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[導讀]1.引言:軌道不平順[1]檢測方法有絕對測量與相對測量兩大類,目前應用廣泛的是相對測量法。相對測量[2]又分弦測法、慣性基準法、慣性元件測量法等不同方法。其中弦測法[3]、慣性基準法使用較多。由于慣性測量元件成本

1.引言:

軌道不平順[1]檢測方法有絕對測量與相對測量兩大類,目前應用廣泛的是相對測量法。相對測量[2]又分弦測法、慣性基準法、慣性元件測量法等不同方法。其中弦測法[3]、慣性基準法使用較多。由于慣性測量元件成本高昂、體積龐大等原因,慣性元件測量法一般只局限在大型軌檢車上應用。

隨著慣性元件成本的不斷降低及其日漸小型化,該測量方法在小型軌檢小車上的應用正逐步成為可能。其中,光纖陀螺儀[4]作為一種高精度慣性測量元件,以前主要應用于軍事、航空等重要領域,現(xiàn)已廣泛應用于民用工業(yè)。

本文詳細描述了一種由VG951[5]、AD7714、P89V51RD等組成的軌檢小車用軌道方向不平順慣性測量系統(tǒng)及相關算法。該慣性測量系統(tǒng)也可用于軌道高低不平順的測量。

2.系統(tǒng)要求與技術關鍵

慣性法測量軌向、高低不平順時,實質(zhì)上是按位置測量軌道水平方向的擺角或垂直方向的俯仰角。

采用陀螺儀檢測軌向時,由于軌道在一定長度上的水平擺角不可能很大,軌檢小車的推行速度又很低,陀螺儀所感受的角速度的值是很小的,其輸出信號很微弱,很容易被噪聲淹沒。因此,本系統(tǒng)設計時,必須從噪聲背景中提取出微弱的角速度信號,并通過積分方法實現(xiàn)角度信號的輸出。

陀螺儀零位漂移是影響本系統(tǒng)性能的另一個關鍵性問題,也是陀螺儀選型時必須認真考慮的首要因素。

3.系統(tǒng)設計

VG951光纖陀螺儀是根據(jù)薩格納克效應研制的,即光在薩格納克效應中產(chǎn)生的光程差與旋轉(zhuǎn)角速度成正比,從而可通過光的干涉結(jié)果推算角速度,其輸出信號與角速度成正比。其主要關鍵技術指標為:偏差穩(wěn)定性:0.3 - 1deg/hr;隨機游走:<0.002deg/sqrtHz;工作范圍:80deg/sec;

偏差重復性(offset) 1°/hr,1 sigma;偏差變化(恒穩(wěn)態(tài))0.3°/hr,1 sigma;比例因子37mV/°/s±10%;外部磁場<1°/hr/Gauss;輸出阻抗1000Ω。由此可以看出,VG951是一種穩(wěn)定性好、漂移小、重復性好、抗磁能力強的性能優(yōu)異的光纖陀螺儀產(chǎn)品。

陀螺儀用于檢測軌向時輸出信號很微弱,因此,必須選用低噪聲運放電路,并合理設置濾波電路。本系統(tǒng)選用高精度低噪聲的儀用放大器AD620,其最佳源電阻在1000Ω左右,正好與VG951相匹配,能最大限度地減少由于電路阻抗不匹配產(chǎn)生的噪聲[6] 。該放大電路與無源 RC濾波電路組合,能夠有效保證前置放大電路的品質(zhì)。

AD 公司的A/D轉(zhuǎn)換器AD7714[6]是一款帶信號處理功能的串行A/D,可直接從傳感器接受低電平信號,使用和差轉(zhuǎn)換技術實現(xiàn)高達24bit的無誤碼模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD7714內(nèi)置數(shù)字濾波功能,可編程設置濾波器的截止頻率和穩(wěn)定時間。本系統(tǒng)可同時接受和處理二路VG951的輸入。 AD7714參考端電壓(+3.0V)由AD780提供。

陀螺儀信號是雙極性信號,且信號地與電源地相通。雖然AD7714可以接受雙極性輸入,但有一個限制條件,即信號相對于AGND的電壓不能低于-30mv。因此,必須將陀螺儀信號平移一個基準電壓(+1.5V),該電壓由AD780分壓提供。

系統(tǒng)以Philips公司的P89V51RD2[8]為控制與數(shù)據(jù)處理中心。P89V51RD2是一種高性能的80C51兼容型單片機,片內(nèi)內(nèi)置64K程序存儲器,768+256Byte數(shù)據(jù)存儲器,可利用 Philips提供的ISP/IAP程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的在線編程(在系統(tǒng)或在應用編程)。該CPU管理并控制著數(shù)據(jù)采集過程,由T2 定時器給AD7714的數(shù)字積分提供精確定時,并完成陀螺儀測量數(shù)據(jù)的實時分析與處理工作。圖1為簡化硬件原理圖。

