Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer Lage auf einem Gleis Gebiet der Technik

[01 ] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Erfassung einer Lage einer auf einem Gleis verfahrbaren Messvorrichtung gegenüber zumindest einer Schiene des Gleises, wobei mittels einer Zeilenkamera eine Projektion eines auf eine Schiene projizierten Laserstrahls erfasst wird.

Zudem betrifft die Erfindung eine Messvorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist.

Stand der Technik

[02] Um den Zustand eines Bahngleises beurteilen zu können, werden in

regelmäßigen Abständen Messungen vorgenommen. Dabei erfasste

Verschleißerscheinungen und Lageänderungen bilden die Grundlage zur Planung und Durchführung notwendiger Instandhaltungsmaßnahmen.

[03] Zum Einsatz kommen meist Messvorrichtungen, die auf Schienenfahrzeugen angeordnet und somit am Gleis verfahrbar sind. Spezielle

Gleismessfahrzeuge verfügen über zahlreiche Messvorrichtungen, deren Messergebnisse zu einem Gesamtbild des Gleiszustands zusammengeführt werden. Dabei ist es erforderlich, die Lage der jeweiligen Messvorrichtung gegenüber zumindest einer Schiene des Gleises genau zu erfassen, um eine absolute oder relative Gleislage bzw. Verschleißerscheinungen ableiten zu können. Entsprechende Messvorrichtungen dienen auch zur Erfassung einer Spurweite bzw. eines Spurweitenverlaufs, wobei die Lage gegenüber beiden Schienen ausgewertet wird.

[04] Beispielsweise ist aus AT 335 501 B ein Gleismessfahrzeug zum

fortlaufenden Messen und Aufzeichnen der Spurweite bekannt. Dabei kommen Messrollen zum Einsatz, die mit der jeweiligen Schiene in Kontakt sind. Nachteilig bei solchen mechanischen Abtastvorrichtungen sind ein zu berücksichtigender Verschleiß und der Einfluss der Fahrzeuggeschwindigkeit auf die erzielbare Messgenauigkeit. Notwendige Beschränkungen der Geschwindigkeit führen zu unerwünschten langen Sperrzeiten für die zu vermessende Gleisanlage.

[05] Aus AT 14280 U1 oder DE 1 165 064 B sind berührungslose

Messvorrichtungen bekannt, die mit Lasertechnik, Kamerasystemen oder Ultraschall arbeiten. Bei derartigen Lösungen sind keine

Verschleißerscheinungen zu beachten. Jedoch sind die Anforderungen an Steuerungs- und Auswerteeinrichtungen hoch, um die erfassten Parameter in Echtzeit auswerten zu können. Beim Einsatz einer Zeilenkamera ist zwar keine hohe Rechenleistung zur Messauswertung erforderlich, allerdings ist das Justieren einer entsprechenden Messanordnung aufgrund des schmalen Erfassungsbereichs schwierig.

Zusammenfassung der Erfindung

[06] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Verfahren und eine

Messvorrichtung der eingangs genannten Art eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik anzugeben.

[07] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Messvorrichtung gemäß Anspruch 6. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

[08] Das vorliegende Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mittels des

Laserstrahls eine linienförmige Projektion auf die Schiene projiziert wird. Damit bleibt die Projektion des Laserstrahls auch bei geringfügigen

Justierabweichungen im Erfassungsbereich der Zeilenkamera, was bei einer punktförmigen Laserprojektion nicht der Fall wäre. Störende Einflüsse durch Wartungsarbeiten, Temperaturschwankungen, Vibrationen oder

Stoßbelastungen erfordern somit keine oder zumindest keine sofortige Nachjustierung der Laservorrichtung und der Zeilenkamera. Das steigert die Einsatzfähigkeit der Messvorrichtung und die Effizienz der Messvorgänge.

[09] In einer vorteilhaften Weiterbildung wird mittels der Zeilenkamera eine

vertikale Lage der linienformigen Projektion erfasst, wobei der Laserstrahl laufend ausgerichtet wird, um die erfasste Lage der linienformigen Projektion beizubehalten. Die Ausrichtung des Laserstrahls geschieht vorzugsweise durch geringfügige Rotation der Laservorrichtung. Durch Auswertung der entsprechenden Winkeländerung ergibt sich über bekannte geometrische Beziehungen in einfacher Weise ein Messergebnis für eine Lageänderung der Messvorrichtung gegenüber der Schiene.

