專利名稱:使用mems陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測系統(tǒng)，其特征在于：包括便攜式軌檢儀本體、MEMS陀螺儀、里程計(jì)、左位移傳感器、右位移傳感器、信號(hào)采集/調(diào)理單元、嵌入式計(jì)算裝置，其中MEMS陀螺儀、里程計(jì)、信號(hào)采集/調(diào)理單元、嵌入式計(jì)算裝置均安裝在便攜式軌檢儀本體上，左位移傳感器、右位移傳感器分別安裝在便攜式軌檢儀本體左側(cè)、右側(cè)，MEMS陀螺儀、里程計(jì)、左位移傳感器、右位移傳感器輸出信號(hào)依次經(jīng)過信號(hào)采集/調(diào)理單元、嵌入式計(jì)算裝置。本實(shí)用新型的檢測系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、經(jīng)濟(jì)合理、檢測精度高的特點(diǎn)，可廣泛用于傳統(tǒng)便攜式軌檢儀的升級(jí)換代，具有巨大的應(yīng)用潛力。
【專利說明】使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及鐵路軌道幾何量的檢測領(lǐng)域，特別涉及使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著鐵路客運(yùn)高速化、貨運(yùn)重載化，特別是高速鐵路的巨大發(fā)展，鐵路運(yùn)輸跨入嶄新的時(shí)代。軌道質(zhì)量直接影響著鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩托省３藱C(jī)車車輛自身影響外，軌道狀態(tài)的不平順是破壞列車運(yùn)行穩(wěn)定性的主要原因。這些不平順包括:軌道高低不平順引起車輛劇烈地點(diǎn)頭和浮沉振動(dòng)；軌道水平不平順使車輛產(chǎn)生側(cè)滾振動(dòng)；軌道扭曲不平順使轉(zhuǎn)向架出現(xiàn)支撐輪減載甚至懸??；軌道軌向不平順引起車輛的側(cè)擺、搖頭振動(dòng)；軌道軌距不平順會(huì)導(dǎo)致車輪掉道或卡軌；軌道復(fù)合不平順可引起列車出現(xiàn)脫軌。為此，需對(duì)運(yùn)營軌道定期進(jìn)行軌道靜態(tài)幾何參數(shù)的測量，以對(duì)軌道進(jìn)行調(diào)整，使其保持最佳狀態(tài)。目前，軌道檢查儀器與設(shè)備主要包括軌道檢查機(jī)車和輕便的軌道檢查儀。由于軌道檢測車價(jià)格昂貴，在國外發(fā)達(dá)國家應(yīng)用廣泛。而國內(nèi)日常軌道檢查主要采用便攜式的軌道檢查儀進(jìn)行鐵路軌道靜態(tài)幾何參數(shù)的測量與檢查。
[0003]鐵路軌道靜態(tài)幾何參數(shù)包括軌距、軌矩變化率、超高、扭曲、高低、軌向、正矢、線路橫向誤差、線路垂向誤差等。在這些參數(shù)測量中，高低、軌向、扭曲、正矢都涉及到測量方法的選擇與確定的問題，而測量方法對(duì)測量精度有極大的影響。一般來說包括人工弦線法、弦測法與慣性法(軌跡法)。弦測法采用三點(diǎn)等弦弦測實(shí)現(xiàn)軌向等參數(shù)測量，通過各段弦高測量，采用“以小推大”的方法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1m弦等幾何參數(shù)的間接測量，但這種測量存在累積誤差，測量點(diǎn)數(shù)不能太多。中國實(shí)用新型專利201110089802即是采用該方法。慣性法測量軌向、高低平順度的實(shí)質(zhì)是按位置測量軌道水平方向的擺角或垂直方向的俯仰角，如采用光纖陀螺儀，實(shí)現(xiàn)各段角度變化測量，直接算出各段弦的軌向的變化。由于光纖陀螺測量得到的是全局坐標(biāo)下的角度變化，并采用測量角度變化的實(shí)現(xiàn)直線不平順的測量，沒有測量的累積誤差。還有一種采用絕對(duì)坐標(biāo)的測量方方法，其在軌道側(cè)建立參考標(biāo)志，采用建立參考坐標(biāo)系的方法實(shí)現(xiàn)全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)與角度的測量，從而實(shí)現(xiàn)軌道幾何參數(shù)的測量。這種方法采用的是全站儀的方法。中國實(shí)用新型專利201110281839即采用該方法實(shí)現(xiàn)軌道幾何狀態(tài)檢測。在軌道檢查車上還采用線結(jié)構(gòu)激光雙目或單目視覺的方法實(shí)現(xiàn)鐵路軌道幾何參數(shù)測量，這種方法通過對(duì)線結(jié)構(gòu)光線的非接觸視覺測量，實(shí)現(xiàn)截面軌道輪廓的測量，但這種方法要配合慣性傳感器(加速度傳感器、傾角傳感器)，通過間接的方法把測量結(jié)果轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)下。這種方法由于要使用慣性傳感器只能適用于在軌道檢查車進(jìn)行高速運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行軌道檢查。
