的激光掃描器設(shè)置在鐵道車輛的上部，因此存在如下問題：軌道腰部被遮擋而無法照射到激光，從而無法正確掌握軌道腰部的位置。

也考慮根據(jù)測量軌道頭部而得到的數(shù)據(jù)來確定軌道的三維位置。然而，存在如下問題：軌道頭部由于與車輪的接觸而被磨光，激光測量光發(fā)生鏡面反射，沒有充足的反射光返回到激光掃描器，無法進(jìn)行高精度的測量。

另外，即使將激光掃描器固定于車輛，由于軌道的彎道、行駛時列車的左右搖擺會導(dǎo)致軌道的位置相對于車輛、激光掃描器產(chǎn)生變動，因此仍需要高精度地測量其位置。

本發(fā)明鑒于上述問題而完成，其目的在于提供一種能高精度地測量軌道的三維位置的軌道位置測量裝置。

解決技術(shù)問題的技術(shù)方案

為了解決上述問題，達(dá)到目的，本發(fā)明是利用測量車輛來測量軌道的三維位置的軌道位置測量裝置，其特征在于，包括：位置姿勢測量裝置，該位置姿勢測量裝置搭載于所述測量車輛，測量所述測量車輛的位置及姿勢；以及激光掃描器，該激光掃描器是傳感器，所述傳感器以能對所述軌道的側(cè)面中的至少腰部及底部照射激光的方式搭載于所述測量車輛，用于測量所述軌道的三維位置。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明，能起到如下效果：能高精度地測量軌道的三維位置。

附圖說明

圖1是表示搭載了實施方式1所涉及的軌道位置測量裝置的測量車輛的一個結(jié)構(gòu)例的側(cè)視圖。

圖2是表示利用圖1所示實施方式1所涉及的測量車輛對鐵道車輛行駛的軌道進(jìn)行測量時的一個示例的圖。

圖3是表示圖1所示實施方式1所涉及的測量車輛的其他結(jié)構(gòu)例的圖。

圖4是表示將圖3所示的測量車輛搭載于路軌兩用車上時的一個結(jié)構(gòu)例的圖。

圖5是表示將實施方式1所涉及的軌道位置測量裝置搭載于鐵道車輛時的一個結(jié)構(gòu)例的圖。

圖6是表示將實施方式1所涉及的軌道位置測量裝置搭載于鐵道車輛時的其他結(jié)構(gòu)例的圖。

圖7是表示附加有激光掃描器的自動位置調(diào)整功能的實施方式1所涉及的軌道位置測量裝置的功能結(jié)構(gòu)的框圖。

圖8是表示利用基臺調(diào)整裝置來實現(xiàn)激光掃描器的自動位置調(diào)整時的實施方式1所涉及的軌道位置測量裝置的功能結(jié)構(gòu)的框圖。

圖9是對防脫軌保護(hù)部對激光掃描器的照射位置造成的影響進(jìn)行說明的圖。

圖10是說明僅在一個軌道側(cè)設(shè)置防脫軌保護(hù)部時的優(yōu)選激光光源位置的圖。

圖11是表示實施方式3所涉及的軌道位置測量裝置的功能結(jié)構(gòu)的一個示例的框圖。

圖12是表示實施方式3所涉及的軌道位置測量裝置的功能結(jié)構(gòu)的其他示例的框圖。

圖13是用于更為詳細(xì)地分析存在防脫軌保護(hù)部時的激光照射位置的圖。

圖14是更為詳細(xì)地考察圖13所示的激光照射位置Vh的圖。

圖15是更為詳細(xì)地考察圖13所示的激光照射位置Vl的圖。

圖16是表示軌道腰部的測量范圍與激光照射位置的高度范圍之間的關(guān)系的圖。

圖17是表示軌道底部的測量范圍與激光照射位置的高度范圍之間的關(guān)系的圖。

圖18是表示針對主要軌道的變量a、c、d的值的一個示例的圖。

圖19是表示針對防脫軌保護(hù)部的變量b、e的值的一個示例的圖。

圖20是表示作為圖22至圖24所示計算結(jié)果的基礎(chǔ)的軌道截面的形狀的圖。

圖21是表示圖18及圖19的變量值下的變量f值的一個示例的圖。

圖22是表示測量范圍ha、hb的計算結(jié)果的一個示例(標(biāo)準(zhǔn)軌、60kg軌道)的圖。

圖23是表示測量范圍ha、hb的計算結(jié)果的一個示例(標(biāo)準(zhǔn)軌、50kgN軌道)的圖。

圖24是表示測量范圍ha、hb的計算結(jié)果的一個示例(窄軌、50kgN軌道)的圖。

圖25是對圖22至圖24的各圖中的測量范圍ha與測量范圍hb之和進(jìn)行對比的圖。

圖26是表示滿足ha＝hb的Hv的值及ha+hb達(dá)到最大的Hv的值的圖。

圖27是從測量點數(shù)的觀點來考察對軌道腰部及軌道底部進(jìn)行測量時的激光照射位置的圖。

圖28是表示光路角φ1、φ2的計算結(jié)果的一個示例(標(biāo)準(zhǔn)軌、60kg軌道)的圖。

圖29是表示光路角φ1、φ2的計算結(jié)果的一個示例(標(biāo)準(zhǔn)軌、50kgN軌道)的圖。

圖30是表示光路角φ1、φ2的計算結(jié)果的一個示例(窄軌、50kgN軌道)的圖。

圖31是對圖28至圖30的各圖中的光路角φ1與光路角φ2之和進(jìn)行對比的圖。

圖32是表示滿足φ1＝φ2的Hv的值及φ1+φ2達(dá)到最大的Hv的值的圖。

圖33是表示能對軌道腰部及軌道底部各進(jìn)行2點以上測量的激光照射位置的計算結(jié)果的圖。

圖34是表示實施方式3所涉及的軌道位置測量裝置的其他結(jié)構(gòu)例的圖。

具體實施方式

下面，參照附圖，對本發(fā)明的實施方式所涉及的軌道位置測量裝置進(jìn)行說明。此外，本發(fā)明并不局限于以下示出的實施方式。

實施方式1.

