基于IMU判断高铁作业车转向的方法与流程

本发明涉及一种判断高铁作业车转向的方法，具体涉及一种基于imu判断高铁作业车转向的方法。

背景技术：

高铁作业车行驶在轨道上，其车轮受限于构造，在经过道岔时，会出现“变道”与“不变道”两种情况，即沿着当前线路继续前行，或者发生变道而到另一条轨道。道岔的构造也决定了只会“一分为二”。作业车经过一个岔道后，在进入下一个岔道前，作业车一定在这前后两个岔道之间的轨道上。因此，准确、实时地判断作业车经过岔道时的转向方向，是高铁作业车定位的重要方面，事关国家重大公共财产安全。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于imu判断高铁作业车转向的方法，该方法能够准确且实时地判断高铁作业车是否发生了转向并判断出发生转向的方向，准确率高，成本低，有利于广泛装备。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于imu判断高铁作业车转向的方法，将imu固连在高铁作业车上，使imu坐标轴的xoy平面平行于轨道平面，z轴与轨道平面垂直，实时接收imu的z轴角速度作为航向角速度，对航向角速度进行数据处理从而判断高铁作业车是否发生转向及转向的方向。

进一步地，对航向角速度进行数据处理的方法是，设置滑动窗口读取最新的若干个航向角速度并作平均，然后与开始运行以来的全部航向角速度的均值对比，二者作差，根据差值的大小及正负判断高铁作业车是否发生转向及转向的方向。

进一步地，对航向角速度进行数据处理的具体步骤是：

1)设当前时刻为t1，设立滑动窗口，容量为n1，读取最新的n1个航向角速度值，并求均值y1；同时，计算从开始运行到t1时刻的全部航向角速度值的均值y2，将y1与y2作差，并设置一个“阈值”，当y1-y2的差值的绝对值超过阈值时，根据此时的z轴方向变量，反馈出高铁作业车发生了转向，并且反馈出高铁作业车转向的方向，即左转或右转；此后，新读入的航向角速度值顶替滑动窗口的末位值，原先滑动窗口内的第2至第n1个值顶替前一位的数据，此时滑动窗口容量依旧为n1，再进行以上判断，以此循环；

2)将imu与高铁作业车按正确方式固连，此时三维坐标轴中的一轴的加速度的绝对值与重力加速度g最接近，设该轴为z轴，此时imu的坐标轴的xoy平面与轨道平面平行时；根据z轴加速度值的正负，确认当前imu的安装方向——如果z轴加速度值为正，说明z轴正方向朝下，设方向变量x1＝-1，反之，如果z轴加速度值为负，说明z轴正方向朝上，设方向变量x1＝1；

3)确认了z轴方向后，当y1与y2的差值的绝对值超过阈值，且为正，若此时x1＝1，则说明发生了左转，若此时x1＝-1，说明发生了右转；反之，当y1-y2超过阈值且为负，若此时x1＝1，则说明发生了右转，若此时x1＝-1，说明发生了左转。

本发明的有益效果是：

imu(inertialmeasurementunit，惯性测量单元)是主要用来检测和测量加速度与旋转运动的传感器，一般imu内部设有三个互相垂直的三维坐标轴，并且能够获得每一个坐标轴所在方向的加速度以及角速度，该方法利用imu能够准确且实时地判断高铁作业车是否发生了转向并判断出发生转向的方向。该方法对imu安装方向减少限制，只要imu的三维坐标轴中的一个轴与轨道平面垂直即可进行判断。该方法把高铁作业车经过岔道发生转向时的情况与航向角速度的变化联系起来，能够准确、实时地进行判断，准确率高。该方法能判断高铁作业车是否转向以及获得转向时的具体情况，成本低，有利于广泛装备。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

一种基于imu判断高铁作业车转向的方法，将imu固连在高铁作业车上，使imu坐标轴的xoy平面平行于轨道平面，z轴与轨道平面垂直，实时接收imu的z轴角速度作为航向角速度，对航向角速度进行数据处理从而判断高铁作业车是否发生转向及转向的方向。

在本实施例中，对航向角速度进行数据处理的方法是：设置滑动窗口读取最新的若干个航向角速度并作平均，然后与开始运行以来的全部航向角速度的均值对比，二者作差，根据差值的大小及正负判断高铁作业车是否发生转向及转向的方向。

在本实施例中，对航向角速度进行数据处理的具体步骤是：

1)设当前时刻为t1，设立滑动窗口，容量为n1，读取最新的n1个航向角速度值，并求均值y1；同时，计算从开始运行到t1时刻的全部航向角速度值的均值y2，将y1与y2作差，并设置一个“阈值”，当y1-y2的差值的绝对值超过阈值时，根据此时的z轴方向变量，反馈出高铁作业车发生了转向，并且反馈出高铁作业车转向的方向，即左转或右转；此后，新读入的航向角速度值顶替滑动窗口的末位值，原先滑动窗口内的第2至第n1个值顶替前一位的数据，此时滑动窗口容量依旧为n1，再进行以上判断，以此循环；

