（机械电子工程专业论文）基于光纤陀螺仪的轨道方向不平顺检测系统的研究.pdf

ab str 即 t ab s t r a c t tradit io n al ly ， m id 一 c o r d o ffsetm e tho d a l1din e rti al b e n c 11n 1a r k m e t h o d ar e app lie d t oi n s p e ct i n gc ar s w i del 多t he t w om e th o dpos s e s s s o me o b v i o u s d i s adv ant a g e : the d at a o b s t ai n e d i s n t s o acc u r a t e a l l d 至 t s per 6 印 l anc e o f r e p eat i s no sog o o d t h i s p ap e r int ro d uc e a tr ac kal ig n n 1e niirr e g ul ar ityd e tecti n g s y s te mb a s e d o n f o g who s em eto di s d 1 f fe r e n t fr o inc o l1 v e l 1 6 o nal m e hod s . thes y st e n l c o n s i s t s o f v g 9 5 1 (fi b e r optic g 产 。 ， f o g ) ， a d 6 2 0 (l o wdr ift ， lo wp o wer in s tru m e n ta tio n a ln p 初thse t g ai n s o f l t o1 0 0 0 0 ) ， a d 7 7 1 4 ( 2 4b it s s ig n alc o n di tionin g a d c )， 田 l d p 8 9 v 5 l r 】 (p hi lip s s l se ri al s m c u ， 认 1 山6 4 k fl a shan d ls p，i ap fi ln ct i o n) in w h 1c h a / o c o l n l n t l ll l c at e s 诚th mc u u s in gs p i andd i ffer e ni mc u c o 1 1 1 i 1 1 1 u 1 l c at e s 诚th r s 2 3 2 . c o l n b i ni 雌 wit hth es t i cki n gp o i n t s o f i t s i nt e l i i g e n t s o ft w are s u c has t he d ri ft tr e n d aritb m et ic( d ta ) ， d ig it alang u l arinteg r a l and m id 一c o rdo ffsetm etho d a l l g ru n e nti rregul a r i t )如t h m e t i c ， i t c a n b e u s e d tod e t e ctth e t r a c k d i re c t i o n b y angl e crit i c al l yand has a c h ara c t e r s t i c o f l o wdri ftaj 1 d h i gh p re c i s i on. t 11 e re s e ar c h i n g fi ndi n g s o f t h i s p ape r h asa l p l i ed t oe n g i n e erin g， and exe rc i s ed g re at c o n trib u t i e s to c o n s trik t i o no f c h i n a肋i l w 盯 h i gh一 s p e e da n dc h i an s i x th r ai l w 叮5 ， s p e e d i n g up. k c y w o r d s : f o g ; d t a ; tr a c k a l i gnm e nti rr e gul 颐ty;a l i g nm ent ari山 1l l e t i c 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已 经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 南昌大学 或其他教育 机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 (手 “ ):养 彗签 字 熟 甲年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者 完全了 解南昌大学有关 保留、 使用学位论文的 规定， 有权保留 并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅 和借阅。 