基于惯性导航的高速磁悬浮轨道不平顺检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于惯性导航的高速磁悬浮轨道不平顺检测系统及方法，该系统包括轻型移动测量车体、安装于所述轻型移动测量车体的传感器和数据采集模块，所述传感器包括INS/GNSS组合导航系统、激光测距传感器、里程计和倾角传感器；采用该方法实现了基于惯性导航的多传感器组合导航测量技术，高精度和高效率的完成高速磁悬浮轨道不平顺精密测量。完成高速磁悬浮轨道不平顺精密测量。完成高速磁悬浮轨道不平顺精密测量。

【技术实现步骤摘要】
基于惯性导航的高速磁悬浮轨道不平顺检测系统及方法


[0001]本专利技术涉及高速磁悬浮轨道检测
，尤其涉及一种基于惯性导航的高速磁悬浮轨道不平顺检测系统及方法。

技术介绍

[0002]高速磁浮列车是一种与轨道无接触并高速运行的新型地面交通工具，其轨道由预应力混凝土梁、连接件、功能件以及具有齿槽结构分段拼接的长定子组成。列车通过悬浮电磁铁和导向电磁铁实现主动控制，利用长定子轨道上的长定子电机获取牵引动力，轨道与电磁铁的间隙约为12 mm。在高速磁浮的运营期间，轨道的几何参数会因螺栓松动、基础沉降及外力等因素会发生变化，该变化直接影响着车辆运营的安全性、稳定性和舒适性。为减少轨道对列车运营的影响，需保持轨道的良好状态，对轨道定期检测和维护是十分重要的。
[0003]针对高速磁浮列车轨道检测监测，目前只有德国、日本和中国开展了相关研究。其中，日本采用的是超导排斥悬浮技术，轨道结构与德国和中国的不同。轨道的不平顺可采用静态检测方式，主要检测设备为全站仪，该设备在120 m 内的测距精度可达0.5 mm
±
1 ppm，但是该设备的测量基准是地面以及轨道平台，因此只能在夜间无列车运营时进行检测，在测量过程中需要3 名工作人员一同操作，该测量系统及方法含较多人为因素且检测周期较长，测量效率很低。
[0004]上海磁浮交通发展有限公司设计了一种常导电磁悬浮式轨道巡检车，采用长定子直线电机和支撑轮结构的混合牵引模式，最高检测速度为200km/h，专用的高速磁悬浮轨检车和综合检测列车价格昂贵，技术复杂，要保持整个系统正确稳定地工作代价高昂。目前上海高速磁浮示范线的列车将车载悬浮间隙传感器、悬浮加速度传感器和测速定位传感器的数据传送到车头上的2台专用计算机中，在车载计算机中完成整个数据的采集工作，然后将数据传输至诊断系统，离线处理得到轨道不平顺信息。然而，该系统存在着设备的可移植性较差、车载传感器和车载计算机不易移植等不足。
[0005]上述高速磁悬浮轨道动态检测技术的发展主要是采用了惯性基准法，主要是将加速度计、陀螺仪和激光测距传感器等设备安装在机车的不同部位用于直接或间接地采集位移和加速度等信息，进而推断轨道的几何状态。其基本原理为：通过加速度传感器的测量值在运动的列车电磁铁上建立一个惯性参考基准，再利用间隙传感器测量电磁铁与轨道之间的间隙值计算出相对于基准的位置，计算得到轨道垂向不平顺和导向不平顺。基于惯性基准法的磁悬浮轨道测量系统及方法直接对惯性器件的原始测量值进行处理，然而惯性器件的测量精度受到多种因素的影响而不断发散，最主要的因素是加速计零偏、陀螺零偏等惯性传感器误差，并且传感器误差会随时间累积，测量精度随时间下降，这种系统及方法未能实现对惯性器件原始测量信息的最优化处理，难以有效估计和补偿惯性传感器误差。

