基于扩展卡尔曼滤波的轨道垂向不平顺估计方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及轨道垂向不平顺在线监测的技术领域，特别是一种基于扩展卡尔曼滤 波的轨道垂向不平顺估计方法及系统。
【背景技术】
[0002] 轨道不平顺是引起车辆与轨道产生振动的主要激励源之一，是轨道质量状态的集 中体现。轨道不平顺不仅会增加车辆与轨道间的相互作用，缩短车辆与轨道的使用寿命，影 响乘坐舒适度，当形变累积到一定程度时还会使车辆产生倾斜和侧滚运动，严重威胁列车 的安全运行，因此对运行线路的轨道不平顺状态进行实时检测和估计具有重要意义。
[0003] 朱文发公开了一种（朱文发，柴晓冬，郑树彬等基于捷联惯性系统的轨道长波不 平顺检测。城市轨道交通研宄，2012)基于捷联惯性系统实现轨道长波不平顺的检测方法， 该方法使用采用小波去噪和积分滤波器将加速度信号处理得到轨道长波不平顺位移。但 是在车体安装惯性系统，经过了一系簧和二系簧的传递，很难具体的评估轨道状态。Lee JS公开了一种（LeeJS,ChoiS,KimSS,etal.EstimationofRailIrregularity byAxle-BoxAccelerometersonaHigh-SpeedTrain[M]//NoiseandVibration MitigationforRailTransportationSystems.SpringerJapan, 2012)利用车由箱加速度 通过卡尔曼滤波和波长带通滤波来估计轨道不平顺的方法。JReal公开了一种（JReal,P Salvador,LMontalban,MBueno,Determinationofrailverticalprofilethrough inertialmethods.ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,Part F:JournalofRailandRapidTransit.June2010.)基于轴箱加速度检测轨道垂向不 平顺的方法，该方法通过在轴箱上安装垂向加速度计，获得轴箱振动加速度信号，并对信号 进行二次积分、高通滤波、相位补偿和振动模型逆输入的处理，实现对轨道垂向不平顺的检 测。因为轨道不平顺包括波长较广范围内的不平顺，常见轨道不平顺检测方法中，轴箱振动 较难同时检测局部不平顺和长波不平顺。牛小骥公开了一种基于INS/GNSS的轨道不平顺 检测系统及方法，以INS/GNSS组合测量系统作为核心测量设备，固定安装于移动支架上并 随移动支架一起在轨道上移动，测量获得轨道的三维位置坐标序列和姿态角序列。根据轨 道的三维位置坐标、姿态角及轨距测量值，并结合轨道设计曲线参数，采用基于坐标法的轨 道不平顺评估方法评估轨道不平顺。但该方法在系统测量单元成本高且复杂，在滤波算法 上使用卡尔曼滤波并不能有效滤除非线性系统的噪声。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种成本低、工程实施性好的基于扩展卡尔曼滤波的轨道 垂向不平顺估计方法及系统，基于车体、转向架构架上的振动加速度和车体、转向架的点头 角速度对轨道垂向不平顺进行估计。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案是：一种基于扩展卡尔曼滤波的轨道垂向不平顺 估计方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤1，在车体、转向架构架上安装振动加速度传感器，获得车体、构架的垂向振动 加速度，在车体、构架上安装陀螺仪，获得车体点头角速度及构架点头角速度，以车速信号 实现车体垂向振动、车体点头角速度、构架垂向振动和构架点头角速度的等空间采样；
[0007] 步骤2,根据车辆轨道耦合模型的动力学方程构建车辆轨道耦合系统状态方程；
