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原文传递基于视觉/惯性融合的轨道长波不平顺动态检测系统研究及应用

论文题名：	基于视觉/惯性融合的轨道长波不平顺动态检测系统研究及应用
关键词：	铁路轨道;长波不平顺;动态测量;惯性基准法;误差分析
摘要：	轨道动态检测技术是中国实现轨道几何状态评判和运营维护的重要手段，该技术结合线结构光和惯性测量方法测量轨道不平顺，具有高速、高精度的特点。随着列车不断提速，轨道长波不平顺开始影响行车舒适性，需要进行检测与管理；桥梁、沉降等区段的形变监测需求也愈加旺盛。而现有轨道检测系统在测量长波不平顺时存在准确性不足、截止速度高的缺点，限制了测量数据在养护维修与形变监测中的应用。在高动态、高噪声行车环境下实现轨道长波不平顺亚毫米级别的高精度测量并应用，是该文的研究重点。主要研究工作包括以下几个方面：　　（1）轨道长波不平顺的管理和检测的波长范围尚未有严格的界定，分析长波不平顺的影响规律，有助于明确动态检测的需求。首先根据产生机制对典型长波不平顺病害的特点进行讨论；然后结合车辆动力学仿真与实测车体动态响应进行分析，分析发现100~200m是高速行车条件下主要敏感波长范围，需进行检测与管理。　　（2）针对现有系统难以对长波不平顺准确测量的问题，本文通过理论推导与试验分析明确了系统主要误差来源：1）振动环境下惯性传感器敏感轴与轨道间的“误差冲角”，高低与轨向的测量分别受俯仰和摇头方向冲角影响较大；2）惯性传感器的随机噪声；3）测量模型中未经有效补偿的传感器有效分量。3类误差源经积分后呈低频特性，影响着长波不平顺的动态测量精度。　　（3）为降低“误差冲角”对长波不平顺测量产生的消极影响，提出一种基于“角位移”的动态测量模型。该模型采用陀螺仪和线结构光测距传感器，观测轨面顶点构成的“两点弦”在空间中的“角位移”变化，推导出改进后的角速度测量法；针对测量结果存在的高频衰减问题，又提出了基于互补滤波的融合方法。车辆动力学模型仿真算例表明，相比于传统的加速度测量法，互补滤波测量法准确性提升了24%~80%，具备受检测速度影响小，噪声敏感度低的优点。　　（4）针对现有系统测量结果应用性不足的问题，提出了相应的优化方法。首先，针对于高低弦测值在曲线段存在的常值误差，修正了高低加速度计在曲线段的向心加速度分量；其次，针对变速条件下超高值准确性变差的问题，设计了基于误差状态扩展卡尔曼滤波的姿态确定方法，优化了“零速修正”观测模型，在制动试验中超高值测量重复性提升了89%；然后，推导了矢距差和弦测法的动态测量计算通式，增加了检测结果在养护维修现场的应用性；最后，针对低速下轨道几何参数漏检的问题，提出了基于角速度的动态测量方法，实现了对30m以内中短波不平顺的低速检测。　　（5）设计并优化了长波不平顺动态检测原型系统，并在实验中用内、外符合精度系统地评估了测量准确性。在复杂行车工况条件下完成对200m截止波长和60m弦测值轨道不平顺的准确测量，200m轨向与高低的测量复现性为0.5mm和0.8mm，相比于现有轨检系统平均提升了50%，并能够较为准确的反映行车条件下桥梁动态挠曲形变。试验中发现在高速下，构架振动影响着动态测量的准确性，减振方法仍需不断研究和完善。　　（6）针对轨道动态测量应用场景建立了一套空间相关性的动态测量误差传播评估方法。将两类惯性基准测量方法简化成线性时不变系统，输入为特性一致的观测白噪声，由此得到的测量误差序列是平稳随机过程；提出了动态测量信噪比指标来描述传感器随机噪声、行车速度、波长和测量误差间的函数关系。分析了各随机误差源对轨道几何参数测量精度的定量影响，为未来轨道检测系统的设计提供了理论指导。
作者：	陈仕明
专业：	道路与铁道工程
导师：	魏世斌
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国铁道科学研究院
学位年度：	2022