一種新型軌道不平順檢測技術(shù)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于軌道檢測領(lǐng)域，涉及一種采用MEMS (微機電系統(tǒng)）技術(shù)的軌道檢測裝 置及檢測方法，尤其是一種軌道不平順包括高低、軌向、軌距、超高、曲線半徑和曲率變化率 等參數(shù)的新的檢測裝置和檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在鐵路工務(wù)部門用軌檢車對軌道進行動態(tài)檢測，能夠知道線路在列車實際動載作 用下，軌道幾何尺寸的偏差和相關(guān)各項參數(shù)及相應(yīng)的軌道質(zhì)量指數(shù)，并對線路狀態(tài)做出評 價。軌檢車檢測的數(shù)據(jù)全面、準(zhǔn)確可靠，是線路動態(tài)質(zhì)量檢查的重要手段，但由于軌檢車價 格昂貴，數(shù)量配備有限，使得實際動態(tài)檢測在很多地方?jīng)]有進行或是較長的檢測周期，無法 保障工務(wù)部門安全生產(chǎn)。
[0003] 大型軌道檢測車是目前軌道檢測效率最高，監(jiān)測最為可靠的設(shè)備，但是由于調(diào)用 大型軌道檢測車會干擾鐵路線路正常運行，給運行調(diào)度帶來很大的壓力，因此不可能頻繁 使用大型軌道檢測車來完成鐵律軌道的日常檢修。精簡小車、軌檢小車、弦線和道尺也是測 量軌道不平順的主要設(shè)備，但由于各種原因，使其精度受到限制而對軌道進行快速精確的 檢測。
[0004] 現(xiàn)在常用的測量方法有慣性基準(zhǔn)法和弦測法。慣性基準(zhǔn)法是利用車輛的加速度信 號經(jīng)二次積分直接產(chǎn)生位置或者位移量，得出的慣性基準(zhǔn)在此基礎(chǔ)下對軌道進行檢測。弦 測法是使用軌道測量點前后短距離間的弦線替代標(biāo)準(zhǔn)軌道，這種方法本身包含一些不平順 的因素，導(dǎo)致測量精度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明采用完整的微機電慣性系統(tǒng)ADIS16488A代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計手段中的陀螺儀等 采集裝置，其內(nèi)置一個三軸陀螺儀、一個三軸加速度計、一個三軸磁力計和一個壓力傳感 器，大大縮小了軌道檢測裝置的體積。本發(fā)明利用機車輪子與鋼軌有較好的剛性連接這一 特點，直接測量輪子的運動狀態(tài)達到間接得出軌道的狀況，通過對輪子的運動狀態(tài)進行測 量，從而分析出軌道的相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，所涉及的軌檢儀體積小，安裝方便，成本低廉。
[0006] 技術(shù)方案：
[0007] 創(chuàng)新技術(shù)點可重點突出以下幾點： (1)在硬件電路設(shè)計方面，采用基于微機電技術(shù)的采集芯片ADIS16488A代替?zhèn)鹘y(tǒng)的陀 螺儀，采用STM32F337為中央處理單元，使電路設(shè)計簡單，穩(wěn)定可靠，并且便于安裝。
[0007] (2)創(chuàng)造性的采用通過對機車輪子的運動狀態(tài)的測量來達到間接測量機車運動狀 態(tài)的目的。即通過測量機車輪子來間接得到兩根鋼軌的三維空間數(shù)據(jù)，最終可通過捷聯(lián)慣 導(dǎo)矩陣計算得到機車的空間軌跡數(shù)據(jù)。
[0008] (3)在獲得ADIS16488A采集到的機車輪子的三維空間運動數(shù)據(jù)（如三維角速度 值、三維加速度值）后，通過捷聯(lián)矩陣，進行計算得到軌道高低、軌距、軌向和曲率等信息。
[0009] (4)采用希爾伯特-黃變換對軌縫信息進行提取，來消除軌道縫隙對數(shù)據(jù)有效性 的影響，消除積分飽和現(xiàn)象。
[0010] 功能介紹：數(shù)據(jù)采集模塊，該模塊安裝在兩側(cè)軸箱上，分別采集機車左右輪子的數(shù) 據(jù)，核心芯片ADIS16488A采集三維角速度、三維加速度、三維磁場強度，該；數(shù)據(jù)處理模塊， 該模塊與上述的數(shù)據(jù)采集模塊通過RS485總線連接，STM32F337做為中央處理單元，進行數(shù) 據(jù)處理及算法運算并將最終得到的數(shù)據(jù)傳輸上主機進行顯示。
[0011] 附圖 附圖1數(shù)據(jù)處理模塊原理圖
【具體實施方式】
[0012] 實施例1 從ADIS16488A傳感器的得到機車輪子的角速率，用該角速率對捷聯(lián)矩陣cnb進行即時 修正，再進行四元數(shù)歸一化，其目的是為了獲得載體坐標(biāo)系相對于平臺坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動角度， 其具體計算公式如下：
從而四元數(shù)的微分方程如下式：