同時,P89V51RD2還是與軌檢小車主CPU進行數(shù)據(jù)通訊的控制器,成為軌檢小車多CPU主從結(jié)構(gòu)的一個基礎端點。

圖1 簡化硬件原理圖

4.零點漸變算法

受陀螺儀零飄以及AD7714 AIN端信號偏置、基準電壓和參考電壓穩(wěn)定性等因素的影響,AD7714輸出信號的零點(陀螺儀角速度為零時輸出信號)呈現(xiàn)出一定程度的波動。如果采用一次平均法計算零點,則隨著時間變化實際零點漂移會很大,既實際零點與一次平均法所求的零點之差會變得很大,這樣僅僅零點之差求和(既積分)就會產(chǎn)生不容忽視漂移。圖2系列3曲線為一次平均法(求取零點)所產(chǎn)生的零點積分漂移曲線.

零點漸變算法的基本思路是:用多次平均法代替一次平均法求取零點。首先在陀螺儀靜止不動(角速度為零)時,采集八個數(shù)據(jù)(實際零點)作為樣本,這些樣本叫做零點樣本,求它們的均值,并稱該值為基準零點,第一個基準零點叫初始基準零點,然后每采集八個零點樣本求得一個新的基準零點。當陀螺儀運動(角速度不為零)時,零點樣本由上次所求的基準零點代替,這樣不管陀螺儀狀態(tài)如何,每采集八個數(shù)據(jù)都可獲得八個零點樣本,既獲得一個基準零點,由于實際零點與基準零點隨時間幾乎同時變化,所以它們之差不會隨時間變化而變得很大,這樣零點之差求和(既積分)產(chǎn)生的漂移將大大減少,零點漂移積分效果見圖2系列3曲線。由上所述,求取零點樣本為關鍵所在,下面是判斷零點(陀螺儀角速度為零)依據(jù)。

由于陀螺儀VG951最小可分辨的角速度為0.002º/s,其比例因子為37mv/(º/s),換算成電壓為37*0.002=74µV,用十六進制數(shù)據(jù)表示為74/(3*1000000)/*224=19D,AD采集的數(shù)據(jù)用3字節(jié)數(shù)據(jù)表示:XX XX XX,顯然陀螺儀信號只能精確到16位。所以信號采集的精度在16位以上就可以。如果采集的信號與(初始)基準零點相減,其差值在100以下,可以認為這時陀螺儀角速度為零,信號可作為零點樣本。若差值大于100則認為是非零信號(陀螺

儀角速度不為零),該點零點樣本由上次所求的(初始)基準零點代替。

圖2 陀螺儀靜止不動時零點積分漂移曲線

5.實驗效果

軌道方向(陀螺儀轉(zhuǎn)過的角度)是通過實際采集的信號與上次所求的(初始)基準零點之差求和實現(xiàn)。實驗輸出曲線見圖 3其中橫坐標為秒,縱坐標為角度量(未標定位為實際角度),由圖3可知在1小時內(nèi)角度漂移沒超過400000,化為實際角度為:400000/16/224*3/0.037=0.06º,漂移非常小。突變曲線是陀螺儀緩慢運動時輸出的,反應非常靈敏。

圖3 陀螺儀輸出軌向圖

6.結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點:該系統(tǒng)采用精密的光纖陀螺儀作為小型軌檢車測量方向不平順的傳感器,這是一種新的嘗試,并在實踐中逐步形成了零點漸變算法,此算法是系統(tǒng)成敗的關鍵。帶有數(shù)字濾波功能的24位A/D AD7714的應用提高了抗干擾能力及測量精度,零點漸變算法、積分功能使得所求角度漂移小精度高,而P89V51RD2提供了更大的數(shù)據(jù)存儲空間,其ISP/IAP功能利于對系統(tǒng)程序的修改或升級。

參考文獻:

[1]馬小建, 朱洪濤等 .影響軌向不平順的幾個因數(shù)[J].南昌大學學報,2005,1:12-16.

[2]杜鶴亭,長波長軌道不平順檢測中的數(shù)字濾波方法[J].中國鐵道科學,2000,4:58-64.

[3]朱洪濤, 魏暉等.弦測法檢測軌向不平順的研究[J].鐵道建筑,2005,10:63-64 .

[4] 周海波等.光纖陀螺儀的發(fā)展現(xiàn)狀[J].傳感器技術, 2005,6:1-3.

[5]Shanghai Lamshine Co.LTD.VG951 [EB/OL] .

http://www.51sensor.com/english/gyros/VG951.p df

[6]高晉占.微弱信號檢測[M].清華大學出版社,2004,11:53-58.

[7]金旭東,于向軍,呂震.中Σ-Δ數(shù)摸轉(zhuǎn)換在風粉測量中的應用[J].微計算機信息(測控儀表自動化),2003,9:77-78.

[8]周立功單片機PHILIPS 80C51系列單片機應用設計[EB/OL].

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