一种多波长高铁轨道平顺性检测装置和检测方法

摘要

本发明属于铁路轨道检测领域，涉及一种多波长轨道不平顺检测装置和检测方法的改进。本发明的检测装置包括一个带有检测平台[15]的轨道检测车，在检测平台[15]的上表面安装有包括计算机，位移器，位移器数据采集卡[5]、OD数据采集卡[6]和电源的数据处理系统，其特征在于：所说的位移器是激光位移器，在检测梁[16]内部安装有两个激光位移器，在检测平台[15]的上表面安装有一套高低测量系统。本发明检测方法的步骤是：传感器数据采集存储的步骤；数据预处理的步骤；综合数据采集处理。本发明的检测装置和检测方法大大缩短了轨道上的工作时间，提高了检测效率；并满足了高铁对100米以上的长波不平顺的测量需求。

说明书

技术领域

本发明属于铁路轨道检测技术，涉及对铁路轨道高低、轨向等平顺性检 测装置和方法的改进。

背景技术

目前，对铁路轨道平顺性的检测方法主要有弦测法、惯性基准法等。其 中弦测法是指采用人工拉线的方法在轨道上真实搭建一条弦线，通过测量轨 道轨顶面(轨距点)与该弦线的相对位移，评价轨道的高低平顺性。通过这 种方法测得的轨道平顺性，波长与检测弦的长度密切相关，当需要分析多种 波长的轨道平顺性时，需要更换检测装置重新测量，或者根据当前检测结果 进行“以小推大”的转换，前者增加了检测人员的工作量，工作效率低，后 者存在较大误差。惯性基准法是通过设计高阶滤波器实现对不同范围的轨道 平顺性进行分析，目前技术较为成熟的可以分析70m以内的轨道不平顺。这 种方法不能满足高铁对100米以上的长波不平顺测量需求。惯性基准法可参 见《GJ-4型轨道检查车的原理与应用》，中国铁道出版社，2000，张未。

发明内容

本发明的目的是：提出一种能对轨道的高低、轨向进行多种波长连续检 测的检测装置和检测方法，并能满足高铁对100米以上的长波不平顺测量需 求。

本发明的技术方案是：一种高铁轨道平顺性检测装置，包括一个带有检 测平台的轨道检测车，在检测平台的下表面固定有两个位移器，它们是第一 位移器LPDT和第二位移器RPDT，第一位移器LPDT和第二位移器RPDT分别位 于轮轴两端的正上方，第一位移器LPDT和第二位移器RPDT的轴线与轮轴的 轴线正交，在轮轴的一端安装有里程仪OD，在检测平台的上表面安装有数据 处理系统，该数据处理系统包括计算机、位移器数据采集控制盒、OD数据采 集卡和电源；其特征在于：

(1)在检测平台下表面固定有一个截面为矩形的、中空的检测梁，检测 梁与轮轴平行，检测梁横向的垂直平分面与轮轴横向的垂直平分面共面；检 测梁的谐振频率不小于70Hz；在检测梁内部安装有两个位移器，分别是第三 激光位移器GLPDT和第四激光位移器GRPDT，在检测梁的下表面、与第三激光 位移器GLPDT和第四激光位移器GRPDT对应的位置各有一个通光孔，第三激 光位移器GLPDT和第四激光位移器GRPDT发射的激光束分别穿过上述通光孔 后照射到左右股钢轨的轨距点上；在检测梁内部还装有一个轨向惯性测量组 件HIMU；在检测平台的上表面安装有一个轨向-里程预处理计算机，轨向惯性 测量组件HIMU的输出端通过RS422总线与轨向-里程预处理计算机的串口连 接；所说的第一位移器LPDT和第二位移器RPDT是激光位移器；

(2)在检测平台的上表面安装有一套高低测量系统，它由左惯性测量组 件LIMU、右惯性测量组件RIMU和高低预处理计算机组成；左惯性测量组件 LIMU和右惯性测量组件RIMU位于轮轴左右车轮的正上方，左惯性测量组件 LIMU和右惯性测量组件RIMU的垂向轴线分别与所对应的左轨道、右轨道横截 面的垂直中心线重合；左惯性测量组件LIMU的输出端通过RS422总线与高低 预处理计算机的第一串口Com1连接；右惯性测量组件RIMU的输出端通过 RS422总线与高低预处理计算机的第二串口Com2连接；

(3)第一激光位移器LPDT、第二激光位移器RPDT、第三激光位移器GLPDT 和第四激光位移器GRPDT的输出端分别与位移器数据采集盒的相应输入端连 接；在检测平台的上表面安装有一个位移器预处理计算机，位移器数据采集 盒的输出端通过USB总线与位移器预处理计算机的USB口连接；

(4)高低预处理计算机、位移预处理计算机和轨向-里程预处理计算机 通过局域网与计算机连接。

使用如上面所述的高铁轨道平顺性检测装置检测铁路轨道平顺性的方 法，其特征在于，检测的步骤如下：

1、传感器数据采集存储的步骤：

1.1、高低数据采集存储：系统上电后，左惯性测量组件LIMU和右惯性 测量组件开始工作，高低预处理计算机每隔m秒读取第一串口com1和第二串 口com2的数据，将数据记为ω_xL，ω_yL，ω_zL，A_xL，A_yL，A_zL，ω_xR，ω_yR，ω_zR，A_xR， A_yR，A_zR，并进行保存；其中，ω_xL表示左惯性测量组件LIMU的横滚角速率，ω_yL表示左惯性测量组件LIMU的航向角速率，ω_zL表示左惯性测量组件LIMU的俯 仰角速率，A_xL，A_yL，A_zL分别表示左惯性测量组件LIMU的横向、纵向、天向 加速度；ω_xR表示右惯性测量组件RIMU的横滚角速率，ω_yR表示右惯性测量组 件RIMU的航向角速率，ω_zR表示右惯性测量组件RIMU的俯仰角速率，A_xR，A_yR， A_zR分别表示右惯性测量组件RIMU的横向、纵向、天向加速度；m的取值范围 是0.001秒～0.01秒；

