过山车轨道状态的实时检测系统研究

摘要

列车轨道检测对于轨道保养与维护有重要意义，能够有效地保障列车行驶安全，已被广泛运用于铁路系统中。过山车轨道不同于一般的铁轨，其轨道路径曲折，且列车行驶姿态复杂多变。目前关于过山车轨道状态的实时监测研究较少，对获取测量系统所处空间位置和姿态信息的手段不足。因此，急需一套有效的系统，能够提供实时检测空间位置和姿态信息，使得测量系统更加准确。
　　目前轨检车存在的主要问题有:测量单元多而分散，缺乏集成;由于测量曲线的坐标基于轨检车的惯性测量系统，造成测量数据和真实的轨道空间位置不对应，需要人工校正等问题;针对这些问题，本文提出了将图像和惯性测量技术有机结合进行测量的方法。
　　惯性测量单元（IMU）是测量物体三轴加速度以及姿态角的测量仪器。通常来说，最基本的惯性测量单元由一个三轴加速度计和一个三轴的陀螺仪构成，加速度计负责测量物体在载体坐标系的三轴加速度数据，而陀螺仪则用来获取载体相对于导航坐标系的三轴角速度数据，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态信息。
　　本论文将图像和惯性测量技术运用到过山车轨道测量中，用小车模拟过山车，对IMU和CCD相机运用在过山车轨道检测的可行性进行先期原理验证。本论文采用CCD相机测量轨距和轨道表面轮廓;采用惯性测量单元和CCD测量并展示轨道空间姿态图像;同时对现有的姿态解算功能进行扩展，增加了轨迹推算测量能，使系统可以测量轨道的空间轨迹。本论文主要围绕图像和惯性测量理论分析、算法设计以及应用软件的编写开发这三个方面展开。
　　本论文的主要工作有:
　　(1)搭建了一套基于IMU与CCD相机的惯性图像测量装置，实现了轨距、轨道表面状态、物体姿态和轨迹的实时测量。
　　(2)设计和编写了基于四元数坐标变换来测量速度、位移和姿态的一套补偿算法。采取了互补滤波修正四元数，通过积分获取待测物位移信息。
　　(3)设计并完成了一套基于MFC和Matlab的应用软件。

目录

声明

致谢

摘要

1绪论

1．1过山车轨道与安全情况

1．2当前检测手段的缺陷

1．3图像测量技术的介绍

1．4惯性测量技术的介绍

1．5本论文的主要工作

2图像测量

2．1图像检测技术

2．2轨距测量

2．3总结

3惯性测量单元的姿态测量原理

3．1姿态的四元数表示和旋转矩阵

3．1．1四元数

3．1．2旋转矩阵

3．1．3欧拉角的四元数描述

3．2姿态的实时更新方法

3．3互补滤波算法

3．3．1 MEMS陀螺仪

3．3．2加速度计

3．3．3互补滤波算法

4惯性测量单元的位移推算算法

4．1区分静止期

4．2零速修正

4．3位移推算算法

4．4小车测量

5测量软件介绍

5．1开发软件框架介绍

5．1．1 MFG简介

5．2．1操作流程

5．2．2用户界面

5．2．3绘图

5．3测量软件总结

6综合实验

6．1实验装置

6．1．1 ADI惯性测量单元

6．1．2评估板

6．1．3 LPMS-B2微型无线惯性测量单元

6．1．4 COD相机与镜头

6．2轨道检测

6．2．1轨道表面状况检测

6．2．2轨道轨距检测

6．3惯性测量单元的位移测量实验

6．3．1步态测量

6．3．2小车测量

6．3．3实验分析以及讨论

7总结与展望

7．2展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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