專利名稱：高速列車運行姿態參數測量系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高速列車運行姿態參數測量系統。
背景技術：
2008年8月1日，全長約120km的京津城際高速鐵路投入運營，2009年12月沈日，世界上首條一次建成的、運營里程達到1068km的高速鐵路——武廣客運專線投入運營， 2011年6月30日，全長1318公里的京滬高速鐵路投入運營。根據《中國鐵路中長期規劃 (2008年調整)》，到2012年，中國投入運營的高速鐵路將達到41條，營業里程達1. 3萬km， 投入運營的“和諧號”高速列車在1000列以上；到2020年，中國鐵路營業里程將達到12萬 km以上，其中建成高速鐵路1.8萬km以上。世界其它國家如日本發展高速鐵路47年，總里程約2300公里，最高運營時速300 公里。法國發展高速鐵路觀年，總里程約1800公里，最高運營時速320公里。德國發展高速鐵路20年，總里程約1000公里，最高運營時速300公里。可見，當今世界高速鐵路技術蓬勃發展，中國高速鐵路技術發展最為迅猛。可是， 隨著列車的速度也不斷提升，一些在低速運行時可以忽略的問題變得重要，而且還會出現一些低速運行時不曾出現的新問題。例如，高速列車高速交會、通過隧道尤其是隧道內高速交會、通過大風區域、高速過橋梁等過程中，高速列車可能出現一系列的穩定性和安全性問題，而這些問題都體現在高速列車的運行姿態上，因此，準確掌握高速列車的運行姿態參數對列車的高速、安全、平穩運行極為重要。隨著高速列車運行速度的提高，高速列車的運行姿態也更加復雜，對這些運行姿態的認識也逐漸深入，但是，幾種典型的高速列車運行姿態如蛇行運動、車體彎曲、整列列車的彎曲等等，都是通過數值模擬或者在線觀察得到的，而沒有準確的運行姿態參數實際測量結果，因為目前國內外尚沒有高速列車運行姿態參數測量設備。

發明內容
針對現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種高速列車運行姿態參數測量系統，能夠在線實時測量高速列車運行過程中的姿態參數和其它特性參數，并對列車運行姿態參數進行實時分析，從而有助于提高高速列車的運行安全性、平穩性和舒適性。本發明的一種高速列車運行姿態參數測量系統包括慣性測量單元，用于測量列車在三個方向上的姿態角、角速度和加速度分量；測距單元，用于測量關鍵部位的位移變化量；測速單元，用于測量列車的運行速度；信息采集與處理單元，用于接收所述慣性測量單元、測距單元和測速單元所測量的信號并進行運算處理，得到列車的姿態角、加速度、運行速度和關鍵部位的位移量信息等高速列車運行姿態參數。優選地，所述慣性測量單元包括陀螺儀和加速度計。
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優選地，所述測距單元為測距儀。優選地，所述測速單元為測速儀。優選地，所述信息采集與處理單元為具有捷聯慣導系統姿態算法、加速度矢量坐標轉換、積分運算等功能的計算機。優選地，還包括顯示單元，用于顯示所述信息采集與處理單元處理的結果、顯示列車運行姿態參數曲線等。本發明高速列車運行姿態參數測量系統以慣性測量為核心，由慣性測量單元、測距單元、測速單元和信息采集與處理單元組成，本發明通過上述單元能夠在線實時測量、顯示、記錄以及分析高速列車運行姿態參數，如姿態角、加速度、位移量、速度等，從而為高速列車安全平穩運行提供重要的參數信息。


圖1為本發明高速列車運行姿態參數測量系統結構示意框圖。圖2為本發明高速列車運行姿態參數測量系統的姿態矩陣算法流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發明高速列車運行姿態參數測量系統包括慣性測量單元1、測距單元2、測速單元3、信息采集與處理單元4和顯示單元5，具體如下將不同的測量單元安裝在高速列車的不同位置，測量不同位置的相關參數，然后經過數據處理獲取高速列車運行姿態參數。其中慣性測量單元1進一步包括陀螺儀11和加速度計12。實車測量過程中，慣性測量單元1先進行初始對準得到姿態矩陣的初值，在高速列車運行時，三個相互垂直安裝的陀螺儀將三個方向上的角度變化量以頻率信號的方式輸出。經過陀螺信號處理電路的處理后輸出與三個角姿態信息成正比的數字信號，陀螺儀測量信號經過濾波處理后得到高速列車的角速率，用角速率對捷聯矩陣進行即時修正，再進行四元數歸一化，得到捷聯矩陣。利用加速度計12測量得到的高速列車相對慣性坐標系的加速度沿高速列車坐標系的分量，通過捷聯矩陣轉換成沿著地理坐標系的分量，用于計算高速列車的姿態角、線速度、位置等運行姿態參數。測距單元2采用測距儀，測速單元3采用測速儀，利用測速儀和測距儀測量高速列車的運行速度和被測關鍵部位的位移變化量，通過捷聯矩陣轉換成沿著地理坐標系的分量。信息采集與處理單元4為具有捷聯慣導系統姿態算法、加速度矢量坐標轉換、積分運算等功能的計算機，用于接收慣性測量單元1、測距單元2和測速單元3所測量的信號并進行運算處理，得到列車的姿態角、加速度、運行速度和關鍵部位的位移量信息。具體系統結構模塊圖見附圖2。具體是將圖2中的步驟在說明書中詳細描述步驟1 測量，包括加表(即加速度計)測量、陀螺儀測量、位置和速度測量等。步驟2 確定初始姿態矩陣。高速列車坐標系相對于導航坐標系的位置關系可由航向角(Ψ)、俯仰角(Θ)和偏航角(Y)表示，表述高速列車坐標系(η系)和導航坐標系(b系)旋轉關系的姿態矩陣為
權利要求
1.一種高速列車運行姿態參數測量系統，其特征在于，包括慣性測量單元，用于測量列車在三個方向上的姿態角、角速度和加速度分量； 測距單元，用于測量關鍵部位的位移變化量； 測速單元，用于測量列車的運行速度；信息采集與處理單元，用于接收所述慣性測量單元、測距單元和測速單元所測量的信號并進行運算處理，得到列車的姿態角、加速度、運行速度和關鍵部位的位移量信息等高速列車運行姿態參數。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述慣性測量單元包括陀螺儀和加速度計。
3.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述測距單元為測距儀。
4.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述測速單元為測速儀。
5.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述信息采集與處理單元為具有捷聯慣導系統姿態算法、加速度矢量坐標轉換、積分運算等功能的計算機。
6.如權利要求1至5任一所述的系統，其特征在于，還包括顯示單元，用于顯示所述信息采集與處理單元處理的結果、顯示列車運行姿態參數曲線等。
全文摘要
本發明公開了一種高速列車運行姿態參數測量系統，包括慣性測量單元，用于測量列車在三個方向上的姿態角、角速度和加速度分量；測距單元，用于測量關鍵部位的位移變化量；測速單元，用于測量列車的運行速度；信息采集與處理單元，用于接收所述慣性測量單元、測距單元和測速單元所測量的信號并進行運算處理，得到列車的姿態角、加速度、運行速度和關鍵部位的位移量信息等高速列車運行姿態參數。本發明通過上述單元能夠在線實時測量、顯示、記錄以及分析高速列車運行姿態參數，如姿態角、加速度、位移量、速度等，從而為高速列車安全平穩運行提供重要的參數信息。
文檔編號G01P15/00GK102445176SQ20111027070
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月14日 優先權日2011年9月14日
發明者楊國偉, 趙桂林 申請人:中國科學院力學研究所