一种应用于变速条件下的轨道几何参数检测系统及方法与流程

本发明涉及轨道几何参数检测，更具体地说涉及一种应用于变速条件下的轨道几何参数检测系统及方法。

背景技术：

1、惯性基准法是研制轨道不平顺动态检测设备的基本理论之一，目前我国的轨道检测设备的研制工作也是基于惯性基准法，但是根据经验和现场数据可知：目前广泛使用的检测设备及计算方法对检测列车的最低车速有限制，高低不平顺的检测速度下限约为25km/h，轨向不平顺的检测速度下限约为36km/h。当轨道检测车的检测速度下限小于临界值时，检测结果发生失真，此段线路会有漏检的情况，会增大现场工务部门工作量，也存在一定的安全隐患。

2、惯性基准法的基本原理可抽象如图4所示，一个单自由度质量-弹簧-阻尼振动系统安装某一固定位置，设弹簧振子的质量为m，振动加速度为a，k为弹簧的弹性系数，c为阻尼器的阻尼系数，w为弹簧振子距离轴箱的位移(相对位移)，z为振子相对于惯性坐标系的位移(绝对位移)。

3、轨道不平顺的值h可由弹簧振子相对于轴箱的位移(相对位移)、弹簧振子相对于惯性空间的位移(绝对位移)得出h＝z-w，其中由加速度计测量的z值可通过加速度计的二次积分得出。

4、车速较低时，采用惯性基准法检测轨道几何参数时，受到加速度传感器影响较大，主要是因为同样的轨道不平顺对车体产生的加速度激励与列车速度的平方成正比，列车速度越低，加速度的有效信号越微弱，干扰噪声越强，加速度信号的信噪比越低，此时有效信号易被淹没，并且加速度计的信号需要做积分运算，此时低频信号易引起积分饱和。因此，目前基于惯性基准法的轨道几何参数检测系统均存在最低检测速度的要求，通常该速度在20km/h左右。

5、同时，无论是高速还是低速检测，均存在滤波器幅频特性跟随速度而发生变化情况，进而导致轨道几何参数检测失真情况。传感器的信号频带较宽，不可直接进行采样量化，必须通过低通滤波进行抗混叠预处理，一般设计时域截止频率为固定值的抗混滤波器，抗混滤波器是对信号在时域上进行固定截频的滤波处理，但实际上轨道检测系统的数据流采用的是空间等间隔抽样的采样方式，在空间域中抗混滤波器的幅频特性并非固定不变，抗混滤波器的幅频特性与车速相关，换句话说，其幅频特性在空间域内是移变的。

6、故需要对该抗混滤波器设计对应的移变滤波器，使得抗混滤波器和其对应的数字补偿滤波器组成的系统传递函数在空间域上具有固定截频。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明公开了一种应用于变速条件下的轨道几何参数检测系统及方法，本发明的目的是解决现有技术中低速检测以及抗混滤波器存在的问题。本发明在低速下采用陀螺仪传感器信号，而高速下采用加速度传感器信号，从而可保证轨道几何参数检测适应不同的检测速度；采用抗混滤波器的抗混滤波和补偿滤波器的补偿滤波相结合的方式进行信号处理，保证滤波器在空间域下保持幅频特性基本一致。

2、为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种应用于变速条件下的轨道几何参数检测系统，包括：

4、可在轨道上行走的轨道检测车；

5、安装在所述轨道检测车上的轨检梁；

6、安装在所述轨检梁上、用于测量轨检梁与钢轨之间的相对距离的位移传感器；

7、安装在所述轨检梁上、用于测量轨检梁与惯性坐标系之间的绝对距离的惯性子系统，所述惯性子系统包括在轨道检测车低速运行下检测轨检梁角速度的陀螺仪传感器，以及在轨道检测车中高速运行下检测轨检梁加速度的加速度传感器。

8、本发明中，轨道检测车用于在轨道上行走，边行走边检测轨道几何参数，轨道检测车内设置有其控制系统、供电系统等。轨检梁用于安装位移传感器和惯性子系统。位移传感器用于测量轨检梁与钢轨的相对距离；惯性子系统用于测量轨检梁与惯性坐标系的绝对距离或绝对位移。最后通过计算绝对距离与相对距离之间的差值，即图4中的h＝z–w，可得到轨道不平顺的值，也即本发明需要检测的轨道几何参数。本发明中，h不是钢轨的厚度，而是轨道相对大地坐标系统的相对位置，即轨道不平顺。

