基于MEMS陀螺儀的鐵路軌道塌陷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陸 晨， 陳坤杰

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 江蘇 南京 210031)

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基于MEMS陀螺儀的鐵路軌道塌陷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陸 晨， 陳坤杰

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 江蘇 南京 210031)

針對(duì)鐵路軌道經(jīng)常塌陷、事故頻發(fā)現(xiàn)狀，為有效監(jiān)測(cè)軌道塌陷情況，設(shè)計(jì)了一種基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀的鐵路軌道塌陷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原理，以MEMS陀螺儀、GPS模塊為姿態(tài)測(cè)量元件，采用可編程邏輯控制器(PLC)對(duì)陀螺儀和全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，定制了Win CE操作系統(tǒng)的ARM存儲(chǔ)控制。同時(shí)，應(yīng)用卡爾曼濾波算法在Matlab上實(shí)現(xiàn)陀螺儀和GPS數(shù)據(jù)融合、消除噪聲。系統(tǒng)測(cè)試前使用專用水平儀傳感器進(jìn)行靜態(tài)檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明：在平整和顛簸兩種路段下，系統(tǒng)檢測(cè)值準(zhǔn)確可靠。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)出傾角誤差絕對(duì)值大于0.4°時(shí)，能夠準(zhǔn)確反映塌陷超標(biāo)并反饋信息。系統(tǒng)符合我國(guó)鐵路軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)指標(biāo)，可廣泛應(yīng)用于鐵路軌道塌陷監(jiān)測(cè)。

軌道塌陷； 陀螺儀； 卡爾曼濾波； Matlab； 傾角誤差

0 引 言

盡管,MEMS陀螺儀在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1～3]，但是在軌道塌陷監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用仍不足。對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)，普通的人工靜態(tài)檢測(cè)效率低下、技術(shù)裝備落后；調(diào)用大型軌道檢測(cè)車間隔周期太長(zhǎng)，無法滿足安全生產(chǎn)要求。

本文設(shè)計(jì)了一套低成本便攜式軌道塌陷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及相關(guān)算法。系統(tǒng)以微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)陀螺儀和GPS模塊為姿態(tài)檢測(cè)元件，運(yùn)用卡爾曼濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，配置Win CE[4]操作系統(tǒng)的嵌入式為系統(tǒng)控制核心，并進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基本原理

1.1 軌道塌陷檢測(cè)

系統(tǒng)主要檢測(cè)軌道水平方向和垂直方向塌陷。水平方向塌陷指在左右兩軌中，其中一邊軌道發(fā)生凸起或者凹陷；垂直方向塌陷指對(duì)于單軌而言，單軌的某一位置凸起或者凹陷，如圖1(a)和圖1(b)所示。參考國(guó)家鐵路局對(duì)軌道不平順[5]參數(shù)的檢測(cè)，系統(tǒng)通過將陀螺儀、GPS等器件安裝在測(cè)試平臺(tái)上，以人工推行方式，同時(shí)獲取軌道水平方向和垂直方向傾角以及位置信息，通過檢測(cè)兩個(gè)方向傾斜角度大小反映軌道塌陷程度。將傾斜角度獲得值與軌道日常值進(jìn)行比較，當(dāng)超過軌道允許塌陷范圍時(shí)，便安排專門維修人員搶修，保證鐵路軌道正常運(yùn)營(yíng)。

圖1 軌道塌陷檢測(cè)原理

1.2 測(cè)量指標(biāo)

根據(jù)我國(guó)鐵路軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)要求，參考軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)[6]，制定了軌道動(dòng)態(tài)塌陷檢測(cè)指標(biāo)，見表1。對(duì)于速度v不同的機(jī)車，軌道塌陷指標(biāo)不同。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)按照每隔1 m的峰值管理法[7]，取1 m內(nèi)水平和垂直最高塌陷值，分為I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ 4個(gè)等級(jí)，等級(jí)越高塌陷程度越嚴(yán)重。

表1 軌道塌陷監(jiān)測(cè)指標(biāo)

為適應(yīng)不同速度機(jī)車運(yùn)行，根據(jù)軌道檢測(cè)指標(biāo)表1選取水平和垂直方向塌陷報(bào)警閾值分別為6 mm和5 mm，根據(jù)圖1推導(dǎo)公式

(1)

(2)

式中L為檢測(cè)距離；M為單軌寬度；θ為傾角。計(jì)算可得水平傾角θ為0.45°；垂直傾角θ為0.4°。由于系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)軌道傾角值來判定軌道塌陷程度，所以當(dāng)傾角θ變化大于0.4°時(shí)，便判定塌陷超標(biāo)。

2 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

軌道塌陷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、存儲(chǔ)單元和數(shù)據(jù)處理3部分組成。系統(tǒng)主要通過可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)采集陀螺儀和GPS模塊信號(hào)，得到傾角和對(duì)應(yīng)的位置信息，然后串口發(fā)送數(shù)據(jù)至WinCE系統(tǒng)的ARM[8]中，最后在PC終端上運(yùn)用卡爾曼算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、除噪聲，從而顯示分析軌道塌陷情況得出結(jié)論。圖2為軌道塌陷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

