轨道检测中的惯性及视觉传感融合技术研究

摘要

由于轨道结构和轨下基础的弹性不均等原因造成轨道长波不平顺。长波不平顺直接影响列车的乘坐舒适性，严重时危及列车行驶安全。随着我国轨道线路运营里程的快速增长，研究新的高速非接触轨道长波不平顺检测方法和技术是一项紧迫的科学和工程任务。
　　既有的轨道不平顺的动态检测方法所建立的坐标系是通过惯性测量单元数据拟合得到的相对坐标系。轨道长波不平顺的动态测量方法为快速获得轨道长波不平顺信息奠定了理论基础，但这种方法获得的轨道长波不平顺信息无法表达轨道空间中绝对位置的分布情况。将轨道长波不平顺信息表达到绝对坐标系下的关键是建立起动态坐标系与绝对坐标系的转换关系。本文以视觉传感器为桥梁(载体)建立动态坐标系与绝对坐标系的转换关系，核心是研究两者之间的融合技术。本文采用两步法对视觉传感器以及惯性传感器的相对位姿进行定标，从而实现两个传感器之间信息的融合，主要研究内容包括：
　　(1) 惯性及视觉传感器之间相对姿态的定标。定标过程中对视觉传感器的定标、角点的获取以及如何通过标定板获得空间垂直向量进行了研究；对如何通过空间中的两个平行向量确定两坐标系之间的空间相对姿态进行求解。
　　(2) 惯性及视觉传感器之间相对位置求解。将惯性及视觉传感器之间的相对位置作为状态向量建立状态方程以及量测方程，通过扩展卡尔曼滤波的方法对建立的状态方程以及量测方程进行求解，得到惯性及视觉传感器之间的空间相对位置。仿真实验表明该方法能够准确定标出惯性及视觉传感器的相对位姿，方法简单易于实现。
　　(3) 完成了惯性及视觉传感器相对位姿定标的仿真及实验。利用Matlab对仿真系统进行求解，仿真结果表明该方法在系统受到外界干扰较小的情况下能够对惯性及视觉传感器的相对位姿进行精确定标。搭建试验台进行实验验证，实验结果表明该方法能对惯性及视觉传感器之间的相对位姿进行精确定标。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 论文的背景和意义

1.2 轨道检测的技术与方法

1.3 多传感器融合技术

1.4 研究内容及章节安排

第二章 惯性及视觉传感器融合理论基础

2.1 线性模型视觉传感器定标

2.2 非线性模型摄像机定标

2.3 四元数

2.4 卡尔曼滤波技术

2.5 本章小结

第三章 惯性及视觉传感器旋转关系的确定

3.1 惯性传感器获取垂直向量

3.2 视觉传感器获取垂直向量

3.3 惯性及视觉传感器旋转关系的求解

3.4 仿真实验及分析

3.5 本章总结

第四章 基于扩展卡尔曼滤波的惯性及视觉传感器平移量的求解

4.1 系统的空间状态描述

4.2 系统状态方程以及量测方程

4.3 算法流程

4.4 仿真实验及分析

4.5 本章小结

第五章 惯性及视觉传感器融合实验

5.1 实验设计

5.2 实验所用到的主要部件及实验平台

5.3 实验过程

5.4 实验结果及分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