9、本发明中，在一定采样周期(空间等间隔抽样)内利用位移传感器、陀螺仪传感器和加速度传感器进行采样。

10、在轨道检测车低速运行下时间域采样率不断降低，加速度传感器的信噪比在低速下迅速衰减；且在启停车过程时采样间隔过大，会导致二次积分计算饱和，而一阶陀螺仪不容易出现积分饱和现象。相比于加速度传感器，光纤陀螺仪传感器具有分辨率高、积分漂移小等特点，对低频变化更加敏感。通过使用陀螺仪传感器补偿imu载体与轨道间的姿态角度，构建基于“角位移”的测量模型，直接建立传感器测量值与轨道不平顺之间的联系，因此在理论上不受低速条件下传感器敏感轴方向变化的影响，而加速度传感器则容易在低速条件下由于敏感轴方向变化，而导致计算误差偏大。因此，低速工况下陀螺仪测量的轨道几何参数精度更高。

11、在轨道检测车中高速运行下，则采用加速度传感器输出的加速度数据计算轨检梁绝对位移。由于陀螺仪的角速度信号是以空间采样步长进行积分，从而计算轨检梁的绝对位移，但这种方法会受速度传感器的采样精度和车轮蠕滑因素影响，即当空间采样步长和理论值不一致时，所计算的轨检梁绝对位移将出现偏差。在低速情况下，车轮蠕滑等因素较小。但当高速时，尤其在曲线区段容易出现车轮蠕滑现象。因此在高速条件下，加速度信号信噪比好，且不会出现积分饱和现象，采用加速度传感器的信号计算轨检梁绝对位移的精度更高。

12、优选的，所述陀螺仪传感器为三轴陀螺仪传感器，所述加速度传感器为三轴加速度传感器。

13、本发明中，通过对三轴加速度传感器输出的加速度信号进行二次积分可分别计算轨检梁的x向位移、y向位移、z向位移。通过对三轴陀螺仪传感器输出的角速度信号进行一次积分，可分别计算轨检梁的x轴旋转角、y轴旋转角、z轴旋转角。

14、当已知轨检梁的x向位移、y向位移、z向位移；或者x轴旋转角、y轴旋转角、z轴旋转角时，可计算出轨检梁的绝对位移。根据公式h＝z-w，即可得到轨道几何参数h值。

15、优选的，所述轨道几何参数检测系统还包括安装在所述轨道检测车上、用于测量轨道检测车运行速度的速度传感器。

16、优选的，所述速度传感器安装在轨道检测车的车轮旁检测车轮旋转角。

17、本发明中，速度传感器在一定时间内通过检测车轮旋转角，得到轨道检测车的运行速度，以及车辆行驶里程，从而实现对位移传感器、惯性子系统等距触发(例如以0.25m为周期进行等距触发进行采样)，并将检测数据与行驶里程相关联。

18、本发明中，将轨道检测车的运行速度20km/h作为轨道检测车速度运行的分界线，当速度传感器检测到轨道检测车运行速度小于20km/h时，表示轨道检测车低速运行；当运行速度大于等于20km/h时，表示轨道检测车中高速运行。

19、优选的，所述轨道几何参数检测系统还包括安装在所述轨道检测车上的抗混滤波器和补偿滤波器，所述抗混滤波器的输入端与所述惯性子系统的输出端连接，抗混滤波器的输出端与所述补偿滤波器的输入端连接。

20、本发明中，陀螺仪传感器和加速度传感器采集数据后，还需要对采集的数据进行滤波处理。无论采用陀螺仪还是加速度信号，在车辆检测速度范围变化时，都会出现滤波器幅频特性随速度发生变化的现象。因此，本发明还对惯性子系统输出的信号处理方法进行研究，主要包括抗混滤波器和补偿滤波器。

21、传感器的信号频带较宽，不可直接进行采样量化，必须通过低通滤波进行抗混叠预处理，一般设计时域截止频率为固定值的抗混叠滤波器，抗混滤波器是对信号在时域上进行固定截频的滤波处理，但实际上轨道检测系统的数据流采用的是空间等间隔抽样的采样方式，在空间域中抗混滤波器的幅频特性并非固定不变，抗混滤波器的幅频特性与车速相关，换句话说，其幅频特性在空间域内是移变的。轨道检测系统需要对频带范围较宽的传感器信号进行抗混滤波处理，即进行低通抗混叠滤波处理。

22、固定截止频率的抗混滤波器在空间域对信号具有移变衰减特性，这种移变衰减特性会严重影响检测结果，故需要对该抗混滤波器设计对应的补偿滤波器，使得抗混滤波器和其对应的补偿滤波器组成的系统传递函数在空间域上具有固定截频。

23、优选的，所述轨道几何参数检测系统还包括安装在所述轨道检测车上的数据处理控制模块，所述数据处理控制模块分别与所述位移传感器、速度传感器、陀螺仪传感器、加速度传感器、抗混滤波器和补偿滤波器电连接。

