CN102445176A - 高速列车运行姿态参数测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速列车运行姿态参数测量系统，包括：惯性测量单元，用于测量列车在三个方向上的姿态角、角速度和加速度分量；测距单元，用于测量关键部位的位移变化量；测速单元，用于测量列车的运行速度；信息采集与处理单元，用于接收所述惯性测量单元、测距单元和测速单元所测量的信号并进行运算处理，得到列车的姿态角、加速度、运行速度和关键部位的位移量信息等高速列车运行姿态参数。本发明通过上述单元能够在线实时测量、显示、记录以及分析高速列车运行姿态参数，如姿态角、加速度、位移量、速度等，从而为高速列车安全平稳运行提供重要的参数信息。

Description

高速列车运行姿态参数测量系统

技术领域

本发明涉及一种高速列车运行姿态参数测量系统。

背景技术

2008年8月1日，全长约120km的京津城际高速铁路投入运营，2009年12月26日，世界上首条一次建成的、运营里程达到1068km的高速铁路——武广客运专线投入运营，2011年6月30日，全长1318公里的京沪高速铁路投入运营。根据《中国铁路中长期规划(2008年调整)》，到2012年，中国投入运营的高速铁路将达到41条，营业里程达1.3万km，投入运营的“和谐号”高速列车在1000列以上；到2020年，中国铁路营业里程将达到12万km以上，其中建成高速铁路1.8万km以上。

世界其它国家如日本发展高速铁路47年，总里程约2300公里，最高运营时速300公里。法国发展高速铁路28年，总里程约1800公里，最高运营时速320公里。德国发展高速铁路20年，总里程约1000公里，最高运营时速300公里。

可见，当今世界高速铁路技术蓬勃发展，中国高速铁路技术发展最为迅猛。可是，随着列车的速度也不断提升，一些在低速运行时可以忽略的问题变得重要，而且还会出现一些低速运行时不曾出现的新问题。例如，高速列车高速交会、通过隧道尤其是隧道内高速交会、通过大风区域、高速过桥梁等过程中，高速列车可能出现一系列的稳定性和安全性问题，而这些问题都体现在高速列车的运行姿态上，因此，准确掌握高速列车的运行姿态参数对列车的高速、安全、平稳运行极为重要。

随着高速列车运行速度的提高，高速列车的运行姿态也更加复杂，对这些运行姿态的认识也逐渐深入，但是，几种典型的高速列车运行姿态如蛇行运动、车体弯曲、整列列车的弯曲等等，都是通过数值模拟或者在线观察得到的，而没有准确的运行姿态参数实际测量结果，因为目前国内外尚没有高速列车运行姿态参数测量设备。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高速列车运行姿态参数测量系统，能够在线实时测量高速列车运行过程中的姿态参数和其它特性参数，并对列车运行姿态参数进行实时分析，从而有助于提高高速列车的运行安全性、平稳性和舒适性。

本发明的一种高速列车运行姿态参数测量系统包括：

惯性测量单元，用于测量列车在三个方向上的姿态角、角速度和加速度分量；

测距单元，用于测量关键部位的位移变化量；

测速单元，用于测量列车的运行速度；

信息采集与处理单元，用于接收所述惯性测量单元、测距单元和测速单元所测量的信号并进行运算处理，得到列车的姿态角、加速度、运行速度和关键部位的位移量信息等高速列车运行姿态参数。

优选地，所述惯性测量单元包括陀螺仪和加速度计。

优选地，所述测距单元为测距仪。

优选地，所述测速单元为测速仪。

优选地，所述信息采集与处理单元为具有捷联惯导系统姿态算法、加速度矢量坐标转换、积分运算等功能的计算机。

优选地，还包括显示单元，用于显示所述信息采集与处理单元处理的结果、显示列车运行姿态参数曲线等。

本发明高速列车运行姿态参数测量系统以惯性测量为核心，由惯性测量单元、测距单元、测速单元和信息采集与处理单元组成，本发明通过上述单元能够在线实时测量、显示、记录以及分析高速列车运行姿态参数，如姿态角、加速度、位移量、速度等，从而为高速列车安全平稳运行提供重要的参数信息。