綜合考慮各種因素，選用型號(hào)為L(zhǎng)PMS—CU的陀螺儀和天寶BD970的GPS模塊。為了同時(shí)將陀螺儀數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)輸出，通過GPS中1PPS[9]的信號(hào)上升脈沖,解算出對(duì)應(yīng)時(shí)間的陀螺儀數(shù)據(jù)，達(dá)到時(shí)間同步。

系統(tǒng)采集信號(hào)包括兩部分：陀螺儀信號(hào)和GPS信號(hào)。由于GPS傳輸回來經(jīng)緯度信息能直接被PLC采集，只需在PLC程序中解調(diào)獲得具體位置信息即可，不需要將信號(hào)放大[10]。陀螺儀信號(hào)相對(duì)弱，所以要對(duì)陀螺儀信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)。先利用減法器將角度信號(hào)0位電壓濾除，獲得與電壓信號(hào)成比例的凈電壓信號(hào)，再利用乘法器按比例放大，設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)放大電路

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 系統(tǒng)控制中心設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)控制的要求，選用型號(hào)為mini2440的ARM9開發(fā)板，開發(fā)板采用Samsung S3C2440微處理器，采用專業(yè)穩(wěn)定的CPU內(nèi)核電源芯片和復(fù)位芯片來保證運(yùn)行。為方便保存和顯示數(shù)據(jù)，系統(tǒng)主板的操作系統(tǒng)定制為Win CE操作系統(tǒng)[11]。Win CE操作系統(tǒng)開發(fā)流程如圖4所示。

按照開發(fā)流程完成系統(tǒng)定制后，生成名為eboot.nbo 的Bootloader鏡像文件以及名為NK.bin的系統(tǒng)鏡像文件，首先，下載Bootloader鏡像文件，然后，完成NK.bin內(nèi)核鏡像文件的下載。經(jīng)過調(diào)試和修改完成Win CE操作系統(tǒng)的定制。

2.3.2 PLC數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集部分需要完成對(duì)陀螺儀和GPS模塊兩路傳感器信號(hào)的采集。具體設(shè)計(jì)如下：選擇X0，X1作為陀螺儀和GPS模塊兩路傳感器信號(hào)的輸入端。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路信號(hào)的采集，要求每0.2 s采集一次，并將采集到的脈沖頻率存放到PLC內(nèi)部寄存器D10～D13，同時(shí)實(shí)現(xiàn)C235～C238計(jì)數(shù)器的清零操作。流程圖如圖5(a)所示。

圖5 信號(hào)處理流程

2.3.3 PLC與GPS數(shù)據(jù)通信

PLC與GPS之間的數(shù)據(jù)通信必須遵從美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)NMEA 0183協(xié)議[12]。根據(jù)協(xié)議規(guī)定GPS接收數(shù)據(jù)通過串行口通信輸入PLC[13]，采用每周期計(jì)算，輸出各相關(guān)定位數(shù)據(jù)，采用順序控制的方法，按照?qǐng)D5(b)通信流程。例如，當(dāng)讀取當(dāng)前的坐標(biāo)時(shí)，同時(shí)分析$GPGGA定位信息；當(dāng)讀取時(shí)間時(shí)，可分析$GPRMC幀數(shù)據(jù)。以此類推，其他信息可參考NMEA0183協(xié)議獲取。按照此規(guī)則可得到GPS接收的當(dāng)前坐標(biāo)、當(dāng)?shù)貢r(shí)間、海拔以及方向。

2.3.4 卡爾曼濾波算法設(shè)計(jì)

對(duì)于系統(tǒng)而言，單獨(dú)使用陀螺儀不能提供有效的角度信息。陀螺儀能提供瞬間的動(dòng)態(tài)角度變化，但是由于其本身的固有特性、溫度及積分過程的影響，它會(huì)隨工作時(shí)間的延長(zhǎng)而產(chǎn)生漂移誤差，同時(shí)，在檢測(cè)過程中會(huì)有大量噪聲干擾。為了克服這些問題，采用卡爾曼濾波算法(最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法)[14]。算法利用GPS模塊的測(cè)量值和陀螺儀測(cè)量的角度值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和矯正，從而得到最優(yōu)的角度值。

在實(shí)際計(jì)算過程中，卡爾曼增益(Kalman gain)K會(huì)隨不同時(shí)刻而改變，滿足在狀態(tài)估計(jì)時(shí)對(duì)信息的加權(quán)。

式(3)、式(4)、式(5)、式(6)為卡爾曼濾波狀態(tài)更新方程

X(k|k-1)=AX(k-1|k-1)+BU(k)

(3)

P(k|k-1)=AP(k-1|k-1)AT+Q

(4)

K(k)=P(k|k-1)HT/(HP(k|k-1)HT+R)

(5)

X(k|k)=X(k|k-1)+K(k)(Z(k)-HX(k|k-1))

(6)

式中A和B為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，K為卡爾曼增益，Z(k)為觀測(cè)矩陣，H為參數(shù)矩陣，P(k|k-1)為對(duì)應(yīng)于X(k|k-1)的協(xié)方差。Q和R分別為噪聲協(xié)方差陣和測(cè)量誤差協(xié)方差陣，用于校正濾波算法，形式如下

