CN105136194A

CN105136194A - 一种新型轨道不平顺检测技术及其方法

Info

Publication number: CN105136194A
Application number: CN201510364485.7A
Authority: CN
Inventors: 刘太联; 李吉忠; 逢滨
Original assignee: Qingdao Agricultural University
Current assignee: Qingdao Agricultural University
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2015-12-09

Abstract

本发明涉及一种新型轨道不平顺检测技术及其方法，本发明的数据采集部分采用完整的微机电惯性系统ADIS16488A代替传统的陀螺仪等采集装置，安装在同一轴的两侧轴箱上，通过对轮子的运动状态进行测量，间接获得钢轨的三维空间数据，通过捷联惯导矩阵计算出轨道的相关状态数据，并将获得的速度信息参与算法运算，计算出高低、轨向、轨距、超高、曲线半径和曲率变化率等参数，通过新的测量手段和计算技术，缩小了轨道检测装置的体积，与传统装置中采集传感器和硬件较为复杂不同，该新技术大大简化了数据采集和硬件设计，只采用一个ADIS16488A芯片和中央处理单元STM32F337及其相关匹配电路，核心工作通过STM32F337中的算法来完成，增强了系统的稳定性，增加了安装的便利性，降低了成本。

Description

一种新型轨道不平顺检测技术及其方法

技术领域

本发明属于轨道检测领域，涉及一种采用MEMS(微机电系统)技术的轨道检测装置及检测方法，尤其是一种轨道不平顺包括高低、轨向、轨距、超高、曲线半径和曲率变化率等参数的新的检测装置和检测方法。

背景技术

在铁路工务部门用轨检车对轨道进行动态检测，能够知道线路在列车实际动载作用下，轨道几何尺寸的偏差和相关各项参数及相应的轨道质量指数，并对线路状态做出评价。轨检车检测的数据全面、准确可靠，是线路动态质量检查的重要手段，但由于轨检车价格昂贵，数量配备有限，使得实际动态检测在很多地方没有进行或是较长的检测周期，无法保障工务部门安全生产。

大型轨道检测车是目前轨道检测效率最高，监测最为可靠的设备，但是由于调用大型轨道检测车会干扰铁路线路正常运行，给运行调度带来很大的压力，因此不可能频繁使用大型轨道检测车来完成铁律轨道的日常检修。精简小车、轨检小车、弦线和道尺也是测量轨道不平顺的主要设备，但由于各种原因，使其精度受到限制而对轨道进行快速精确的检测。

现在常用的测量方法有惯性基准法和弦测法。惯性基准法是利用车辆的加速度信号经二次积分直接产生位置或者位移量，得出的惯性基准在此基础下对轨道进行检测。弦测法是使用轨道测量点前后短距离间的弦线替代标准轨道，这种方法本身包含一些不平顺的因素，导致测量精度不高。

发明内容

本发明采用完整的微机电惯性系统ADIS16488A代替传统设计手段中的陀螺仪等采集装置，其内置一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计、一个三轴磁力计和一个压力传感器，大大缩小了轨道检测装置的体积。本发明利用机车轮子与钢轨有较好的刚性连接这一特点，直接测量轮子的运动状态达到间接得出轨道的状况，通过对轮子的运动状态进行测量，从而分析出轨道的相关状态数据，所涉及的轨检仪体积小，安装方便，成本低廉。

技术方案：

创新技术点可重点突出以下几点：

(1)在硬件电路设计方面，采用基于微机电技术的采集芯片ADIS16488A代替传统的陀螺仪，采用STM32F337为中央处理单元，使电路设计简单，稳定可靠，并且便于安装。

(2)创造性的采用通过对机车轮子的运动状态的测量来达到间接测量机车运动状态的目的。即通过测量机车轮子来间接得到两根钢轨的三维空间数据，最终可通过捷联惯导矩阵计算得到机车的空间轨迹数据。

(3)在获得ADIS16488A采集到的机车轮子的三维空间运动数据(如三维角速度值、三维加速度值)后，通过捷联矩阵，进行计算得到轨道高低、轨距、轨向和曲率等信息。