圖1是表示搭載了實施方式1所涉及的軌道位置測量裝置的測量車輛1的一個結(jié)構(gòu)例的圖，是從側(cè)面觀察測量車輛1的圖。如圖1所示，實施方式1所涉及的測量車輛1中，車輛10的上部設(shè)有經(jīng)由支承部11進(jìn)行保持的頂板12，頂板12的上部搭載有三臺GPS接收機(jī)18及慣性傳感器19。頂板12構(gòu)成作為GPS接收機(jī)18及慣性傳感器19的搭載位置以及成為后述的激光掃描器16的位置的基準(zhǔn)的臺部(以下，根據(jù)需要稱為“基臺部”)。

此外，車輛10的后方側(cè)設(shè)有用于搭載激光掃描器16的側(cè)板14。側(cè)板14經(jīng)由延長頂板13與頂板12相連結(jié)從而被固定，且與頂板12一并構(gòu)成測量車輛1中的基臺部。

側(cè)板14設(shè)有以在圖示的粗雙向箭頭所示的方向、即上下方向上可動的方式來構(gòu)成的滑動部15，該滑動部15上搭載有激光掃描器16。即，滑動部15設(shè)有能變更激光掃描器16的搭載位置的可動機(jī)構(gòu)，激光掃描器16具有能利用滑動部15在上下方向上變更搭載位置的結(jié)構(gòu)。另外，設(shè)置于滑動部15的可動機(jī)構(gòu)可以利用任何實現(xiàn)單元或?qū)崿F(xiàn)方法來構(gòu)建，無關(guān)單元及方法的差異。

在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，車輛10還搭載有具備數(shù)據(jù)存儲部30的數(shù)據(jù)處理部20及里程表22。

接著，對軌道位置測量裝置的各部的功能進(jìn)行說明。此處所說的軌道位置是指能掌握軌道的三維空間中的位置的三維坐標(biāo)系上的位置。然而，用于掌握軌道的三維坐標(biāo)系上的位置的信息也包含用于掌握軌道的截面形狀的二維坐標(biāo)系上的位置信息。

GPS接收機(jī)18、慣性傳感器19、里程表22及速度檢測裝置21是定位傳感器的一個示例。

GPS接收機(jī)18接收來自定位衛(wèi)星即GPS衛(wèi)星的定位信號。GPS接收機(jī)18在每個接收時刻或測量時刻將定位信號所設(shè)定的導(dǎo)航電文及定位信號的載波相位的信息作為定位信息的一個示例即GPS數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)處理部20的數(shù)據(jù)存儲部30。在頂板12上搭載三臺GPS接收機(jī)18，并將其配置成三角形，計算出頂板12的三維的位置和姿勢(朝向、傾斜度)。另外，GPS接收機(jī)18也可以是從其他的GNSS(Global Navigation Satellite Systems：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))的衛(wèi)星接收定位信號的接收機(jī)。

慣性傳感器19在停止過程中或行駛過程中對測量車輛1的三維姿勢角的角速度的微小變化進(jìn)行測量，并在每個測量時刻將測量數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)存儲部30。

里程表22對車輪17的轉(zhuǎn)速進(jìn)行計數(shù)來測量測量車輛1的行駛速度的微小變化量，并在每個測量時刻將測量數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)存儲部30。

速度檢測裝置21是檢測測量車輛1的行駛速度的裝置。如后述的實施方式所示，在將測量車輛1載置于路軌兩用車進(jìn)行測量時，里程表22無法測量行駛速度。因此，在無法使用里程表22的情況下，使用速度檢測裝置21來檢測測量車輛1的行駛速度，并在每個檢測時刻將檢測數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)存儲部30。

激光掃描器16是用于測量測量對象物即軌道的三維位置的傳感器，如圖示的細(xì)箭頭所示那樣，能對與前進(jìn)方向正交的面內(nèi)進(jìn)行掃描?；蛘吣苁拐丈浞较?qū)呐c前進(jìn)方向正交的面朝向該前進(jìn)方向傾斜預(yù)先設(shè)定的角度范圍內(nèi)的任意角度的面內(nèi)進(jìn)行掃描。測量車輛1的行駛過程中，激光掃描器16照射激光，接收由測量對象即軌道反射的激光，基于從照射激光到接收激光為止的時間和激光的照射方向，在照射激光的每個照射點測量與激光掃描器16的距離及方位，以作為距離方位點。即，距離方位點表示測量對象物與測量車輛1的距離及方位。激光掃描器16在每個測量時刻或獲取時刻將由測量得到的多個距離方位點構(gòu)成的距離方位點組存儲于數(shù)據(jù)存儲部30。

圖2是表示利用圖1所示的實施方式1所涉及的測量車輛1對鐵道車輛行駛的軌道進(jìn)行測量時的一個示例的圖。在利用實施方式1所涉及的測量車輛1來測量軌道3的形狀的情況下，如圖2所示，能通過將測量車輛1搭載于路軌兩用車2來進(jìn)行。路軌兩用車2為了能在道路上行駛而具備車輪4，在軌道3上行駛的情況下，通過使鐵輪5的接地面比車輪4的接地面要低，從而能在軌道3上行駛。另外，在將測量車輛1搭載于路軌兩用車2的情況下，激光掃描器16的搭載位置變高，但實施方式1的測量車輛1具備滑動部15，能利用滑動部15來變更以軌道面作為基準(zhǔn)的激光掃描器16的搭載位置。

圖3是表示圖1所示實施方式1所涉及的測量車輛1的其他結(jié)構(gòu)例的圖。圖1所示的示例中，滑動部15具有使激光掃描器16的搭載位置在上下方向上變更的功能，但圖3所示的示例中，設(shè)置于車輛10與頂板12之間的基臺位置調(diào)整裝置24具備該功能。通過使基臺位置調(diào)整裝置24在上下方向上伸縮，能使頂板12在上下方向上可動，因此能使經(jīng)由延長頂板13與頂板12相連結(jié)的側(cè)板14在上下方向上可動，從而能變更激光掃描器16的搭載位置。