[10] In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laserstrahl mittels eines um eine horizontale Achse drehbaren

Umlenkspiegels ausgerichtet wird und dass ein Drehwinkel des

Umlenkspiegels zur Bestimmung der Lage der Messvorrichtung gegenüber der Schiene erfasst wird. Durch den Einsatz des Umlenkspielgels ist der Laserstrahl in einem flacheren Winkel auf die Schiene projizierbar, woraus eine hohe Messgenauigkeit resultiert. Eine rotierende Anordnung des Umlenkspiegels sowie die Erfassung einer Winkeländerung des

Umlenkspiegels sind mit einfachen Mitteln realisierbar.

[1 1 ] Vorzugsweise wird die linienförmige Projektion auf eine

Schienenkopfinnenkante projiziert. Die Messvorrichtung ist dabei zwischen den Schienen angeordnet, wodurch die Einhaltung eines Lichtraumprofils sichergestellt ist. Die Schienenkopfinnenkante gilt zudem als maßgeblich für die Erfassung der Spurweite.

[12] Dabei ist es günstig, wenn mittels zweier gekoppelter Messvorrichtungen die Lage gegenüber beiden Schienen des Gleises erfasst wird und wenn daraus die Spurweite des Gleises ermittelt wird. Durch die synchrone Lageerfassung gegenüber beiden Schienenkopfinnenkanten ist eine Auswertung der Spurweite in Echtzeit möglich.

[13] Erfindungsgemäß ist eine Messvorrichtung zum kontinuierlichen,

berührungslosen Erfassen einer Lage der Messvorrichtung gegenüber einer Schiene eines Gleises vorgesehen, wobei die Messvorrichtung eine

Zeilenkamera und eine Laservorrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls umfasst und wobei ein Erfassungszone der Zeilenkamera annähernd vertikal ausgerichtet ist. Dabei umfasst die Laservorrichtung einen Linienlaser und die Messvorrichtung ist zur Durchführung eines der oben angeführten Verfahren eingerichtet.

[14] In einer Weiterbildung der Messvorrichtung ist die Laservorrichtung zur

Erzeugung einer annähernd horizontalen linienförmigen Projektion

eingerichtet. Die horizontal eingerichtete Projektion des Laserstrahls auf die Schienenkopfinnenkannte erhöht die Messgenauigkeit beim Erfassen durch die vertikal ausgerichtete Erfassungszone der Zeilenkamera.

[15] In einer einfachen Ausprägung der Erfindung ist vorgesehen, dass die

Laservorrichtung eine Laserquelle umfasst, die um eine horizontale Achse verdrehbar gelagert ist. Damit ist eine besonders kompakte Bauweise der Messvorrichtung möglich.

[16] In einer anderen Ausprägung ist vorgesehen, dass die Laservorrichtung

einen Umlenkspiegel umfasst, auf den der Laserstrahl ausgerichtet ist und der um eine horizontale Achse verdrehbar gelagert ist. Eine rotierende Anordnung des Umlenkspiegels ist konstruktiv einfach realisierbar. Zudem ist ein flacher Projektionswinkel möglich, wobei die Laserquelle in einem geschützten Bereich oberhalb des Umlenkspiegels angeordnet ist.

[17] Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass ein Drehwinkelgeber zur

Erfassung eines Drehwinkels angeordnet ist. Damit wird auf einfache Weise eine Winkeländerung des drehbar gelagerten Umlenkspielgels bzw. der Laserquelle erfasst, um daraus eine Lageänderung gegenüber der Schiene abzuleiten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[18] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer

Darstellung

[19] Fig. 1 Messvorrichtung

[20] Fig. 2 präzise ausgerichtete Zeilenkamera

[21 ] Fig. 3 leicht verdrehte Zeilenkamera

[22] Fig. 4 Detailansicht Erfassungszone Zeilenkamera

[23] Fig. 5 Erläuterung Winkelmessung über Zeilenkamera

Beschreibung der Ausführungsformen

[24] Fig.1 zeigt eine auf einer Messplattform 1 eines Schienenfahrzeugs

angeordnete Messvorrichtung 2. Als Messplattform 1 dient beispielsweise ein Fahrzeugrahmen oder ein an einem Drehgestell angeordneter

