專利名稱：高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
2008年8月1日，全長(zhǎng)約120km的京津城際高速鐵路投入運(yùn)營(yíng)，2009年12月沈日，世界上首條一次建成的、運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到1068km的高速鐵路——武廣客運(yùn)專線投入運(yùn)營(yíng)， 2011年6月30日，全長(zhǎng)1318公里的京滬高速鐵路投入運(yùn)營(yíng)。根據(jù)《中國(guó)鐵路中長(zhǎng)期規(guī)劃 (2008年調(diào)整)》，到2012年，中國(guó)投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路將達(dá)到41條，營(yíng)業(yè)里程達(dá)1. 3萬(wàn)km， 投入運(yùn)營(yíng)的“和諧號(hào)”高速列車在1000列以上；到2020年，中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到12萬(wàn) km以上，其中建成高速鐵路1.8萬(wàn)km以上。世界其它國(guó)家如日本發(fā)展高速鐵路47年，總里程約2300公里，最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速300 公里。法國(guó)發(fā)展高速鐵路觀年，總里程約1800公里，最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速320公里。德國(guó)發(fā)展高速鐵路20年，總里程約1000公里，最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速300公里?？梢?jiàn)，當(dāng)今世界高速鐵路技術(shù)蓬勃發(fā)展，中國(guó)高速鐵路技術(shù)發(fā)展最為迅猛?？墒?， 隨著列車的速度也不斷提升，一些在低速運(yùn)行時(shí)可以忽略的問(wèn)題變得重要，而且還會(huì)出現(xiàn)一些低速運(yùn)行時(shí)不曾出現(xiàn)的新問(wèn)題。例如，高速列車高速交會(huì)、通過(guò)隧道尤其是隧道內(nèi)高速交會(huì)、通過(guò)大風(fēng)區(qū)域、高速過(guò)橋梁等過(guò)程中，高速列車可能出現(xiàn)一系列的穩(wěn)定性和安全性問(wèn)題，而這些問(wèn)題都體現(xiàn)在高速列車的運(yùn)行姿態(tài)上，因此，準(zhǔn)確掌握高速列車的運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)對(duì)列車的高速、安全、平穩(wěn)運(yùn)行極為重要。隨著高速列車運(yùn)行速度的提高，高速列車的運(yùn)行姿態(tài)也更加復(fù)雜，對(duì)這些運(yùn)行姿態(tài)的認(rèn)識(shí)也逐漸深入，但是，幾種典型的高速列車運(yùn)行姿態(tài)如蛇行運(yùn)動(dòng)、車體彎曲、整列列車的彎曲等等，都是通過(guò)數(shù)值模擬或者在線觀察得到的，而沒(méi)有準(zhǔn)確的運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，因?yàn)槟壳皣?guó)內(nèi)外尚沒(méi)有高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)測(cè)量設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，能夠在線實(shí)時(shí)測(cè)量高速列車運(yùn)行過(guò)程中的姿態(tài)參數(shù)和其它特性參數(shù)，并對(duì)列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，從而有助于提高高速列車的運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和舒適性。本發(fā)明的一種高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括慣性測(cè)量單元，用于測(cè)量列車在三個(gè)方向上的姿態(tài)角、角速度和加速度分量；測(cè)距單元，用于測(cè)量關(guān)鍵部位的位移變化量；測(cè)速單元，用于測(cè)量列車的運(yùn)行速度；信息采集與處理單元，用于接收所述慣性測(cè)量單元、測(cè)距單元和測(cè)速單元所測(cè)量的信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算處理，得到列車的姿態(tài)角、加速度、運(yùn)行速度和關(guān)鍵部位的位移量信息等高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)。優(yōu)選地，所述慣性測(cè)量單元包括陀螺儀和加速度計(jì)。
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優(yōu)選地，所述測(cè)距單元為測(cè)距儀。優(yōu)選地，所述測(cè)速單元為測(cè)速儀。優(yōu)選地，所述信息采集與處理單元為具有捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)算法、加速度矢量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、積分運(yùn)算等功能的計(jì)算機(jī)。優(yōu)選地，還包括顯示單元，用于顯示所述信息采集與處理單元處理的結(jié)果、顯示列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)曲線等。本發(fā)明高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)以慣性測(cè)量為核心，由慣性測(cè)量單元、測(cè)距單元、測(cè)速單元和信息采集與處理單元組成，本發(fā)明通過(guò)上述單元能夠在線實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示、記錄以及分析高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)，如姿態(tài)角、加速度、位移量、速度等，從而為高速列車安全平穩(wěn)運(yùn)行提供重要的參數(shù)信息。


