基于惯性平台的轨道空间线形检测算法研究

摘要

轨道不平顺是列车的主要激振源，影响运行安全性和乘坐舒适性。轨道检测在工务维护和科学研究中具有重要的工程意义。轨道长波不平顺参数是通过轨道空间线形参数进行计算和确定的。本文基于惯性测量平台，对惯性测量单元信息采用空间域等间隔采样方法进行采样，运用经验模态分解算法(EMD)进行降噪处理，设计数字积分器实现运载体小车的惯性信息计算，获取相对空间运动轨迹。最后通过倾角信息对空间运动信息进行补偿和修正，反演出轨道的空间线形。论文主要研究内容包括：
　　1. 在运用捷联式惯性导航技术的基础上，分别用加速度计测量运载体在三个轴向的加速度信息，用陀螺仪测量三轴向的角速率信息，通过角速率信息不断更新姿态矩阵，将加速度信息变换到地理坐标系中，并对转换后的加速度信号进行连续的两次积分，获得其空间运动轨迹。
　　2. 根据空间采样定理，设计一套空间域等间隔采样系统，通过空间采样，消除了信息的时间计算与轨道空间线形的不一致性。而传统等时间采样方式中，随着运载体速度的不断变化，其激振频率也在不断变化，对后续滤波器的设计带来困难。
　　3. 利用惯性加速度信号，设计数字积分器实现运动小车的空间位移信息。针对加速度信号中低频成分导致积分器饱和的现象，采用 Hilbert-Huang 变换对加速度信号进行滤波处理，用基于连续均方误差的EMD算法，去除信号中的极低频成分。
　　4. 引入倾角仪，创新地设计了一套倾角仪数据采集系统，采集运载体倾角信息，并设计算法，通过倾角信息的补偿，高精度地反演出轨道的空间线形。
　　在实验室搭建的惯性测量平台上进行的一系列实验表明，采用捷联惯性技术检测轨道线路状态实际可行；本文设计的空间域等间隔采样系统以及倾角仪信息采集系统也切实有效；采用基于连续均方根误差准则的EMD算法在加速度信号的低频去噪方面效果显著；倾角仪测得的轨道三轴倾角信息也能对位移进行补偿。结果表明，轨道线路变形监测误差控制在4mm内，满足检测要求。

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符号和缩略词说明

第一章 绪 论

1.1 论文背景

1.2 轨道不平顺检测

1.3轨道检测技术

1.4 论文的主要框架和内容

1.5 文章创新点

1.6本章小结

第二章 轨道空间线形检测原理及设计

2.1 轨道空间线形检测原理

2.2轨道状态检测设计

2.3 惯性导航

2.4 常用坐标系

2.5 姿态矩阵变换

2.6 四元数算法与姿态矩阵

2.7 本章小结

第三章 空间域等间隔采样方法研究

3.1空间采样定理

3.2 时间与空间的关系

3.3空间域等间隔信号的获取

3.4 空间域等间隔采样系统设计

3.5 本章小结

第四章 惯性测量单元信号处理方法

4.1 数字积分器的设计

4.2 时频降噪及分析

4.3 惯性测量单元信号处理

4.4 IMU加速度信号处理

4.5 本章小结

第五章 采用倾角仪对信号的补偿

5.1 倾角信息的获取及分析

5.2 惯性测量单元与倾角仪的坐标融合

5.3空间位移曲线的补偿计算

5.4本章小结

第六章 实验设计及结果分析

6.1 实验设计

6.2 实验系统开发

6.3实验数据处理

6.4 实验结果分析

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 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

1. 发表的学术论文

2. 取得的相关科研成果

3. 参与的科研项目

致谢