本人授权南昌大学可以 将学位论文 的全部或部分内 容编 入有关数 据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 (手 、 : 看香 导师签名 ( 手写) : 签字 日期 甲 年 月 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址 : 黔 日 :甲 年 月气 厂日 电话: 邮编 第一章引言 第一章引言 l l轨道几何状态概述 轨道是列车运行的基础，铁路列车在运行时是由轨道来导向的。轨道的各 个参数是否符合要求，关系到列车运行的安全以及旅客的舒适度。铁路线路在 机车车辆动力作用和自 然侵蚀的影响下，不仅发生弹性变形 ( 即载荷离去后线 路仍恢复原状) ， 而且产生永久变形. 其中永久变形又可分为两类11 2l : 一类是几 何位置的改变，如线路爬行、方向不良、轨距扩大与缩小等;另一类是轨道各 部分的磨损，如钢轨的磨损等。永久变形的存在，不仅影响列车的高速、平稳 运行，而且当这种变形积累超过一 定限度后，还将大大降低线路的强度和稳定 性， 严重威胁行车安全131 14 。 利用轨检车检查轨道几何状态是确保铁路行车安全的一个重要环节。轨检 车检测轨道变形的主要内容包括轨距、高低、轨向、水平、三角坑、振动加速 度等。目 前，我国主要干线上均使用轨检车来检测轨道状态。轨道平顺状态是 线路方面直接制约列车速度提高的关键性因素，轨道不平顺造成大的轮轨动作 用力一方面对轨道结构本身起破坏作用，另一方面又直接影响或危及高速行车 的安全。一般而言，轨道平顺状态由 垂向不平顺、横向不平顺、复合不平顺、 长波不平顺等组成附 ， 这里主要介绍与本文有关的轨向不平顺， 它属于横向不平 顺。 轨道方向不平顺 ( 见图1 . 1) 指轨顶内 侧面沿长度方向的横向凸凹不平顺， 由铺轨施工和大修作业的轨道中心线定位偏差、轨排横向残余变形积累和轨头 侧面磨耗不均匀、扣件失效、轨道横向弹性不一致等原因造成。 2 0 世纪6 0 年代以来， 随着列车速度和轴重的大幅度的提高， 世界各国均把 轨道检查系统作为线路安全行车的一种必要的保障手段。同时投入了大量的人 力物力来研制和更新各种检测设备，使之能不断地满足当今铁路高速和重载的 要求。 第一章引言 图1 . 1 轨向 不平顺模型 1 . 2轨道检测系统的发展概况 l 2. 1国外轨道检测系统的发展概况 世界上的轨检系统己有百余年的发展历史，早期的轨道检测系统一般都采 用弦测法以及接触测量法。接触测量法以车体为基准测量车体与钢轨的相对位 移，结构简单、技术落后。弦测法是以测量位移为基础的检测方法，测量值不 受列车速度的影响，但该方法的重大不足为其空间频率传递函数不恒为1 。 2 0 世纪6 0 年代以来， 随着列车速度和轴重的大幅度的提高， 世界各国均把 轨道检查系统作为线路安全行车的一种必要的保障手段。同时投入了大量的人 力物力来研制和更新各种检测设备， 使之能不断地满足当 今铁路高 速和重载的 要求。发达国家目 前己 研制开发的高速轨检车，工作时 速可达 1 60 2 00k m/ h 以上。在高速轨检车上，激光、数字滤波及图像处理技术得到了广泛的应用， 以计算机为数据处理主体，对轨检信号进行模拟计数字混合处理，确保检测结 果不受轨检车运行速度和运行方向的影响。 美国1981年研制的t 一10型轨检车， 采用砷化稼半导体激光伺服跟踪系统 测量轨距、惯性基准方法测量高低和方向、 加速度自 动补偿系统测量外轨超高 和水平。信号处理采用模拟数字混合滤波技术，最高时速达2 05km / h. 英国1981年研制的f 一 2 和h s t r c型高速轨检车， 采用白光源及光电二极 管列阵扫描系统测量轨距、采用惯性基准法测量左右高低及轨道中心线方向、 用积分陀螺测量超高和水平、 用陀螺罗盘测量线路扭曲 率， 最高时速为2 00k l ll 八 1 。 荷兰 1983年研制的b ms型轨检车，采用氦氖气体激光伺服校正系统测量 轨距、惯性基准法测量轨道中心线高低及线路方向、陀螺测量外轨超高及水平， 最高时速 1 83k n 岁 1 1 0 第一章引言 法国 用 于t gv 高 速 线 路 检测的m a uzin型 轨检 车， 轨 距用 接 触法 测量、 高低用 122 m弦测量、方向用10m弦测量，且开发了长波长测量装置，高低和 方向测量波长分别为3lm和33m，轨检测最高工作时速为160 k l l l / ho 瑞士生产的p v( p v 一5 、 6 、7 )系列和m ( m一 书 2 2 、 4 5 1 、4 6 1 )系列轨检 车，轨距用接触法、高低和方向用弦测法、超高和水平用陀螺摆测量，最高工 作时速 160 ki n /h . 奥地利生产的e m ( e m一 2 0 、3 0 、5 0 、8 0 、1 2 0 、1 6 0 / 2 0 0 )系列轨检车， 当车速小于 120 k m /h时，检测方法基本上同瑞士轨检车，只在e m -5 0 上采用 了加速度自 动补偿系统测量超高和水平。