附图说明

图1为本发明高速列车运行姿态参数测量系统结构示意框图。

图2为本发明高速列车运行姿态参数测量系统的姿态矩阵算法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明高速列车运行姿态参数测量系统包括：惯性测量单元1、测距单元2、测速单元3、信息采集与处理单元4和显示单元5，具体如下：

将不同的测量单元安装在高速列车的不同位置，测量不同位置的相关参数，然后经过数据处理获取高速列车运行姿态参数。其中：

惯性测量单元1进一步包括陀螺仪11和加速度计12。实车测量过程中，惯性测量单元1先进行初始对准得到姿态矩阵的初值，在高速列车运行时，三个相互垂直安装的陀螺仪将三个方向上的角度变化量以频率信号的方式输出。经过陀螺信号处理电路的处理后输出与三个角姿态信息成正比的数字信号，陀螺仪测量信号经过滤波处理后得到高速列车的角速率，用角速率对捷联矩阵进行即时修正，再进行四元数归一化，得到捷联矩阵。利用加速度计12测量得到的高速列车相对惯性坐标系的加速度沿高速列车坐标系的分量，通过捷联矩阵转换成沿着地理坐标系的分量，用于计算高速列车的姿态角、线速度、位置等运行姿态参数。

测距单元2采用测距仪，测速单元3采用测速仪，利用测速仪和测距仪测量高速列车的运行速度和被测关键部位的位移变化量，通过捷联矩阵转换成沿着地理坐标系的分量。

信息采集与处理单元4为具有捷联惯导系统姿态算法、加速度矢量坐标转换、积分运算等功能的计算机，用于接收惯性测量单元1、测距单元2和测速单元3所测量的信号并进行运算处理，得到列车的姿态角、加速度、运行速度和关键部位的位移量信息。具体系统结构模块图见附图2。具体是：

将图2中的步骤在说明书中详细描述：

步骤1：测量，包括加表(即加速度计)测量、陀螺仪测量、位置和速度测量等。

步骤2：确定初始姿态矩阵。高速列车坐标系相对于导航坐标系的位置关系可由航向角(Ψ)、俯仰角(θ)和偏航角(γ)表示，表述高速列车坐标系(n系)和导航坐标系(b系)旋转关系的姿态矩阵为：

$C_b^n=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\Ψ}+\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\Ψ}\sin \mathrm{\θ}& -\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\Ψ}+\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\Ψ}\sin \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\Ψ}\cos \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\Ψ}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\Ψ}+\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\Ψ}\sin \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\Ψ}+\cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\Ψ}\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

简记为：

$C_b^n=\left[\begin{array}{ccc}{T}_{11}& T_{12}& T_{13}\\ T_{21}& T_{22}& T_{23}\\ T_{31}& T_{32}& T_{33}\end{array}\right]---\left(1\right)$

步骤3：解析法粗对准。可选择如下方法之一：

传递法：将初始航向角、俯仰角和偏航角(Ψ(0)、θ(0)、γ(0))代入式(1)。

静基座加表、陀螺仪参数解析法：若高速列车处于微幅晃动状态，也可利用陀螺及加表输出结合高速列车所在纬度确立初始姿态矩阵。

步骤4：四元数初值确定。

[1]由姿态矩阵计算姿态角，有

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Ψ}=\arctan \left(\frac{T_{12}}{T_{22}}\right)\\ \mathrm{\γ}=-\arctan \left(\frac{T_{31}}{T_{33}}\right)\\ \mathrm{\θ}=\arcsin \left(T_{32}\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