1.2、轨向数据采集存储：系统上电后，轨向惯性测量组件HIMU开始工 作，每隔m秒，轨向惯性测量组件HIMU向轨向-里程预处理计算机第一串口 com1发送采样数据，记为ω_xH，ω_yH，ω_zH，A_xH，A_yH，A_zH；其中ω_xH表示轨向惯性 测量组件HIMU的横滚角速率，其中ω_yH表示轨向惯性测量组件HIMU的航向角 速率，其中ω_zH表示轨向惯性测量组件HIMU的俯仰角速率，A_xH，A_yH，A_zH分别 表示轨向惯性测量组件HIMU的横向、纵向、天向加速度，并进行保存；

1.3、里程数据采集存储：系统上电后，里程测量组件OD开始工作，每 隔m秒，里程测量组件OD向轨向-里程预处理计算机的第二串口com2发送一 个采样数据，轨向-里程预处理计算机将采样数据记为N_od并进行保存；

1.4、激光位移器采集存储：系统上电后，激光位移器数据控制盒开始工 作，每隔m秒，激光位移器数据控制盒向位移器预处理计算机发送一个采样 数据包，每个采样数据包有4个采样数据，记为D_WL、D_WR、D_GL、D_GR，其中，D_WL为第一激光位移器LPDT所测量位移的采样数据；D_WR为第二激光位移器RPDT 所测量位移的采样数据；D_GL为第三激光位移器GLPDT所测量位移的采样数据； D_GR为第四激光位移器GRPDT所测量位移的采样数据，并进行保存；

2、数据预处理的步骤：

2.1、高低预处理：高低预处理计算机对数据的预处理过程是：

2.1.1、左惯性测量组件LIMU数据预处理：

2.1.1.1、计算左惯性测量组件LIMU的当前姿态：保持轨道车静止m1秒， m1取值范围为100秒～200秒，在m1秒内的采样个数为n，n＝m1/m取整数；

根据下式计算出左惯性测量组件LIMU的横滚角速率均值

${\bar{\omega }}_{\mathrm{xL}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\omega }_{\mathrm{xL}}\left(i\right)···\left[1\right]$

式中，i为采样数据的序号；

计算航向角初值ψ₀：

式中，表示当前位置的纬度；

2.1.1.2、地球自转和常值漂移补偿：

式中，为补偿后的左惯性测量组件LIMU的横滚角速率，为补偿 后的左惯性测量组件LIMU的航向角速率，δψ为航向角修正量，当i＝1时，令 δψ为0；

1.1.3、积分计算：

$\mathrm{\delta \psi }\left(i\right)=\mathrm{\delta \psi }(i-1)+{\tilde{\omega }}_{\mathrm{zL}}\left(i\right)·m·\pi /180···\left[5\right]$

${\theta }_L\left(i\right)={\theta }_L(i-1)+{\tilde{\omega }}_{\mathrm{xL}}\left(i\right)·m·\pi /180···\left[6\right]$

式中，θ_L(i)为左惯性测量组件LIMU的俯仰角；

2.1.2右惯性测量组件RIMU数据预处理：

2.1.2.1、计算右惯性测量组件RIMU的当前姿态：保持轨道车静止m1秒； 根据下式计算出右惯性测量组件RIMU横滚角速率均值

${\bar{\omega }}_{\mathrm{xR}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\omega }_{\mathrm{xR}}\left(i\right)...\left[7\right]$

2.1.2.2、地球自转和常值漂移补偿：

${\tilde{\omega }}_{\mathrm{xR}}\left(i\right)={\omega }_{\mathrm{xR}}\left(i\right)-15·\cos L·\cos ({\psi }_0+\mathrm{\delta \psi }(i-1))···\left[8\right]$

式中，为补偿后的右惯性测量组件RIMU横滚角速率；

2.1.1.3、积分计算：

${\theta }_R\left(i\right)={\theta }_R(i-1)+{\tilde{\omega }}_{\mathrm{xR}}\left(i\right)·m·\pi /180···\left[10\right]$

式中，θ_R(i)为右惯性测量组件RIMU的俯仰角；

2.1.4、数据传输：高低预处理计算机每m秒通过局域网向计算机发送一 次数据θ_R(i)和θ_R(i)；

2.2、轨向-里程数据预处理：

2.2.1、计算轨向惯性测量组件HIMU的当前航向角：保持轨道车静止m1 秒，计算航向角速率均值

${\bar{\omega }}_{\mathrm{xH}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\omega }_{\mathrm{xH}}\left(i\right)···\left[11\right]$

航向角初值ψ_0H计算：

2.2.2、地球自转和常值漂移补偿：

式中，为补偿后的航向角速率，当i＝1时，令ψ_H(i)＝ψ_0H为0；

2.2.3、积分计算

${\psi }_H\left(i\right)={\psi }_H(i-1)+{\tilde{\omega }}_{\mathrm{zH}}\left(i\right)·m·\pi /180···\left[14\right]$