將其寫成矩陣形式：

為載體坐標(biāo)系相對與地理坐標(biāo)系的角矢量的四元數(shù)表達形 式，對上述方程實時求解，可以得到q〇, ql，q2, q3的值，根據(jù)q0, ql，q2, q3求出捷聯(lián)姿態(tài)矩 陣T，
要更新捷聯(lián)矩陣，就要更新四元素，即求解四元素微分方程，這種方法便于在微處理器 的編程實現(xiàn)，根據(jù)上述的捷聯(lián)矩陣求得相對轉(zhuǎn)動角，可計算出大于150m的曲線半徑，同時 計算曲率和正矢值，并計算曲率變化率。
[0013] 利用從ADIS16488A采集到的三維加速度值測得載體相對慣性坐標(biāo)系的加速度沿 車體坐標(biāo)系的分量，根據(jù)上述計算步驟，轉(zhuǎn)換成沿地理坐標(biāo)系的加速度分量，對其值進行二 次積分，用以計算軌道高低、軌向和軌距信息。
【主權(quán)項】
1. 一種新型軌道不平順檢測裝置及其方法，其特征在于：包括安裝在同一側(cè)軸箱上的 ADIS16488A數(shù)據(jù)采集器、STM32F337數(shù)據(jù)后處理單元、GPS模塊BD970、運行狀態(tài)指示燈、 RS485總線接口、運行狀態(tài)指示燈，數(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)后處理單元之間用RS485總線相連， 通過該接口獲得速度信息參與算法運算并將計算出的高低、軌向、軌距、超高、曲線半徑和 曲率變化率等參數(shù)傳遞給顯示裝置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1，所述一種新型軌道不平順檢測裝置及其方法，其特征在于：安裝在 輪軸兩側(cè)貼近車輪的兩個ADIS16488A數(shù)據(jù)采集器與車輪和鋼軌三者具有鋼性連接特性， 列車行駛時，鋼軌的空間位置及狀態(tài)變化會傳遞給車輪，并基本能準(zhǔn)確反應(yīng)到傳感器測量 數(shù)據(jù)里，得到兩個傳感器的三維空間運動數(shù)據(jù)，從而間接得到了兩根鋼軌的空間三維結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)包括角速度值、加速度值、空間姿態(tài)方向值，可計算得出機車的空間軌跡數(shù)據(jù)，該軌跡 可理解為軌道的變化軌跡。3. 根據(jù)權(quán)利要求1，所述一種新型軌道不平順檢測裝置及其方法，其特征在于：采用希 爾伯特-黃變換對ADIS16488A采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并利用該算法對軌縫信息進行提 取，來消除軌道縫隙對數(shù)據(jù)有效性的影響，消除積分飽和現(xiàn)象。4. 根據(jù)權(quán)利要求1，所述一種新型軌道不平順檢測裝置及其方法，其特征在于：利用從 ADIS16488A采集到的三維加速度值測得載體相對慣性坐標(biāo)系的加速度沿車體坐標(biāo)系的分 量，根據(jù)權(quán)利要求4中的計算步驟，轉(zhuǎn)換成沿地理坐標(biāo)系的加速度分量，對其值進行二次積 分，用以計算軌道高低、軌向和軌距信息。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種新型軌道不平順檢測技術(shù)及其方法，本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集部分采用完整的微機電慣性系統(tǒng)ADIS16488A代替?zhèn)鹘y(tǒng)的陀螺儀等采集裝置，安裝在同一軸的兩側(cè)軸箱上，通過對輪子的運動狀態(tài)進行測量，間接獲得鋼軌的三維空間數(shù)據(jù)，通過捷聯(lián)慣導(dǎo)矩陣計算出軌道的相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將獲得的速度信息參與算法運算，計算出高低、軌向、軌距、超高、曲線半徑和曲率變化率等參數(shù)，通過新的測量手段和計算技術(shù)，縮小了軌道檢測裝置的體積，與傳統(tǒng)裝置中采集傳感器和硬件較為復(fù)雜不同，該新技術(shù)大大簡化了數(shù)據(jù)采集和硬件設(shè)計，只采用一個ADIS16488A芯片和中央處理單元STM32F337及其相關(guān)匹配電路，核心工作通過STM32F337中的算法來完成，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加了安裝的便利性，降低了成本。
【IPC分類】G01D21/02, B81B7/02
【公開號】CN105136194
【申請?zhí)枴緾N201510364485
【發(fā)明人】劉太聯(lián), 李吉忠, 逢濱
【申請人】青島農(nóng)業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年6月26日