[2]四元数初值确定：四元数是超复数，是由1个实数和3个元素i、j、k组成的含有4个元的数，其形式为Q＝q_o+g₁i+q₂j+q₃k＝q_o+q，遵守矢量相乘的规则。姿态矩阵可由四元数等效表达如下

$C_b^n=\left[\begin{array}{ccc}{q}_0^2+q_1^2-q_2^2-q_3^2& 2(q_1{q}_2-q_0{q}_3)& 2(q_1{q}_3-q_0{q}_2)\\ 2(q_1{q}_2+q_0{q}_3)& q_0^2-q_1^2+q_2^2-q_3^2& 2(q_2{q}_3-q_0{q}_1)\\ 2(q_1{q}_3+q_0{q}_2)& 2(q_2{q}_3+q_0{q}_1)& q_0^2-q_1^2-q_2^2+q_3^2\end{array}\right]---\left(3\right)$

姿态矩阵初值确立后，四元数可由下式解出，并按四元数符号确立法则确立四元数符号；也可利用含半姿态角的便捷公式解出四元数。

$\left\{\begin{array}{c}\left|q_0\right|=\sqrt{1+T_{11}+T_{22}+T_{33}}/2\\ \left|q_1\right|=\sqrt{1+T_{11}-T_{22}-T_{33}}/2\\ \left|q_2\right|=\sqrt{1-T_{11}+T_{22}-T_{33}}/2\\ \left|q_3\right|=\sqrt{1-T_{11}-T_{22}+T_{33}}/2\end{array}\right.---\left(4\right)$

步骤5：罗经法精对准。

步骤3粗对准精确度较低，计算的地理坐标系与理想地理坐标系存在东向、北向和方位失准角

应用经典控制系统理论，可将系统设计为具有抗干扰能力的2阶水平对准回路，通过选择合适的参数使东向和北向水平失准角逐步收敛。在北向水平对准回路中存在

对北向水平对准具有交叉耦合的作用，说明方位轴与北向水平对准有密切的关系，称为罗经效应。可利用罗经效应设计控制回路，选择合适的参数，在北向调平过程中进行方位失准收敛。概括地说，通过处理加表及陀螺的量测值，计算出修正角速度供捷联矩阵更新计算，逐步使失准角尽可能减为0。

步骤6：坐标转换。

对陀螺仪相对惯性坐标系的采样角速率进行地球自转及高速列车位置速率补偿陀螺仪采样角速率ω^b _ib是相对惯性坐标系的，它包含基座导航坐标系相对惯性坐标系的旋转角速率和高速列车坐标系相对导航坐标系的旋转角速率。要获得高速列车相对导航坐标系的旋转角速率，必须进行地球自转及高速列车位置速率补偿。

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\θ}}_x\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_y\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_z\end{array}\right]={\∫}_{i_k}^{i_{k+1}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ib}}^b\mathrm{dt}---\left(5\right)$

步骤7：四元数更新、姿态矩阵更新、姿态角计算。

令 $\mathrm{\Δ\θ}=\sqrt{{\mathrm{\Δ\θ}}_x^2+{\mathrm{\Δ\θ}}_y^2+{\mathrm{\Δ\θ}}_z^2}$

