轨道巡检系统时空同步信息检测方法与流程

1.本发明属于城市轨道交通领域，涉及轨道巡检系统的传感器信息同步，特别涉及轨道巡检系统时空同步信息检测方法。


背景技术：

2.近年来，城市轨道交通发展迅速，城市地铁、有轨电车、城际铁路等交通工具在各地都得到了大力建设，极大地提高了人员的出行便利性。随着轨道交通线路建设的增多以及线路运输任务量的增大，对于轨道健康状态的监控成为了轨道建设部门、线路运营单位十分关注的问题。随着运营时间的增长，轨道会逐渐老化，出现平顺性超差、轨距改变、扣件损坏甚至钢轨断裂的问题，极大影响轨道线路运行的安全性。
3.为了保障轨道交通线路运行的可靠、安全性，需要定期对轨道健康状态进行监控。以往的轨道巡检往往依赖于人工作业巡检方式，该方式效率较低。近年来，巡检小车、巡检机器人、随车检测系统得到了大力研发，很大程度上解决了过去人工作业巡检效率低下的问题。特别是随车检测系统，鉴于其无需专门的巡检时间段，具有运行与检测合一的特点，目前在线路运营部门广受青睐。巡检系统上搭载了很多传感器，例如线阵相机、激光相机、轨距测量仪等等，通过对这些传感器测量信息的分析处理可以掌握沿线轨道的状态信息。为了将检测、测量信息与轨道沿线位置点相对应，需要完成测量信息与沿线轨道位置点的同步，以便分析各位置点的轨道状态，通常包括两方面的同步：一是各传感器之间的时间同步，二是传感器采样点与位置点的空间同步。目前通常的解决方案是利用巡检系统上的里程计采样脉冲信号同时触发各传感器，完成传感器之间的时间同步及传感器采样点与沿线轨道位置点的同步标记。然而，这种工作方式仅适用于专门的巡检系统，对于随车测量系统而言并不适用，主要原因在于，轨道运营部门不允许在运行车辆的车轮上加装里程计，并且即使允许在车轮上加装里程计，也还存在采样点与沿线轨道位置点(三维位置坐标)不能很好对应的问题(主要原因在于里程计推算位置只是简单的一维位置推算，当线路是曲线时，位置推算存在误差，难以达到毫米级分辨率)。
4.基于随车测量系统现有的传感器配置，通过陀螺组件、加速度计组件测量信息完成列车速度的解算，利用列车提供的测速信号对解算的列车速度进行融合校正，实现高频、高精度的列车速度估计，并将估计的列车速度折算成等效触发脉冲，利用触发脉冲对列车搭载的传感器进行同步触发采样，以实现时间同步；进一步，利用高精度的位置估计值实现列车准确位置点与传感器采样点的精准对应。
5.因此，轨道巡检系统的时空同步信息测量即对应于列车的速度、位置信息测量，基于准确的速度、位置信息可完成巡检系统搭载传感器的时空同步。但轨道巡检系统上加装的陀螺组件、加速度计组件精度有限，在对列车速度进行解算时会导致速度误差增大，虽然通过设计卡尔曼滤波器，利用列车提供的测速信号、间或的位置装订信息能够对速度误差、位置误差进行抑制。但是由于列车运行状态下存在很多振动，通过加速度计组件速度增量输出求解比力加速度，进而在卡尔曼滤波器中使用该比力加速度信息时，会导致状态方程
的非线性增大，直接影响卡尔曼滤波器的稳定性，导致速度、位置信息估计误差增大，影响时空同步的准确性，导致巡检系统搭载的传感器不能同步协调工作。此外，巡检系统搭载的传感器的采样时刻需要获得准确的位置信息，以便于将采样信息与位置信息准确对应，但由于惯性测量单元位置解算频率与采样频率不一致，导致无法直接获得采样时刻的位置信息，需要基于惯性测量单元的位置解算信息获取采样时刻的位置信息。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题就在于：1.如何实现车载轨道巡检系统时空同步信息的精确测量，对列车的速度、位置信息准确估计，解决列车振动导致状态方程非线性增大、进而影响卡尔曼滤波器稳定性的问题；2.如何解决惯性测量单元解算频率与巡检系统传感器采样频率不一致导致的采样信息与位置不匹配的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：
8.轨道巡检系统时空同步信息检测方法，包括以下步骤：
9.(1)将惯性测量单元安装到轨道巡检系统上，轨道巡检系统保持静止10分钟，在完成初始位置信息的装订后，惯性测量单元进行初始对准过程，获得初始姿态信息；
10.(2)完成初始对准后，轨道巡检系统开始进入测量作业模式，在测量模式作业模式下，利用惯性测量单元中陀螺组件、加速度计组件输出的角增量、速度增量信息完成惯性导航解算，获得速度、位置信息，同时构建卡尔曼滤波器系统状态方程，对速度误差、位置误差进行预测更新，其中，卡尔曼滤波器的系统状态方程的构建方式如下：
