[發(fā)明專利]一種多波長高鐵軌道平順性檢測裝置和檢測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110089802.0
• 申請日: 2011-04-12
• 公開（公告）號: CN102252636A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張金紅;黨進(jìn);陳歡;焦飛;祝運(yùn)剛;劉小溪
• 申請（專利權(quán)）人: 中國航空工業(yè)第六一八研究所
• 主分類號: G01B11/30
• 分類號: G01B11/30
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 梁瑞林

1.一種高鐵軌道平順性檢測裝置，包括一個(gè)帶有檢測平臺[15]的軌道檢測車，在檢測平臺[15]的下表面固定有兩個(gè)位移器，它們是第一位移器LPDT[9]和第二位移器RPDT[10]，第一位移器LPDT[9]和第二位移器RPDT[10]分別位于輪軸[17]兩端的正上方，第一位移器LPDT[9]和第二位移器RPDT[10]的軸線與輪軸[17]的軸線正交，在輪軸[17]的一端安裝有里程儀OD[14]，在檢測平臺[15]的上表面安裝有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)[1]、位移器數(shù)據(jù)采集控制盒[5]、OD數(shù)據(jù)采集卡[6]和電源；其特征在于：

(1)在檢測平臺[15]下表面固定有一個(gè)截面為矩形的、中空的檢測梁[16]，檢測梁[16]與輪軸[17]平行，檢測梁[16]橫向的垂直平分面與輪軸橫向的垂直平分面共面；檢測梁[16]的諧振頻率不小于70Hz；在檢測梁[16]內(nèi)部安裝有兩個(gè)位移器，分別是第三激光位移器GLPDT[11]和第四激光位移器GRPDT[12]，在檢測梁[16]的下表面、與第三激光位移器GLPDT[11]和第四激光位移器GRPDT[12]對應(yīng)的位置各有一個(gè)通光孔，第三激光位移器GLPDT[11]和第四激光位移器GRPDT[12]發(fā)射的激光束分別穿過上述通光孔后照射到左右股鋼軌的軌距點(diǎn)上；在檢測梁[16]內(nèi)部還裝有一個(gè)軌向慣性測量組件HIMU[13]；在檢測平臺[15]的上表面安裝有一個(gè)軌向-里程預(yù)處理計(jì)算機(jī)[4]，軌向慣性測量組件HIMU[13]的輸出端通過RS422總線與軌向-里程預(yù)處理計(jì)算機(jī)[4]的串口連接；所說的第一位移器LPDT[9]和第二位移器RPDT[10]是激光位移器；

(2)在檢測平臺[15]的上表面安裝有一套高低測量系統(tǒng)，它由左慣性測量組件LIMU[7]、右慣性測量組件RIMU[8]和高低預(yù)處理計(jì)算機(jī)[2]組成；左慣性測量組件LIMU[7]和右慣性測量組件RIMU[8]位于輪軸[17]左右車輪的正上方，左慣性測量組件LIMU[7]和右慣性測量組件RIMU[8]的垂向軸線分別與所對應(yīng)的左軌道、右軌道橫截面的垂直中心線重合；左慣性測量組件LIMU[7]的輸出端通過RS422總線與高低預(yù)處理計(jì)算機(jī)[2]的第一串口Com1連接；右慣性測量組件RIMU[8]的輸出端通過RS422總線與高低預(yù)處理計(jì)算機(jī)[2]的第二串口Com2連接；

(3)第一激光位移器LPDT[9]、第二激光位移器RPDT[10]、第三激光位移器GLPDT[11]和第四激光位移器GRPDT[12]的輸出端分別與位移器數(shù)據(jù)采集盒[5]的相應(yīng)輸入端連接；在檢測平臺[15]的上表面安裝有一個(gè)位移器預(yù)處理計(jì)算機(jī)[3]，位移器數(shù)據(jù)采集盒[5]的輸出端通過USB總線與位移器預(yù)處理計(jì)算機(jī)[3]的USB口連接；

