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申请/专利权人：武汉纵横天地空间信息技术有限公司

摘要：本发明涉及一种轨检小车的轨距和超高测量方法及系统，其方法包括分别建立轨距补偿值和超高补偿值与姿态角的数学模型；根据轨检小车静止时的测量值计算轨检小车惯导的初始姿态信息；在运动过程中根据轨检小车惯导的实时测量值计算轨检小车惯导的姿态变化信息，并确定轨检小车惯导的实时姿态信息；获取实时的轨距测量值和超高测量值，并根据实时姿态信息和数学模型对轨距测量值和超高测量值进行修正，得到目标轨距和目标超高。本发明根据建立的数学模型和实时姿态信息对轨距测量值和超高测量值进行修正补偿，得到更为精确的目标轨距和目标超高，在不增加轨检小车硬件成本的前提下大大提高了轨检小车轨距和超高的测量精度。

主权项：1.一种轨检小车的轨距和超高测量方法，其特征在于，包括如下步骤：分别建立轨距补偿值和超高补偿值与姿态角的数学模型；根据轨检小车静止时的测量值计算轨检小车惯导的初始姿态信息；在运动过程中根据轨检小车惯导的实时测量值计算轨检小车惯导的姿态变化信息，并根据所述初始姿态信息和姿态变化信息确定轨检小车惯导的实时姿态信息；获取实时的轨距测量值和超高测量值，并根据所述实时姿态信息和数学模型对轨距测量值和超高测量值进行修正，得到目标轨距和目标超高；所述建立轨距和超高补偿差与姿态角的数学模型具体包括如下步骤：定义铁路轨道为半径为R的圆曲线模型，轨检小车固定端的两个导向轮之间的距离为L，则轨距补偿值Ds的计算公式为： 其中，在轨距校正时，dA为轨检小车沿轨道前进方向时两个固定端导向轮之间的方位角度变化量，在超高校正时，dA为轨检小车沿轨道前进方向时两个固定端导向轮之间的俯仰角度变化量；所述根据轨检小车惯导的测量值计算轨检小车惯导的初始姿态信息具体包括如下步骤：计算轨检小车静止时的惯导加速度计输出值，即地球重力加速度矢量g在载体坐标系b中的投影gb，以及惯导陀螺仪输出值，即地球自转角速度矢量ωie在载体坐标系b中的投影分别将重力加速度矢量g在载体坐标系b中的投影gb和角速度矢量在载体坐标系b中的投影转换为导航坐标系中的投影gn和 其中，φ为静基座环境下的纬度，g为地球重力加速度矢量，ωie地球自转角速度矢量；根据所述重力加速度矢量g分别在载体坐标系b中的投影gb和导航坐标系中的投影gn，以及所述角速度矢量ωie在载体坐标系b中的投影和导航坐标系中的投影确定静止状态下的初始姿态矩阵根据所述初始姿态矩阵计算出轨检小车的初始姿态角，计算公式为： 其中，ψ0为初始航向角，φ0为初始横滚角，θ0为初始俯仰角，Cij为初始姿态矩阵第i行第j列的元素；所述根据所述重力加速度矢量g分别在载体坐标系b中的投影gb和导航坐标系中的投影gn，以及所述角速度矢量ωie在载体坐标系b中的投影和导航坐标系中的投影确定初始姿态矩阵具体包括如下步骤：对所述重力加速度矢量g分别在载体坐标系b中的投影gb和导航坐标系n中的投影gn，以及所述角速度矢量ωie在载体坐标系b中的投影和导航坐标系n中的投影进行归一化处理，得到对应的单位矢量gb’、gn’、和在载体坐标系b将重力向量中的单位矢量gb’和地球自转角速度的单位矢量进行叉乘处理，得到载体坐标系b的第一单位向量vb’，在导航坐标系n中将重力向量中的单位矢量gn和地球自转角速度的单位矢量进行叉乘处理，得到导航坐标系n的第一单位向量vn’；在载体坐标系b将第一单位向量vb’与重力向量中的单位矢量gb’进行叉乘处理，得到载体坐标系b的第二单位向量wb，在导航坐标系n中将第一单位向量vn’与地球自转角速度的单位矢量gn’进行正交化处理，得到导航坐标系n的第二单位向量wb；根据所述单位矢量gb’、gn’、第一单位向量vb’、vn’、第二单位向量wb、wb构建单位正交矩阵，并计算初始姿态矩阵计算公式为： 所述在运动过程中根据轨检小车惯导的实时测量值计算轨检小车惯导的姿态变化信息，并根据所述初始姿态信息和姿态变化信息确定轨检小车惯导的实时姿态信息具体包括如下步骤：对轨检小车惯导的加速度计采集的三轴测量值的地球重力加速度分量进行归一化处理，得到加速度归一化向量；将轨检小车t-1时刻的姿态计算得到的四元数换算成t-1时刻姿态矩阵 其中,q0、q1、q2、q3分别为t-1时刻的姿态四元数；从所述实时姿态矩阵提取地理坐标系中重力向量并归一化后转换到载体坐标系,计算公式为: 将归一化后的三轴测量值与提取的归一化后的重力向量进行叉乘，得到姿态矩阵误差Err，计算公式为： 其中，a′为归一化处理后的三轴加速度测量值向量；利用比例和积分调节器对所述姿态矩阵误差Err计算补偿误差ωbias，计算公式如下：ωbias＝Kp*Err+Ki*∫Err其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数；根据所述补偿误差对轨检小车输出的角速度测量值进行补偿，计算公式为：ω＝_ω+ωbias 其中，_ω为惯导输出的角速度测量值，ωbias为补偿误差；根据四元数微分方程对姿态进行递推，得到融合后的姿态微分方程： 根据所述姿态微分方程计算t时刻的姿态四元数q0'、q1'、q2'、q3'，Δt为时间间隔，即采样率，计算公式为：q0'＝q0+0.5*dt*-q1*ωx-q2*ωy-q3*ωz；q1'＝q1+0.5*dt*q0*ωx+q2'*ωz-q3*ωy；q2'＝q2+0.5*dt*q0*ωy-q1*ωz+q3*ωx；q3'＝q3+0.5*dt*q0*ωz+q1*ωy-q2*ωx；其中，q0、q1、q2、q3分别为t-1时刻的姿态四元数，dt为采样时间间隔，ωx、ωy、ωz为惯导经过补偿后的三轴角速度变化量；对t时刻的姿态四元数q0'、q1'、q2'、q3'进行归一化，得到归一化的t时刻姿态四元数q0”、q1”、q2”、q3”；将归一化后的所述姿态四元数转换为角度信息，转换公式为： θ＝-arcsin2q1”q3”+2q0”q2”其中，为t时刻的横滚角，θ为t时刻的俯仰角，t时刻的航向角ψ取惯导Z轴方向陀螺仪的输出值的积分；所述根据所述实时姿态信息和数学模型对轨距测量值和超高测量值进行修正具体包括如下步骤：根据轨检小车的里程计获取轨检小车的里程数据，并通过时间匹配查询所述里程数据对应的姿态信息；根据所述姿态信息和数学模型计算轨距补偿值Ds和超高补偿值Ss，并根据所述轨距补偿值和超高补偿值分别对所述轨距测量值D测和超高测量值S测进行修正，得到目标轨距D轨距和目标超高S超高，计算公式为： 其中，D测为轨距测量值，L为轨检小车前后导向轮之间的距离，S测为超高测量值，ψ+L2和ψ-L2分别为轨检小车的前后导向轮处的航向角，θ+L2和θ-L2分别为轨检小车的前后导向轮处的俯仰角。

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