根據(jù)圖3的結(jié)構(gòu)，具有能省略支承部11及滑動部15的效果。此外，通過具有基臺位置調(diào)整裝置24，即使變更激光掃描器16的搭載位置，激光掃描器16的搭載位置與用于測量測量車輛1的位置及姿勢的測量傳感器、即GPS接收機(jī)18及慣性傳感器19之間的相對位置關(guān)系也不變，因此具有能使激光掃描器16的搭載位置的變更對測量精度的影響變小的效果。

圖4是表示將圖3所示的測量車輛1搭載于路軌兩用車2上時的一個結(jié)構(gòu)例的圖。通過采用圖4所示的結(jié)構(gòu)，能測量軌道3的形狀。

圖5是表示將實施方式1所涉及的軌道位置測量裝置搭載于鐵道車輛7時的一個結(jié)構(gòu)例的圖。根據(jù)圖5的結(jié)構(gòu)，與圖1所示的測量車輛1同樣，能利用滑動部15來實現(xiàn)激光掃描器16的搭載位置變更功能。

圖6是表示將實施方式1所涉及的軌道位置測量裝置搭載于鐵道車輛7時的其他結(jié)構(gòu)例的圖。根據(jù)圖6的結(jié)構(gòu)，與圖3所示的測量車輛1同樣，能利用基臺位置調(diào)整裝置24來實現(xiàn)激光掃描器16的搭載位置變更功能。

接著，對實施方式1所涉及的軌道位置測量裝置的主要部分功能進(jìn)行說明。圖7是表示附加有激光掃描器16的自動位置調(diào)整功能的實施方式1所涉及的軌道位置測量裝置的功能結(jié)構(gòu)的框圖。如圖7所示，實施方式1所涉及的自動位置調(diào)整功能能通過基臺部40和設(shè)置于數(shù)據(jù)處理部20的運算部32來實現(xiàn)。

如圖7所示，能將基臺部40的功能劃分為位置姿勢測量裝置42、激光掃描器16及激光位置調(diào)整裝置44這3個功能。圖7中，位置姿勢測量裝置42是用于掌握測量車輛1的三維位置與姿勢角的功能，能通過使用圖1所例示的GPS接收機(jī)18及慣性傳感器19來實現(xiàn)。激光位置調(diào)整裝置44能使激光掃描器16的位置相對于空間在上下方向上進(jìn)行變更即可，能利用圖1所示的滑動部15來實現(xiàn)。

此外，運算部32的功能能劃分為位置計算部321、線路檢測部322、防脫軌保護(hù)部檢測部323及激光位置估算部324。激光掃描器16的測量結(jié)果輸入至數(shù)據(jù)存儲部30，并且也輸入至位置計算部321、線路檢測部322及防脫軌保護(hù)部檢測部323。

位置計算部321根據(jù)激光掃描器16的測量信息來計算針對軌道3的掃描器位置。在測量車輛1搭載于路軌兩用車2的情況下，例如并不限于測量車輛1始終搭載在同一路軌兩用車中。此外，路軌兩用車2的搭載部有時并非水平。因此，優(yōu)選為使用激光掃描器16的測量信息來計算針對軌道3的掃描器位置。

線路檢測部322根據(jù)激光掃描器16的測量信息來計算軌道3的軌間的距離。然而，若軌間的偏差幅度的精度在不會對激光掃描器16的位置造成影響的范圍內(nèi)，則無需軌間的計算。

如后述的圖9等所示，軌道3有時設(shè)有防脫軌保護(hù)部。防脫軌保護(hù)部檢測部323根據(jù)激光掃描器16的測量信息來檢測是否存在防脫軌保護(hù)部。另外，也存在沒有防脫軌保護(hù)部的路線，此外同一路線也存在具有防脫軌保護(hù)部的區(qū)間和不具有防脫軌保護(hù)部的區(qū)間，在預(yù)先知道具有防脫軌保護(hù)部的區(qū)間的情況下，可以不設(shè)置防脫軌保護(hù)部檢測部323。

激光位置估算部324至少基于位置計算部321的計算結(jié)果，此外若需要則一并使用線路檢測部322及防脫軌保護(hù)部檢測部323中的至少一個計算結(jié)果，來計算適合軌道3的測量的基臺部40上應(yīng)配置激光掃描器16的位置(以下，根據(jù)需要稱為“掃描器位置”)，并且計算激光掃描器16的移動量或掃描器位置，將計算結(jié)果傳輸至激光位置調(diào)整裝置44。激光位置調(diào)整裝置44基于傳輸而來的激光掃描器16的移動量或掃描器位置的信息來控制激光掃描器16的位置。

圖8是表示利用基臺位置調(diào)整裝置24來實現(xiàn)激光掃描器16的自動位置調(diào)整時的實施方式1所涉及的軌道位置測量裝置的功能結(jié)構(gòu)的框圖。在具有基臺位置調(diào)整裝置24的結(jié)構(gòu)的情況下，基臺位置調(diào)整裝置24起到激光位置調(diào)整裝置44的功能。此外，如圖8的運算部32所示，設(shè)有基臺位置估算部325來取代圖7中所設(shè)置的激光位置估算部324。即，基臺位置估算部325是起到激光位置估算部324的功能的結(jié)構(gòu)部。另外，運算部32中，其他的結(jié)構(gòu)部與圖7的相同或等同，標(biāo)注相同的標(biāo)號并省略重復(fù)說明。