当车速高于 1 2 0 ki n /h时，采用无接触 法测量轨距，惯性基准法测量高低及方向，采用加速度自 动补偿系统测量超高 及水平， 最高工作时 速为z ook m /h 。 日 本 1 9 84年研制了9 21一 41 轨检车，用光电 方法和电涡流测量轨距，弦测 法测量高低和方向。 该轨检车用与东北新干线， 最高 工作时 速为2 40kn公 h 。 1 9 8 5 年， 研制开发了his tim高速轨检新系统， 该系统包括: 无接触式轨距测量、 惯 性基准高低及方向测量、舒适度滤波处理、轮重及横向力测量、轴加速度测量 等装置。为配合磁悬浮轨道的研究，日 本还专门 研制了供磁悬浮轨道专用的轨 道检测车。 可以看出，目前国外的轨检车大多采用以惯性基准原理学构成的检测系统， 其系统是利用车辆的加速度信号经二次积分直接产生位置或者位移量，得出的 惯性基准， 在此基础下对轨道进行检测。 其中英国 ( h s t r s ) 、 荷兰 ( b m s ) 、 法国 ( m a lu i n)、 美国 ( t 一1 0)、 奥地利 ( e m 一 刁 5 0) 轨检车的主要特点都是以 数字信号处理技术和建立数学平台来构成测量基准。德国 ( o mwe )轨检车的 技术特点是采用惯性元件，在运动的车体上直接建立惯性平台构成测量基准的 方式。日 本新干线轨检车在弦测法的基础上，采用“ 逆滤波” 呵 7 复原方法而构成 系统的检测模型。 小型轨道检测系统是相对于大型轨检车来说的，是机械技术、传感器技术、 计算机技术相融合的产物。相对于大型轨检车来说，具有体积小，易搬运;测 量简单、精度高;经济实惠， 适用面广等一系列突出的优点。 国外的小型轨道检测系统主要是以日本 k a n e k o 公司ib 制造的 “ k s 一5 73o x， 为代表。 它具有小巧且精度高的优点。 该装置主要由 主体、 数据收 集器、数据处理器组成。主体由车架、方向标准杆、高低基准杆、走行轮及各 第一章引言 误差测定传感器构 成; 数据 采集器采用可 拆卸的 方式安 装在主体的中 央部， 主 要包括:主体、连接电缆、 p c卡;数据处理器主要包括:电脑、小打印机和打 印机电缆。它的优点:高精度测定;多种测试功能;数据输出;记忆功能。 l 2. 2国内轨道检测系统的发展概况 我国大型轨检车的研究应用有四十余年的历史，经过更新换代现有轨检车 二十余辆。80 年代初期在引进、消化、吸收国外轨检技术的技术上，研制开发 了 采用惯性基准原理的gj一 3 型轨检车19 。 90年代末， 研制成功了gj一 4 型轨 检车，采用捷联式的轨道检测系统。但与发达国家相比，我国大型轨检车的性 能和应用水平还存在一定差距，主要表现在:1 、还没有高速轨检车， 现有准高 速轨检车也主要靠引进国外技术制造;2 、部分关键传感器和电子元件还不能国 产化;3 、对轨检车的检测数据还不能充分利用。 在小型轨检系统研究应用方面，我国起步较晚。2 0 02 年，江西日月明铁道 设备开发有限公司率先推出我国自 主研发的gj丫h系列小型轨检仪，并通过省 部联合技术鉴定。该产品g j 丫h采用弦测法，能够同步测量左右轨的轨向、高 低及轨道水平、超高、轨距等几何不平顺状态，产品各项性能指标均达到部颁 标准的 要求 11 0) ， 部分指 标已 达国 际 先进水 平。 2005 年，成都什郁瑞邦测控有限责任公司研制的g j y-t型轨检仪在引入惯 性器件进行轨道方向与轨道高低的检测方面进行了有益的尝试，并取得了长足 的进展。 l 2. 3国内轨道检测系统应用状态与要求 铁道部正在全面进行的“ 检养修分开” 的铁路线路维修体制改革， 正是为适应 铁路提速战略的要求而提出的。铁道部2005年兰州会议以 关于工务线路维修 实行检养修分开的指导意见 ( 讨论稿) 为主题，针对传统的以工区为生产组织 单元的检查、养护、维修合一的工务维修体制已经难以适应新的运输形势的现 实 情况， 提出 在全路 工务系 统全面 推行检养修分开 制度111。 检养修分开的核心思想是，变工区组织生产为车间组织，将承担线路检查、 养护、维修作业的人员和部门 从组织机构和行政管理上分开，组建专业、高效、 独立的作业车间，形成检、养、修三者之间的相互约束与激励机制，在专业能 力、技术手段和管理方法上做大做强车间，使铁路线路维修走向科学化和规范 第一章引言 化， 提高作业水平与效率，全面保障提速战略的安全实施。 “ 检养修分开” ， 检查最关键。 线路检查的数据， 既是安排养护与维修作业的 依据，也是检验养护与维修作业效果的依据. 轨道检查方法总体上可分为动态检查与静态检查二大类，二者评价目 标不 同，管理上形成互补关系，不能相互替代。 动态检查的对象是线路在机车荷重和动态作用力的作用下轮轨系统的复合 状态，它能够反映线路最终的平顺性效果， 但并不能区分所检测到的线路不平 顺究竟是受线路几何状态，还是路基、道床，甚至是机车自 身特性的影响，不 能直接指导线路的养护或维修作业。 能够完成动态轨检的现代化装备主要有:1) 轨道动态检查车、轨道确认车 等，技术先进、应用效果好。