CN101003278B - 机车头灯自动寻迹系统 - Google Patents

Abstract

本发明为机车头灯自动寻迹系统，为GPS定位系统，解决机车弯道照明问题。包括：计算机(2)，接收GPS数据接收机收到的机车经过的路线上的各点的经、纬度信息，并通过计算某一点与它附近点位置关系，确定该点的机车运动方向角度，通过计算该点与头灯期望照亮点的连线方向的角度和该点的运动方向角度差，得到该点头灯要转动的角度，用同样方法计算各点的角度，并将各点角度信息及其经、纬度信息生成路线位置角度表，微处理器(4)，在机车的行车线路上接收GPS数据接收机在当前点的经、纬度信息，从存贮器中读取路线位置角度表中各点的经、纬度信息，计算与其当前点的距离，取路线位置角度表中计算结果距离最小点作为当前点的位置，再从路线位置角度表中取出距离最小点的角度信息，并计算出步进电机驱动脉冲信息。

Description

机车头灯自动寻迹系统 

技术领域：

本发明涉及一种机车头灯自动寻迹系统，尤其涉及应用GPS定位技术的机车头灯自动寻迹系统。 

背景技术：

随着我国铁路建设事业的发展(火车不断提速；建设新的高速铁路；等等)，对火车运行安全、正点、快捷、舒适、方便的要求越来越高。传统的技术已不能解决问题，必将采用以GPS卫星定位技术为核心的多种高新技术集成的“铁路智能运输系统”(RITS)技术来解决。智能运输系统是指将GPS卫星定位技术、GIS地理信息技术、无线通信技术、自动控制技术、计算机技术以及网络技术等综合地运用于整个交通运输管理体系而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的、实时、准确、高效的智能化交通运输综合管理、控制和服务系统。在欧美各国RITS  的研制与开发已有20余年的历史，产生了一批有代表性的系统：如北美铁路的“先进列车控制系统”(ATCS)、法国铁路的“连续实时追踪自动化系统”(ASTREE)、欧洲铁路的“全欧列车控制系统”(ETCS)，等等。但这些系统只能解决火车车身即时定的问题，不能解决车头灯在弯道照亮路轨的问题。 

已有的机车头灯是不能旋转的，它被固定在机车头部，它发射出的光线与机车行驶方向始终保持一致。当机车行驶在直线轨道上行驶的时候，光线会落在轨道中心线上，但是，当机车驶入弯道的时候，光线无法始终照射到轨道上。因此，机车在夜间高速行驶中带来了安全隐患。 

发明内容：

本发明的目的是提供一种机车头灯可根据GPS卫星定位系统的定位信号旋转，使其射出的光线始终落在轨道附近，自动控制机车头灯的机车头灯自动寻迹系统。 

本发明是这样实现的： 

本发明机车头灯自动寻迹系统，包括： 

GPS数据接收机1，装于机车顶部接收GPS信号， 

计算机2，接收GPS数据接收机收到的机车经过的路线上的各点的经、纬度信息，并通过计算某一点与它附近点位置关系，确定该点的机车运动方向角度，通过计算该点与头灯期望照亮点的连线方向的角度和该点的运动方向角度差，得到该点头灯要转动的角度，用同样方法计算各点的角度，并将各点角度信息及其经、纬度信息生成路线位置角度表， 

存贮器3，存贮路线位置角度表， 

微处理器4，在机车的行车线路上接收GPS数据接收机在当前点的经、纬度信息，从存贮器中读取路线位置角度表中各点的经、纬度信息，计算与其当前点的距离，取路线位置角度表中计算结果距离最小点作为当前点的位置，再从路线位置角度表中取出距离最小点的角度信息，并计算出步进电机驱动脉冲信息， 