基臺位置估算部325至少基于位置計算部321的計算結(jié)果，此外若需要則一并使用線路檢測部322及防脫軌保護(hù)部檢測部323中的至少一個的計算結(jié)果，來計算基臺部40上的激光掃描器16的位置，并且計算頂板12的移動量或移動位置，將計算結(jié)果作為控制信息傳輸?shù)交_位置調(diào)整裝置24?；_位置調(diào)整裝置24基于傳輸而來的頂板12的移動量或移動位置的信息來控制頂板12的位置。

接著，參照幾個附圖，以幾何學(xué)的觀點對實施方式1所涉及的軌道位置測量裝置測量軌道3的位置時的激光掃描器16的照射位置進(jìn)行考察。

圖9是對防脫軌保護(hù)部9對激光掃描器16的照射位置所造成的影響進(jìn)行說明的圖。圖9中，上部側(cè)所顯示的圓形標(biāo)記表示激光掃描器16的位置(以下稱為“激光光源位置”)。激光光源位置是位于從一個軌道3與另一個軌道3之間的中間點(以下稱為“軌道中心”)起的垂直線P上的高度H的點。另外，高度H是軌道面M1與激光光源位置平面M2之間的距離，所述軌道面M1是連接一個軌道3和另一個軌道3的平面，所述激光光源位置平面M2與包含激光光源位置Vk的軌道面M1平面。

如圖所示，在一個軌道3與另一個軌道3之間設(shè)有防脫軌保護(hù)部9。此處，在將軌道的側(cè)面劃分為頭部、腰部及底部時，在存在防脫軌保護(hù)部9的情況下，需要調(diào)節(jié)激光照射位置，以使得激光能到達(dá)軌道的側(cè)面中的腰部(以下稱為“軌道腰部”或簡稱為“腰部”)及軌道的側(cè)面中的底部(以下稱為“軌道底部”或簡稱為“底部”)。此處，直線K1表示測量軌道腰部的最高點時的激光光路，直線K2表示測量軌道底部的最低點時的激光光路。即，圖9表示即使設(shè)有防脫軌保護(hù)部9，也存在能測量軌道腰部及軌道底部的激光照射位置。

如以上說明的那樣，根據(jù)實施方式1所涉及的軌道位置測量裝置，設(shè)有使激光掃描器的位置在上下方向上可動的可動機(jī)構(gòu)，因此能將激光掃描器移動到能測量軌道腰部及軌道底部的位置，能高精度地測量軌道的位置及形狀。

根據(jù)實施方式1所涉及的軌道位置測量裝置，構(gòu)成為基于激光掃描器的測量信息來運算激光掃描器的位置，并能基于該運算結(jié)果來調(diào)整激光掃描器的位置，因此能在測量車輛的行駛過程中調(diào)整激光掃描器的位置，能高效地進(jìn)行軌道位置的測量。

另外，使激光掃描器在上下方向上可動的可動機(jī)構(gòu)也可以是在直接搭載有激光掃描器的結(jié)構(gòu)物上設(shè)置上下方向的滑動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。

此外，使激光掃描器在上下方向上可動的可動機(jī)構(gòu)也可以是調(diào)整裝置，該調(diào)整裝置與搭載有激光掃描器的結(jié)構(gòu)物相連結(jié)，并構(gòu)成為能使搭載了定位傳感器的結(jié)構(gòu)物在上下方向上可動。

實施方式2.

接著，對實施方式2所涉及的軌道位置測量裝置進(jìn)行說明。實施方式1所涉及的軌道位置測量裝置是僅在沿著激光掃描器16的搭載面的上下方向上進(jìn)行激光掃描器16的自動位置調(diào)整的結(jié)構(gòu)，但實施方式2所涉及的軌道位置測量裝置中，除了該上下方向以外，還設(shè)置有沿著搭載面的水平方向、即可向與前進(jìn)方向及上下方向雙方正交的方向移動的可動機(jī)構(gòu)。另外，實施方式2所涉及的軌道位置測量裝置的基本結(jié)構(gòu)與圖1及圖5所示的結(jié)構(gòu)等同，實施方式2所涉及的軌道位置測量裝置的功能與圖7所示的等同。

圖10是說明僅在一個軌道側(cè)設(shè)置防脫軌保護(hù)部9時的優(yōu)選激光光源位置的圖。通過圖10和圖9的比較可知，僅在一個軌道側(cè)設(shè)置防脫軌保護(hù)部9時，優(yōu)選為在存在防脫軌保護(hù)部9的一側(cè)配置激光掃描器16。圖10的示例中，在從軌道中心上的垂直線P起向存在防脫軌保護(hù)部9的一側(cè)移動距離D后的位置上配置有激光掃描器16。該情況下，測量軌道底部的最低點時的激光光路即直線K4被防脫軌保護(hù)部9的角部即B點遮擋的影響比圖9的情況要小，因此對軌道底部的照射點增多，從而能提高照射密度，能進(jìn)行更高精度的測量。然而，若距離D設(shè)得過大，則連結(jié)激光光源位置Vk與軌道頭部側(cè)面的最下部點即A點的激光光路即直線K3的角度變深，對軌道腰部的照射點變少，因此并不優(yōu)選。另外，反過來說，這意味著對于激光光源位置Vk，根據(jù)軌道3與防脫軌保護(hù)部9之間的距離、防脫軌保護(hù)部9的高度、軌道3的頭部、腰部及底部的形狀來決定激光光源位置Vk即可。

另外，雖然與實施方式2所涉及的激光位置測量裝置的向水平方向的可動機(jī)構(gòu)無直接關(guān)系，但考慮變更一臺激光掃描器的位置來多次進(jìn)行測量。然而，在利用一臺激光掃描器進(jìn)行多次測量的情況下，易于受到GPS誤差的影響，因此，在使用GPS接收機(jī)作為定位傳感器的情況下并不優(yōu)選。