我国的大型轨检车技术与国际水平基本同步，但 由于大型轨检车系统造价昂贵、运行成本大，而且必须在已经开通的线路上运 行，灵活性不足。 2) 晃车仪等小型电子仪器。这一类仪器成本低，但定性检查 的性质比 较明显，定量分析准确性不够。 静态检查的 对象是线路在无荷载作用时的轨道几何状态，其检查结果可直 接用于指导线路养护维修作业。按铁道部线路养护维修规则要求，线路静态检 查必须按固定周期 ( 如每月二遍) 强制进行的。 长期以来， 我国轨道静态检查手段比较落后，至今普遍使用的仍是“ 道尺十 人工弦绳十 人工报表” 的检查模式，器具效率低、工人劳动强度大、检测精度和 数据完整性差、信息传递速度慢。 人民 铁道 报曾刊登了一篇题为“ 零分工区里的磕头工长” 的铁路新闻， 介 绍了新乡桥工段五星工区赵保科工长如何在检查 2 00 米线路时通过跪在钢轨上 “ 看” 轨的 作业方式“ 磕头” 上百次， 以 他严谨的工作作风与无私的 奉献精神保证了 所辖线路状态完好的感人事迹。文章在正面宣传铁路职工敬业爱岗主旋律的同 时， 读者感受更多的，恐怕应该是新闻折射出的对我国轨道状态检查设备水平 的 无 奈， 及其 对 人 们 视觉 和 神经的 强 烈 冲 击【121 。 针对我国轨道静态检查技术手段极端落后的 现状， 考虑到铁路提速后对轨 道状态控制精度的要求正在不断提高，铁路部各路局对发展现代化的轨道静态 检查技术状态的呼声越来越强烈。目 前，轨检仪己经得到铁道部及各路局的普 遍认同，以江西日月明公司为主要起草单位的轨检仪行业标准、轨检仪计量检 定规程等标准化文件已经颁布实施， 轨检仪推广应用工作正朝着健康、 有序的 第一章引言 方向发展，为推进检养修分开，保障铁路高速化进程顺利实施发挥了积极的作 用1 1 3 。 1 .3传统检测原理介绍 传统上各种检测方法114 ll5116 ll 711 181 都离不开短弦弦测法、 惯性基准法两种基本 检测原理。 弦测法的基本原理是利用钢轨上两测点的连线作为测量弦，中间测点到该 弦的弦测值作为钢轨的测量值，弦测法的传递函数在0和2之间变化，不恒等 于1 ， 不能真实反映钢轨顶面不平顺状况。 弦测法不受运行速度的影响。 弦测法 是将车体作为测量基准， 最基本的弦测系统是三点等弦测量系统， 如图1 .2 所示， 以5 等弦为例，在间距为5 / 2 的3 个轴上分别安装位移传感器， 测量轴头与车 体之间的相对位移。 厂 众少 图1 . 2 弦测法示意图 假设轨道的 真正不平顺为f ( x)， 系统测量值为y(x) ， (x) 一 f (x ) 一 告 ， (x 一 合 ) + f + 音 ， ，则二者关系可表示为: ( 1 . 1 ) 惯性基准法是测量系统在运动的车体内建立一个惯性参考基准，利用位移 传感器来测量轨道相对于基准的相对位置，从而得到钢轨项面在惯性坐标系内 的相对位置。原理如图1 .3 所示: 第一章引言 图1 . 3惯性基准法检测系统示意图 设a(o 代表车体的垂直振动加速度， 它是由 安装在车体地板上的加速度计来 测量的， 车体的 振动 和冲 击相对 较小， 最大不超过几个9 ( 重力加 速度) 。 d ( l) 代表轴箱与车体之间的垂向 相对位移，它是由安装在轴箱和加速度计之间的位 移传感器来测量的， 对加速度a(o 作 相应的 积分处理就可得到加速度计 安装点 的 运动轨 迹， 进一步 与d ( l)作代数运算即 可得到轨道顶面的 轨迹p(l)。 其运算 表达式为: p ( l ) 一 仃 a (， ) ( dl dt ) dt ， 一 d ( l )“ 2 ， 短弦弦测法、惯性基准法两种基本检测原理，只是在实现方法上有所不同。 澳大利亚采用轴箱加速度二次积分的办法得到位移来表示，并用滤波消除速度 影响;荷兰将轴箱加速度信号在频域中经特定传递函数变换成一定速度下的力 信号，再经滤波消除速度影响; 美国有的采用短弦中支距的弦测法原理， 通过 电 涡流传感器或光纤位移计获得位移，有的采用惯性基准法原理，在构架上安 装加速度计，在轴箱上安装光纤位移计测轴箱相对加速度计安装点的位移;日 本以 惯性技术为基础，试验研制了接触式和非接触式两种检测方案，整个处理 过程都是模拟实现的，为消除速度对检测结果的影响，引入了用速度控制的斩 波变频滤波器。 1 .4课题的来源 轨检仪所采用的核心检测技术与算法，是当前国际上通行的弦测法。该方 法与目 前人工拉弦的检测方法基本原理一致，信息表达方式相同，容易为工务 系统所接受，同时，测量装置结构简单、经济性好、测量数据分析计算工作量 第一章引言 小， 适合在小型轨检系统中实施。 轨检仪以短的物理弦弦测值推算10米弦和20 米弦测值，理论分析与计算证明，其测量不确定度能够符合应用系统的要求 1 1 9 1 2 0 1 然而，轨检仪实际应用效果受线路状况影响很大。 在正常情况下，轨检仪 能够很好地反映线路的实际状态。但是，当轨道存在较大的肥边、磨耗等轨道 病害时，可能造成轨检仪弦测法的三点测量基准失效， 大量失真的信息被引入 到轨向 测量数据中， 经“ 以小测大” 弦测模型121 1 输出 后， 这些失真信息被进一步 放大。在山区小半径曲线等较恶劣线路条件下，这种影响可能直接导致轨检仪 轨向测量结果失实。