24、本发明中，数据处理控制模块接收补偿滤波器输出的数据，并对输出的数据进行处理得到绝对距离。数据处理控制模块接收位移传感器输出的数据，并对输出的数据进行处理得到相对距离。数据处理控制模块通过计算绝对距离与相对距离之间的差值，得到轨道不平顺的值。另外，数据处理控制模块还控制位移传感器、速度传感器、陀螺仪传感器、加速度传感器、抗混滤波器和补偿滤波器的运行。

25、优选的，所述位移传感器为激光位移传感器。

26、优选的，所述位移传感器安装在所述轨检梁的两端，所述惯性子系统安装在所述轨检梁中部。

27、第二方面，本发明提供了一种应用于变速条件下的轨道几何参数检测方法，包括以下步骤：

28、一、行驶速度判断

29、s1、利用轨道检测车上的速度传感器，测量轨道检测车的行驶速度，并根据行驶速度确定轨道检测车为低速行驶或者中高速行驶；

30、优选的，所述s1步骤中，将行驶速度与速度阈值进行比较，当行驶速度小于速度阈值时，轨道检测车为低速行驶；大于等于速度阈值时，轨道检测车为中高速行驶。

31、优选的，所述s1步骤中，所述速度阈值为20km/h。

32、优选的，所述s1步骤中，在轨道检测车行驶过程中，根据速度传感器的检测值计算轨道检测车的行驶距离，并在空间等间隔距离依次确定轨道检测车的行驶速度状态并利用传感器进行距离采样。

33、优选的，所述s1步骤中，所述空间等间隔距离为0.25m。

34、本发明中，轨道检测车在行驶过程中，利用速度传感器测量轨道检测车的行驶速度，根据速度传感器的检测值计算轨道检测车的行驶距离，在行驶距离中，以间距0.25m作为一个采样周期，判断轨道检测车的行驶速度状态。当行驶速度小于20km/h时，轨道检测车为低速行驶，大于等于20km/h时，轨道检测车为中高速行驶。确定轨道检测车的行驶速度状态后，再利用位移传感器、陀螺仪传感器、加速度传感器进行距离采样。

35、二、陀螺仪传感器角速度数据采集

36、s2、当轨道检测车低速行驶时，利用轨道检测车轨检梁惯性子系统的陀螺仪传感器，采集轨检梁的角速度数据，并根据角速度数据得到轨检梁与惯性坐标系之间的绝对位移；

37、优选的，所述s2步骤中，陀螺仪传感器为三轴陀螺仪传感器，通过对三轴陀螺仪传感器输出的角速度信号进行一次积分，分别计算得到轨检梁的x轴旋转角、y轴旋转角、z轴旋转角，再根据x轴旋转角、y轴旋转角、z轴旋转角计算出轨检梁的绝对位移。

38、本发明中，已知轨检梁的x轴旋转角、y轴旋转角、z轴旋转角后，可计算出轨检梁的绝对位移，具体方法为：此时计算得到的轨检梁x,y,z向旋转角是相对上一次计算的相对转角，将从开始到此时的相对转角进行累积则可得到此时的绝对旋转角，再通过绝对旋转角计算得到绝对位移。

39、本发明中，在轨道检测车低速运行下时间域采样率不断降低，加速度传感器的信噪比在低速下迅速衰减；且在启停车过程时采样间隔过大，会导致二次积分计算饱和，而一阶陀螺仪不容易出现积分饱和现象。相比于加速度传感器，光纤陀螺仪传感器具有分辨率高、积分漂移小等特点，对低频变化更加敏感。通过使用陀螺仪传感器补偿imu载体与轨道间的姿态角度，构建基于“角位移”的测量模型，直接建立传感器测量值与轨道不平顺之间的联系，因此在理论上不受低速条件下传感器敏感轴方向变化的影响，而加速度传感器则容易在低速条件下由于敏感轴方向变化，而导致计算误差偏大。因此，低速工况下陀螺仪测量的轨道几何参数精度更高。

40、三、加速度传感器加速度数据采集

41、s3、当轨道检测车中高速行驶时，利用轨道检测车轨检梁惯性子系统的加速度传感器，采集轨检梁的加速度数据，并根据加速度数据得到轨检梁与惯性坐标系之间的绝对位移；

42、优选的，所述s3步骤中，加速度传感器为三轴加速度传感器，通过对三轴加速度传感器输出的加速度信号进行二次积分，分别计算得到轨检梁的x向位移、y向位移、z向位移，再根据x向位移、y向位移、z向位移计算出轨检梁的绝对位移。

43、本发明中，已知轨检梁的x向位移、y向位移、z向位移后，可计算出轨检梁的绝对位移，具体方法为：此时计算得到的轨检梁x,y,z向位移是相对上一次计算的相对位移，将从开始到此时的相对位移进行累积则可得到此时的绝对位移。