技术实现思路

[0006]针对高速磁悬浮轨道静态检测技术和基于惯性基准法的动态检测技术所存在的
缺陷，本专利技术提出了一种基于惯性导航的高速磁悬浮轨道不平顺检测系统及方法，采用基于惯性导航的多传感器组合导航测量技术，高精度和高效率的完成高速磁悬浮轨道不平顺精密测量。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术的一种基于惯性导航的高速磁悬浮轨道不平顺检测系统，包括:轻型移动测量车体、安装于所述轻型移动测量车体的传感器和数据采集模块，所述传感器包括INS/GNSS组合惯性导航系统、激光测距传感器、里程计和倾角传感器；其中，INS/GNSS组合惯性导航系统和激光测距传感器安装于轻型移动测量车体的搭载平台上，INS/GNSS组合惯性导航系统包含惯性测量单元、GNSS接收机与天线，所述惯性测量单元包含三轴陀螺仪和三轴加速度计，用来测量轻型移动车体的三维角速度和三维加速度，GNSS接收机与天线用来提供绝对位置坐标；所述轻型移动测量车体的左右车轮各安装一个里程计，用来测量轻型移动车体沿轨道方向的行走里程并相互检核；所述轻型移动测量车体的搭载平台的左右各安装一个激光测距传感器，用于同时测量搭载平台与高速磁悬浮轨道定子面间的距离。
[0008]在进行不平顺检测时，按照如下过程对惯性测量单元进行初始化：提取轻型移动测量车体的精确里程，按照提取的里程查找高速磁悬浮轨道的设计参数中的所属平曲线段落、方位角d、偏向p、段落起点和终点的曲率半径r1和r
2 以及段落起点和终点的里程l；按照如下公式计算初始化的姿态参数：航向角为；俯仰角为；横滚角为；l
n
为轻型移动测量车体的当前位置距离段落起点的距离；为位于前直坡段的俯仰角；为位于竖曲线段的俯仰角；为位于后直坡段的俯仰角；S1为前直坡段；S2为后直坡段；l
v
为轻型移动测量车体当前所在里程的纵断面的段落长度；l
s
为轻型移动测量车体的当前位置距离段落起点的距离；e和g分别为当前轻型移动测量车体所在里程处的超高、轨距。
[0009]进一步优选的，所述搭载平台采用螺丝杠杆与轻型移动测量车体连接，实现搭载平台在一定范围内的自由升降。
[0010]进一步优选的，所述轻型移动测量车体通过万向轮在高速磁悬浮轨道上移动，左右两侧万向轮使装置前进方向和轨道方向一致。
[0011]本专利技术还提供一种基于惯性导航的高速磁悬浮轨道不平顺检测方法，采用上述检测系统，对高速磁悬浮轨道进行检测，包括以下步骤：S1、对惯性测量单元、GNSS、里程计、倾角传感器和激光测距传感器进行同步校时；S2、根据陀螺输出的角速度、加速度计输出的比力和里程计速度数据；对车体是否处于静止状态进行判断，当角速度、比力、里程计速度均小于阈值时，可判定车体处于静止状态；S3、采用基于卡尔曼滤波的松组合将GNSS和INS定位结果进行融合，融合前将卫星定位结果进行状态转移后再与组合导航系统进行融合解算：融合后建立微分状态方程，同
时根据微分状态方程的定位结果，对定位结果和车体运动状态建立观测方程；S4、获取惯导的三维位置和姿态，计算搭载平台的三维位置和姿态；S5、根据获取的行走里程和姿态角对搭载平台的高程进行重构，计算高速磁悬浮轨道定子面高程：其中，为定子面高程，H
P
为重构后的高程；S
z
为激光测距传感器进行处理后测得的搭载平台到定子面距离；S6、根据定子面高程进行纵断面线形拟合，线形拟合以定子面高程到拟合线形的几何距离平方和最小为原则，采用最小二乘进行参数估计。由拟合线形和定子面高程计算得到轨道偏差量，由偏差量计算高速磁悬浮轨道的不平顺性。