式中，ψ_H(i)为轨向惯性测量组件HIMU的航向角；

2.2.4、数据传输：

轨向-里程预处理计算机每m秒通过局域网向计算机发送一次ψ_H(i)和 N_od(i)；

2.3、激光位移器数据预处理：

2.3.1、计算平均值：分别计算D_WL、D_WH、D_GL、D_GR四个采样数据中每个 采样数据每连续5个数的平均值其中，为 第一激光位移器LPDT所测量位移的采样数据平均值；为第二激光位移器 RPDT所测量位移的采样数据平均值；为第三激光位移器GLPDT所测量位 移的采样数据平均值；为第四激光位移器GRPDT所测量位移的采样数据 平均值；

2.3.2、数据传输：位移预处理计算机每m秒通过局域网向计算机发送一 次

3、综合数据采集处理：

3.1、综合数据采集：计算机通过局域网获取高低预处理计算机、位移预 处理计算机和轨向-里程预处理计算机的数据并存储；

3.2、里程计算：根据下式计算当前里程：

里程仪的采样数据和事先标定好的刻度系数，

L_od(i)＝N_od(i)·k_od…………………………………………………[15]

式中，L_od(i)表示检测里程，k_od是刻度系数，R是轨道车的车轮 半径，其中p的取值范围是1024～4000；

3.3、时域-空域转换：

将步骤3.1计算机接收到的时域采样数据，根据步骤3.2得到的里程， 转换成采样密度为0.125米的空域数据，记为Θ_L、Θ_R、Ψ_H、L、其中Θ_L为空域的左惯性测量组件LIMU的俯仰角、Θ_R为空域的 右惯性测量组件RIMU的俯仰角；Ψ_H为空域的轨向惯性测量组件HIMU航向角， L为空域的里程；为空域的第一激光位移器LPDT所测量位移的采样数 据平均值；为空域的第二激光位移器RPDT所测量位移的采样数据平均 值；为空域的第三激光位移器GLPDT所测量位移的采样数据平均值； 为空域的第四激光位移器GRPDT所测量位移的采样数据平均值，j为空 域数据的序号；

3.4、当前波长平顺性解算：

3.4.1、波长输入：用户输入的波长λ₁为数值10m、30m、42m、70m、300m 其中之一；

3.4.2、平顺性解算：

3.4.2.1、高低平顺性解算：

$h_{\mathrm{VL}}\left(j\right)=\alpha [{\mathrm{dL}}_1·\tan \left({\mathrm{d\Theta }}_1\right)-\frac{1}{2}{\mathrm{dL}}_2·\tan \left({\mathrm{d\Theta }}_2\right)]+{\hat{D}}_{\mathrm{WL}}\left(j\right)···\left[16\right]$

$h_{\mathrm{VR}}\left(j\right)=\alpha [{\mathrm{dL}}_1·\tan \left({\mathrm{d\Theta }}_3\right)-\frac{1}{2}{\mathrm{dL}}_2·\tan \left({\mathrm{d\Theta }}_4\right)]+{\hat{D}}_{\mathrm{WR}}\left(j\right)···\left[17\right]$

式中，h_VL为轨道的左高低，h_VR为轨道的右高低，α为幅值补偿系数，取 0.25；

dL₁＝L(j)-L(j-d)……………………………………………………… [18]

dL₂＝L(j+d)-L(j-d)…………………………………………………… [19]

dΘ₁＝Θ_L(j)-Θ_L(j-d)…………………………………………………[20]

dΘ₂＝Θ_L(j+d)-Θ_L(j-d)………………………………………………[21]

dΘ₃＝Θ_R(j)-Θ_R(j-d)…………………………………………………[22]

dΘ₄＝Θ_R(j+d)-Θ_R(j-d)………………………………………………[23]

$d=\frac{{\lambda }_1}{0.25}···\left[24\right]$

3.4.2.2、轨向平顺性解算：

$S_L\left(j\right)=y\left(j\right)+{\hat{D}}_{\mathrm{GL}}\left(j\right)···\left[25\right]$

$S_R\left(j\right)=y\left(j\right)+{\hat{D}}_{\mathrm{GR}}\left(j\right)···\left[26\right]$

$y\left(j\right)=\beta ·[{\mathrm{dL}}_1\tan \left({\mathrm{d\psi }}_1\right)-\frac{1}{2}{\mathrm{dL}}_2\tan \left({\mathrm{d\psi }}_2\right)]···\left[27\right]$

式中，y(j)为检测梁[16]的中心横向位移，β为幅值补偿系数，取0.03；

dψ₁＝Ψ_H(j)-Ψ_H(j-d)…………………………………………………[28]

dψ₂＝Ψ_H(j+d)-Ψ_H(j-d)………………………………………………[29]

至此，得到了轨道平顺性的检测结果。

本发明的优点是：使用本发明的检测装置和检测方法可以通过一次检测 和多次解算，就可以得对10m、30m、42m、70m或300m多种波长的轨道不平 顺进行检测，大大缩短了轨道上的工作时间，提高了检测效率；并满足了高 铁对100米以上的长波不平顺的测量需求。

附图说明

图1是本发明检测装置的结构原理框图。

图2是本发明检测装置中传感器安装位置示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。规定方位如下，面对轨道检测车的前 进方向，左手边为左方。参见图1、2。一种高铁轨道平顺性检测装置，包括 一个带有检测平台15的轨道检测车，在检测平台15的下表面固定有两个位 移器，它们是第一位移器LPDT9和第二位移器RPDT10，第一位移器LPDT9和 第二位移器RPDT10分别位于轮轴17两端的正上方，第一位移器LPDT9和第 二位移器RPDT10的轴线与轮轴17的轴线正交，在轮轴17的一端安装有里程 仪OD14，在检测平台15的上表面安装有数据处理系统，该数据处理系统包括 计算机1、位移器数据采集控制盒5、OD数据采集卡6和电源；其特征在于：

