基于MEMS陀螺仪的矿区铁路轨道塌陷监测系统的设计

摘要

铁路运输因其成本低、运输效率高等优点，在陆上交通运输中占有很大的比重。随着改革开放以后我国进出口贸易经济迅速发展，铁路轨道所承担的运输任务越来越繁重。然而，在矿区本身恶劣环境和工作机车的动力作用这两者共同影响下，矿区轨道的几何形状、尺寸和空间位置产生偏差，从而造成轨道塌陷。轨道塌陷不但降低了本身轨道的使用寿命，而且降低了机车运行的舒适性和平稳性，严重的时候还会危及列车的行驶安全。因此，只有确保矿区铁路轨道的精确和平顺，才能保证矿区正常的生产作业。近年来矿区轨道塌陷导致机车翻车的现象频繁出现，对此很多国内外的研究机构设计了很多轨道塌陷监测设备，但是大多数设备暴露出检测效率低下、误差较大、成本太高无法广泛使用等不足，无法满足矿区铁路轨道维护的要求。 针对现有矿区铁路轨道塌陷监测方式的不足，本文以传感器检测技术、GPRS无线传输技术、嵌入式操作系统技术为理论背景，设计开发一种基于MEMS陀螺仪的矿区铁路轨道塌陷监测系统，主要的研究内容及结果如下: 1.根据矿区铁路轨道现场环境，叙述整个系统的工作原理并设计了轨道塌陷监测系统总体方案。 2.系统硬件设计和关键硬件选型 选择MEMS陀螺仪传感器作为检测轨道倾斜角度的装置，选择GPS定位模块对轨道每个检测点进行定位，同时选择三菱FX系列PLC实现对陀螺仅和GPS模块传感器的数据采集;以工控主板CPU为ARM9的触摸屏接收PLC采集的数据，完成轨道塌陷参数数据在触摸品上的显示和存储等功能;选择乐城公司的GPRS无线传输模块实现监测系统和PC机终端之间的数据接收和发送功能。 3.系统软件设计 在工控板ARM9上完成了Win CE嵌入式操作系统的定制并在触摸屏上显示，在三菱PLC编程软件上使用梯形图语言完成了对传感器采集程序的编程;使用LabVIEW图形化语言完成了Win CE操作系统下对PLC数据的读取、显示和文件操作。运用卡尔曼滤波算法对采集的数据进行滤波和除噪声处理;在PC机终端上配置GPRS无线串口软件，方便远程无线接收数据;使用LabVIEW中的附加工具包LabSQL完成了轨道塌陷管理软件的编写，实现了对Access数据库的写入和查询功能。 4.系统实验验证 在学校地面代替铁路轨道作为实验对象，对系统的测量精度、通讯效果以及系统的可靠性进行了实验验证，实验结果表明:该系统工作稳定;静态实验倾角采集数据绝对误差控制在±0.1°之内，相对误差率小于0.25％;GPS定位误差控制在±0.01m内;动态实验响应良好，能及时检测轨道塌陷变化;远程无线传输可靠，基本满足矿区轨道塌陷监测的工作要求。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1研究背景和意义

1．2国内外轨道塌陷监测技术研究现状

1．2．1国外研究现状

1．2．2国内研究现状

1．4研究目标和主要研究内容

第二章轨道塌陷监测系统总体设计

2．1系统设计方案

2．2．1系统工作原理

2．2．2系统总体结构设计

2．3本章小结

第三章轨道塌陷监测系统硬件设计

3．1关键器件选型

3．1．1 MEMS陀螺仪传感器

3．1．2 GPS定位模块

3．1．3 GPRS无线模块

3．1．4可编逻辑程控制器(PLC)

3．2系统主控模块硬件设计

3．2．1图形界面设计

3．2．2串口转换器

3．2．4供电电源设计

3．3信号放大电路设计

3．4本章小结

第四章轨道塌陷监测系统软件设计

4．1数据采集模块PLC软件编程

4．2系统控制模块软件设计

4．2．1系统主板操作系统的定制

4．2．2 LabVIEW图形化软件设计

4．3 GPRS模块软件参数配置

4．3．1 DTU参数配置

4．3．2无线串口软件配置

4．4 GPS模块和PLC通讯

4．5卡尔曼滤波算法设计

4．5．1卡尔曼滤波原理

4．5．2噪声误差分析

4．5．3卡尔曼滤波算法建模

4．5．4仿真分析

4．6数据库管理软件设计

4．6．1 LabSQL安装

4．6．2 LabSQL配置

4．6．3建立数据源

4．6．4系统管理软件设计

4．7本章小结

第五章系统试验

5．1轨道塌陷监测系统静态试验

5．1．1实验设计方案

5．1．2实验设备及材料

5．1．3实验步骤

5．1．4实验数据记录与分析

5．2 GPRS无线通讯和GPS定位测试

5．2．2可靠性测试实验方案

5．2．2可靠性测试数据分析

5．3轨道塌陷监测系统动态试验

5．3．1实验方案设计

5．3．2数据分析

5．4系统性能总结

5．5本章小结

第六章总结与展望

6．1总结

6．2创新点

6．3展望

参考文献

致谢

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