一种用于主动径向控制的线路曲率实时检测系统及其方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于主动径向控制的线路曲率实时检测系统及其方法，该系统包括布置于转向架上的角速度传感器、测速传感器、倾角传感器以及曲率运算单元。曲率运算单元一方面通过转向架二维平面运行轨迹获取模块得到转向架在二维水平面上的行驶轨迹，并计算线路曲率拟合值；另一方面通过转向架侧倾姿态轨迹获取模块得到转向架侧倾姿态轨迹，并计算转向架倾角拟合值；还通过数据融合模块获取轨道线路倾角和曲率之间稳定的比例系数运算值，以将转向架倾角拟合值间接折算为线路曲率值，从而得到线路曲率检测结果。与现有技术相比，本发明专利技术能够实时、准确地检测得到线路曲率，系统布局简单、易于实现，对不同形式的轨道车辆适应性好。对不同形式的轨道车辆适应性好。对不同形式的轨道车辆适应性好。

【技术实现步骤摘要】
一种用于主动径向控制的线路曲率实时检测系统及其方法


[0001]本专利技术涉及轨道线路曲率检测
，尤其是涉及一种用于主动径向控制的线路曲率实时检测系统及其方法。

技术介绍

[0002]对轨道车辆主动控制系统而言，轨道线路曲率半径是其中重要的控制参量，精确的曲率半径探测将直接影响最终的控制效果。由于轨道车辆通常是沿着既定轨道行驶，因此在轨道车辆行驶过程中，车辆系统的运行姿态、尤其是车体和转向架的姿态必然会包含一定的线路信息。中国专利CN202294869U公开了一种轨道动态监测曲率的监测装置，但该方案无法实现在线实时测量，也就无法为主动控制系统提供有效的控制参量；
[0003]中国专利CN106570214A公开了一种基于二系回转角的轨道线路曲率在线实时测量系统及方法，该方案虽然能够在线实时测量线路曲率半径，但其二系回转角测量难度较大，需设计特定的机械接口安装角度传感器，且仅适用于转向架和车体间存在固定回转中心的车辆，对车辆结构的适应性欠佳；
[0004]此外，“王雪梅、倪文波、李芾.基于陀螺平台的摆式列车线路信息检测系统研究.《中国铁道科学》.2004.”提出了一种基于单轴陀螺平台的摆式列车线路信息检测系统，理论上可测量出列车过曲线时线路的超高值和曲线的曲率值，但该系统的传感器布置于车体，车体的几何惯性将会降低线路信息测量的实时性，从而不得不舍弃头车的控制性能。
[0005]综上可知，上述现有技术均难以实时、准确、简便地检测得到轨道线路曲率数据。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于主动径向控制的线路曲率实时检测系统及其方法，以提高轨道线路曲率探测的实时性和准确性。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于主动径向控制的线路曲率实时检测系统，包括布置于转向架上的角速度传感器、测速传感器和倾角传感器，所述角速度传感器、测速传感器和倾角传感器分别连接至曲率运算单元，所述角速度传感器用于采集转向架偏航角速度，所述测速传感器用于采集转向架运行速度，所述倾角传感器用于采集转向架侧倾角，所述曲率运算单元根据转向架偏航角速度、转向架运行速度以及转向架侧倾角数据，通过数据处理计算，得到对应的线路曲率检测结果。
[0008]进一步地，所述曲率运算单元包括转向架二维平面运行轨迹获取模块、转向架侧倾姿态轨迹获取模块以及数据融合模块，所述转向架二维平面运行轨迹获取模块、转向架侧倾姿态轨迹获取模块分别与数据融合模块连接，所述转向架二维平面运行轨迹获取模块分别与角速度传感器、测速传感器相连接，以根据转向架偏航角速度和转向架运行速度，分析得到转向架在二维水平面上的行驶轨迹点，通过拟合各轨迹点，得到转向架的平面运行轨迹，并根据平面运行轨迹计算得到线路曲率拟合值；