(1)在检测平台15下表面固定有一个截面为矩形的、中空的检测梁16， 检测梁16与轮轴17平行，检测梁16横向的垂直平分面与轮轴横向的垂直平 分面共面；检测梁16的谐振频率不小于70Hz；在检测梁16内部安装有两个 位移器，分别是第三激光位移器GLPDT11和第四激光位移器GRPDT12，在检测 梁16的下表面、与第三激光位移器GLPDT11和第四激光位移器GRPDT12对应 的位置各有一个通光孔，第三激光位移器GLPDT11和第四激光位移器GRPDT12 发射的激光束分别穿过上述通光孔后照射到左右股钢轨的轨距点上；在检测 梁16内部还装有一个轨向惯性测量组件HIMU13；在检测平台15的上表面安 装有一个轨向-里程预处理计算机4，轨向惯性测量组件HIMU13的输出端通过 RS422总线与轨向-里程预处理计算机4的串口连接；所说的第一位移器LPDT9 和第二位移器RPDT10是激光位移器；

(2)在检测平台15的上表面安装有一套高低测量系统，它由左惯性测 量组件LIMU7、右惯性测量组件RIMU8和高低预处理计算机2组成；左惯性测 量组件LIMU7和右惯性测量组件RIMU8位于轮轴17左右车轮的正上方，左惯 性测量组件LIMU7和右惯性测量组件RIMU8的垂向轴线分别与所对应的左轨 道、右轨道横截面的垂直中心线重合；左惯性测量组件LIMU7的输出端通过 RS422总线与高低预处理计算机2的第一串口Com1连接；右惯性测量组件 RIMU8的输出端通过RS422总线与高低预处理计算机2的第二串口Com2连接；

(3)第一激光位移器LPDT9、第二激光位移器RPDT10、第三激光位移器 GLPDT11和第四激光位移器GRPDT12的输出端分别与位移器数据采集盒5的相 应输入端连接；在检测平台15的上表面安装有一个位移器预处理计算机3， 位移器数据采集盒5的输出端通过USB总线与位移器预处理计算机3的USB 口连接；

(4)高低预处理计算机2、位移预处理计算机3和轨向-里程预处理计算 机4通过局域网与计算机1连接。

本发明检测装置的检测原理是：利用3个光纤惯组分别测量轨道车的左、 右端俯仰角和检测梁的航向角，结合里程和检测波长计算得到车体的高低和 检测梁中心位移，结合第一激光位移器和第二激光位移器的测量结果，扣除 车体相对于轮轴的振动量，计算得到左、右股轨道高低平顺性测量结果，结 合第三激光位移器和第四激光位移器的测量结果，加上对应的左、右轨距点 位移，计算得到左、右股轨道轨向平顺性测量结果。

使用如上面所述的高铁轨道平顺性检测装置检测铁路轨道平顺性的方 法，其特征在于，检测的步骤如下：

1、传感器数据采集存储的步骤：

1.1、高低数据采集存储：系统上电后，左惯性测量组件LIMU7和右惯性 测量组件8开始工作，高低预处理计算机2每隔m秒读取第一串口com1和第 二串口com2的数据，将数据记为ω_xL，ω_yL，ω_zL，A_xL，A_yL，A_zL，ω_xR，ω_yR，ω_zR， A_xR，A_yR，A_zR，并进行保存；其中，ω_xL表示左惯性测量组件LIMU7的横滚角速 率，ω_yL表示左惯性测量组件LIMU7的航向角速率，ω_zL表示左惯性测量组件 LIMU7的俯仰角速率，A_xL，A_yL，A_zL分别表示左惯性测量组件LIMU7的横向、 纵向、天向加速度；ω_xR表示右惯性测量组件RIMU8的横滚角速率，ω_yR表示右 惯性测量组件RIMU8的航向角速率，ω_zR表示右惯性测量组件RIMU8的俯仰角 速率，A_xR，A_yR，A_zR分别表示右惯性测量组件RIMU8的横向、纵向、天向加速 度；m的取值范围是0.001秒～0.01秒；

1.2、轨向数据采集存储：系统上电后，轨向惯性测量组件HIMU13开始 工作，每隔m秒，轨向惯性测量组件HIMU13向轨向-里程预处理计算机4第 一串口com1发送采样数据，记为ω_xH，ω_yH，ω_zH，A_xH，A_yH，A_zH；其中ω_xH表示轨 向惯性测量组件HIMU13的横滚角速率，其中ω_yH表示轨向惯性测量组件HIMU13 的航向角速率，其中ω_zH表示轨向惯性测量组件HIMU13的俯仰角速率，A_xH， A_yH，A_zH分别表示轨向惯性测量组件HIMU13的横向、纵向、天向加速度，并 进行保存；

1.3、里程数据采集存储：系统上电后，里程测量组件OD14开始工作， 每隔m秒，里程测量组件OD14向轨向-里程预处理计算机4的第二串口com2 发送一个采样数据，轨向-里程预处理计算机4将采样数据记为N_od并进行保 存；

1.4、激光位移器采集存储：系统上电后，激光位移器数据控制盒5开始 工作，每隔m秒，激光位移器数据控制盒5向位移器预处理计算机3发送一 一个采样数据包，每个采样数据包有4个采样数据，记为D_WL、D_WR、D_GL、D_GR， 其中，D_WL为第一激光位移器LPDT9所测量位移的采样数据；D_WR为第二激光位 移器RPDT10所测量位移的采样数据；D_GL为第三激光位移器GLPDT11所测量 位移的采样数据；D_GR为第四激光位移器GRPDT12所测量位移的采样数据，并 进行保存；