作為利用一臺激光掃描器進(jìn)行多次測量的情況的對比例，考慮例如利用搭載位置不同的兩臺激光掃描器來一次進(jìn)行測量。然而，由于使用兩臺激光掃描器，因此成本上升，在成本方面并不優(yōu)選。此外，在使用兩臺激光掃描器的情況下，有時兩臺激光掃描器間的安裝誤差的影響會表現(xiàn)得較大，存在需要正確進(jìn)行對準(zhǔn)以不受安裝誤差的影響的缺點。因此，可以說如實施方式2那樣將一臺激光掃描器配置在水平方向的優(yōu)選位置、利用一臺激光掃描器來進(jìn)行一次測量是更為優(yōu)選的實施方式。

如以上說明的那樣，根據(jù)實施方式2所涉及的軌道位置測量裝置，設(shè)置有使激光掃描器在上下方向、以及與該上下方向及前進(jìn)方向兩者正交的方向上可動的可動機(jī)構(gòu)，因此即使在例如僅在一側(cè)設(shè)有防脫軌保護(hù)部的情況下，也能在設(shè)有防脫軌保護(hù)部一側(cè)的軌道與未設(shè)有防脫軌保護(hù)部一側(cè)的軌道之間恰當(dāng)?shù)胤峙鋵壍赖撞考败壍姥康恼丈涿芏龋芨呔惹腋咝У販y量軌道的位置。

實施方式3.

接著，對實施方式3所涉及的軌道位置測量裝置進(jìn)行說明。圖11是表示實施方式3所涉及的軌道位置測量裝置的功能結(jié)構(gòu)的一個示例的框圖。圖11所示的結(jié)構(gòu)與圖7所示的功能框圖相對應(yīng)。另外，具有圖11所示功能的軌道位置測量裝置的基本結(jié)構(gòu)與圖1及圖5所示的結(jié)構(gòu)等同。

圖11所示的功能結(jié)構(gòu)與圖7的不同點在于，數(shù)據(jù)處理部20的結(jié)構(gòu)以及基臺部40與數(shù)據(jù)處理部20之間的數(shù)據(jù)交換的流程。圖11中，運算部32中設(shè)有位置信息處理部327以取代具有位置計算部321、線路檢測部322及防脫軌保護(hù)部檢測部323的結(jié)構(gòu)。此外，數(shù)據(jù)處理部20設(shè)有保持線路數(shù)據(jù)的線路數(shù)據(jù)庫326。另外，基臺部40的結(jié)構(gòu)與圖7的相同或等同，標(biāo)注相同的標(biāo)號并省略重復(fù)說明。

線路數(shù)據(jù)庫326中保存有包含行駛線路中線路位置上的軌間信息以及是否存在防脫軌保護(hù)部的信息的線路數(shù)據(jù)。位置信息處理部327基于位置姿勢測量裝置42的測量信息計算出激光掃描器16進(jìn)行掃描的當(dāng)前位置，并將計算結(jié)果輸出至激光位置估算部324。激光位置估算部324參照線路數(shù)據(jù)庫326獲取當(dāng)前的測量位置處的軌間信息、是否存在防脫軌保護(hù)部的信息，來計算測量軌道3時的激光掃描器16的優(yōu)選配置位置，將計算得到的配置位置的信息輸出至激光位置調(diào)整裝置44。激光位置調(diào)整裝置44對激光掃描器16進(jìn)行可動控制，以將激光掃描器16配置于計算得到的優(yōu)選配置位置。另外，作為優(yōu)選配置位置，實施方式1的軌道位置測量裝置中僅考慮上下方向的移動，但實施方式3的軌道位置測量裝置除了上下方向以外當(dāng)然也考慮水平方向的移動。

圖12是表示實施方式3所涉及的軌道位置測量裝置的功能結(jié)構(gòu)的其他示例的框圖。圖12所示的結(jié)構(gòu)與圖8所示的功能模塊相對應(yīng)。此外，圖12所示的數(shù)據(jù)處理部20的結(jié)構(gòu)與圖11的不同點在于，運算部32中的激光位置估算部324被替換成基臺位置估算部325?；_位置估算部325參照線路數(shù)據(jù)庫326來獲取當(dāng)前的測量位置上的軌間信息、是否存在防脫軌保護(hù)部的信息，計算測量軌道3時的激光掃描器16的優(yōu)選配置位置，并且計算用于使激光掃描器16移動到計算得到的優(yōu)選配置位置的基臺位置信息，并將其輸出至基臺位置調(diào)整裝置24?；_位置調(diào)整裝置24對頂板12進(jìn)行可動控制，以將激光掃描器16配置于優(yōu)選的配置位置。

如以上說明的那樣，根據(jù)實施方式3所涉及的軌道位置測量裝置，基于包含線路位置上的軌間信息以及是否存在防脫軌保護(hù)部的信息在內(nèi)的線路數(shù)據(jù)，來計算激光掃描器的優(yōu)選配置位置，因此能將激光掃描器移動到能測量軌道腰部及軌道底部的位置，能高精度地測量軌道的位置及形狀。

根據(jù)實施方式3所涉及的軌道位置測量裝置，采用利用線路數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，因此相比于實施方式1或?qū)嵤┓绞?能使運算部的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步緊湊化，能提高運算部的處理速度，從而獲得減輕對測量精度的影響的效果。

此外，以上的實施方式1至3所示的結(jié)構(gòu)是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的一個示例，也可以與其它公知技術(shù)相結(jié)合，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)當(dāng)然也可以進(jìn)行變更來構(gòu)成，例如可以省略其中的一部分、組合其中的一部分等。

該段落以后，對存在防脫軌保護(hù)部9時的激光照射位置進(jìn)一步增加幾何學(xué)方向的考察。圖13是考察存在防脫軌保護(hù)部9時的激光照射位置的圖。圖13中，對與圖10相同或等同的要素標(biāo)注相同的標(biāo)號。