圖1為本發(fā)明高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖。圖2為本發(fā)明高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的姿態(tài)矩陣算法流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括慣性測(cè)量單元1、測(cè)距單元2、測(cè)速單元3、信息采集與處理單元4和顯示單元5，具體如下將不同的測(cè)量單元安裝在高速列車的不同位置，測(cè)量不同位置的相關(guān)參數(shù)，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理獲取高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)。其中慣性測(cè)量單元1進(jìn)一步包括陀螺儀11和加速度計(jì)12。實(shí)車測(cè)量過(guò)程中，慣性測(cè)量單元1先進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)得到姿態(tài)矩陣的初值，在高速列車運(yùn)行時(shí)，三個(gè)相互垂直安裝的陀螺儀將三個(gè)方向上的角度變化量以頻率信號(hào)的方式輸出。經(jīng)過(guò)陀螺信號(hào)處理電路的處理后輸出與三個(gè)角姿態(tài)信息成正比的數(shù)字信號(hào)，陀螺儀測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波處理后得到高速列車的角速率，用角速率對(duì)捷聯(lián)矩陣進(jìn)行即時(shí)修正，再進(jìn)行四元數(shù)歸一化，得到捷聯(lián)矩陣。利用加速度計(jì)12測(cè)量得到的高速列車相對(duì)慣性坐標(biāo)系的加速度沿高速列車坐標(biāo)系的分量，通過(guò)捷聯(lián)矩陣轉(zhuǎn)換成沿著地理坐標(biāo)系的分量，用于計(jì)算高速列車的姿態(tài)角、線速度、位置等運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)。測(cè)距單元2采用測(cè)距儀，測(cè)速單元3采用測(cè)速儀，利用測(cè)速儀和測(cè)距儀測(cè)量高速列車的運(yùn)行速度和被測(cè)關(guān)鍵部位的位移變化量，通過(guò)捷聯(lián)矩陣轉(zhuǎn)換成沿著地理坐標(biāo)系的分量。信息采集與處理單元4為具有捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)算法、加速度矢量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、積分運(yùn)算等功能的計(jì)算機(jī)，用于接收慣性測(cè)量單元1、測(cè)距單元2和測(cè)速單元3所測(cè)量的信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算處理，得到列車的姿態(tài)角、加速度、運(yùn)行速度和關(guān)鍵部位的位移量信息。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊圖見(jiàn)附圖2。具體是將圖2中的步驟在說(shuō)明書(shū)中詳細(xì)描述步驟1 測(cè)量，包括加表(即加速度計(jì))測(cè)量、陀螺儀測(cè)量、位置和速度測(cè)量等。步驟2 確定初始姿態(tài)矩陣。高速列車坐標(biāo)系相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的位置關(guān)系可由航向角(Ψ)、俯仰角(Θ)和偏航角(Y)表示，表述高速列車坐標(biāo)系(η系)和導(dǎo)航坐標(biāo)系(b系)旋轉(zhuǎn)關(guān)系的姿態(tài)矩陣為
權(quán)利要求
1.一種高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括慣性測(cè)量單元，用于測(cè)量列車在三個(gè)方向上的姿態(tài)角、角速度和加速度分量； 測(cè)距單元，用于測(cè)量關(guān)鍵部位的位移變化量； 測(cè)速單元，用于測(cè)量列車的運(yùn)行速度；信息采集與處理單元，用于接收所述慣性測(cè)量單元、測(cè)距單元和測(cè)速單元所測(cè)量的信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算處理，得到列車的姿態(tài)角、加速度、運(yùn)行速度和關(guān)鍵部位的位移量信息等高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述慣性測(cè)量單元包括陀螺儀和加速度計(jì)。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)距單元為測(cè)距儀。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)速單元為測(cè)速儀。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信息采集與處理單元為具有捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)算法、加速度矢量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、積分運(yùn)算等功能的計(jì)算機(jī)。
6.如權(quán)利要求1至5任一所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括顯示單元，用于顯示所述信息采集與處理單元處理的結(jié)果、顯示列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)曲線等。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，包括慣性測(cè)量單元，用于測(cè)量列車在三個(gè)方向上的姿態(tài)角、角速度和加速度分量；測(cè)距單元，用于測(cè)量關(guān)鍵部位的位移變化量；測(cè)速單元，用于測(cè)量列車的運(yùn)行速度；信息采集與處理單元，用于接收所述慣性測(cè)量單元、測(cè)距單元和測(cè)速單元所測(cè)量的信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算處理，得到列車的姿態(tài)角、加速度、運(yùn)行速度和關(guān)鍵部位的位移量信息等高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)。本發(fā)明通過(guò)上述單元能夠在線實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示、記錄以及分析高速列車運(yùn)行姿態(tài)參數(shù)，如姿態(tài)角、加速度、位移量、速度等，從而為高速列車安全平穩(wěn)運(yùn)行提供重要的參數(shù)信息。
文檔編號(hào)G01P15/00GK102445176SQ20111027070
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者楊國(guó)偉, 趙桂林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所