[0004]便攜式輕便軌道檢查儀對(duì)鐵路軌道高低、軌向、扭曲等幾何參數(shù)的測量必須通過直接或間接地?cái)?shù)據(jù)處理，并把測量信息轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)下。由于基于全站儀的軌檢儀價(jià)格昂貴，在我國鐵道檢查實(shí)際大量使用弦測法軌道檢查儀，但其測量精度不高?；诠饫w陀螺測角的軌道檢查儀雖然采用測角原理，測量精度高、沒有累計(jì)誤差，但在實(shí)際使用中光纖陀螺過于精密、可靠性不高、價(jià)格較高，因而一定程度上限制了基于測角方法在鐵路軌道檢查儀上的應(yīng)用。因此，一種新型高可靠性、采用測角原理、沒有累計(jì)誤差的軌道幾何狀態(tài)測量與檢查的方法有重要的應(yīng)用背景與意義。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測系統(tǒng)。
[0006]本實(shí)用新型的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測系統(tǒng)，包括便攜式軌檢儀本體、MEMS陀螺儀、里程計(jì)、左位移傳感器、右位移傳感器、信號(hào)采集/調(diào)理單元、嵌入式計(jì)算裝置，其中MEMS陀螺儀、里程計(jì)、信號(hào)采集/調(diào)理單元、嵌入式計(jì)算裝置均安裝在便攜式軌檢儀本體上，左位移傳感器、右位移傳感器分別安裝在便攜式軌檢儀本體左側(cè)、右側(cè)，MEMS陀螺儀、里程計(jì)、左位移傳感器、右位移傳感器輸出信號(hào)依次經(jīng)過信號(hào)采集/調(diào)理單元、嵌入式計(jì)算裝置。
[0008]所述的嵌入式計(jì)算裝置，包括順序相連的信號(hào)增強(qiáng)模塊、軌道幾何狀態(tài)計(jì)算模塊、測量數(shù)據(jù)管理模塊、作業(yè)定位與分析模塊和遠(yuǎn)程通訊模塊；其中軌道幾何狀態(tài)計(jì)算模塊用于計(jì)算軌距、高低、軌向、扭曲軌道不平順，測量數(shù)據(jù)管理模塊用于完成作業(yè)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，作業(yè)定位與分析模塊用于完成勞動(dòng)作業(yè)位置定位和勞動(dòng)安全監(jiān)護(hù)。
[0009]所述的信號(hào)增強(qiáng)模塊，采用小波和支持向量機(jī)方法進(jìn)行降噪處理，同時(shí)采用支持向量機(jī)方法的溫度波動(dòng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償增強(qiáng)MEMS陀螺儀輸出信號(hào)。
[0010]所述的左位移傳感器、右位移傳感器為非接觸位移傳感器。優(yōu)選激光位移傳感器。
[0011]所述的MEMS陀螺儀具有正交雙軸，其測量平面為水平面和縱向垂直面。
[0012]使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測方法，包含以下順序的步驟:
[0013]S1.完成MEMS陀螺儀角速率信號(hào)與里程計(jì)信號(hào)的同步采集；
[0014]S2.完成MEMS陀螺儀角速率信號(hào)噪聲建模與濾波增強(qiáng)；
[0015]S3.完成MEMS陀螺儀角速率信號(hào)溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；
[0016]S4.根據(jù)增強(qiáng)、溫度補(bǔ)償后的角速率信號(hào)、里程信號(hào)，完成軌道不平順的計(jì)算與評(píng)估。
[0017]步驟S2中，所述的MEMS陀螺儀角速率信號(hào)噪聲建模與濾波增強(qiáng)采用小波和支持向量機(jī)方法。
[0018]步驟S3中，所述的MEMS陀螺儀角速率信號(hào)溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償采用支持向量機(jī)方法。
