基于IMU航向角速度的铁轨变化检测方法 宋伟伟、 刘云宁、 赵新科、 张毅、 戴欣业、 张世民

《Vehicles》：Train Track Change Detection Method Based on IMU Heading Angular Velocity Weiwei Song, Yuning Liu, Xinke Zhao, Yi Zhang, Xinye Dai and Shimin Zhang

轨道占位检测研究提出仅依赖IMU的解决方案，通过Z轴陀螺仪测量值分析道岔切换事件。采用短窗口移动平均与全运行均值差构建轻量级指示器，消除零偏校准需求并提升抗干扰能力。实验表明在5-40 km/h速度下实现100%检测准确率，无需轨道地图、GNSS或数据库支持。

　　

摘要

列车轨道占用检测对铁路运营安全和调度至关重要。然而，在道岔和车站场区内，基于GNSS的定位和轨道匹配技术可能会因多径效应、干扰以及密集的轨道布局而性能下降或失效。本文提出了一种仅使用惯性测量单元（IMU）的方法，通过利用航向角速度的瞬时变化来识别列车通过道岔时的轨道切换事件。Z轴陀螺仪的测量值（大致与轨道平面法线对齐）被用作航向速率的代理指标，同时通过计算短时间窗口内的移动平均值与全程平均值之间的差异来构建一个轻量级的判别指标。全程平均值还用于近似表示陀螺仪的零偏置，从而无需预先校准，并提高了对系统漂移的鲁棒性。判别阈值是根据陀螺仪噪声统计特性确定的，而最小有效运行速度则是通过结合陀螺仪噪声特性、列车速度、道岔曲率半径以及航向速率之间的运动关系计算得出的。2025年1月至4月期间，在三个铁路段进行的实地实验共涵盖了27个道岔（300次列车通过道岔的事件），结果表明：使用恒定的判别阈值（??0 =0002 rad/s），该方法在列车速度为5–40公里/小时的情况下能够实现100%的轨道切换识别准确率，且无需依赖轨道地图、GNSS或任何先前的数据库。