Messrahmen. Vorzugsweise ist die Messvorrichtung 2 auf einem Gleismessfahrzeug aufgebaut, das über weitere Messeinrichtungen (z.B. Inertialmesseinheit zur Bestimmung einer Trajektorie,

Ultraschallmessvorrichtungen zur Untersuchung des Schienenmaterials, Rotationslaser etc.) verfügt. Die vorliegende Messvorrichtung 2 dient zur Bestimmung der Lage gegenüber zumindest einer Schiene 3. Durch eine gemeinsame Anordnung auf der Messplattform 1 ist damit auch die exakte Lage der anderen Messeinrichtungen gegenüber der Schiene 3 bekannt.

[25] Die vorliegende Messvorrichtung 2 umfasst eine Laservorrichtung 4, eine Zeilenkamera 5 und eine Steuerung 6. Die Laservorrichtung 4 ist in der dargestellten Variante mit einer fix auf der Messplattform 1 positionierten Laserquelle 7 und einem drehbar gelagertem Umlenkspiegel 8

ausgestattet. Dabei ist der Umlenkspiegel 8 mittels eines Antriebs 9 um eine horizontale Achse 10 kippbar.

[26] Die Laservorrichtung 4 projiziert einen gefächerten Laserstrahl 1 1 auf eine Schienenkopfinnenkante 1 2 der Schiene 3. Konkret ist die Laserquelle 7 als sogenannter Linienlaser ausgebildet. Eine spezielle Optik erzeugt dabei statt eines Punktes eine linienförmige Projektion 1 3, wobei diverse geometrische Formen möglich sind. Bei der vorliegenden Erfindung ist als linienförmige Projektion 1 3 beispielsweise eine einfache Strecke, ein Rechteck oder ein Dreieck sinnvoll.

[27] Im vorliegenden Beispiel wird der Laserstrahl 1 1 mittels des

Umlenkspiegels 8 umgelenkt und auf der Schienenoberfläche als horizontale, linienförmige Projektion 13 abgebildet. Eine Erfassungszone 14 der Zeilenkamera 5 ist vertikal im Bereich der Schienenkopfinnenkante 1 2 und normal zur Projektion 13 des Laserstrahls 1 1 ausgerichtet.

Zusätzlich ist ein Drehwinkelgeber 1 5 zur Erfassung eines Drehwinkels bzw. einer Winkeländerung des Umlenkspiegels 8 angeordnet.

[28] In Fig. 2 ist eine Messsituation mit einer präzise ausgerichteten Zeilenkamera 5 dargestellt. Dessen Erfassungszone 14 ist exakt im rechten Winkel zur linienförmigen Projektion 13 des Laserstrahls 1 1 ausgerichtet ist. Die durchgehende Linie 16 zeigt eine Ausgangsposition der linienförmigen Projektion 1 3 des Laserstrahls 1 1 . In dieser Ausgangsposition ist die Lage der Messvorrichtung 2 bzw. der Messplattform 1 gegenüber der Schiene 3 bekannt.

[29] Sobald zum Beispiel infolge von Spurweitentoleranzen, Kurvenfahrten oder Pendelbewegungen des Drehgestells eine Lageänderung auftritt, wandert die Projektion 13 des Laserstrahls 1 1 nach oben oder unten. Diese

Positionsabweichung der Projektion 13 ist mit einer gestrichelten Linie 17 angedeutet.

[30] Eine in der Steuerung 6 eingerichtete Regelung bewirkt eine Rückführung der Projektion 13 in die Ausgangsposition. Die mit der Zeilenkamera 5 erfasste Positionsabweichung der Projektion 13 gilt dabei als

Regelabweichung. Daraus wird mittels Regler eine Stellgröße für den Antrieb 9 abgeleitet. Infolgedessen bewirkt der Antrieb 9 ein Kippen des

Umlenkspiegels 8 um die horizontale Achse 10, bis die Regelabweichung verschwindet und die Ausgangsposition der Projektion 13 erreicht ist.