圖13中，A點是軌道頭部側(cè)面的最下部點，B點是防脫軌保護(hù)部9的軌道側(cè)上部角點，C點是軌道底部側(cè)面的最上部點。此處，直線K5的延長線上的Vh點表示位于能測量軌道底部側(cè)面的最上部點C的激光光路上的、具有高度Hh的激光照射位置，直線K6的延長線上的Vl點表示位于能測量軌道底部側(cè)面的最上部點C的激光光路上的、具有高度Hl的激光照射位置。因此，若激光照射位置Vh點的高度H在Hh以上，則意味著無法測量軌道腰部，若激光照射位置Vl點的高度H在Hl以下，則意味著無法測量軌道底部。

若在上述那樣掌握激光照射位置Vh點及激光照射位置Vl點的基礎(chǔ)上，對軌道腰部的輪廓線L1及軌道底部的輪廓線L2均以相同程度的長度的范圍來取得測量點，則在軌道截面的高度方向及寬度方向上均能正確地進(jìn)行位置對準(zhǔn)，能提高測量精度。

另外，若在軌道腰部的輪廓線L1的全長中，從軌道底部側(cè)面的最上部點C起獲得50％以上的測量點，則能推定軌道腰部的輪廓線L1。若從軌道底部側(cè)面的最上部點C起獲得70％以上的測量點，則能高精度地推定軌道腰部的輪廓線L1。另外，軌道腰部的輪廓線L1中，能將視作直線部的圖示的粗線部分作為軌道腰部的輪廓線L1的全長。

另外，若在軌道底部的輪廓線L2的全長中，從軌道底部側(cè)面的最上部點C起獲得50％以上的測量點，則能推定軌道腰部的輪廓線L2。若從軌道底部側(cè)面的最上部點C起獲得70％以上的測量點，則能高精度地推定軌道腰部的輪廓線L2。另外，與軌道腰部相同，軌道底部的輪廓線L2中，能將視作直線部的圖示的粗線部分作為軌道底部的輪廓線L2的全長。

圖14是更為詳細(xì)地考察圖13所示的激光照射位置Vh的圖。圖14中，直線K7的延長線上的Vh點表示位于由單點劃線所示的軌道中心上的垂直線P上的、處于能測量軌道底部側(cè)面的最上部點C的激光光路上的最高位置的激光照射位置。此處，將軌道底部側(cè)面的最上部點C與軌道頭部側(cè)面的最下部點A之間的軌道寬度方向的距離設(shè)為d，將軌道頭部側(cè)面的最下部點A與軌道面M1之間的垂直方向的距離設(shè)為a，將軌道底部側(cè)面的最上部點C與軌道面M1之間的垂直方向的距離設(shè)為c，將軌道間的距離(以下稱為“軌間距離”)設(shè)為G，將激光照射位置的高度設(shè)為Hh。此時，利用這些d、a、c、G、Hh，激光照射位置的高度Hh能表示為下式。

Hh＝{(c-a)·(G/2)/d}-a…(1)

圖15是更為詳細(xì)地考察圖13所示的激光照射位置Vl的圖。圖15中，對與圖13及圖14所示的內(nèi)容相同或等同的部分標(biāo)注相同的標(biāo)號來示出。圖15中，直線K8的延長線上的Vl點表示位于軌道中心上的垂直線P上的、處于能測量軌道底部側(cè)面的最上部點C的激光光路上的最低位置的激光照射位置。此處，將通過防脫軌保護(hù)部9的軌道側(cè)上部角點B而與軌道面M1平行的平面設(shè)為防脫軌保護(hù)面M3，將軌道面M1與防脫軌保護(hù)面M3之間的距離設(shè)為b，將軌道頭部側(cè)面的最下部點A與軌道側(cè)上部角點B之間的距離設(shè)為e。于是，激光照射位置Vl的高度Hl利用圖14定義的d、c、G以及此處定義的b、e能表示為下式。

Hl＝{(b+c)·(G/2-e)/(d+e)}+b…(2)

圖16是表示軌道腰部的測量范圍與激光照射位置的高度范圍之間的關(guān)系的圖。圖16中，對與圖13至圖15的任一附圖所示的內(nèi)容相同或等同的部分標(biāo)注相同的標(biāo)號來示出。圖16中，Ra點是將軌道腰部的測量范圍設(shè)為ha時從軌道底部側(cè)面的最上部點C起位于高度ha的點。此外，位于連接該Ra點與軌道頭部側(cè)面的最下部點A的直線K9的延長線上、且位于軌道中心上的垂直線P上的高度Hv的點V表示測量范圍為ha的激光照射位置。于是，軌道腰部的測量范圍ha利用圖13至圖15的任一附圖所定義的d、G、Hh及此處所定義的激光照射位置V的高度Hv能表示為下式。

ha＝(Hh-Hv)·d/(G/2)…(3)

圖17是表示軌道底部的測量范圍與激光照射位置的高度范圍之間的關(guān)系的圖。圖17中，對與圖13至圖15的任一附圖所示的內(nèi)容相同或等同的部分標(biāo)注相同的標(biāo)號來示出。圖17中，Rb點是將軌道底部的測量范圍設(shè)為hb時與軌道底部側(cè)面的最上部點C相距距離hb的點。此外，位于連接該Rb點與防脫軌保護(hù)部9的軌道側(cè)上部角點B的直線K10的延長線上、且位于軌道中心上的垂直線P上的高度Hv的點V表示測量范圍為hb的激光照射位置。此處，將軌道底部的輪廓線L3與通過軌道側(cè)上部角點B而與輪廓線L3平行的直線L4之間的距離設(shè)為f，將直線K8與直線K10之間所成角度中較小的角設(shè)為θ。此時，軌道底部的測量范圍hb利用圖13至圖17的任一附圖所定義的b、G、Hl及此處所定義的激光照射位置V的高度Hv能表示為下式。

hb≒fθ

θ＝tan^-1{(Hv-b)/(G/2-e)}

-tan^-1{(Hl-b)/(G/2-e)}…(4)

圖18是表示針對主要軌道的變量a、c、d的值的一個示例的圖。圖18中，將主要軌道設(shè)為新干線用的60kg軌道、在來線用的50kgN軌道。另外，圖18所示的數(shù)值設(shè)定了軌道截面的標(biāo)準(zhǔn)值所包含的任意的數(shù)值，當(dāng)然本發(fā)明并不限于這些數(shù)值。以下的數(shù)值例也同樣。