2、数据预处理的步骤：

2.1、高低预处理：高低预处理计算机2对数据的预处理过程是：

2.1.1、左惯性测量组件LIMU7数据预处理：

2.1.1.1、计算左惯性测量组件LIMU7的当前姿态：保持轨道车静止m1 秒，m1取值范围为100秒～200秒，在m1秒内的采样个数为n，n＝m1/m取 整数；

根据下式计算出左惯性测量组件LIMU7的横滚角速率均值

${\bar{\omega }}_{\mathrm{xL}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\omega }_{\mathrm{xL}}\left(i\right)···\left[1\right]$

式中，i为采样数据的序号；

计算航向角初值ψ₀：

式中，表示当前位置的纬度；

2.1.1.2、地球自转和常值漂移补偿：

式中，为补偿后的左惯性测量组件LIMU7的横滚角速率，为补 偿后的左惯性测量组件LIMU7的航向角速率，δψ为航向角修正量，当i＝1时， 令δψ为0；

1.1.3、积分计算：

$\mathrm{\delta \psi }\left(i\right)=\mathrm{\delta \psi }(i-1)+{\tilde{\omega }}_{\mathrm{zL}}\left(i\right)·m·\pi /180···\left[5\right]$

${\theta }_L\left(i\right)={\theta }_L(i-1)+{\tilde{\omega }}_{\mathrm{xL}}\left(i\right)·m·\pi /180···\left[6\right]$

式中，θ_L(i)为左惯性测量组件LIMU7的俯仰角；

2.1.2右惯性测量组件RIMU8数据预处理：

2.1.2.1、计算右惯性测量组件RIMU8的当前姿态：保持轨道车静止m1 秒；根据下式计算出右惯性测量组件RIMU8横滚角速率均值

${\bar{\omega }}_{\mathrm{xR}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\omega }_{\mathrm{xR}}\left(i\right)···\left[7\right]$

2.1.2.2、地球自转和常值漂移补偿：

${\tilde{\omega }}_{\mathrm{xR}}\left(i\right)={\omega }_{\mathrm{xR}}\left(i\right)-15·\cos L·\cos ({\psi }_0+\mathrm{\delta \psi }(i-1))···\left[8\right]$

式中，为补偿后的右惯性测量组件RIMU8横滚角速率；

2.1.1.3、积分计算：

${\theta }_R\left(i\right)={\theta }_R(i-1)+{\tilde{\omega }}_{\mathrm{xR}}\left(i\right)·m·\pi /180···\left[10\right]$

式中，θ_R(i)为右惯性测量组件RIMU8的俯仰角；

2.1.4、数据传输：高低预处理计算机2每m秒通过局域网向计算机1发 送一次数据θ_L(i)和θ_R(i)；

2.2、轨向-里程数据预处理：

2.2.1、计算轨向惯性测量组件HIMU13的当前航向角：保持轨道车静止 m1秒，计算航向角速率均值

${\bar{\omega }}_{\mathrm{xH}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\omega }_{\mathrm{xH}}\left(i\right)···\left[11\right]$

航向角初值ψ_0H计算：

2.2.2、地球自转和常值漂移补偿：

式中，为补偿后的航向角速率，当i＝1时，令ψ_H(i)＝ψ_0H为0；

2.2.3、积分计算

${\psi }_H\left(i\right)={\psi }_H(i-1)+{\tilde{\omega }}_{\mathrm{zH}}\left(i\right)·m·\pi /180···\left[14\right]$

式中，ψ_H(i)为轨向惯性测量组件HIMU13的航向角；

2.2.4、数据传输：

轨向-里程预处理计算机4每m秒通过局域网向计算机1发送一次ψ_H(i)和 N_od(i)；

2.3、激光位移器数据预处理：

2.3.1、计算平均值：分别计算D_WL、D_WR、D_GL、D_GR四个采样数据中每个 采样数据每连续5个数的平均值其中，为 第一激光位移器LPDT9所测量位移的采样数据平均值；为第二激光位移 器RPDT10所测量位移的采样数据平均值；为第三激光位移器GLPDT11 所测量位移的采样数据平均值；为第四激光位移器GRPDT12所测量位移 的采样数据平均值；

2.3.2、数据传输：位移预处理计算机3每m秒通过局域网向计算机1发 送一次

3、综合数据采集处理：

3.1、综合数据采集：计算机1通过局域网获取高低预处理计算机2、位 移预处理计算机3和轨向-里程预处理计算机4的数据并存储；

3.2、里程计算：根据下式计算当前里程：

里程仪的采样数据和事先标定好的刻度系数，

L_od(i)＝N_od(i)·k_od…………………………………………………[15]

式中，L_od(i)表示检测里程，k_od是刻度系数，R是轨道车的车轮 半径，其中p的取值范围是1024～4000；

3.3、时域-空域转换：

将步骤3.1计算机1接收到的时域采样数据，根据步骤3.2得到的里程， 转换成采样密度为0.125米的空域数据，记为Θ_L、Θ_R、Ψ_H、L、其中Θ_L为空域的左惯性测量组件LIMU7的俯仰角、Θ_R为空域 的右惯性测量组件RIMU8的俯仰角；Ψ_H为空域的轨向惯性测量组件HIMU13 航向角，L为空域的里程；为空域的第一激光位移器LPDT9所测量位移 的采样数据平均值；为空域的第二激光位移器RPDT10所测量位移的采样 数据平均值；为空域的第三激光位移器GLPDT11所测量位移的采样数据 平均值；为空域的第四激光位移器GRPDT12所测量位移的采样数据平均 值，j为空域数据的序号；