2)将imu与高铁作业车按正确方式固连，此时三维坐标轴中的一轴的加速度的绝对值与重力加速度g最接近，设该轴为z轴，此时imu的坐标轴的xoy平面与轨道平面平行时；根据z轴加速度值的正负，确认当前imu的安装方向——如果z轴加速度值为正，说明z轴正方向朝下，设方向变量x1＝-1，反之，如果z轴加速度值为负，说明z轴正方向朝上，设方向变量x1＝1；

3)确认了z轴方向后，当y1与y2的差值的绝对值超过阈值，且为正，若此时x1＝1，则说明发生了左转，若此时x1＝-1，说明发生了右转；反之，当y1-y2超过阈值且为负，若此时x1＝1，则说明发生了右转，若此时x1＝-1，说明发生了左转。

imu(inertialmeasurementunit，惯性测量单元)是主要用来检测和测量加速度与旋转运动的传感器，一般imu内部设有三个互相垂直的三维坐标轴，并且能够获得每一个坐标轴所在方向的加速度以及角速度，该方法利用imu能够准确且实时地判断高铁作业车是否发生了转向并判断出发生转向的方向。该方法对imu安装方向减少限制，只要imu的三维坐标轴中的一个轴与轨道平面垂直即可进行判断。该方法把高铁作业车经过岔道发生转向时的情况与航向角速度的变化联系起来，能够准确、实时地进行判断，准确率高。该方法能判断高铁作业车是否转向以及获得转向时的具体情况，成本低，有利于广泛装备。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

技术特征：

1.一种基于imu判断高铁作业车转向的方法，其特征在于：将imu固连在高铁作业车上，使imu坐标轴的xoy平面平行于轨道平面，z轴与轨道平面垂直，实时接收imu的z轴角速度作为航向角速度，对航向角速度进行数据处理从而判断高铁作业车是否发生转向及转向的方向。

2.如权利要求1所述的基于imu判断高铁作业车转向的方法，其特征在于：对航向角速度进行数据处理的方法是，设置滑动窗口读取最新的若干个航向角速度并作平均，然后与开始运行以来的全部航向角速度的均值对比，二者作差，根据差值的大小及正负判断高铁作业车是否发生转向及转向的方向。

3.如权利要求2所述的基于imu判断高铁作业车转向的方法，其特征在于：对航向角速度进行数据处理的具体步骤是，

1)设当前时刻为t1，设立滑动窗口，容量为n1，读取最新的n1个航向角速度值，并求均值y1；同时，计算从开始运行到t1时刻的全部航向角速度值的均值y2，将y1与y2作差，并设置一个“阈值”，当y1-y2的差值的绝对值超过阈值时，根据此时的z轴方向变量，反馈出高铁作业车发生了转向，并且反馈出高铁作业车转向的方向，即左转或右转；此后，新读入的航向角速度值顶替滑动窗口的末位值，原先滑动窗口内的第2至第n1个值顶替前一位的数据，此时滑动窗口容量依旧为n1，再进行以上判断，以此循环；

2)将imu与高铁作业车按正确方式固连，此时三维坐标轴中的一轴的加速度的绝对值与重力加速度g最接近，设该轴为z轴，此时imu的坐标轴的xoy平面与轨道平面平行时；根据z轴加速度值的正负，确认当前imu的安装方向——如果z轴加速度值为正，说明z轴正方向朝下，设方向变量x1＝-1，反之，如果z轴加速度值为负，说明z轴正方向朝上，设方向变量x1＝1；

3)确认了z轴方向后，当y1与y2的差值的绝对值超过阈值，且为正，若此时x1＝1，则说明发生了左转，若此时x1＝-1，说明发生了右转；反之，当y1-y2超过阈值且为负，若此时x1＝1，则说明发生了右转，若此时x1＝-1，说明发生了左转。

技术总结
本发明公开了一种基于IMU判断高铁作业车转向的方法，将IMU固连在高铁作业车上，使IMU坐标轴的XOY平面平行于轨道平面，Z轴与轨道平面垂直，实时接收IMU的Z轴角速度作为航向角速度，对航向角速度进行数据处理从而判断高铁作业车是否发生转向及转向的方向。该方法能够准确且实时地判断高铁作业车是否发生了转向并判断出发生转向的方向，准确率高，成本低，有利于广泛装备。

技术研发人员：宋伟伟;赵新科;朱轶群;楼益栋
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2021.01.28
技术公布日：2021.05.28