[0009]所述转向架侧倾姿态轨迹获取模块分别与测速传感器、倾角传感器相连接，以转
向架侧倾角和转向架运行速度，分析得到转向架的侧倾姿态轨迹，并根据侧倾姿态轨迹运算得到转向架倾角拟合值；
[0010]所述数据融合模块根据原始曲率信号、转向架侧倾角、转向架倾角拟合值，通过数据分析计算，得到比例系数运算值以及折算线路曲率；
[0011]所述比例系数运算值若未收敛，则以线路曲率拟合值作为线路曲率检测结果；
[0012]所述比例系数运算值若收敛进入稳定区间，则以折算线路曲率作为线路曲率检测结果。
[0013]一种用于主动径向控制的线路曲率实时检测方法，包括以下步骤：
[0014]S1、角速度传感器、测速传感器、倾角传感器分别采集转向架偏航角速度、转向架运行速度、转向架侧倾角，并将采集的数据传输至曲率运算单元；
[0015]S2、根据转向架偏航角速度以及转向架运行速度，获取得到转向架的平面运行轨迹，并根据平面运行轨迹计算得到线路曲率拟合值；
[0016]S3、根据转向架运行速度以及转向架侧倾角，获取得到转向架的侧倾姿态轨迹，并根据侧倾姿态轨迹计算得到转向架倾角拟合值；
[0017]S4、根据转向架偏航角速度、转向架运行速度、转向架侧倾角，通过数据处理计算，得到比例系数运算值以及折算线路曲率；
[0018]S5、判断比例系数运算值是否收敛进入稳定区间，若判断为是，则将折算线路曲率输出作为线路曲率检测结果；
[0019]否则将线路曲率拟合值输出作为线路曲率检测结果。
[0020]进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：
[0021]S21、根据转向架偏航角速度以及转向架运行速度，结合转向架偏航角，确定出转向架在二维平面上的各个行驶轨迹点；
[0022]S22、通过拟合各个行驶轨迹点，得到转向架的平面运行轨迹；
[0023]S23、根据转向架的平面运行轨迹，进一步计算得到线路曲率拟合值。
[0024]进一步地，所述转向架在二维平面上的行驶轨迹点具体为：
[0025][0026][0027][0028]其中，x、y分别为当前转向架所处平面位置的横坐标和纵坐标点集，x0为上一时刻的转向架所处平面位置的横坐标，y0为上一时刻的转向架所处平面位置的纵坐标，为当前转向架偏航角，为上一时刻的转向架偏航角，Δt为积分时间常数，ω为转向架偏航角速度，v为转向架运行速度。
[0029]进一步地，所述步骤S22具体是将一段里程范围内获取的转向架平面位置点集(x,y)采用三次函数进行最小二乘拟合，以得到转向架的平面运行轨迹：
[0030]y＝F
k
(x)＝a3x3+a2x2+a1x+a0[0031]其中，F
k
(x)为拟合所得转向架行驶轨迹函数，a3、a2、a1、a0分别为待拟合系数。
[0032]进一步地，所述线路曲率拟合值的计算公式为：
[0033][0034]其中，k0为线路曲率拟合值，x
n
为转向架当前位置在大地坐标系下的横坐标。
[0035]进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：
[0036]S31、根据转向架运行速度，得到转向架的行驶里程位置，结合转向架侧倾角，确定出转向架的轨道平面各个侧倾角数据点；
[0037]S32、通过拟合各个侧倾角数据点，得到转向架的侧倾姿态轨迹；
[0038]S33、根据转向架的侧倾姿态轨迹，进一步计算得到转向架倾角拟合值。
[0039]进一步地，所述步骤S32具体是将一段里程范围内获取的轨道平面侧倾角数据点(s,α)采用一次函数进行最小二乘拟合，以得到转向架的侧倾姿态轨迹：
[0040]α＝F
α
(s)＝b1s+b0[0041]s＝s0+vΔt
[0042]其中，α为转向架侧倾角数据点集，s为转向架行驶里程数据点集，F
α