针对这种情况，各路局均对线路存在的肥边、磨耗提出了 一定的限制性要求，以保证轨检仪的测量准确性，这实际上在一定程度上限制 了轨检仪的应用 惯性导航( in ertialnav i g ation) 系统是 一 种通过 测量 运动物体的 加 速度( 惯 性) ，并自动进行积分运算，获得物体瞬时速度和瞬时位置数据的技术。惯性导 航系统工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到千扰，是一种 自 主式导航系统。由于惯性导航系统复杂、价格昂贵、维护困难，通常只用于 飞行器、火箭、战略导弹等重要应用系统之中。 按照惯性导航组合在飞行器上的安装方式，分为平台式惯性导航系统 ( 惯 性导航组合安装在惯性平台的台体上)和捷联式惯性导航系统 ( 惯性导航组合 直接安装在飞行器上):后者省去平台，所以结构简单、体积小、维护方便， 但仪表工作条件不佳 ( 影响精度)， 计算工作量大122。 轨道动态检查车以捷联式惯性导航系统为测量手段，应用获得了巨大的成 功。 但是，捷联式惯性导航系统相对于小型轨检系统来讲，存在二个不可逾越 的障碍:1) 体积问题。尽管捷联式系统比 平台式系统小巧了不少，但对轨检仪 来说，体积太大，根本无法容忍;2) 价格问题。捷联式惯性系统的成本是按百 万元计算的，而轨检仪的市场定位是按万元计算的，二者之间存在数量级的关 系。 铁路轨道状态检测装置是铁路运输高速化和管理现代化的重要技术装备。 为适应铁路高速化和管理现代化的要求，铁道部最新规定的轨道不平顺控制指 标总体呈现“ 要求更严” 的趋势，有一些性能指标，如需要精确测量20米弦的弦 测值， 误差控制在士 l r n 幻 n 范围内， 以传统的检测手段来看是前所未有的苛刻和不 第一章引言 可想象。要达到这样的检测性能的要求，就必须进行检测技术的创新，从检测 原理上寻求突破。 陀螺仪是一种角度和角加速度测量元件，能自主地测量出相对惯性空间的 旋转运动。传统的 机械陀螺依靠机械运动机构工作，结构庞大复杂。随着微型 陀螺仪，特别是光纤陀螺仪 (fo g)的出现与发展，陀螺仪应用中的体积与成 本障碍正在消失。而从概念上讲，轨道肥边、磨耗的对测量轨向不平顺的不利 影响应该会由于陀螺仪测角的积分作用而得到平滑，轨检仪中引入陀螺仪技术 进行轨向不平顺测量已经成为可能，并正在成为轨检仪技术的一个重要的发展 方向。 本课题来源于江西日 月明公司， 以铁路高速化进程和“ 检养修分开” 的铁路线 路维修体制改革为直接的服务目 标，以基于f o g的轨向不平顺惯性检测技术为 研究对象，以陀螺测角型轨检仪为直接应用的目 标，其研究成果必将极大地推 动轨检仪的技术发展与提升。从理论上讲，其研究成果同时可用于轨道高低不 平顺检测，同时也是工程车辆、机器人、坦克、火炮等移动对象的姿态控制系 统所适用的一套经济有效的测角方案。 1 .5论文完成的主要工作及创新之处 l 5. 1论文完成的主要工作 利用陀螺仪测量轨向的核心问题是精密测角，在此基础上建立轨检仪角度 变化与轨向之间的传递函数关系，并从中提取出轨向不平顺信息。 理论上讲，通过对陀螺仪输出的旋转角速度信号进行积分，可以 方便地获 得角度信号。问题在于，轨道方向的变化在中小尺度上看是一个极其缓慢的变 化过程，以陀螺仪检测轨道方向的变化，传感器的输出信号是很微弱的，信噪 比控制是一个必须妥善处理的问题。同时，对角速度积分的过程将引入一个积 分常数，影响该积分常数的因素很多，最主要的因素是陀螺仪的漂移。如果不 能对该问题进行有效处理，将导致积分过程逐渐甚至是迅速趋向 饱和。 本项目 还需要进行陀螺测角系统的数字化及其与轨检仪主机接口 方式与协 议的研究，它直接涉及对现行与轨检仪的兼容性，以及对整机方案的调整和系 统工作效率。 基于以上考虑，论文所开展的主要研究工作包括以下主要内容: 第一章引言 1 、轨检系统需求分析与陀螺仪选型 通过仔细分析轨检系统对陀螺仪检测性能的要求，特别是不同于陀螺仪常 规应用模式的特殊要求，并合理选择陀螺仪是本项目的核心问题之一。 选择陀螺仪，首先必须特别重视其零位的稳定性及常值漂移、角度随机游 走、速率随机游走、量化噪声、速率斜坡等技术指标。在将旋转角速度积分为 角度时，这些参数的量值大小将决定该陀螺仪能否胜任于轨检仪系统微小的角 度测量。 为适应现场环境，所选陀螺仪还必须有较强的抗冲击和抗加速度能力，有 较宽的工作温度范围，有较长的寿命，并有较低的功耗。 陀螺仪启动时间也是值得关注的问题。启动时间长是机械式陀螺启动时需 要一定的时间刁 能使高速转子达到恒定转速而引起的一个共性问题。微型陀螺 仪虽没有机械运动部件，但因启动时存在电路的温度稳定过程也同样存在启动 时间问题。 当然，陀螺仪选型时，还必须考虑成本、体积因素，它们直接决定着该陀 螺仪是否适用于轨检仪系统，以及未来轨检仪市场前景。 通过广泛的调研与技术论证，本课题最终选用了 俄罗斯产v g 9 51光纤陀螺 仪，实验证明其性能完全达到了系统所拟定的要求，并具有适合小型轨道系统 应用的合理价格。 2 、陀螺仪输出 信号调理、采集与零位漂移控制算法研究 正确处理陀螺仪输出信号的放大、滤波、积分与人 了 d转换问题，是决定本 项目 研究成败的关键。 