(4)高低預(yù)處理計(jì)算機(jī)[2]、位移預(yù)處理計(jì)算機(jī)[3]和軌向-里程預(yù)處理計(jì)算機(jī)[4]通過局域網(wǎng)與計(jì)算機(jī)[1]連接。

2.使用如權(quán)利要求1所述的高鐵軌道平順性檢測裝置檢測鐵路軌道平順性的方法，其特征在于，檢測的步驟如下：

2.1、傳感器數(shù)據(jù)采集存儲的步驟：

2.1.1、高低數(shù)據(jù)采集存儲：系統(tǒng)上電后，左慣性測量組件LIMU[7]和右慣性測量組件[8]開始工作，高低預(yù)處理計(jì)算機(jī)[2]每隔m秒讀取第一串口com1和第二串口com2的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)記為ω_xL，ω_yL，ω_zL，A_xL，A_yL，A_zL，ω_xR，ω_yR，ω_zR，A_xR，A_yR，A_zR，并進(jìn)行保存；其中，ω_xL表示左慣性測量組件LIMU[7]的橫滾角速率，ω_yL表示左慣性測量組件LIMU[7]的航向角速率，ω_zL表示左慣性測量組件LIMU[7]的俯仰角速率，A_xL，A_yL，A_zL分別表示左慣性測量組件LIMU[7]的橫向、縱向、天向加速度；ω_xR表示右慣性測量組件RIMU[8]的橫滾角速率，ω_yR表示右慣性測量組件RIMU[8]的航向角速率，ω_zR表示右慣性測量組件RIMU[8]的俯仰角速率，A_xR，A_yR，A_zR分別表示右慣性測量組件RIMU[8]的橫向、縱向、天向加速度；m的取值范圍是0.001秒～0.01秒；

2.1.2、軌向數(shù)據(jù)采集存儲：系統(tǒng)上電后，軌向慣性測量組件HIMU[13]開始工作，每隔m秒，軌向慣性測量組件HIMU[13]向軌向-里程預(yù)處理計(jì)算機(jī)[4]第一串口com1發(fā)送采樣數(shù)據(jù)，記為ω_xH，ω_yH，ω_zH，A_xH，A_yH，A_zH；其中ω_xH表示軌向慣性測量組件HIMU[13]的橫滾角速率，其中ω_yH表示軌向慣性測量組件HIMU[13]的航向角速率，其中ω_zH表示軌向慣性測量組件HIMU[13]的俯仰角速率，A_xH，A_yH，A_zH分別表示軌向慣性測量組件HIMU[13]的橫向、縱向、天向加速度，并進(jìn)行保存；

2.1.3、里程數(shù)據(jù)采集存儲：系統(tǒng)上電后，里程測量組件OD[14]開始工作，每隔m秒，里程測量組件OD[14]向軌向-里程預(yù)處理計(jì)算機(jī)[4]的第二串口com2發(fā)送一個(gè)采樣數(shù)據(jù)，軌向-里程預(yù)處理計(jì)算機(jī)[4]將采樣數(shù)據(jù)記為N_od并進(jìn)行保存；

2.1.4、激光位移器采集存儲：系統(tǒng)上電后，激光位移器數(shù)據(jù)控制盒[5]開始工作，每隔m秒，激光位移器數(shù)據(jù)控制盒[5]向位移器預(yù)處理計(jì)算機(jī)[3]發(fā)送一個(gè)采樣數(shù)據(jù)包，每個(gè)采樣數(shù)據(jù)包有4個(gè)采樣數(shù)據(jù)，記為D_WL、D_WR、D_GL、D_GR，其中，D_WL為第一激光位移器LPDT[9]所測量位移的采樣數(shù)據(jù)；D_WR為第二激光位移器RPDT[10]所測量位移的采樣數(shù)據(jù)；D_GL為第三激光位移器GLPDT[11]所測量位移的采樣數(shù)據(jù)；D_GR為第四激光位移器GRPDT[12]所測量位移的采樣數(shù)據(jù)，并進(jìn)行保存；