圖19是表示針對防脫軌保護(hù)部的變量b、e的值的一個示例的圖。圖20是表示作為圖22至圖26的各圖所示計算結(jié)果的基礎(chǔ)的軌道截面的形狀的圖。圖21是表示圖18及圖19的變量值下的變量f值的一個示例的圖。如圖20所示，將從軌道截面的中心線P1測得的到軌道頭部側(cè)面的最下部點A為止的距離設(shè)為32.5mm，60kg軌道中將軌道底部輪廓線L3的傾斜度設(shè)為1：4，50kgN軌道中將軌道底部輪廓線L3的傾斜度設(shè)為1：1.275，來進(jìn)行以下的計算。

圖22至圖25是表示利用圖18至圖21的各圖所示的數(shù)值例進(jìn)行ha、hb及Hv的計算時的計算結(jié)果的圖(曲線)，圖22表示標(biāo)準(zhǔn)軌、60kg軌道中的測量范圍ha、hb(參照圖16、17)，圖23表示標(biāo)準(zhǔn)軌、50kgN軌道中的測量范圍ha、hb，圖24表示窄軌、50kgN軌道中的測量范圍ha、hb。它們中圖22至圖24的各圖中，橫軸取激光照射位置Hv，縱軸表示測量范圍ha(粗實線)、hb(細(xì)實線)。圖25中，以對圖22至圖24的各圖中的測量范圍ha與測量范圍hb之和進(jìn)行對比的形式來表示。

如圖22至圖24的各圖所示，測量范圍ha與測量范圍hb之間呈相反關(guān)系，即，呈若一方增加則另一方減少、若一方減少則另一方增加的關(guān)系。因此，測量范圍ha與測量范圍hb之間存在滿足ha＝hb的Hv的值，如圖25所示，存在兩者之和(＝ha+hb)為最大的Hv的值。圖26中以表形式來表示這些值，(1)是滿足ha＝hb的高度Hv的值，(2)是ha+hb成為最大的高度Hv的值。

上述(1)及(2)均是提供適當(dāng)?shù)募す庹丈湮恢玫囊粋€示例，雙方均有優(yōu)點。

選定(1)的示例、即選定滿足ha＝hb的Hv值的情況下，軌道截面的軌道底部的水平方向的輪廓線與軌道截面的軌道腰部的上下方向的輪廓線橫跨相同程度的長度而獲得測量點，因此對軌道的上下方向(垂直方向)及左右方向(水平方向)的位置對準(zhǔn)有效。例如，僅在軌道腰部的上下方向的輪廓線部分獲得縱向連接的測量點，明確確定左右方向的位置，但會出現(xiàn)上下方向不確定的情況。反之，僅在軌道底部的水平方向的棱線部分獲得橫向連接的測量點，明確確定上下方向的位置，但會出現(xiàn)左右方向不確定的情況。此外，若僅一方較短，則測量點也較少，易于受到噪聲的影響。由此可知，若選定滿足ha＝hb的Hv值，則能獲得如下效果，橫向與縱向的平衡良好，位置對準(zhǔn)變得容易，抗噪聲能力也變強(qiáng)。

選定(2)的示例、即選定ha+hb成為最大的Hv值的情況下，表示能獲得更多的測量點。測量點越多，位置對準(zhǔn)越容易，抗噪聲也越強(qiáng)，因此能獲得提高測量精度的效果。

圖27是從測量點數(shù)的觀點來考察對軌道腰部及軌道底部進(jìn)行測量時的激光照射位置的圖。圖27中，對與圖13至圖17的任一附圖所示的內(nèi)容相同或等同的部分標(biāo)注相同的標(biāo)號來示出。圖27中，Rc點是連接激光照射位置V與軌道頭部側(cè)面的最下部點A的直線K11與軌道3的腰部相交的點，Rd點是連接激光照射位置V與軌道側(cè)上部角點B的直線K12與軌道3的底部相交的點。此處，若將連接激光照射位置V與軌道底部側(cè)面的最上部點C的直線設(shè)為K13，將直線K13與直線K11所成的角(以下稱為“光路角”)設(shè)為φ1，將直線K13與直線K12所成的角設(shè)為φ2，則這些光路角φ1、φ2能表示為下式。

φ1＝tan^-1{(G/2)/(Hv+a)}

-tan^-1{(G/2+d)/(Hv+c)}…(5)

φ2＝tan^-1{(G/2+d)/(Hv+a)}

-tan^-1{(G/2-e)/(Hv-c)}…(6)

從激光掃描器以固定的角度間隔照射激光，因此能獲得與光路角成正比的測量點。

圖28至圖31是表示利用圖18至圖21的各圖所示的數(shù)值例進(jìn)行光路角φ1、φ2及Hv的計算時的計算結(jié)果的圖(曲線)，圖28表示標(biāo)準(zhǔn)軌、60kg軌道中的光路角φ1、φ2(參照圖27)，圖29表示標(biāo)準(zhǔn)軌、50kgN軌道中的光路角φ1、φ2，圖30表示窄軌、50kgN軌道中的光路角φ1、φ2。它們中圖28至圖30的各圖中，橫軸取激光照射位置Hv，縱軸表示φ1(粗實線)、φ2(細(xì)實線)。圖31中，以對圖28至圖30的各圖中的光路角φ1與光路角φ2之和進(jìn)行對比的形式來表示。

如圖28至圖30的各圖所示，光路角φ1與光路角φ2之間呈相反關(guān)系，即，呈若一方增加則另一方減少、若一方減少則另一方增加的關(guān)系。因此，光路角φ1與光路角φ2之間存在滿足φ1＝φ2的Hv的值，如圖31所示，存在兩者之和(＝φ1+φ2)為最大的Hv的值。圖32中以表形式來表示這些值，(3)是滿足φ1＝φ2的高度Hv的值，(4)是φ1+φ2成為最大的高度Hv的值。