[0012]进一步优选的，在S3中，还包括采用如下公式将卫星定位结果进行状态转移后再与组合导航系统进行融合解算：其中，表示延迟前的卫星定位结果，表示状态转移后与惯性导航系统同步的位置结果，表示y时刻到x时刻的状态转移矩阵，表示y时刻到x时刻的状态转移矩阵的转置矩阵；表示状态转移前的误差向量，表示状态转移后的误差向量，为中间变量；表示协方差矩阵；为j时刻到x时刻的状态转移矩阵；为j时刻到x时刻的状态转移矩阵的转置矩阵；x为状态转移后与惯性导航系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于惯性导航的高速磁悬浮轨道不平顺检测系统，其特征在于，包括:轻型移动测量车体、安装于所述轻型移动测量车体的传感器和数据采集模块，所述传感器包括INS/GNSS组合惯性导航系统、激光测距传感器、里程计和倾角传感器；其中，INS/GNSS组合惯性导航系统和激光测距传感器安装于轻型移动测量车体的搭载平台上，INS/GNSS组合惯性导航系统包含惯性测量单元、GNSS接收机与天线，所述惯性测量单元包含三轴陀螺仪和三轴加速度计，用来测量轻型移动车体的三维角速度和三维加速度，GNSS接收机与天线用来提供绝对位置坐标；所述轻型移动测量车体的左右车轮各安装一个里程计，用来测量轻型移动车体沿轨道方向的行走里程并相互检核；所述轻型移动测量车体的搭载平台的左右各安装一个激光测距传感器，用于同时测量搭载平台与高速磁悬浮轨道定子面间的距离；在进行不平顺检测时，按照如下过程对惯性测量单元进行初始化：提取轻型移动测量车体的精确里程，按照提取的里程查找高速磁悬浮轨道的设计参数中的所属平曲线段落、方位角d、偏向p、段落起点和终点的曲率半径r1和r2以及段落起点和终点的里程l；按照如下公式计算初始化的姿态参数：航向角为；俯仰角为；横滚角为；其中，l
n
为轻型移动测量车体的当前位置距离段落起点的距离；为位于前直坡段的俯仰角；为位于竖曲线段的俯仰角；为位于后直坡段的俯仰角；S1为前直坡段；S2为后直坡段；l
v
为轻型移动测量车体当前所在里程的纵断面的段落长度；l
s
为轻型移动测量车体的当前位置距离段落起点的距离；e和g分别为当前轻型移动测量车体所在里程处的超高、轨距。2.根据权利要求1所述的基于惯性导航的高速磁悬浮轨道不平顺检测系统，其特征在于，所述搭载平台采用螺丝杠杆与轻型移动测量车体连接，实现搭载平台在一定范围内的自由升降。3.根据权利要求1所述的基于惯性导航的高速磁悬浮轨道不平顺检测系统，其特征在于，所述轻型移动测量车体通过万向轮在高速磁悬浮轨道上移动，左右两侧万向轮使装置前进方向和轨道方向一致。4.一种基于惯性导航的高速磁悬浮轨道不平顺检测方法，用于采用上述权利要求1
‑
3中任意一项所述的检测系统，对高速磁悬浮轨道进行检测，其特征在于，包括以下步骤：S1、对惯性测量单元、GNSS、里程计、倾角传感器和激光测距传感器进行同步校时；S2、根据陀螺输出的角速度、加速度计输出的比力和里程计速度数据；对车体是否处于静止状态进行判断，当角速度、比力、里程计速度均小于阈值时，可判定车体处于静止状态；S3、采用基于卡尔曼滤波的松组合将GNSS和INS定位结果进行融合，融合前将卫星定位结果进行状态转移后再与组合导航系统进行融合解算：融合后建立微分状态方程，同时根据微分状态方程的定位结果，对定位结果和车体运动状态建立观测方程；S4、获取惯导的三维位置和姿态，计算搭载平台的三维位置和姿态；
S5、根据获...

【专利技术属性】
技术研发人员：房博乐，谭兆，张冠军，石德斌，洪江华，杨云洋，王鹏，李广宇，薛骐，杨双旗，
申请(专利权)人：中国铁路设计集团有限公司，
类型：发明
国别省市：