3.4、当前波长平顺性解算：

3.4.1、波长输入：用户输入的波长λ₁为数值10m、30m、42m、70m、300m 其中之一；

3.4.2、平顺性解算：

3.4.2.1、高低平顺性解算：

$h_{\mathrm{VL}}\left(j\right)=\alpha [{\mathrm{dL}}_1·\tan \left({\mathrm{d\Theta }}_1\right)-\frac{1}{2}{\mathrm{dL}}_2·\tan \left({\mathrm{d\Theta }}_2\right)]+{\hat{D}}_{\mathrm{WL}}\left(j\right)···\left[16\right]$

$h_{\mathrm{VR}}\left(j\right)=\alpha [{\mathrm{dL}}_1·\tan \left({\mathrm{d\Theta }}_3\right)-\frac{1}{2}{\mathrm{dL}}_2·\tan \left({\mathrm{d\Theta }}_4\right)]+{\hat{D}}_{\mathrm{WR}}\left(j\right)···\left[17\right]$

式中，h_VL为轨道的左高低，h_VR为轨道的右高低，α为幅值补偿系数，取 0.25；

dL₁＝L(j)-L(j-d)……………………………………………………… [18]

dL₂＝L(j+d)-L(j-d)…………………………………………………… [19]

dΘ₁＝Θ_L(j)-Θ_L(j-d)…………………………………………………[20]

dΘ₂＝Θ_L(j+d)-Θ_L(j-d)………………………………………………[21]

dΘ₃＝Θ_R(j)-Θ_R(j-d)…………………………………………………[22]

dΘ₄＝Θ_R(j+d)-Θ_R(j-d)………………………………………………[23]

$d=\frac{{\lambda }_1}{0.25}···\left[24\right]$

3.4.2.2、轨向平顺性解算：

$S_L\left(j\right)=y\left(j\right)+{\hat{D}}_{\mathrm{GL}}\left(j\right)···\left[25\right]$

$S_R\left(j\right)=y\left(j\right)+{\hat{D}}_{\mathrm{GR}}\left(j\right)···\left[26\right]$

$y\left(j\right)=\beta ·[{\mathrm{dL}}_1\tan \left({\mathrm{d\psi }}_1\right)-\frac{1}{2}{\mathrm{dL}}_2\tan \left({\mathrm{d\psi }}_2\right)]···\left[27\right]$

式中，y(j)为检测梁[16]的中心横向位移，β为幅值补偿系数，取0.03；

dψ₁＝Ψ_H(j)-Ψ_H(j-d)…………………………………………………[28]

dψ₂＝Ψ_H(j+d)-Ψ_H(j-d)………………………………………………[29]

至此，得到了轨道平顺性的检测结果。

实施例1

在装有检测平台的轨道车上安装如上面所述的检测装置，其中传感器的 技术指标分别为：左惯性测量组件LIMU7、右惯性测量组件RIMU8、轨向惯性 测量组件HIMU13均选用光纤捷联惯组，第一位移器LPDT9、第二位移器RPDT 10、第三激光位移器GLPDT11、第四激光位移器GRPDT 12均选用测量精度为 0.05mm的LK-400G激光位移器，OD14选用3600脉冲/转的光电编码器。 检测的步骤如下：

1、传感器数据采集存储的步骤：

1.1、高低数据采集存储：系统上电后，左惯性测量组件LIMU7和右惯性 测量组件8开始工作，高低预处理计算机2每隔m秒读取第一串口com1和第 二串口com2的数据，将数据记为ω_xL，ω_yL，ω_zL，A_xL，A_yL，A_zL，ω_xR，ω_yR，ω_zR， A_xR，A_yR，A_zR，并进行保存；其中，ω_xL表示左惯性测量组件LIMU7的横滚角速 率，ω_yL表示左惯性测量组件LIMU7的航向角速率，ω_zL表示左惯性测量组件 LIMU7的俯仰角速率，A_xL，A_yL，A_zL分别表示左惯性测量组件LIMU7的横向、 纵向、天向加速度；ω_xR表示右惯性测量组件RIMU8的横滚角速率，ω_yR表示右 惯性测量组件RIMU8的航向角速率，ω_zR表示右惯性测量组件RIMU8的俯仰角 速率，A_xR，A_yR，A_zR分别表示右惯性测量组件RIMU8的横向、纵向、天向加速 度；m的取值是0.005秒；

1.2、轨向数据采集存储：系统上电后，轨向惯性测量组件HIMU13开始 工作，每隔m秒，轨向惯性测量组件HIMU13向轨向-里程预处理计算机4第 一串口com1发送采样数据，记为ω_xH，ω_yH，ω_zH，A_xH，A_yH，A_zH；其中ω_xH表示轨 向惯性测量组件HIMU13的横滚角速率，其中ω_yH表示轨向惯性测量组件HIMU13 的航向角速率，其中ω_zH表示轨向惯性测量组件HIMU13的俯仰角速率，A_xH， A_yH，A_zH分别表示轨向惯性测量组件HIMU13的横向、纵向、天向加速度，并 进行保存；

1.3、里程数据采集存储：系统上电后，里程测量组件OD14开始工作， 每隔m秒，里程测量组件OD14向轨向-里程预处理计算机4的第二串口com2 发送一个采样数据，轨向-里程预处理计算机4将采样数据记为N_od并进行保 存；

1.4、激光位移器采集存储：系统上电后，激光位移器数据控制盒5开始 工作，每隔m秒，激光位移器数据控制盒5向位移器预处理计算机3发送一 次采样数据，每次有4个采样数据，记为D_WL、D_WR、D_GL、D_GR，其中，D_WL为第 一激光位移器LPDT9所测量位移的采样数据；D_WR为第二激光位移器RPDT10 所测量位移的采样数据；D_GL为第三激光位移器GLPDT11所测量位移的采样数 据；D_GR为第四激光位移器GRPDT12所测量位移的采样数据，并进行保存；