陀螺仪输出信号放大与滤波电路的设计的重点，是解决信号幅值与噪声问 题。陀螺仪一般均有 1 8 00 /s以上的测量速度， 但在轨检仪系统中，被测对象的 旋转角速度远小于这个量值，致使在轨检仪上应用的陀螺仪实际输出信号将非 常微弱。考虑到轨检仪在轨道上走行时轨道表面不平以及污物等将引起较强烈 的振动，在通过轨缝时甚至会产生一定的冲击，陀螺仪的输出信号还是一个高 噪声背景下的微弱信号。轨检仪原系统中弦测法正是在这种高噪声微弱信号环 境下有误差放大作用，从而导致测量精度下降。因此，利用陀螺仪系统的积分 作用来达到平滑线路干扰引入的噪声，是本项目 期望达到的效果。 针对轨检仪等里程间隔测量的数据采集方式，论文采用了可程控增益高分 辨力公模数转换器a d 7 714构筑了前向 数据采集通道，采用等时间间隔采样 第一章引言 对陀螺仪输出的角速度信号进行数字积分，建立了零位漂移控制模型和零点渐 消控制算法，抑制或消除了零位漂移对测角系统的影响。 3 、陀螺仪与轨检仪系统的接口及其局部总线设计 陀螺测角系统作为一个独立的部件，通过建立轨检仪局部总线系统结构， 实现了与现有轨检仪系统的接口，相关研究涉及机械层、电气层和数据层三个 方面的研究内容. 机械层接口设计包括陀螺仪安装位置与姿态设计、机械联接装置的设计， 以及避震结构等技术细节的设计等内容。 电气层接口设计包括电 源接口、信号接口与控制接口的定义、电 平规范与 时序设计等内容。 数据层接口设计包括数据交换方式、数据格式及控制指令的定义与实现等 内容。 4 、测角型轨检仪轨向测量方法与数学模型研究 基于精密测角的轨向测量方法目前尚没有成熟的数学模型。论文建立了角 度 轨向 传递函 数，实现了 基于f o g的 轨道轨向实时测量。 5 、与现有轨检仪系统的集成设计 现有轨检仪系统已经建立了一套完善的走行及其姿态控制、测量基础弦及 其精度保持控制等机械结构，并建立了完整的数据采集、存储、分析与显示系 统。论文完成了陀螺测角系统与现有轨检仪的系统集成，最大限度地实现了新 系统与现有系统的兼容，极大地提高了g j y轨检仪的市场竞争力。 6 、基于f o g的轨检仪性能试验 论文围绕陀螺测角型轨检仪样机进行了大量现场实验，主要包括:陀螺测 角系统的标定，有效性、重复性、稳定性试验，及其与现有系统的性能比较试 验，以及电磁兼容性试验、耐候性试验等。 l 5. 2论文所取得的创新 本项目 的创新性主要体现在:1 、实现了一种产品化的全新的轨检方法，能 够适应对恶劣线路的检测; 2 、陀螺测角系统作为一个独立的工作模块，可移植 到架桥机、运梁车， 及机车车辆、坦克等移动机械的姿态控制系统中。 基于f o g的轨检仪轨向测量技术是对现行的基于弦测法的轨向测量技术的 一次革新，其创新之处主要在于打破了现有轨向测量技术受现场线路状况影响 第一章引言 的被动局面，为恶劣线路条件下轨检仪的应用技术奠定了基础。 基于陀螺测角 的轨检仪轨向测量理论与算法，填补了该技术方向的理论空白。 基于陀螺测角 的轨检仪已 经成为一种适应恶劣环境条件的轨检仪新品种，与现有基于弦测法 的轨检仪在性能与价格上形成互补，丰富了用户的选择范围。 陀螺测角系统还可推广到大型捣固机、铁路架桥机等其它需要精密测角的 工程应用中，是f o g应用技术的一次创新。 第二章轨检仪陀螺测角系统的总体设计 第二章轨检仪陀螺测角系统的总体设计 2. 1引言 轨道方向不平顺检测传统上有两种实现方式:惯性法，弦测法。 gj一型轨检小 车 123 124采用 惯性法测量轨向 ， 如图2 一 1 方向 测 量包括两个部 分:一部分是安装于轨距测量梁中央位置的伺服加速度计.用于测量轨距测量 梁中央位置的横向 惯性位移;另一部分是左右轨距浏量装置所测得的左右轨距 分量slx srx 。 由 惯 性位移 和左右 轨距分量计算得到左 轨向耳 ， 和右轨向称 二 。 坛 = y ( x ) + d / 2 + 心 场 = y(x ) + d / 2 + 5 。 ( 2 . 1 ) ( 2 . 2 ) 皿 七 上三飞丸忿之烈 _ - 一 乳 ， 经) 之 、 、 、 、_ 、 、 之 皇 菠 图2 . 1 惯性法测量轨向结构示意图 采用弦测法方向测量是通过安装在一条臂上前、中、后三个传感器分别测 出 与 轨 道的 位移， 然后由 位移量计算出 轨向。 结 构示 意图 脚 如图2 .2所示. 小型 轨道检测装置的两侧分别有两对导向 轮、和、;一对测量轮和。 以首尾两轮的轮轨接触点的连线为弦，中间轮的轮轨接触点到弦的距离为轨向 测量值。 轨向的计算式如下: 左轨向测量值 右轨向测量值 与 ， ( 气十 cl ) /2一 气 场 “ ( ar+ c ， ) / 2 一 久 ( 2 . 3 ) ( 2 . 4 ) 第二章轨检仪陀螺测角系统的总体设计 图2. 2 弦测法结构示意图 在 式(2 .3 ) 和( 2. 4) 中 凡，人 ， 几 和气， 久， 气分 别 为 六 个 测 量 轮 到 车 体中心的距离。 本系统直接采用惯性器件一 光纤陀螺仪 v g 9 51 作为感受轨道方向变化的传 感器，v g 9 51 是一种高精密度角速度传感器， 采用非接触方式测量角速度，因 此只要把它固定在轨检小车的左右两臂就可感知两根轨道方向角度变化率。