11.(2.1)以psi误差角ψ
c
、优化速度误差优化位置误差δr
c
、陀螺漂移ε
b
、加速度计零偏惯性测量单元的安装误差η、列车测速信号标度因数误差δk为系统状态x(t)，分别确定psi误差角、速度误差、陀螺漂移、加速度计零偏、安装误差、标度因数误差的微分方程，其中：
12.(2.1.1)psi误差角微分方程为：
[0013][0014]
式中，表示计算坐标系c下表示的地球自转角速度，表示计算坐标系下表示的转移角速度，表示载体坐标系b与计算坐标系c之间的姿态矩阵，表示陀螺组件测量误差，w
g
表示陀螺组件测量噪声；
[0015]
(2.1.2)优化速度误差微分方程确定步骤如下：
[0016]
(2.1.2.1)将优化速度误差定义为c系下表示的p系速度解算值与真实速度v
c
之间的差值，即
[0017]
[0018]
式中，为p系下的速度解算值，v
c
即c系下表示的真实速度，δv
c
为c系下表示的速度误差；
[0019]
(2.1.2.2)对优化速度误差进行微分，确定其微分方程：
[0020][0021]
式中，
[0022][0023][0024]
其中，f
b
表示比力，分别表示地球自转角速度误差量、转移角速度误差量，表示加速度计组件测量误差，w
a
表示加速度计组件测量噪声，表示加速度计组件实际输出值，表示姿态矩阵解算值，分别表示地球自转角速度解算值、转移角速度解算值，表示根据计算位置通过重力模型确定的重力；
[0025]
(2.1.2.3)将式(1)、式(4)、式(5)代入式(3)并整理，确定优化速度误差的微分方程为：
[0026][0027]
式中，g
c
、δg
c
分别表示c系下表示的重力真值及其误差；
[0028]
(2.1.3)优化位置误差δr
c
微分方程为：
[0029][0030]
(2.1.4)陀螺漂移ε
b
、加速度计零偏的微分方程为：
[0031][0032]
(2.1.5)惯性测量单元的安装误差η的微分方程为：
[0033][0034]
其中，η＝[η
θ η
ψ
]
t
由俯仰角安装误差η
θ
及航向角安装误差η
ψ
构成，w
η
为安装误差噪声，用以反映安装误差的变化；
[0035]
(2.1.6)列车测速信号标度因数误差的微分方程为：
[0036][0037]
其中，w
k
为标度因数噪声，用以反映标度因数的变化；
[0038]
(2.2)根据步骤(2.1)中确定的姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺漂移、加速度计零偏、安装误差、标度因数误差微分方程，构建系统状态方程；
[0039][0040]
其中，f(t)表示系统状态矩阵，g(t)表示系统噪声矩阵，w(t)＝[w
g w
a w
η w
k
]
t
表示系统噪声；
[0041]
(3)轨道巡检系统沿轨道行进时，其侧向速度及垂向速度为零，以前向速度误差δv
y
、侧向速度误差δv
x
及垂向速度误差δv
z
构建观测量z(t)＝[δv
x δv
y δv
z
]
t
，并确定观测方程，其中，观测方程的确定通过以下步骤实现：
[0042]
(3.1)将惯性测量单元的速度输出投影到轨道巡检系统坐标系m，按照如下方式：
[0043][0044]
其中，表示惯性测量单元速度输出在轨道巡检系统坐标系m下的投影，v
m
表示m坐标系下表示的真实的轨道巡检系统速度，表示载体坐标系b与轨道巡检系统坐标系m之间的安装关系矩阵，表示安装误差角，表示计算坐标系c与载体坐标系b之间的姿态矩阵；由于横滚角安装误差η
γ
不会影响前向速度投影，将其赋值为0，即η
γ
＝0；
[0045]
(3.2)以作为观测量z(t)，构建观测方程如下：
[0046]
z(t)＝h(t)x(t)+υ(t)
ꢀꢀꢀ
(13)
[0047]
其中，v
m
＝[0 v
f 0]
t
，且v
f
的数值等于列车提供的速度信息，h(t)表示观测矩阵，υ(t)表示观测噪声；
[0048]
(3.3)当轨道巡检系统接收到列车提供的位置信息时，将位置误差δr
c
增广为观测量；
[0049]
(3.4)根据步骤(3.1)、(3.2)、(3.3)所述对卡尔曼滤波器系统状态方程完成量测更新；
[0050]