2、数据预处理的步骤：

2.1、高低预处理：高低预处理计算机2对数据的预处理过程是：

2.1.1、左惯性测量组件LIMU7数据预处理：

2.1.1.1、计算左惯性测量组件LIMU7的当前姿态：保持轨道车静止m1 秒，m1取值范围为150秒，在m1秒内的采样个数为n，n＝m1/m取整数；

根据下式计算出左惯性测量组件LIMU7的横滚角速率均值

${\bar{\omega }}_{\mathrm{xL}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\omega }_{\mathrm{xL}}\left(i\right)···\left[1\right]$

式中，i为采样数据的序号；

计算航向角初值ψ₀：

式中，表示当前位置的纬度；

2.1.1.2、地球自转和常值漂移补偿：

式中，为补偿后的左惯性测量组件LIMU7的横滚角速率，为补 偿后的左惯性测量组件LIMU7的航向角速率，δψ为航向角修正量，当i＝1时， 令δψ为0；

1.1.3、积分计算：

$\mathrm{\delta \psi }\left(i\right)=\mathrm{\delta \psi }(i-1)+{\tilde{\omega }}_{\mathrm{zL}}\left(i\right)·m·\pi /180···\left[5\right]$

${\theta }_L\left(i\right)={\theta }_L(i-1)+{\tilde{\omega }}_{\mathrm{xL}}\left(i\right)·m·\pi /180···\left[6\right]$

式中，θ_L(i)为左惯性测量组件LIMU7的俯仰角；

2.1.2右惯性测量组件RIMU8数据预处理：

2.1.2.1、计算右惯性测量组件RIMU8的当前姿态：保持轨道车静止m1 秒；根据下式计算出右惯性测量组件RIMU8横滚角速率均值

${\bar{\omega }}_{\mathrm{xR}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\omega }_{\mathrm{xR}}\left(i\right)···\left[7\right]$

2.1.2.2、地球自转和常值漂移补偿：

${\tilde{\omega }}_{\mathrm{xR}}\left(i\right)={\omega }_{\mathrm{xR}}\left(i\right)-15·\cos L·\cos ({\psi }_0+\mathrm{\delta \psi }(i-1))···\left[8\right]$

式中，为补偿后的右惯性测量组件RIMU8横滚角速率；

2.1.1.3、积分计算：

${\theta }_R\left(i\right)={\theta }_R(i-1)+{\tilde{\omega }}_{\mathrm{xR}}\left(i\right)·m·\pi /180···\left[10\right]$

式中，θ_R(i)为右惯性测量组件RIMU8的俯仰角；

2.1.4、数据传输：高低预处理计算机2每m秒通过局域网向计算机1发 送一次数据θ_L(i)和θ_R(i)；

2.2、轨向-里程数据预处理：

2.2.1、计算轨向惯性测量组件HIMU13的当前航向角：保持轨道车静止 m1秒，计算航向角速率均值

${\bar{\omega }}_{\mathrm{xH}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\omega }_{\mathrm{xH}}\left(i\right)···\left[11\right]$

航向角初值ψ_0H计算：

2.2.2、地球自转和常值漂移补偿：

式中，为补偿后的航向角速率，当i＝1时，令ψ_H(i)＝ψ_0H为0；

2.2.3、积分计算

${\psi }_H\left(i\right)={\psi }_H(i-1)+{\tilde{\omega }}_{\mathrm{zH}}\left(i\right)·m·\pi /180···\left[14\right]$

式中，ψ_H(i)为轨向惯性测量组件HIMU13的航向角；

2.2.4、数据传输：

轨向-里程预处理计算机4每m秒通过局域网向计算机1发送一次ψ_H(i)和 N_od(i)；

2.3、激光位移器数据预处理：

2.3.1、计算平均值：分别计算D_WL、D_WR、D_GL、D_GR四个采样数据中每个 采样数据每连续5个数的平均值其中，为 第一激光位移器LPDT9所测量位移的采样数据平均值；为第二激光位移 器RPDT10所测量位移的采样数据平均值；为第三激光位移器GLPDT11 所测量位移的采样数据平均值；为第四激光位移器GRPDT12所测量位移 的采样数据平均值；

2.3.2、数据传输：位移预处理计算机3每m秒通过局域网向计算机1发 送一次

3、综合数据采集处理：

3.1、综合数据采集：计算机1通过局域网获取高低预处理计算机2、位 移预处理计算机3和轨向-里程预处理计算机4的数据并存储；

3.2、里程计算：根据下式计算当前里程：

里程仪的采样数据和事先标定好的刻度系数，

L_od(i)＝N_od(i)·k_od…………………………………………………[15]

式中，L_od(i)表示检测里程，k_od是刻度系数，R是轨道车的车轮 半径，为0.915米，其中p的取值是3600；

3.3、时域-空域转换：

将步骤3.1计算机1接收到的时域采样数据，根据步骤3.2得到的里程， 转换成采样密度为0.125米的空域数据，记为Θ_L、Θ_R、Ψ_H、L、其中Θ_L为空域的左惯性测量组件LIMU7的俯仰角、Θ_R为空域 的右惯性测量组件RIMU8的俯仰角；Ψ_H为空域的轨向惯性测量组件HIMU13 航向角，L为空域的里程；为空域的第一激光位移器LPDT9所测量位移 的采样数据平均值；为空域的第二激光位移器RPDT10所测量位移的采样 数据平均值；为空域的第三激光位移器GLPDT11所测量位移的采样数据 平均值；为空域的第四激光位移器GRPDT12所测量位移的采样数据平均 值，j为空域数据的序号；