系 统通过积分，把角速度转化为角度，那么陀螺仪在轨道上运行时即可测出任何 时刻相对于起始位置的角度，准确地反映轨道的方向。 2. 2系统的方案选择 由于陀螺仪以被测物体的角速度为输入量，而要测量轨向必须先求得角度， 因此要进行积分运算，所以系统的方案选择首先必须进行角度测量系统选择。 此外测量左右两个轨向 还必须考虑用单系统测量还是用双系统测量。 2. 2. 1陀螺测角系统的不同方案 积分运算可通过两种方法实现:1 、通过硬件积分电路对角速度信号直接进 行模拟量积分， 然后通过a d( 或采集卡) 采集角度信号; 2 、 直接用a d( 或采 集卡) 采集角速度信号，然后通过数字积分得到角度。 2. 2 . 1 . 1 硬件积分电 路方案12 61 1 、理想积分电路原理图如图2. 3 所示。 图2 . 3 理想积分电路原理图 第二章 轨检仪陀螺测角系统的总体设计 输出电 压 ( 当卜助 时) 为: uo 一 熹fu. dt 八 l. ( 2 . 5 ) 1) 积分时间常数t 厂r c( 2 . 6 ) t 的大小决定了 积分速度的快慢。由 于运算放大器的最大输出电 压 u 晰 ax 为有值 ( 通常u o m ax = 士 1 0v 左右) ， 因此， 若: 的值太小， 则还未达到预定的 积分时间t 之前， 运放已经饱和，输出电压波形会严重失真。所以t 的值必 须满足: 二 一 命 了 u ， dt ( 2 . 7 ) 2 ) 选择电 路元件 a-当时间常数t=r c确定后，就可以选择r和c的值，由于反相积分电路 的输入电阻ri =r， 因此往往希望r的值大一些。 在r的值满足输入电阻要求的 条件下， 一般 选择 较 大的c 值， 而且c的 值 不能 大于1 “ fo b.确 定凡 踢为 静 态 平 衡 电 阻 ， 用 来 补 偿 偏 置 电 流 所 产 生 的 失 调 ， 一 般 取凡一 ro c.确 定凡 在 实 际 电 路 中 ， 通 常 在 积 分 电 容 的 两 端 并 联 一 个 电 阻 凡。 凡是 积 分 漂 移 泄 漏电 阻 ， 用 来 防 止 积 分 漂 移 所 造 成 的 饱 和 或 截 止 现 象 为 了 减 小 误 差 要 求凡全 1 0 r。 2 、实际积分电 路误差的定性分析 1)运放的输入失 调电 压ui 。 和输入失调电 流110对积分电 路输出电 压的影响 1271128 1 考虑到运放的 输 入失调电 压ui。 和输入失调电 流110对积分电路的 影响后， 电路的输出电压为: 封 。 = 一 命 知 命 凡 告 执 叽 一 命 脚 “ 2.8 上式中，占 为误差项。由上式可知，当输入电压 u i 为零时，积分电路的 输出端存在一定数值的零漂移电压，这个电压随时间变化，称为积分漂移。 积分漂移是积分电路的主要误差之一，减小积分漂移的方法有: a .选择失调电 压小和失调电流小的运放。 b .选择r p = r 。 第二章轨检仪陀螺测角系统的总体设计 c .在积分时间常数一定的情况下，尽量加大积分电 容c的值。 2 )运放的开环增益对积分电路输出电压的影响。 由 于实际 运放的开环增益a 加 不是无穷大， 而是一 个有限值。 因 此， 对积分 电路的输出电压也将产生影响。当输入电 压为阶跃信号时，积分电路的输出电 压为: e 跳 = 一r 十 rc 一 理行， ， z j 先 。 r c ( 29) 此时，输出电 压uo的相对误差为: 占 = 一 一 兰 - 2 丸r c 因此，由上式可得出结论: a . 积分电路输出电压的相对误差与运放的开环增益a llo 、 ( 2 . 1 0 ) 积分时间常数r c 成反比，与积分时间t 成正比。 b .运放的开环增益a ” 0 越大， 积分电路的相对误差越小。 对于相同的开环增 益a ud和积分时间常数r c ，积分时间t 越长， c . 要得到比较准确的积分运算， 积分时间t 积分电路的相对误差就越大。 必须要远远小于运放的开环增益 a ud 与积分时间常数r c的乘积。 3 ) 运放的输入电阻ri d 所引起的误差: 由于实际运放的输入电阻rid 不是无穷大， 因此也将对输出电压产生一定的 误差。此时， 输出电压场所产生的相对误差为: 占 二 卫 兰 过翌 = 一二 一 2 凡态r c z 还_ r c ( 2 . 1 1 ) 其 中 : 礁= 一 卫 些匕汉 _ ， 因 此 由 上 式 可 得 出 以 下 结 论 : 心 + r 一 输入电阻ri d 的作用是降低了运放的开环增益， 使积分电 路输出电压的相对 误差 增加。当r 、 r 时 ， 输入电 阻ri d 的影响 可以 忽 略。 4) 积分电 容的泄漏电阻rc对积分电 路输出电 压的 影响 当 考虑积分电容的泄漏电阻rc对积分电 路输出电 压的 影响时， uo的相对误 差为: 占 = - 一 一 三 一 2 心 ( r / rc) c ( 2 . 1 2 ) 第二章轨检仪陀螺测角系统的总体设计 由 上 式 可 看出 ， 积分 电 容的 泄 漏电 阻rc对积 分电 路 输出 电 压的 影 响 是比 较 大的。