基于捷联惯性技术的轨道线路状态动态检测方法研究

论文摘要

本文针对轨道状态中的线路变形情况，研究一种非接触式动态检测方法——基于捷联惯性技术的轨道线路状态动态检测方法。该检测方法采用捷联惯性技术：利用加速度计测出运载体沿三个方向的加速度分量；再利用陀螺仪输出的角速度信息不断更新姿态矩阵，从而将加速度分量用姿态矩阵变换到地理坐标系中；最后对转换后的加速度进行积分运算便可得到运载体在三维空间中的运动信息。在相同测量基准点下对轨道线路进行多次测量，对比不同时期的测量数据，就可以定量分析出轨道线路的变形情况。本文深入研究了捷联惯性技术的基本原理，尤其是捷联姿态矩阵的实时更新算法。设计了应用于轨道线路状态检测的捷联惯性系统，该系统包括惯性测量单元、无线传输模块、计算机等。利用线性规划的方法设计了一种适用于轨道线路状态检测的数字积分器，从而实现加速度信息到位移信息的实时转变。设计了一种截频极低的高通滤波器用于克服数字积分中极低频成分导致的积分饱和现象；当解偏滤波器的截止频率为1/1024时，能够有效剔除加速度信号中的极低频成分。建立了陀螺漂移误差模型，在此模型基础上以均方根误差和信噪比作为消噪效果的评价参数，分别选取了小波基、小波分解层数、阈值函数及阈值估计方法等小波参数。所采用的小波消噪方案，能够有效抑制陀螺漂移误差。同时在Labview平台上编写了轨道线路状态检测软件系统。该系统包括串口通信、数据提取、姿态矩阵更新、加速度积分及保存测量结果等功能模块。利用捷联惯性技术检测轨道线路变形状况理论正确，实际可行。在轨道线路试验平台上进行的实验表明，轨道线路变形检测误差控制在5mm以内，满足检测要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文背景
• 1.2 轨道状态
• 1.3 国内外发展现状
• 1.3.1 国外轨检车发展状况
• 1.3.2 国内轨检车发展状况
• 1.4 本文创新点
• 1.5 论文主要内容与组织框架
• 1.6 本章小结
• 第二章 捷联惯性技术研究
• 2.1 惯性导航
• 2.1.1 平台式惯性导航系统
• 2.1.2 捷联式惯性导航系统
• 2.1.3 惯性导航示例
• 2.2 常用坐标系
• 2.2.1 地心惯性坐标系（ i 系）
• 2.2.2 地理坐标系（ t 系）
• 2.2.3 载体坐标系（ b 系）
• 2.3 姿态矩阵
• 2.4 四元数
• 2.4.1 四元数的定义
• 2.4.2 四元数的性质
• 2.4.3 用四元数描述坐标变换
• 2.4.4 四元数微分方程的推导
• 2.4.5 四元数微分方程的解
• 2.5 应用于轨道线路状态检测的捷联惯性系统
• 2.6 本章小结
• 第三章 惯性测量单元信号处理方法研究
• 3.1 数字积分算法设计
• 3.1.1 数字积分器的固有问题及其解决方案
• 3.1.2 数字积分器的算法性能问题及其解决方案
• 3.2 小波变换在陀螺仪信号处理中的应用
• 3.2.1 小波变换
• 3.2.2 小波阈值滤波消噪方法
• 3.2.3 陀螺漂移误差模型
• 3.2.4 降噪效果的评价标准
• 3.2.5 小波基的选取
• 3.2.6 阈值函数的选取
• 3.2.7 分解层数的选取
• 3.3 本章小结
• 第四章 软件系统设计
• 4.1 生产/消费设计模式（数据）
• 4.2 串口通信模块程序设计
• 4.2.1 串口通信的基本概念
• 4.2.2 VISA
• 4.2.3 程序设计
• 4.3 数据提取模块程序设计
• 4.3.1 惯性测量单元数据协议
• 4.3.2 程序设计
• 4.4 惯性测量单元数据接收及数据提取系统界面
• 4.4.1 界面组成
• 4.4.2 使用说明
• 4.5 基于 MathScript 的程序设计
• 4.5.1 MathScript
• 4.5.2 捷联算法模块程序设计
• 4.5.3 其他功能模块程序设计
• 4.6 上位机软件界面
• 4.7 本章小结
• 第五章 实验设计及结果分析
• 5.1 实验目的
• 5.2 实验设备及平台
• 5.2.1 实验设备
• 5.2.2 实验平台
• 5.3 实验步骤
• 5.3.1 无线数传模块与设备连接
• 5.3.2 无线数传模块参数设置
• 5.3.3 运行上位机软件系统
• 5.3.4 控制列车运行
• 5.4 实验结果及分析
• 5.4.1 确定ρ值
• 5.4.2 陀螺仪信号消噪效果
• 5.4.3 验证捷联惯性技术在轨道线路状态检测应用中的可行性
• 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
• 附录
• 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