$\left[\begin{array}{c}{q}_0\left(t_{k+1}\right)\\ q_1\left(t_{k+1}\right)\\ q_2\left(t_{k+1}\right)\\ q_3\left(t_{k+1}\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\cos \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}& -\frac{\left(\sin \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}\right){\mathrm{\Δ\θ}}_x}{\mathrm{\Δ\θ}}& -\frac{\left(\sin \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}\right){\mathrm{\Δ\θ}}_y}{\mathrm{\Δ\θ}}& -\frac{\left(\sin \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}\right){\mathrm{\Δ\θ}}_z}{\mathrm{\Δ\θ}}\\ \frac{\left(\sin \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}\right){\mathrm{\Δ\θ}}_x}{\mathrm{\Δ\θ}}& \cos \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}& \frac{\left(\sin \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}\right){\mathrm{\Δ\θ}}_z}{\mathrm{\Δ\θ}}& -\frac{\left(\sin \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}\right){\mathrm{\Δ\θ}}_y}{\mathrm{\Δ\θ}}\\ \frac{\left(\sin \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}\right){\mathrm{\Δ\θ}}_y}{\mathrm{\Δ\θ}}& -\frac{\left(\sin \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}\right){\mathrm{\Δ\θ}}_z}{\mathrm{\Δ\θ}}& \cos \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}& \frac{\left(\sin \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}\right){\mathrm{\Δ\θ}}_x}{\mathrm{\Δ\θ}}\\ \frac{\left(\sin \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}\right){\mathrm{\Δ\θ}}_z}{\mathrm{\Δ\θ}}& \frac{\left(\sin \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}\right){\mathrm{\Δ\θ}}_y}{\mathrm{\Δ\θ}}& -\frac{\left(\sin \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}\right){\mathrm{\Δ\θ}}_x}{\mathrm{\Δ\θ}}& \cos \frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{q}_0\left(t_k\right)\\ q_1\left(t_k\right)\\ q_2\left(t_k\right)\\ q_3\left(t_k\right)\end{array}\right]---\left(6\right)$

参考式(2)和(3)，将更新后的四元数代入式(6)，计算出更新后的姿态矩阵和高速列车姿态角。

显示单元5用于显示信息采集与处理单元4处理的结果。

本发明在使用的时候，惯性测量单元1安装在高速列车不同车厢内或者转向架不同轴箱处，测速仪安装在列车头车位置，测距仪安装在转向架不同位置处。

本发明高速列车运行姿态参数测量系统具有以下优点：

1、本发明是国内外首次针对高速列车运行姿态的测量系统。

2、本发明集合了不同领域如航空航天领域、计算机领域等的成熟技术，针对高速铁路领域研发的测量系统。

本发明高速列车运行姿态参数测量系统通过在线实时测量，获取高速列车运行姿态参数，具有以下重要应用价值：

1、获得的高速列车整车运行姿态参数，一方面掌握高速列车的运行姿态，验证一直以来的理论分析结果；另一方面验证数值模拟结果，评估高速列车车体各种载荷分布，推动数值模拟技术的完善。

2、获得的高速列车局部尤其是不同转向架、不同轮对的运行姿态参数，有助于全面了解目前只是纯理论分析得到的高速列车蛇行运动产生机理和演变规律，并改善高速列车抗蛇行减振系统的设计。

3、获得的车轮相对于轨道表面的位移量，有助于深入了解高速列车轮轨关系，弄清车轮与轨道表面磨损机理和规律。

4、获得的转向架相对于车体、车体与车体间的相对位移量，有助于评估和完善高速列车一、二系悬挂系统设计和车间连接系统的设计。

5、获得的高速列车运行姿态参数，指导完善高速列车设计，提高高速列车运行安全性、平稳性和舒适性。

Claims (6)

1.一种高速列车运行姿态参数测量系统，其特征在于，包括：

惯性测量单元，用于测量列车在三个方向上的姿态角、角速度和加速度分量；

测距单元，用于测量关键部位的位移变化量；

测速单元，用于测量列车的运行速度；

信息采集与处理单元，用于接收所述惯性测量单元、测距单元和测速单元所测量的信号并进行运算处理，得到列车的姿态角、加速度、运行速度和关键部位的位移量信息等高速列车运行姿态参数。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述惯性测量单元包括陀螺仪和加速度计。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测距单元为测距仪。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测速单元为测速仪。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信息采集与处理单元为具有捷联惯导系统姿态算法、加速度矢量坐标转换、积分运算等功能的计算机。

6.如权利要求1至5任一所述的系统，其特征在于，还包括显示单元，用于显示所述信息采集与处理单元处理的结果、显示列车运行姿态参数曲线等。

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