[0008] 步骤3,根据步骤1中所述振动加速度传感器和陀螺仪采集到的信号，构建传感器 观测方程；
[0009] 步骤4,配置滤波迭代方程，得到状态估计的时间更新方程和量测更新方程、估计 误差协方差的时间更新方程和量测更新方程；
[0010] 步骤5,根据步骤4滤波迭代方程进行滤波迭代后，得到各时刻最优状态，利用状 态估计的时间更新方程求逆后得到轨道不平顺估计。
[0011] 一种基于扩展卡尔曼滤波的轨道垂向不平顺估计系统，包括陀螺仪、振动加速度 传感器和中央处理单元，其中陀螺仪安装于列车车体和走行部一系弹簧上方的构架上，振 动加速度传感器安装于车体和走行部二系弹簧下方的构架上，所述振动加速度传感器和陀 螺仪的输出端均接入中央处理单元，中央处理设置于车体内。
[0012] 本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1)成本低，节约了轨检车的运行、维护 和调度成本；(2)工程实施性好，陀螺仪、振动和速度传感器能承受现场的恶劣环境，且安 装方便；（3)在线实时监测，可及时发现轨道垂向不平顺状态变化，从而提供及时的维护预 警，为铁路维护进行更有效的规划。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明基于扩展卡尔曼滤波的轨道垂向不平顺估计方法的流程图。
[0014] 图2为车辆-轨道垂向耦合动力学模型及其参数的示意图。
[0015] 图3为实测轨道不平顺空间波形图和功率谱图，其中（a)为实测轨道不平顺空间 波形图，（b)为实测轨道不平顺功率谱与德国高干扰谱的比较图。
[0016] 图4为观测量空间域波形图，其中（a)为构架角速度波形图，（b)为构架振动加速 度波形图，（c)为车体角速度波形图，（d)为车体振动加速度波形图。
[0017] 图5为最优状态量与真实值比较空间域波形和功率谱图，（a)为车轮加速度的波 形图，（b)为车轮加速度的功率谱图，（c)为构架加速度的波形图，（d)为构架加速度的功率 谱图，（e)为车体加速度的波形图，（f)为车体加速度的功率谱图，（g)为车轮速度的波形 图，（h)为车轮速度的功率谱图，（i)为构架角速度的波形图，（j)构架角速度的功率谱图， (k)为车体角速度的波形图，（1)为车体角速度的功率谱图。
[0018] 图6为滤波后轨道不平顺与实际激励值比较空间域波形和功率谱图，其中（a)为 波形图，（b)为功率谱图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0020] 结合图1，本发明垂向轨道长波不平顺估计方法，包含以下步骤：
[0021] 步骤1，在车体、转向架构架上安装振动加速度传感器，获得车体、构架的垂向振动 加速度，在车体、构架上安装陀螺仪，获得车体点头角速度及构架点头角速度，以车速信号 实现车体垂向振动、车体点头角速度、构架垂向振动和构架点头角速度的等空间采样，具体 为：
[0022] 按照轨道短波不平顺0. 5~5m的波长范围和列车1~360km/h的典型车速，加 速度计的响应特征频率fa需包含〇~200Hz;同样，按照轨道长波不平顺5~200m的波长 范围，陀螺仪的响应特征频率fe需包含0~20Hz;由采样定律知，为复现0. 5~200m波 长的轨道不平顺，令空间间隔为AS，则AS〈0. 25m，fa>400Hz，f0>4OHz，实际应用过程中 As〈〇.lm，fa>l〇〇〇Hz，fe>100Hz;若在时域获得列车实时运行过程中轴箱振动加速度信号 a(t)、构架点头陀螺仪输出《 (t)和列车速度v(t)，则需通过a(t)、《 (t)分别除以v(t)得 到空间域序列a(s)、《 (s)，从而将a⑴、《⑴对应到轨道的各个位置；由于目前列车轴端 加装的测速传感器为旋转脉冲速度传感器，该传感器基于霍尔原理，采集车轴端固定个数 的金属孔产生的脉冲，将采集到的脉冲对时间差分得到速度。因此利用脉冲信号的跳变沿 触发陀螺仪信号的采样，即可达到等空间采样的目的，获得以空间间隔为As