因此，为了提高积分电 路的运算精度，应选择漏电小，质量好的电容。 5 )运算放大器的有限带宽对积分电路输出电压的影响 运算放大器的有限带宽会影响积分电路的传输特性，使积分电路的输出电 压产生一定的时间滞后现象。运算放大器的带宽越窄，时间滞后现象越严重。 为了降低时间滞后现象，应选用增益带宽积比较大的运算放大器。运算放大器 的带宽所引起的滞后时间为: 夕= 止匕 态 口 。 ( 2 . 1 3 ) 其中 : 。 。 = 2 叽， ， fb ， 是 运 算 放 大 器 在 开 环时 的 一 3d b 带 宽 。 3 、方案论证阶段的积分电路 为了 减小运放参数对积分电 路输出电 压的影响， 应选择输入失调参数( ui。 、 1 10 、 i b ) 小， 开环增益 ( a uo ) 和增益带宽 积大， 输入电阻高的集成运算放大器。 在实验论证硬件积分电路在本课题中的适用性时，曾先后尝试使用过多种 低噪声、低漂移放大器搭建的积分电路。 由于受篇幅的限制，本文仅介绍其中的一个方案.该方案选择i nters il公司 的i c l 7 65 o 价 刃 作 为 运 算 放 大 器 ， 其 关 键 性 指 标 为 : 增 益 带 宽 积g b w p:z m h z ， 二 . 开环增益g a in: 巧 o d b ， 输入电阻形: 10u 欧， 输入偏差电 流最大值i bi os = 20pa， 输入失 调电 流最大值1 05 科。 pa，输入失 调电 压最大 值vo笋土 8 衅。图2. 4 所示 为d ip14封装的icl 7650引脚排列图。部分引脚的功能说明如下: . int c l k o u t :时钟输出端; . e x t c l k in:时钟输入端; . int 压 x t : 时钟选择端。 当此脚接v-时使用外部时钟， 并在时钟输入端 ( e x t c l k 取)引入外部时钟信号。 当该端开路或接v +时，电路将使 用内部时钟控制其它电路工作。 第二章轨检仪陀螺测角系统的总体设计 陇 几 7 侧 臼， 叮 自 加 门 图2 . 4 icl 7 6 5 0 s c p d封装图2 石 i c l 7 6 5 0 s c p d原理方框图 icl7650 是一种利用动态校零技术和c m o s 工艺 制作的斩波稳零式高精度 运放，动态校零技术消除了c mo s器件固有的失调和漂移，从而摆脱了传统斩 波稳零电路的束缚， 克服了传统斩波稳零放大器的这些缺点。 icl 7 6 50的工作原 理如图2. 5所示。图中，ma in 是主放大器 ( c mo s运算放大器) ，n u l l是调 零放大器 ( c m o s 高增益运算放大器) . 电路通过电 子开关的转换来进行两个阶 段工作，第一是在内部时钟 ( o s c )的上半周期，电子开关a和b导通，和c 断开，电路处于误差检测和寄存阶段;第二是在内部时钟的下半周期，电子 开关和c导通，a和b断开，电路处于动态校零和放大阶段。由于icl 7 6 50 中 的n u l l运算放大器的增益a on 一般设计在 1 0 0db左右，因此，即使主运放 m a in的 失调电 压v o s n达到1 00 m v ， 整个电 路的 失 调电 压也 仅为1 衅。由 于 以上两个阶段不断交替进行， 电容c n和c m将各自 所寄存的上一阶段结果送入 运放m a in、n u l l的调零端，这使得图2. 5 所示电路几乎不存在失调和漂移， 可见， icl 7 6 50是一种高增益、 高共模抑制比 和具有双端输入功能的 运算放大器， 输入偏置电流小、失调小、响应快、漂移低、性能稳定、价格低廉。 方案论证试验采用的积分电路1301 131 如原理图 如图2. 6 所示， 图中加了 一个由 r3， r4， rs， r6 构成的icl 7 6 50外调零电 路， r4、 rs 是高比 例分压器，分压 比是1000: 1 ， 将r6 的一 s v一 + s v的电压衰减为一 s m v一 +5m v的失调电 压调节范 围， 通过r3 送到icl 7 6 5 o 的同相输入端补偿输入失调或其他干扰， 所以， 可以 通过r 6 将icl 7 6 50调节到零输入状态，使其在较高的精度下工作。 第二章轨检仪陀螺测角系统的总体设计 .度 愉 出 图2. 6 实验积分电 路原理图 由于陀螺仪在轨道上运行时其输出信号是一种缓变微弱信号，很容易受到 干扰，且其输出信号在一段时间内很可能是直流信号，在某种程度上讲该信号 是一个直流缓变信号，这对积分很不利，积分不久就达到饱和。而轨检仪对测 角系统的要求是需要对陀螺仪信号长期积分以得到每个时刻的积分值。此外， 直流性干扰信号也非常容易使积分器饱和。 图2. 6 所示实验积分电路由 于干扰和陀螺仪信号性质的原因， 输出在数十秒 之内便达到饱和，无法满足本项目的应用要求。所以本系统最终放弃了采用硬 件积分的方式进行精密角度的方案。 2. 2 1 2数字积分方案 该方案将陀螺仪输出直接接在放大电 路输入端， 通过无源滤波电路接入a d 采集通道，采集角速度，通过数字积分得到角度。 由于陀螺仪在轨道上运行时