(4)按照轨道巡检系统的速度估计值，以1毫米为基准设置等效触发脉冲频率的数值，并以此分别触发不同的传感器完成采样；同时以相邻三个解算周期的位置信息为拟合采样点，以相对时间t为自变量，以位置信息为因变量，基于样条函数拟合获得本区间的位置曲线，并且拟合区间的最后一个拟合采样点为下一个拟合区间的初始拟合采样点，以保持拟合曲线的连续性，而在本区间内各采样时刻的位置信息通过拟合插值获得。
[0051]
进一步的，所述步骤(2)中惯性测量单元测量角增量信息和速度增量信息时其采样间隔不大于0.01s。
[0052]
进一步的，所述步骤(2.2)中的陀螺漂移、加速度计零偏状态采用反馈校正。
[0053]
进一步的，所述步骤(2.2)中的安装误差状态采用开环校正。
[0054]
进一步的，所述步骤(2.2)中的标度因数误差状态采用开环校正。
[0055]
进一步的，所述步骤(3.2)中列车速度v
f
还可以通过设定垂向加速度阈值，并采用滑窗求均值方式计算列车的垂向加速度，进而将垂向加速度与设定阈值比较，如果大于设定阈值，则判断列车经过了轨道连接点，完成振动检测，并记录当前时刻t
k
；当垂向加速度再次大于设定阈值时，并再次记录当前时刻t
k+1
，按照v
f
＝l/(t
k+1
‑
t
k
)的计算方式获得列车速度，l为固定轨道的长度。
[0056]
进一步的，所述步骤(3.3)中采用序贯更新的方式完成量测更新。
[0057]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0058]
本发明适用于随车测量巡检系统，实现了列车速度、位置信息准确估计，通过优化
速度误差、位置误差方程，无需求解比力加速度，消除了传统方法基于速度增量微分求解比力加速度带来的误差放大效应，解决了列车振动导致状态方程非线性增大、进而影响卡尔曼滤波器稳定性的问题，避免时空同步效率降低，防止巡检系统搭载的传感器工作不同步。通过分段拟合插值实现了传感器采样时刻位置信息的准确匹配，提高了测量作业完成后的数据分析效率。
附图说明
[0059]
图1为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
[0060]
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0061]
如图1所示，轨道巡检系统时空同步信息检测方法，包括以下步骤：
[0062]
(1)将惯性测量单元安装到轨道巡检系统上，轨道巡检系统保持静止10分钟，在完成初始位置信息的装订后，惯性测量单元进行初始对准过程，获得初始姿态信息；
[0063]
(2)完成初始对准后，轨道巡检系统开始进入测量作业模式，在测量模式作业模式下，利用惯性测量单元中陀螺组件、加速度计组件输出的角增量、速度增量信息完成惯性导航解算，获得速度、位置信息，同时构建卡尔曼滤波器系统状态方程，对速度误差、位置误差进行预测更新，其中，卡尔曼滤波器的系统状态方程的构建方式如下：
[0064]
(2.1)以psi误差角ψ
c
、优化速度误差优化位置误差δr
c
、陀螺漂移ε
b
、加速度计零偏惯性测量单元的安装误差η、列车测速信号标度因数误差δk为系统状态x(t)，分别确定psi误差角、速度误差、陀螺漂移、加速度计零偏、安装误差、标度因数误差的微分方程，其中：
[0065]
(2.1.1)psi误差角微分方程为：
[0066][0067]
式中，表示计算坐标系c下表示的地球自转角速度，表示计算坐标系下表示的转移角速度，表示载体坐标系b与计算坐标系c之间的姿态矩阵，表示陀螺组件测量误差，w
g
表示陀螺组件测量噪声；
[0068]
(2.1.2)优化速度误差微分方程确定步骤如下：
[0069]
(2.1.2.1)将优化速度误差定义为c系下表示的p系速度解算值与真实速度v
c
之间的差值，即
[0070][0071]
式中，为p系下的速度解算值，v
c
即c系下表示的真实速度，δv
c
为c系下表示
的速度误差；
[0072]
(2.1.2.2)对优化速度误差进行微分，确定其微分方程：
[0073][0074]
式中，
[0075][0076][0077]
其中，f
b
表示比力，分别表示地球自转角速度误差量、转移角速度误差量，表示加速度计组件测量误差，w
a
表示加速度计组件测量噪声，表示加速度计组件实际输出值，表示姿态矩阵解算值，分别表示地球自转角速度解算值、转移角速度解算值，表示根据计算位置通过重力模型确定的重力；