[0019]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0020](I)本實(shí)用新型使用MEMS陀螺儀代替光纖陀螺儀，可以充分利用MEMS陀螺儀高可靠性、低成本的優(yōu)勢，提高便攜式軌道檢測儀的使用效率與降低使用成本。
[0021](2)本實(shí)用新型的軌道幾何量檢測方法與系統(tǒng)，具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、共享功能以及作業(yè)定位與勞動(dòng)安全監(jiān)護(hù)功能。
[0022](3)本實(shí)用新型的軌道幾何量檢測方法與系統(tǒng)，相比于弦測法的不平順幾何量的測量精度更高，并具有更好的可擴(kuò)展性特點(diǎn)。

【附圖說明】

[0023]圖1為本實(shí)用新型所述的使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本實(shí)用新型所述的使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0026]如圖1所示，一個(gè)典型的使用MEMS陀螺儀的便攜式軌檢儀系統(tǒng)包括便攜式軌檢儀本體102、MEMS陀螺儀104、左位移傳感器103、右位移傳感器106、里程計(jì)105、信號(hào)采集/調(diào)理單元108和嵌入式計(jì)算裝置109。其中，軌檢儀工作時(shí)，其便攜式軌檢儀本體102置于左軌道101和右軌道107上面，并通過左、右軌道的內(nèi)側(cè)導(dǎo)向；MEMS陀螺儀104安裝在便攜式軌檢儀本體102水平面上，里程計(jì)安裝在便攜式軌檢儀本體102上；左位移傳感器103安裝在便攜式軌檢儀本體102上，并靠近左側(cè)，用于測量左軌道101內(nèi)側(cè)面距離變化；右位移傳感器106安裝在便攜式軌檢儀本體102上，并靠近右側(cè)，用于測量右軌道107內(nèi)側(cè)面距離變化；信號(hào)采集/調(diào)理單元108安裝在便攜式軌檢儀本體102上，左位移傳感器103、右位移傳感器106的輸出信號(hào)分別與信號(hào)采集/調(diào)理單元108中的信號(hào)調(diào)理模塊116、111輸入端相連，MEMS陀螺儀104和里程計(jì)105的輸出信號(hào)分別與信號(hào)采集/調(diào)理單元108中的信號(hào)采集模塊115、113的輸入端相連；嵌入式計(jì)算裝置109安裝在便攜式軌檢儀本體102上，其包括信號(hào)增強(qiáng)模塊114和軌道幾何狀態(tài)計(jì)算模塊112。信號(hào)增強(qiáng)模塊114是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，它負(fù)責(zé)完成MEMS陀螺儀104角速率信號(hào)的濾波降噪和信號(hào)增強(qiáng)的任務(wù)，是確保軌道幾何狀態(tài)檢測精度的關(guān)鍵部分。信號(hào)增強(qiáng)模塊114的輸出信號(hào)、左/右位移傳感器調(diào)理后的輸出信號(hào)、里程計(jì)輸出信號(hào)均輸入給軌道幾何狀態(tài)計(jì)算模塊112，完成軌道軌距、高低、軌向和扭曲等不平順的計(jì)算。測量數(shù)據(jù)管理模塊119和作業(yè)定位與分析模塊均接收軌道幾何狀態(tài)計(jì)算模塊112的計(jì)算結(jié)果，并通過遠(yuǎn)程通訊模塊118實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)端共享。
[0027]左、右位移傳感器103、106可以選用激光位移傳感器或電感位移傳感器等非接觸傳感器。左、右位移傳感器103、106的相互位置經(jīng)過標(biāo)定后，保持常量。通過其分別對(duì)左右軌道側(cè)面的距離測量，完成軌距的實(shí)時(shí)測量。
[0028]測量數(shù)據(jù)管理模塊119負(fù)責(zé)作業(yè)數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)、管理與作業(yè)前后結(jié)果分析以及與遠(yuǎn)端通過遠(yuǎn)程通訊模塊118進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸與共享。作業(yè)定位與分析模塊117負(fù)責(zé)軌檢儀作業(yè)位置的GPS測量、分析以及通過遠(yuǎn)程通訊模塊118利用遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)完成勞動(dòng)安全監(jiān)護(hù)。
[0029]如圖2，整個(gè)軌道幾何量的檢測方法中，軌道不平順的檢測方法是關(guān)鍵部分。其檢測方法與步驟如下:
[0030]I)嵌入式計(jì)算裝置109中的軌道不平順計(jì)算首先進(jìn)入計(jì)算開始201進(jìn)程；
[0031]2)嵌入式計(jì)算裝置109執(zhí)行MEMS陀螺儀、里程計(jì)信號(hào)的同步采集進(jìn)程202，為后續(xù)的信號(hào)增強(qiáng)做好準(zhǔn)備；
[0032]3)嵌入式計(jì)算裝置109執(zhí)行基于小波與支持向量機(jī)方法的MEMS陀螺儀角速率信號(hào)的噪聲建模與濾波增強(qiáng)進(jìn)程203，最大程度上提高角速率信號(hào)質(zhì)量；
[0033]4)嵌入式計(jì)算裝置109對(duì)增強(qiáng)后的角速率信號(hào)執(zhí)行基于支持向量機(jī)方法的角速率信號(hào)溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償進(jìn)程204 ；
[0034]5)嵌入式計(jì)算裝置109對(duì)步驟4)得到的信號(hào)，完成軌道高低、軌向和扭曲等不平順計(jì)算與評(píng)估；
[0035]6)嵌入式計(jì)算裝置109執(zhí)行進(jìn)程206，判斷軌道不平順計(jì)算與評(píng)估是否可以結(jié)束，如果判定結(jié)果為“是”，則執(zhí)行進(jìn)程207，輸出檢測結(jié)果。如果判定結(jié)果為“否”，則重新開始執(zhí)行進(jìn)程202，開始新一輪的軌道不平順計(jì)算與評(píng)估。
[0036]本實(shí)用新型采用MEMS陀螺儀代替光纖陀螺儀，避免了弦測法的累積誤差和光纖陀螺儀可靠性不高等缺陷，形成了一種新型的高可靠性、便攜式軌道幾何量檢測方法與系統(tǒng)，該方法與系統(tǒng)可以在線檢測鐵路軌道軌距、高低、軌向、扭曲等不平順。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性性高以及高的測量精度的特點(diǎn)，可廣泛用于鐵路軌道的日常狀態(tài)檢測中，具有巨大的應(yīng)用潛力。
[0037]上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測系統(tǒng)，其特征在于:包括便攜式軌檢儀本體、MEMS陀螺儀、里程計(jì)、左位移傳感器、右位移傳感器、信號(hào)采集/調(diào)理單元、嵌入式計(jì)算裝置，其中MEMS陀螺儀、里程計(jì)、信號(hào)采集/調(diào)理單元、嵌入式計(jì)算裝置均安裝在便攜式軌檢儀本體上，左位移傳感器、右位移傳感器分別安裝在便攜式軌檢儀本體左側(cè)、右側(cè)，MEMS陀螺儀、里程計(jì)、左位移傳感器、右位移傳感器輸出信號(hào)依次經(jīng)過信號(hào)采集/調(diào)理單元、嵌入式計(jì)算裝置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述的嵌入式計(jì)算裝置，包括順序相連的信號(hào)增強(qiáng)模塊、軌道幾何狀態(tài)計(jì)算模塊、測量數(shù)據(jù)管理模塊、作業(yè)定位與分析模塊和遠(yuǎn)程通訊模塊；其中軌道幾何狀態(tài)計(jì)算模塊用于計(jì)算軌距、高低、軌向、扭曲軌道不平順，測量數(shù)據(jù)管理模塊用于完成作業(yè)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，作業(yè)定位與分析模塊用于完成勞動(dòng)作業(yè)位置定位和勞動(dòng)安全監(jiān)護(hù)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述的信號(hào)增強(qiáng)模塊，采用小波和支持向量機(jī)方法進(jìn)行降噪處理，同時(shí)采用支持向量機(jī)方法的溫度波動(dòng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償增強(qiáng)MEMS陀螺儀輸出信號(hào)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述的左位移傳感器、右位移傳感器為非接觸位移傳感器。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測系統(tǒng)，其特征在于:所述的MEMS陀螺儀具有正交雙軸，其測量平面為水平面和縱向垂直面。
【文檔編號(hào)】G01B21-00GK204286406SQ201420743485
【發(fā)明者】陳忠, 張憲民, 廖亞興 [申請人]華南理工大學(xué)