(s)为拟合所得轨道平面侧倾姿态函数，b1、b0为待拟合系数，s0为上一时刻的转向架的行驶里程位置，v为转向架运行速度，Δt为积分时间常数。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于主动径向控制的线路曲率实时检测系统，其特征在于，包括布置于转向架上的角速度传感器(1)、测速传感器(2)和倾角传感器(3)，所述角速度传感器(1)、测速传感器(2)和倾角传感器(3)分别连接至曲率运算单元(4)，所述角速度传感器(1)用于采集转向架偏航角速度，所述测速传感器(2)用于采集转向架运行速度，所述倾角传感器(3)用于采集转向架侧倾角，所述曲率运算单元(4)根据转向架偏航角速度、转向架运行速度以及转向架侧倾角数据，通过数据处理计算，得到对应的线路曲率检测结果。2.根据权利要求1所述的一种用于主动径向控制的线路曲率实时检测系统，其特征在于，所述曲率运算单元(4)包括转向架二维平面运行轨迹获取模块(5)、转向架侧倾姿态轨迹获取模块(6)以及数据融合模块(7)，所述转向架二维平面运行轨迹获取模块(5)、转向架侧倾姿态轨迹获取模块(6)分别与数据融合模块(7)连接，所述转向架二维平面运行轨迹获取模块(5)分别与角速度传感器(1)、测速传感器(2)相连接，以根据转向架偏航角速度和转向架运行速度，分析得到转向架在二维水平面上的行驶轨迹点，通过拟合各轨迹点，得到转向架的平面运行轨迹，并根据平面运行轨迹计算得到线路曲率拟合值；所述转向架侧倾姿态轨迹获取模块(6)分别与测速传感器(2)、倾角传感器(3)相连接，以转向架侧倾角和转向架运行速度，分析得到转向架的侧倾姿态轨迹，并根据侧倾姿态轨迹运算得到转向架倾角拟合值；所述数据融合模块(7)根据原始曲率信号、转向架侧倾角、转向架倾角拟合值，通过数据分析计算，得到比例系数运算值以及折算线路曲率；所述比例系数运算值若未收敛，则以线路曲率拟合值作为线路曲率检测结果；所述比例系数运算值若收敛进入稳定区间，则以折算线路曲率作为线路曲率检测结果。3.一种用于主动径向控制的线路曲率实时检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、角速度传感器、测速传感器、倾角传感器分别采集转向架偏航角速度、转向架运行速度、转向架侧倾角，并将采集的数据传输至曲率运算单元；S2、根据转向架偏航角速度以及转向架运行速度，获取得到转向架的平面运行轨迹，并根据平面运行轨迹计算得到线路曲率拟合值；S3、根据转向架运行速度以及转向架侧倾角，获取得到转向架的侧倾姿态轨迹，并根据侧倾姿态轨迹计算得到转向架倾角拟合值；S4、根据转向架偏航角速度、转向架运行速度、转向架侧倾角，通过数据处理计算，得到比例系数运算值以及折算线路曲率；S5、判断比例系数运算值是否收敛进入稳定区间，若判断为是，则将折算线路曲率输出作为线路曲率检测结果；否则将线路曲率拟合值输出作为线路曲率检测结果。4.根据权利要求3所述的一种用于主动径向控制的线路曲率实时检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：S21、根据转向架偏航角速度以及转向架运行速度，结合转向架偏航角，确定出转向架在二维平面上的各个行驶轨迹点；S22、通过拟合各个行驶轨迹点，得到转向架的平面运行轨迹；S23、根据转向架的平面运行轨迹，进一步计算得到线路曲率拟合值。
5.根据权利要求4所述的一种用于主动径向控制的线路曲率实时检测方法，其特征在于，所述转向架在二维平面上的行驶轨迹...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗湘萍，肖春昱，田师峤，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：