44、本发明中，在轨道检测车中高速运行下，则采用加速度传感器输出的加速度数据计算轨检梁绝对位移。由于陀螺仪的角速度信号是以空间采样步长进行积分，从而计算轨检梁的绝对位移，但这种方法会受速度传感器的采样精度和车轮蠕滑因素影响，即当空间采样步长和理论值不一致时，所计算的轨检梁绝对位移将出现偏差。在低速情况下，车轮蠕滑等因素较小。但当高速时，尤其在曲线区段容易出现车轮蠕滑现象。因此在高速条件下，加速度信号信噪比好，且不会出现积分饱和现象，采用加速度传感器的信号计算轨检梁绝对位移的精度更高。

45、四、抗混滤波和补偿滤波处理

46、优选的，所述s2步骤采集角速度数据之后，得到绝对位移之前；以及所述s3步骤采集加速度数据之后，得到绝对位移之前，均包括：

47、依次利用抗混滤波器和补偿滤波器对采集的数据进行抗混滤波和补偿滤波处理。

48、本发明中，无论采用陀螺仪还是加速度信号，在车辆检测速度范围变化时，都会出现滤波器幅频特性随速度发生变化的现象。因此，本发明还对惯性子系统输出的信号处理方法进行研究，主要包括抗混滤波器和补偿滤波器。

49、传感器的信号频带较宽，不可直接进行采样量化，必须通过低通滤波进行抗混叠预处理，一般设计时域截止频率为固定值的抗混叠滤波器，抗混滤波器是对信号在时域上进行固定截频的滤波处理，但实际上轨道检测系统的数据流采用的是空间等间隔抽样的采样方式，在空间域中抗混滤波器的幅频特性并非固定不变，抗混滤波器的幅频特性与车速相关，换句话说，其幅频特性在空间域内是移变的。轨道检测系统需要对频带范围较宽的传感器信号进行抗混滤波处理，即进行低通抗混叠滤波处理。

50、优选的，所述抗混滤波器中，其抗混滤波算法利用离散的差分方程来建立系统状态方程、量测方程，包括：

51、

52、其中，x(k)表示系统的状态方程，z(k)表示系统的量测方程，g(k-1)为系统噪声的驱动矩阵，w(k-1)为系统的过程噪声，v(k)为系统的量测噪声。

53、优选的，所述状态方程、量测方程中，通过将f(x)与h(x)两个非线性函数根据前一时刻的估计值作一阶泰勒级数展开，把非线性的问题转换为近似的线性问题；运用jacobi矩阵求解，得到新的状态方程、量测方程。

54、本发明中，固定截止频率的抗混滤波器在空间域对信号具有移变衰减特性，这种移变衰减特性会严重影响检测结果，故需要对该抗混滤波器设计对应的补偿滤波器，使得抗混滤波器和其对应的补偿滤波器组成的系统传递函数在空间域上具有固定截频。

55、优选的，所述补偿滤波器中，其补偿滤波算法包括：

56、y[n]＝a0*x[n]+a1*x[n-1]+...+a10*x[n-10]；

57、其中，x是输入序列，y是输出序列，a0到a10对应11个系数。

58、本发明中，通过上述抗混滤波和补偿滤波处理后，即使在速度变化的条件下，仍使得滤波器在空间域下保持幅频特性基本一致，从而保证采样信号不会出现失真现象。进而可准确计算出轨检梁的绝对位移。

59、五、相对距离计算

60、s4、利用轨道检测车上的位移传感器，测量轨检梁与钢轨之间的相对距离；

61、六、轨道几何参数计算

62、s5、根据绝对位移和相对距离的差值，计算得到轨道几何参数。

63、本发明中，得到上述轨检梁与惯性坐标系之间的绝对位移z，以及轨检梁与钢轨之间的相对距离w后，根据绝对位移和相对距离的差值，也即根据公式h＝z-w，即可得到轨道几何参数h值。

64、本发明的有益效果：

65、本发明根据轨道检测车的检测速度，在轨道检测车低速运行下利用陀螺仪传感器检测角速度，陀螺仪传感器不受低速条件下传感器敏感轴方向变化的影响，测量的轨道几何参数精度更高。在轨道检测车中高速运行下利用加速度传感器检测加速度，加速度信号信噪比好，且不会出现积分饱和现象，采用加速度传感器的信号计算轨检梁绝对位移的精度更高。分速度检测可保证适应不同的检测速度，同时满足低速和高速条件下的检测精度要求。

66、本发明利用抗混滤波器和补偿滤波器依次对数据进行抗混滤波和补偿滤波处理，采用抗混滤波和补偿滤波相结合的方式进行信号处理，即使在速度变化的条件下，也能保证滤波器在空间域下保持幅频特性基本一致，从而保证采样信号不会出现失真现象。