上述(3)及(4)均是提供適當(dāng)?shù)募す庹丈湮恢玫囊粋€示例，與圖22至圖25中所示的測量范圍ha、hb同樣具有以下優(yōu)點。

選定(3)的示例、即選定滿足φ1＝φ2的Hv值的情況下，將軌道底部側(cè)面的最上部點C作為基準(zhǔn)，一眼望盡軌道腰部側(cè)的角度與一眼望盡軌道底部側(cè)的角度相等，因此軌道腰部與軌道底部側(cè)獲得相同程度的測量點，因此對軌道的上下方向(垂直方向)及左右方向(水平方向)的位置對準(zhǔn)有效，此外能獲得如下效果：橫向與縱向的平衡良好，位置對準(zhǔn)變得容易，抗噪聲也變強(qiáng)。

選定(4)的示例、即選定φ1+φ2成為最大的Hv值的情況下，一眼望盡軌道腰部及軌道底部的角度成為最大，因此能獲得更多的測量點，具有如下效果：對應(yīng)于測量點的增多，噪聲強(qiáng)度變高，測量精度提高。

圖33是表示能對軌道腰部及軌道底部的各2點以上進(jìn)行測量的激光照射位置的計算結(jié)果的圖。為了對于軌道腰部及軌道底部均取得各2點以上的測量點，需要將光路角φ1、φ2分別設(shè)定在0.144°以上。因此，使用1周360°下例如測量5000點的激光掃描器，假設(shè)例如圖18至圖21的各圖所示的數(shù)值例的軌道，則如圖33所示，標(biāo)準(zhǔn)軌、60kg軌道中將激光照射位置設(shè)定在1006mm以上、2339mm以下的范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)軌、50kgN軌道中將激光照射位置設(shè)定在873mm以上、1955mm以下的范圍內(nèi)，窄軌、50kgN軌道中將激光照射位置設(shè)定在619mm以上、1509mm以下的范圍內(nèi)即可。

圖34是表示實施方式3所涉及的軌道位置測量裝置的其他結(jié)構(gòu)例的圖。圖34所示的軌道位置測量裝置是在圖7的結(jié)構(gòu)中、激光位置調(diào)整裝置44具備輸入顯示部50及存儲部52的結(jié)構(gòu)。對與圖7相同或等同的結(jié)構(gòu)部標(biāo)注相同的標(biāo)號并省略重復(fù)說明。

圖34中，激光位置調(diào)整裝置44所設(shè)有的存儲部52保存有激光位置估算部324所計算得到的適合于軌道3的測量的掃描器位置的信息及激光掃描器16的移動量的信息。如上所述，行駛線路中存在具有防脫軌保護(hù)部的路線也存在沒有防脫軌保護(hù)部的路線，此外，也存在包括具有防脫軌保護(hù)部的區(qū)間和沒有防脫軌保護(hù)部的區(qū)間雙方的路線。并且，如圖18至圖21示出的一個示例所示，軌道具有各種種類，軌道寬度也有多種。因此，將是否存在防脫軌保護(hù)部、軌道寬度及軌道的種類作為參數(shù)，按這些參數(shù)運算更為優(yōu)選的掃描器位置的信息，并將其存儲于存儲部52。

存儲于存儲部52的數(shù)據(jù)能通過預(yù)先使測量車輛1行駛來獲得。若將數(shù)據(jù)預(yù)先存儲于存儲部52，則能調(diào)出存儲部52的數(shù)據(jù)。能利用輸入顯示部50來進(jìn)行存儲部52的數(shù)據(jù)調(diào)出。因此，若預(yù)先在存儲部52中存儲掃描器位置的信息，則在發(fā)揮激光掃描器16的自動位置調(diào)整功能時無需使運算部32進(jìn)行工作。即，若預(yù)先將掃描器位置的信息存儲于存儲部52，則可以不在測量車輛1上搭載運算部32。

另外，與圖7等同的圖34的結(jié)構(gòu)中，激光位置調(diào)整裝置44所設(shè)置的滑動部15設(shè)有能變更激光掃描器16的搭載位置的可動機(jī)構(gòu)，但并不限于此，也可以不設(shè)置可動機(jī)構(gòu)。圖34的結(jié)構(gòu)中，設(shè)有輸入顯示部50，因此若能通過輸入顯示部50來調(diào)出存儲部52的存儲數(shù)據(jù)，則操作者可以通過觀察顯示于輸入顯示部50的信息來手動變更激光掃描器16的位置。該情況下，滑動部15優(yōu)選為具有標(biāo)尺顯示，以獲知激光掃描器16的位置。

另外，圖34中，示出了將設(shè)有輸入顯示部50及存儲部52的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于圖7的結(jié)構(gòu)的示例，但也可以設(shè)置于圖11的激光位置調(diào)整裝置44。此外，并不限于激光位置調(diào)整裝置44，也可以設(shè)置于圖8及圖12的基臺位置調(diào)整裝置24。

標(biāo)號說明

1 測量車輛

2 路軌兩用車

3 軌道

4 車輪

5 鐵輪

7 鐵道車輛

9 防脫軌保護(hù)部

10 車輛

11 支承部

12 頂板

13 延長頂板

14 側(cè)板

15 滑動部

16 激光掃描器

17 車輪

18 GPS接收機(jī)

19 慣性傳感器

20 數(shù)據(jù)處理部

21 速度檢測裝置

22 里程表

24 基臺位置調(diào)整裝置

30 數(shù)據(jù)存儲部

32 運算部

40 基臺部

42 位置姿勢測量裝置

44 激光位置調(diào)整裝置

50 輸入顯示部

52 存儲部

321 位置計算部

322 線路檢測部

323 防脫軌保護(hù)部檢測部

324 激光位置估算部

325 基臺位置估算部

326 線路數(shù)據(jù)庫

327 位置信息處理部