2.2、數(shù)據(jù)預(yù)處理的步驟：

2.2.1、高低預(yù)處理：高低預(yù)處理計(jì)算機(jī)[2]對數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程是：

2.2.1.1、左慣性測量組件LIMU[7]數(shù)據(jù)預(yù)處理：

2.2.1.1.1、計(jì)算左慣性測量組件LIMU[7]的當(dāng)前姿態(tài)：保持軌道車靜止m1秒，m1取值范圍為100秒～200秒，在m1秒內(nèi)的采樣個(gè)數(shù)為n，n＝m1/m取整數(shù)；

根據(jù)下式計(jì)算出左慣性測量組件LIMU[7]的橫滾角速率均值

ω‾xL=1nΣi=1nωxL(i)···[1]]]>

式中，i為采樣數(shù)據(jù)的序號；

計(jì)算航向角初值ψ₀：

式中，表示當(dāng)前位置的緯度；

2.2.1.1.2、地球自轉(zhuǎn)和常值漂移補(bǔ)償：

式中，為補(bǔ)償后的左慣性測量組件LIMU[7]的橫滾角速率，為補(bǔ)償后的左慣性測量組件LIMU[7]的航向角速率，δψ為航向角修正量，當(dāng)i＝1時(shí)，令δψ為0；

2.2.1.1.3、積分計(jì)算：

δψ(i)=δψ(i-1)+ω~zL(i)·m·π/180···[5]]]>

θL(i)=θL(i-1)+ω~xL(i)·m·π/180···[6]]]>

式中，θ_L(i)為左慣性測量組件LIMU[7]的俯仰角；

2.2.1.2右慣性測量組件RIMU[8]數(shù)據(jù)預(yù)處理：

2.2.1.2.1、計(jì)算右慣性測量組件RIMU[8]的當(dāng)前姿態(tài)：保持軌道車靜止m1秒；根據(jù)下式計(jì)算出右慣性測量組件RIMU[8]橫滾角速率均值

ω‾xR=1nΣi=1nωxR(i)···[7]]]>

2.2.1.2.2、地球自轉(zhuǎn)和常值漂移補(bǔ)償：

ω~xR(i)=ωxR(i)-15·cosL·cos(ψ0+δψ(i-1))···[8]]]>

式中，為補(bǔ)償后的右慣性測量組件RIMU[8]橫滾角速率；

2.2.1.1.3、積分計(jì)算：

θR(i)=θR(i-1)+ω~xR(i)·m·π/180···[10]]]>

式中，θ_R(i)為右慣性測量組件RIMU[8]的俯仰角；

2.2.1.4、數(shù)據(jù)傳輸：高低預(yù)處理計(jì)算機(jī)[2]每m秒通過局域網(wǎng)向計(jì)算機(jī)[1]發(fā)送一次數(shù)據(jù)θ_L(i)和θ_R(i)；