[0078]
(2.1.2.3)将式(1)、式(4)、式(5)代入式(3)并整理，确定优化速度误差的微分方程为：
[0079][0080]
式中，g
c
、δg
c
分别表示c系下表示的重力真值及其误差；
[0081]
(2.1.3)优化位置误差δr
c
微分方程为：
[0082][0083]
(2.1.4)陀螺漂移ε
b
、加速度计零偏的微分方程为：
[0084][0085]
(2.1.5)惯性测量单元的安装误差η的微分方程为：
[0086][0087]
其中，η＝[η
θ η
ψ
]
t
由俯仰角安装误差η
θ
及航向角安装误差η
ψ
构成，w
η
为安装误差噪声，用以反映安装误差的变化；
[0088]
(2.1.6)列车测速信号标度因数误差的微分方程为：
[0089][0090]
其中，w
k
为标度因数噪声，用以反映标度因数的变化；
[0091]
(2.2)根据步骤(2.1)中确定的姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺漂移、加速度计零偏、安装误差、标度因数误差微分方程，构建系统状态方程；
[0092][0093]
其中，f(t)表示系统状态矩阵，g(t)表示系统噪声矩阵，w(t)＝[w
g w
a w
η w
k
]
t
表示系统噪声；
[0094]
(3)轨道巡检系统沿轨道行进时，其侧向速度及垂向速度为零，以前向速度误差δ
v
y
、侧向速度误差δv
x
及垂向速度误差δv
z
构建观测量z(t)＝[δv
x δv
y δv
z
]
t
，并确定观测方程，其中，观测方程的确定通过以下步骤实现：
[0095]
(3.1)将惯性测量单元的速度输出投影到轨道巡检系统坐标系m，按照如下方式：
[0096][0097]
其中，表示惯性测量单元速度输出在轨道巡检系统坐标系m下的投影，v
m
表示m坐标系下表示的真实的轨道巡检系统速度，表示载体坐标系b与轨道巡检系统坐标系m之间的安装关系矩阵，表示安装误差角，表示计算坐标系c与载体坐标系b之间的姿态矩阵；由于横滚角安装误差η
γ
不会影响前向速度投影，将其赋值为0，即η
γ
＝0；
[0098]
(3.2)以作为观测量z(t)，构建观测方程如下：
[0099]
z(t)＝h(t)x(t)+υ(t)
ꢀꢀꢀ
(13)
[0100]
其中，v
m
＝[0 v
f 0]
t
，且v
f
的数值等于列车提供的速度信息，h(t)表示观测矩阵，υ(t)表示观测噪声；
[0101]
(3.3)当轨道巡检系统接收到列车提供的位置信息时，将位置误差δr
c
增广为观测量；
[0102]
(3.4)根据步骤(3.1)、(3.2)、(3.3)所述对卡尔曼滤波器系统状态方程完成量测更新；
[0103]
(4)按照轨道巡检系统的速度估计值，以1毫米为基准设置等效触发脉冲频率的数值，并以此分别触发不同的传感器完成采样；同时以相邻三个解算周期的位置信息为拟合采样点，以相对时间t为自变量，以位置信息为因变量，基于样条函数拟合获得本区间的位置曲线，并且拟合区间的最后一个拟合采样点为下一个拟合区间的初始拟合采样点，以保持拟合曲线的连续性，而在本区间内各采样时刻的位置信息通过拟合插值获得。
[0104]
进一步的，所述步骤(2)中惯性测量单元测量角增量信息和速度增量信息时其采样间隔不大于0.01s。
[0105]
进一步的，所述步骤(2.2)中的陀螺漂移、加速度计零偏状态采用反馈校正。
[0106]
进一步的，所述步骤(2.2)中的安装误差状态采用开环校正。
[0107]
进一步的，所述步骤(2.2)中的标度因数误差状态采用开环校正。
[0108]
进一步的，所述步骤(3.2)中列车速度v
f
还可以通过设定垂向加速度阈值，并采用滑窗求均值方式计算列车的垂向加速度，进而将垂向加速度与设定阈值比较，如果大于设定阈值，则判断列车经过了轨道连接点，完成振动检测，并记录当前时刻t
k
；当垂向加速度再次大于设定阈值时，并再次记录当前时刻t
k+1
，按照v
f
＝l/(t
k+1
‑
t
k
)的计算方式获得列车速度，l为固定轨道的长度。
[0109]
进一步的，所述步骤(3.3)中采用序贯更新的方式完成量测更新。
[0110]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。