(7)

式中qgps和qgyro分別為GPS模塊和陀螺儀測(cè)量的協(xié)方差。系統(tǒng)協(xié)方差代表系統(tǒng)精度的可靠性，協(xié)方差值越小，系統(tǒng)精度越可靠。經(jīng)過卡爾曼濾波處理，能消除陀螺儀的漂移以及減小噪聲，從而優(yōu)化角度值。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選取平整和顛簸兩種道路代替鐵路軌道進(jìn)行，設(shè)備安放在手推車上。小車運(yùn)行速度為1～1.5 m/s，兩種路段運(yùn)行距離均為10 m，采樣周期0.2 s，分別在3天內(nèi)進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)同時(shí)檢測(cè)出兩個(gè)方向傾角和位置信息，最后用卡爾曼濾波算法進(jìn)行處理得出結(jié)論。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)前，先用專用水平儀和量角器測(cè)得采樣點(diǎn)的靜態(tài)值，3次測(cè)量取平均值，確定系統(tǒng)角度最大調(diào)整范圍。然后設(shè)定平整路段程序最大調(diào)整范圍±10°，顛簸路段最大調(diào)整范圍±50°。系統(tǒng)平穩(wěn)后，設(shè)定采樣頻率5 Hz，在平整和顛簸兩種路況下分3天進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，得到對(duì)應(yīng)位置坐標(biāo)下測(cè)量值。最后上傳至上位機(jī)進(jìn)行卡爾曼算法處理，獲取對(duì)應(yīng)位置坐標(biāo)下的誤差絕對(duì)值(濾波后檢測(cè)值與靜態(tài)值之差)以及系統(tǒng)協(xié)方差值。根據(jù)協(xié)方差值來判定系統(tǒng)檢測(cè)精度，協(xié)方差越小精度越高；根據(jù)誤差絕對(duì)值來判定塌陷是否超標(biāo)。以測(cè)得的水平傾角為例，表2列舉一天實(shí)驗(yàn)中平整和顛簸路段典型實(shí)測(cè)水平傾角數(shù)據(jù)。

由表2數(shù)據(jù)分析可知：在平整和顛簸2種路段下，系統(tǒng)協(xié)方差分別為0.004 8和0.003 6，無限接近于0，系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確度高。同時(shí)，當(dāng)傾角誤差絕對(duì)值大于等于0.4°時(shí)，系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢測(cè)出并反饋位置坐標(biāo)，符合我國(guó)鐵路軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)指標(biāo)。

表2 路面實(shí)測(cè)水平傾角變化

4 結(jié) 論

1)系統(tǒng)主要通過PLC來集陀螺儀角度信號(hào)和GPS位置信號(hào)，卡爾曼濾波算法將GPS數(shù)據(jù)和陀螺儀數(shù)據(jù)融合，實(shí)驗(yàn)中，采集過程具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為系統(tǒng)的穩(wěn)定控制提供保障。

2)通過在平整和顛簸2種路段實(shí)驗(yàn)下，系統(tǒng)協(xié)方差值小，系統(tǒng)檢測(cè)值可靠。同時(shí)，系統(tǒng)能有效監(jiān)測(cè)不同位置坐標(biāo)下傾角變化。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)出傾角誤差絕對(duì)值大于等于0.4°，準(zhǔn)確反映出塌陷超標(biāo)并反饋信息。系統(tǒng)指標(biāo)符合我國(guó)鐵路軌道動(dòng)態(tài)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，可廣泛應(yīng)用于鐵路軌道塌陷的監(jiān)測(cè)。

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Design of railway track collapse monitoring system based on MEMS gyroscope*

LU Chen, CHEN Kun-jie

(College of Engineering,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210031,China)

Facing on the phenomenon of railway track often collapse in some areas，a kind of railway track collapse monitoring system based on MEMS gyroscope is proposed.Basic design principle of the system is analyzed.MEMS gyroscope and GPS module are used as attitude measurement components,adopting programmable logic controller(PLC)to real-time collect sampling of gyroscope and GPS module information,customizing ARM storage control of Windows CE operating system.Data of gyroscope and GPS are fused，noise is eliminated by using Kalman filtering algorithm on Matlab software.Special level sensor is used for static test before the system test.The test results show that the system has accurate readings on the flat and bumpy road.The system can feedback the results effectively when inclination error is more than 0.4°.The system conforms to the index of railroad track dynamic detection in China,which can be widely used in railway track subsidence monitoring.

track collapse; gyroscope; Kalman filtering; Matlab; inclination error

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0085—04

2016—09—06

江蘇省科技支撐計(jì)劃(社會(huì)發(fā)展)資助項(xiàng)目(BE2014708)

TP 212

A

1000—9787(2017)08—0085—04

陸 晨(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化、儀器儀表測(cè)量技術(shù)。

陳坤杰(1963-),男，通訊作者，博士，教授，從事農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)與研究工作，E—mail:kunjiechen2@njav.edu.cn。