3.4、当前波长平顺性解算：

3.4.1、波长输入：用户输入的波长λ₁为数值30m；

3.4.2、平顺性解算：

3.4.2.1、高低平顺性解算：

$h_{\mathrm{VL}}\left(j\right)=\alpha [{\mathrm{dL}}_1·\tan \left({\mathrm{d\Theta }}_1\right)-\frac{1}{2}{\mathrm{dL}}_2·\tan \left({\mathrm{d\Theta }}_2\right)]+{\hat{D}}_{\mathrm{WL}}\left(j\right)···\left[16\right]$

$h_{\mathrm{VR}}\left(j\right)=\alpha [{\mathrm{dL}}_1·\tan \left({\mathrm{d\Theta }}_3\right)-\frac{1}{2}{\mathrm{dL}}_2·\tan \left({\mathrm{d\Theta }}_4\right)]+{\hat{D}}_{\mathrm{WR}}\left(j\right)···\left[17\right]$

式中，h_VL为轨道的左高低，h_VR为轨道的右高低，α为幅值补偿系数，取 0.25；

dL₁＝L(j)-L(j-d)……………………………………………………… [18]

dL₂＝L(j+d)-L(j-d)…………………………………………………… [19]

dΘ₁＝Θ_L(j)-Θ_L(j-d)…………………………………………………[20]

dΘ₂＝Θ_L(j+d)-Θ_L(j-d)………………………………………………[21]

dΘ₃＝Θ_R(j)-Θ_R(j-d)…………………………………………………[22]

dΘ₄＝Θ_R(j+d)-Θ_R(j-d)………………………………………………[23]

$d=\frac{{\lambda }_1}{0.25}···\left[24\right]$

3.4.2.2、轨向平顺性解算：

$S_L\left(j\right)=y\left(j\right)+{\hat{D}}_{\mathrm{GL}}\left(j\right)···\left[25\right]$

$S_R\left(j\right)=y\left(j\right)+{\hat{D}}_{\mathrm{GR}}\left(j\right)···\left[26\right]$

$y\left(j\right)=\beta ·[{\mathrm{dL}}_1\tan \left({\mathrm{d\psi }}_1\right)-\frac{1}{2}{\mathrm{dL}}_2\tan \left({\mathrm{d\psi }}_2\right)]···\left[27\right]$

式中，y(j)为检测梁[16]的中心横向位移，β为幅值补偿系数，取0.03；

dψ₁＝Ψ_H(j)-Ψ_H(j-d)…………………………………………………[28]

dψ₂＝Ψ_H(j+d)-Ψ_H(j-d)………………………………………………[29]

至此，得到了轨道平顺性的检测结果，在30米波长下的轨道左高低平顺 性、右高低平顺性和轨向平顺性检测精度均为±1毫米，小于用户要求的理论 精度±2毫米。

实施例2：

检测装置和使用的检测方法，从步骤1到步骤3.3与实施例1完全相同。

3.4、当前波长平顺性解算：

3.4.1、波长输入：用户输入的波长λ₁为数值300m；

3.4.2、平顺性解算：

3.4.2.1、高低平顺性解算：

$h_{\mathrm{VL}}\left(j\right)=\alpha [{\mathrm{dL}}_1·\tan \left({\mathrm{d\Theta }}_1\right)-\frac{1}{2}{\mathrm{dL}}_2·\tan \left({\mathrm{d\Theta }}_2\right)]+{\hat{D}}_{\mathrm{WL}}\left(j\right)···\left[16\right]$

$h_{\mathrm{VR}}\left(j\right)=\alpha [{\mathrm{dL}}_1·\tan \left({\mathrm{d\Theta }}_3\right)-\frac{1}{2}{\mathrm{dL}}_2·\tan \left({\mathrm{d\Theta }}_4\right)]+{\hat{D}}_{\mathrm{WR}}\left(j\right)···\left[17\right]$

式中，h_VL为轨道的左高低，h_VR为轨道的右高低，α为幅值补偿系数，取 0.25；

dL₁＝L(j)-L(j-d)……………………………………………………… [18]

dL₂＝L(j+d)-L(j-d)…………………………………………………… [19]

dΘ₁＝Θ_L(j)-Θ_L(j-d)…………………………………………………[20]

dΘ₂＝Θ_L(j+d)-Θ_L(j-d)………………………………………………[21]

dΘ₃＝Θ_R(j)-Θ_R(j-d)…………………………………………………[22]

dΘ₄＝Θ_R(j+d)-Θ_R(j-d)………………………………………………[23]

$d=\frac{{\lambda }_1}{0.25}···\left[24\right]$

3.4.2.2、轨向平顺性解算：

$S_L\left(j\right)=y\left(j\right)+{\hat{D}}_{\mathrm{GL}}\left(j\right)···\left[25\right]$

$S_R\left(j\right)=y\left(j\right)+{\hat{D}}_{\mathrm{GR}}\left(j\right)···\left[26\right]$

$y\left(j\right)=\beta ·[{\mathrm{dL}}_1\tan \left({\mathrm{d\psi }}_1\right)-\frac{1}{2}{\mathrm{dL}}_2\tan \left({\mathrm{d\psi }}_2\right)]···\left[27\right]$

式中，y(j)为检测梁[16]的中心横向位移，β为幅值补偿系数，取0.03；

dψ₁＝Ψ_H(j)-Ψ_H(j-d)…………………………………………………[28]

dψ₂＝Ψ_H(j+d)-Ψ_H(j-d)………………………………………………[29]

至此，得到了轨道平顺性的检测结果，在300米波长下的轨道左高低平 顺性、右高低平顺性和轨向平顺性检测精度均为±8毫米，小于用户要求的理 论精度±10毫米。