[发明专利]一种多波长高铁轨道平顺性检测装置和检测方法

权利要求书

1.一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]分别位于轮轴[17]两端的正上方，第一位移器LPDT[9]和第二位移器RPDT[10]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OD[14]，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GLPDT[11]和第四激光位移器GRPDT[12]，在检测梁[16]的下表面、与第三激光位移器GLPDT[11]和第四激光位移器GRPDT[12]对应的位置各有一个通光孔，第三激光位移器GLPDT[11]和第四激光位移器GRPDT[12]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HIMU[13]；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HIMU[13]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LPDT[9]和第二位移器RPDT[10]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LIMU[7]、右惯性测量组件RIMU[8]和高低预处理计算机[2]组成；左惯性测量组件LIMU[7]和右惯性测量组件RIMU[8]位于轮轴[17]左右车轮的正上方，左惯性测量组件LIMU[7]和右惯性测量组件RIMU[8]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[7]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RIMU[8]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。

2.使用如权利要求1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：

2.1、传感器数据采集存储的步骤：

2.1.1、高低数据采集存储：系统上电后，左惯性测量组件LIMU[7]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LIMU[7]的横滚角速率，ω_yL表示左惯性测量组件LIMU[7]的航向角速率，ω_zL表示左惯性测量组件LIMU[7]的俯仰角速率，A_xL，A_yL，A_zL分别表示左惯性测量组件LIMU[7]的横向、纵向、天向加速度；ω_xR表示右惯性测量组件RIMU[8]的横滚角速率，ω_yR表示右惯性测量组件RIMU[8]的航向角速率，ω_zR表示右惯性测量组件RIMU[8]的俯仰角速率，A_xR，A_yR，A_zR分别表示右惯性测量组件RIMU[8]的横向、纵向、天向加速度；m的取值范围是0.001秒～0.01秒；

2.1.2、轨向数据采集存储：系统上电后，轨向惯性测量组件HIMU[13]开始工作，每隔m秒，轨向惯性测量组件HIMU[13]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HIMU[13]的横滚角速率，其中ω_yH表示轨向惯性测量组件HIMU[13]的航向角速率，其中ω_zH表示轨向惯性测量组件HIMU[13]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[13]的横向、纵向、天向加速度，并进行保存；

2.1.3、里程数据采集存储：系统上电后，里程测量组件OD[14]开始工作，每隔m秒，里程测量组件OD[14]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；

2.1.4、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[9]所测量位移的采样数据；D_WR为第二激光位移器RPDT[10]所测量位移的采样数据；D_GL为第三激光位移器GLPDT[11]所测量位移的采样数据；D_GR为第四激光位移器GRPDT[12]所测量位移的采样数据，并进行保存；

2.2、数据预处理的步骤：

2.2.1、高低预处理：高低预处理计算机[2]对数据的预处理过程是：

2.2.1.1、左惯性测量组件LIMU[7]数据预处理：

2.2.1.1.1、计算左惯性测量组件LIMU[7]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[7]的横滚角速率均值

ω‾xL=1nΣi=1nωxL(i)···[1]]]>

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；

2.2.1.1.2、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[7]的横滚角速率，为补偿后的左惯性测量组件LIMU[7]的航向角速率，δψ为航向角修正量，当i＝1时，令δψ为0；

2.2.1.1.3、积分计算：

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)为左惯性测量组件LIMU[7]的俯仰角；

2.2.1.2右惯性测量组件RIMU[8]数据预处理：

2.2.1.2.1、计算右惯性测量组件RIMU[8]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[8]横滚角速率均值

ω‾xR=1nΣi=1nωxR(i)···[7]]]>

2.2.1.2.2、地球自转和常值漂移补偿：

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

式中，为补偿后的右惯性测量组件RIMU[8]横滚角速率；

2.2.1.1.3、积分计算：

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

式中，θ_R(i)为右惯性测量组件RIMU[8]的俯仰角；

2.2.1.4、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)；

2.2.2、轨向-里程数据预处理：

2.2.2.1、计算轨向惯性测量组件HIMU[13]的当前航向角：保持轨道车静止m1秒，计算航向角速率均值

ω‾xH=1nΣi=1nωxH(i)···[11]]]>

航向角初值ψ_0H计算：

2.2.2.2、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；

2.2.2.3、积分计算

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

式中，ψ_H(i)为轨向惯性测量组件HIMU[13]的航向角；

2.2.2.4、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)；

2.2.3、激光位移器数据预处理：

2.2.3.1、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LPDT[9]所测量位移的采样数据平均值；为第二激光位移器RPDT[10]所测量位移的采样数据平均值；为第三激光位移器GLPDT[11]所测量位移的采样数据平均值；为第四激光位移器GRPDT[12]所测量位移的采样数据平均值；

2.2.3.2、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

2.3、综合数据采集处理：

2.3.1、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；

2.3.2、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；

2.3.3、时域-空域转换：

将步骤2.3.1计算机[1]接收到的时域采样数据，根据步骤2.3.2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[7]的俯仰角、Θ_R为空域的右惯性测量组件RIMU[8]的俯仰角；Ψ_H为空域的轨向惯性测量组件HIMU[13]航向角，L为空域的里程；为空域的第一激光位移器LPDT[9]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[10]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[11]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[12]所测量位移的采样数据平均值，j为空域数据的序号；

2.3.4、当前波长平顺性解算：

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

2.3.4.2、平顺性解算：

2.3.4.2.1、高低平顺性解算：

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=λ10.25···[24]]]>

2.3.4.2.2、轨向平顺性解算：

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)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。