使用mems陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鐵路軌道幾何量的檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測(cè)系統(tǒng)及方法。
【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?。除了機(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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量中，高低、軌向、扭曲、正矢都涉及到測(cè)量方法的選擇與確定的問題，而測(cè)量方法對(duì)測(cè)量精度有極大的影響。一般來說包括人工弦線法、弦測(cè)法與慣性法(軌跡法)。弦測(cè)法采用三點(diǎn)等弦弦測(cè)實(shí)現(xiàn)軌向等參數(shù)測(cè)量，通過各段弦高測(cè)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(cè)量，但這種測(cè)量存在累積誤差，測(cè)量點(diǎn)數(shù)不能太多。中國發(fā)明專利201110089802即是采用該方法。慣性法測(cè)量軌向、高低平順度的實(shí)質(zhì)是按位置測(cè)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(cè)量，直接算出各段弦的軌向的變化。由于光纖陀螺測(cè)量得到的是全局坐標(biāo)下的角度變化，并采用測(cè)量角度變化的實(shí)現(xiàn)直線不平順的測(cè)量，沒有測(cè)量的累積誤差。還有一種采用絕對(duì)坐標(biāo)的測(cè)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(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)軌道幾何參數(shù)的測(cè)量。這種方法采用的是全站儀的方法。中國發(fā)明專利201110281839即采用該方法實(shí)現(xiàn)軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)。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(cè)量，這種方法通過對(duì)線結(jié)構(gòu)光線的非接觸視覺測(cè)量，實(shí)現(xiàn)截面軌道輪廓的測(cè)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(cè)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(cè)量必須通過直接或間接地?cái)?shù)據(jù)處理，并把測(cè)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(cè)法軌道檢查儀，但其測(cè)量精度不高?；诠饫w陀螺測(cè)角的軌道檢查儀雖然采用測(cè)角原理，測(cè)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(cè)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(cè)角原理、沒有累計(jì)誤差的軌道幾何狀態(tài)測(cè)量與檢查的方法有重要的應(yīng)用背景與意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(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(cè)系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測(cè)方法。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測(cè)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。
[0009]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(cè)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(cè)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)。
[0010]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)。
[0011]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。
[0012]所述的MEMS陀螺儀具有正交雙軸，其測(cè)量平面為水平面和縱向垂直面。
[0013]本發(fā)明的另一目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0014]使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測(cè)方法，包含以下順序的步驟:
[0015]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；
[0016]S2.完成MEMS陀螺儀角速率信號(hào)噪聲建模與濾波增強(qiáng)；
[0017]S3.完成MEMS陀螺儀角速率信號(hào)溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0022](I)本發(fā)明使用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(shì)，提高便攜式軌道檢測(cè)儀的使用效率與降低使用成本。
[0023](2)本發(fā)明的軌道幾何量檢測(cè)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。
[0024](3)本發(fā)明的軌道幾何量檢測(cè)方法與系統(tǒng)，相比于弦測(cè)法的不平順幾何量的測(cè)量精度更高，并具有更好的可擴(kuò)展性特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明所述的使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明所述的使用MEMS陀螺儀的便攜式軌道幾何量檢測(cè)方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0028]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1