(4)采用希尔伯特-黄变换对轨缝信息进行提取，来消除轨道缝隙对数据有效性的影响,消除积分饱和现象。

功能介绍：数据采集模块，该模块安装在两侧轴箱上，分别采集机车左右轮子的数据，核心芯片ADIS16488A采集三维角速度、三维加速度、三维磁场强度，该；数据处理模块，该模块与上述的数据采集模块通过RS485总线连接，STM32F337做为中央处理单元，进行数据处理及算法运算并将最终得到的数据传输上主机进行显示。

附图

附图1数据处理模块原理图

具体实施方式

实施例1

从ADIS16488A传感器的得到机车轮子的角速率，用该角速率对捷联矩阵cnb进行即时修正，再进行四元数归一化，其目的是为了获得载体坐标系相对于平台坐标系的转动角度，其具体计算公式如下：

w＝0+w_xi_b+w_yj_b+w_zk_b

从而四元数的微分方程如下式：

Q = \frac{1}{2} Q * W

将其写成矩阵形式：

[\begin{matrix} q_{0} \\ q_{1} \\ q_{2} \\ q_{3} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & - \frac{w_{x}}{2} & - \frac{w_{y}}{2} & - \frac{w_{x}}{2} \\ \frac{w_{x}}{2} & 0 & \frac{w_{z}}{2} & - \frac{w_{y}}{2} \\ \frac{w_{y}}{2} & - \frac{w_{z}}{2} & 0 & \frac{w_{x}}{2} \\ \frac{w_{z}}{2} & \frac{w_{y}}{2} & - \frac{w_{x}}{2} & 0 \end{matrix}] [\begin{matrix} q_{0} \\ q_{1} \\ q_{2} \\ q_{3} \end{matrix}]

为载体坐标系相对与地理坐标系的角矢量的四元数表达形式，对上述方程实时求解，可以得到q0，q1，q2，q3的值，根据q0，q1，q2，q3求出捷联姿态矩阵T，

T = [\begin{matrix} 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{matrix}]

要更新捷联矩阵，就要更新四元素，即求解四元素微分方程，这种方法便于在微处理器的编程实现，根据上述的捷联矩阵求得相对转动角，可计算出大于150m的曲线半径，同时计算曲率和正矢值，并计算曲率变化率。

利用从ADIS16488A采集到的三维加速度值测得载体相对惯性坐标系的加速度沿车体坐标系的分量，根据上述计算步骤，转换成沿地理坐标系的加速度分量，对其值进行二次积分，用以计算轨道高低、轨向和轨距信息。

Claims

1.一种新型轨道不平顺检测装置及其方法，其特征在于：包括安装在同一侧轴箱上的ADIS16488A数据采集器、STM32F337数据后处理单元、GPS模块BD970、运行状态指示灯、RS485总线接口、运行状态指示灯，数据采集器与数据后处理单元之间用RS485总线相连，通过该接口获得速度信息参与算法运算并将计算出的高低、轨向、轨距、超高、曲线半径和曲率变化率等参数传递给显示装置。

2.根据权利要求1，所述一种新型轨道不平顺检测装置及其方法，其特征在于:安装在轮轴两侧贴近车轮的两个ADIS16488A数据采集器与车轮和钢轨三者具有钢性连接特性，列车行驶时，钢轨的空间位置及状态变化会传递给车轮，并基本能准确反应到传感器测量数据里，得到两个传感器的三维空间运动数据，从而间接得到了两根钢轨的空间三维结构数据包括角速度值、加速度值、空间姿态方向值，可计算得出机车的空间轨迹数据，该轨迹可理解为轨道的变化轨迹。

3.根据权利要求1，所述一种新型轨道不平顺检测装置及其方法，其特征在于：采用希尔伯特-黄变换对ADIS16488A采集到的数据进行预处理，并利用该算法对轨缝信息进行提取，来消除轨道缝隙对数据有效性的影响,消除积分饱和现象。

4.根据权利要求1，所述一种新型轨道不平顺检测装置及其方法，其特征在于：利用从ADIS16488A采集到的三维加速度值测得载体相对惯性坐标系的加速度沿车体坐标系的分量，根据权利要求4中的计算步骤，转换成沿地理坐标系的加速度分量，对其值进行二次积分，用以计算轨道高低、轨向和轨距信息。