2.2.2、軌向-里程數(shù)據(jù)預(yù)處理：

2.2.2.1、計(jì)算軌向慣性測量組件HIMU[13]的當(dāng)前航向角：保持軌道車靜止m1秒，計(jì)算航向角速率均值

ω‾xH=1nΣi=1nωxH(i)···[11]]]>

航向角初值ψ_0H計(jì)算：

2.2.2.2、地球自轉(zhuǎn)和常值漂移補(bǔ)償：

式中，為補(bǔ)償后的航向角速率，當(dāng)i＝1時(shí)，令ψ_H(i)＝ψ_0H為0；

2.2.2.3、積分計(jì)算

ψH(i)=ψH(i-1)+ω~zH(i)·m·π/180···[14]]]>

式中，ψ_H(i)為軌向慣性測量組件HIMU[13]的航向角；

2.2.2.4、數(shù)據(jù)傳輸：

軌向-里程預(yù)處理計(jì)算機(jī)[4]每m秒通過局域網(wǎng)向計(jì)算機(jī)[1]發(fā)送一次ψ_H(i)和N_od(i)；

2.2.3、激光位移器數(shù)據(jù)預(yù)處理：

2.2.3.1、計(jì)算平均值：分別計(jì)算D_WL、D_WR、D_GL、D_GR四個(gè)采樣數(shù)據(jù)中每個(gè)采樣數(shù)據(jù)每連續(xù)5個(gè)數(shù)的平均值其中，為第一激光位移器LPDT[9]所測量位移的采樣數(shù)據(jù)平均值；為第二激光位移器RPDT[10]所測量位移的采樣數(shù)據(jù)平均值；為第三激光位移器GLPDT[11]所測量位移的采樣數(shù)據(jù)平均值；為第四激光位移器GRPDT[12]所測量位移的采樣數(shù)據(jù)平均值；

2.2.3.2、數(shù)據(jù)傳輸：位移預(yù)處理計(jì)算機(jī)[3]每m秒通過局域網(wǎng)向計(jì)算機(jī)[1]發(fā)送一次

2.3、綜合數(shù)據(jù)采集處理：

2.3.1、綜合數(shù)據(jù)采集：計(jì)算機(jī)[1]通過局域網(wǎng)獲取高低預(yù)處理計(jì)算機(jī)[2]、位移預(yù)處理計(jì)算機(jī)[3]和軌向-里程預(yù)處理計(jì)算機(jī)[4]的數(shù)據(jù)并存儲；

2.3.2、里程計(jì)算：根據(jù)下式計(jì)算當(dāng)前里程：

里程儀的采樣數(shù)據(jù)和事先標(biāo)定好的刻度系數(shù)，

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

式中，L_od(i)表示檢測里程，k_od是刻度系數(shù)，R是軌道車的車輪半徑，其中p的取值范圍是1024～4000；

2.3.3、時(shí)域-空域轉(zhuǎn)換：

將步驟2.3.1計(jì)算機(jī)[1]接收到的時(shí)域采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)步驟2.3.2得到的里程，轉(zhuǎn)換成采樣密度為0.125米的空域數(shù)據(jù)，記為Θ_L、Θ_R、Ψ_H、L、其中Θ_L為空域的左慣性測量組件LIMU[7]的俯仰角、Θ_R為空域的右慣性測量組件RIMU[8]的俯仰角；Ψ_H為空域的軌向慣性測量組件HIMU[13]航向角，L為空域的里程；為空域的第一激光位移器LPDT[9]所測量位移的采樣數(shù)據(jù)平均值；為空域的第二激光位移器RPDT[10]所測量位移的采樣數(shù)據(jù)平均值；為空域的第三激光位移器GLPDT[11]所測量位移的采樣數(shù)據(jù)平均值；為空域的第四激光位移器GRPDT[12]所測量位移的采樣數(shù)據(jù)平均值，j為空域數(shù)據(jù)的序號；

2.3.4、當(dāng)前波長平順性解算：

2.3.4.1、波長輸入：用戶輸入的波長λ₁為數(shù)值10m、30m、42m、70m、300m其中之一；

2.3.4.2、平順性解算：

2.3.4.2.1、高低平順性解算：

hVL(j)=α[dL1·tan(dΘ1)-12dL2·tan(dΘ2)]+D^WL(j)···[16]]]>

hVR(j)=α[dL1·tan(dΘ3)-12dL2·tan(dΘ4)]+D^WR(j)···[17]]]>

式中，h_VL為軌道的左高低，h_VR為軌道的右高低，α為幅值補(bǔ)償系數(shù)，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=λ10.25···[24]]]>

2.3.4.2.2、軌向平順性解算：

SL(j)=y(j)+D^GL(j)···[25]]]>

SR(j)=y(j)+D^GR(j)···[26]]]>

y(j)=β·[dL1tan(dψ1)-12dL2tan(dψ2)]···[27]]]>

式中，y(j)為檢測梁[16]的中心橫向位移，β為幅值補(bǔ)償系數(shù)，取0.03；

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

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

至此，得到了軌道平順性的檢測結(jié)果。