[31 ] In Fig. 3 ist eine Messsituation mit einer geringfügig verdrehten Zeilenkamera 5 dargestellt. Hervorgerufen wird eine derartige Justierabweichung

beispielsweise durch im Betrieb entstehende Vibrationen, durch

Temperaturschwankungen oder durch Wartungsarbeiten. Diese Darstellung verdeutlichen, dass die linienförmige Projektion 13 weiterhin in der

Erfassungszone 14 der Zeilenkamera 5 liegt. Bei einem herkömmlichen Punktlaser wäre das nicht der Fall.

[32] Fig. 4 zeigt eine Detailansicht der Erfassungszone 14 der Zeilenkamera 5 samt horizontaler Projektion 13 des Laserstrahls 1 1 . Die Erfassungszone 14 ist dabei durch eine Kameraoptik und einen Sensor 18 mit untereinander angeordneten Pixeln festgelegt. Um die Erfassungsgenauigkeit zu steigern können auch mehrere Zeilen nebeneinander angeordnet sein, ohne jedoch die Vorteile der Zeilenkamera zu beeinträchtigen. Diese Vorteile sind die schnellere Auslesbarkeit und die einfachere Auswertbarkeit gegenüber einer Kamera mit Flächensensor.

[33] Fig. 5 verdeutlicht den Messvorgang, bei dem eine Positionsabweichung der Projektion 13 durch eine Winkeländerung des Umlenkspiegels 8 kompensiert wird. Dargestellt sind drei Positionen der erfassten Projektionen 13 des Laserstrahls 1 1 . In der linken Ansicht befindet sich die linienförmige Projektion 13 in der Ausgangsposition, wobei der Umlenkspiegel 8 neutral ausgerichtet ist. In der mittigen Ansicht ist eine durch eine

Spurweitenänderung hervorgerufene Verschiebung der Projektion 13 dargestellt. Hier wandert die Projektion 13 beispielsweise infolge einer zunehmenden Spurweite gegenüber der Ausgangsposition nach unten. In der rechten Ansicht erreicht die Projektion 13 durch ein Kippen des

Umlenkspiegels 8 wieder ihre Ausgangsposition.

[34] Mittels des Drehwinkelgebers 15 wird der Drehwinkel bzw. eine

Winkeländerung des Umlenkspiegels 8 erfasst und der Steuerung 6 zugeführt. Über die bekannten geometrischen Gegebenheiten wird daraus die Lage der Messvorrichtung 2 gegenüber der Schiene 3 bestimmt. Beim Einsatz zweier Messvorrichtung 2, die jeweils einer Schiene 3 des Gleises zugeordnet sind, lässt sich aus den erfassten Winkeländerungen der Umlenkspiegel 8 auf einfache Weise die Spurweitenänderung ableiten. Die Spurweitenänderung kann dabei als Funktion der Winkeländerungen angegeben werden.

[35] Die Auswertung des Drehwinkels kann auf mehrere Arten erfolgen. In einer Offline-Variante erfolgt eine Speicherung der aufgenommenen Daten des Drehwinkelgebers 12 auf einem Datenträger, welche im Anschluss in einer Zentrale in einer Auswerteeinrichtung ausgewertet werden. Die Daten sind vorzugsweise mit einer jeweiligen Ortskoordinate verknüpft, die

beispielsweise mittels eines GNSS-System oder einem Wegsensor erfasst werden. Am Gleismessfahrzeug ist dann keine komplexe

Auswerteeinrichtung erforderlich.

[36] In einer weiteren Variante werden die Messdaten über eine Luftschnittstelle an eine Zentrale übertragen und dort ausgewertet. Auch bereits in Echtzeit ausgewertete Lagedaten bzw. Spurweitendaten können an eine Zentrale übermittelt und für die Instandhaltungsplanung genutzt werden.

[37] Zur Nutzung weiterer Aspekte der vorliegenden Erfindung kann die

Messvorrichtung 2 in ein Messsystem einer Bahnbaumaschine eingebunden sein. Dann sind die Messdaten unmittelbar für diverse

Instandhaltungsmaßnahmen verwendbar, beispielsweise zum Aufmessen oder zum Nachmessen eines Gleises bei Gleisstopfarbeiten oder bei Schotterbett-Reinigungsarbeiten.

Für einfache Messarbeiten besteht zudem die Möglichkeit, die Messvorrichtung 2 auf einem am Gleis verfahrbaren Handwagen anzuordnen. Die Versorgung erfolgt dann beispielsweise mittels eines Akkumulators.