电机控制器5，从微处理器输入角度信息和驱动脉冲信息，转化为电机正、反转和控制脉冲信号， 

步进电机6，接收电机控制器5输出的信号，控制灯头装置的转动， 

灯头装置7，带动机车头灯转动。 

计算机2生成路线位置角度表的方法如下： 

(1)当机车第一次运行于路线时，计算机遂点接收GPS数据接收机收到的经、纬度数据将其添加到路线位置角度表中各序号的经、纬度信息栏中， 

(2)选路线位置角度表中第二条记录为当前点记录，取出其经度数据到计算机2的第一寄存器，纬度数据到第二寄存器，取出当前点记录的前一点记录的经度数据到第寄存器，纬度数据到第4寄存器，取出当前点记录的后一点记录的经度数据到第5寄存器，纬度数据到第6寄存器，取出当前点记录的后n点记录的经度数据到第7寄存器，纬度记录到第8寄存器，计算机2用第6寄存器的数据减去第2寄存器的数据的差除以第5寄存器数据减去第1寄存器数据的差，再做反正切，用第2寄存器的数据减去第4寄存器的数据的差除以第1寄存器的数据减去第3寄存器的差，再做反正切，将上述两个反正切相加后除以2，得到当前点方向的角度存入第9寄存器，计算机2用第8寄存器的数据减去第2寄存器的数据的差除以第7寄存器的数据减去第1寄存器的数据的差，再做反正切得到当前点后n点与当前点的连线方向的角度，存入第10寄存器，用第10寄存器的数据减去第9寄存器的数据，即得到当前点的角度数据，计算机2以同样的方法，得到路线位置角度表各点的角度数据，完成路线位置角度表的生成。 

微处理器4从计算机中读取路线位置角度表，将其存储在存贮器3中，机车接收一次GPS接收机发出的经、纬度数据作为当前点数据，从路线位置角度表中依次读取表中每一点的经纬度数据，计算其与当前点经纬度数据差，将经度差的平方加纬度差的平方和开方，取所有的计算结果中距离最小的点作为机车当前点的位置，再根据机车当前点从线路位置角度表中读出该点的角度数据作为电机正、反转信号，将角度数据除以90再乘以步进电机的脉冲变换系数得到电机的控制脉冲信号，将正反转信号和控制脉冲信号输出到电机控制器5，电机控制器5将其转化为电机驱动信号输出到步进电机6控制电机的正反转和转动角度，与步进电机输出轴传动连接的头灯装置7作相应的左转或右转，并转动相应的弧度，使头灯照亮期望照亮点，即n点，优选n＝5。 

机车头灯装置7的机座8上安装有蜗杆9、蜗轮10传动装置，蜗杆9与步进电机输出轴传动连接，蜗轮10轴下端齿轮14与扇形齿轮11啮合，扇形齿轮安装在灯架转轴12底端，灯架13固定在转轴12上。 

GPS数据采集需要一台笔记本电脑和GPS接收机搭载在机车上。具体过程如下：笔记本电脑和6PS接收机供电由机车车载电源提供；GPS接收机和笔记本电脑通过RS232串口连接，将GPS天线与GPS接收机通过专用电缆连接，GPS天线安装于机车的顶部，这样便于接收GPS信号；机车在预定线路上运行，笔记本电脑运行GPS数据采集程序，将接收到的GPS数据保存下来。 

GPS数据处理分析是将采集到的数据进行处理。通过计算某一点与它附近点的位置关系，确定出这一点的机车运动方向。通过计算将至位置点(即头灯期望照亮点)与当前位置点的连线方向的角度和当前方向的角度之差，得到角度差即头灯所要转动角度，此角度作为头灯控制的依据，在某个点即可依此角度控制头灯转动，生成完整的路线位置角度表。最后，将表下载到车载控制器存储器中，为实际控制做准备。 

车载控制系统由控制系统软件和硬件电路组成。车载控制系统的控制系统软件通过实时采集GPS接收机提供的卫星数据，得出当前点位置，通过与路线位置角度表中的数据进行对比分析运算后，得出机车头灯转 动角度，输出控制信号以控制头灯转动，以照亮铁轨。车载控制系统的硬件电路包括微处理器、存储器、串行接口和电机控制器。微处理器通过串行接口与PC机相连，以读取路线位置角度表，将它存储在存储器中。在控制过程中，微处理器通过串行接口从GPS接收机取得位置信息，微处理器处理后，产生控制脉冲和正反转信号给电机控制器，电机控制器输出驱动电流控制步进电机转动。电机带动支架运动，产生头灯转动动作。 

本发明结构简单，使用方便，控制可靠，解决了机车在弯道的路线照明问题，提高了机车的行车安全性。 

附图说明：

图1是机车头灯自动寻迹系统的系统原理图。 

图2是本发明控制程序流程图。 

图3是本发明生成路线位置角度表程序流程图 

图4是本发明结构框图。 

图5是计算机的框图。 

图6是本发明电路原理图。 

图7是可旋转的机车头灯灯座装置结构示意图。 

图8是可旋转的机车头灯灯座装置俯视示意图。 

图9是图8的A-A剖视示意图。 

具体实施方式：

在图1中，GPS数据采集子系统运行数据采集程序将GPS数据保存下来。数据处理子系统使用虚拟的机车路线的按拟合方法，根据GPS的信号计算出机车头灯在路线各段中应该偏转的角度。车载控制器子系统的电路的设计和实现以及根据数据处理子系统提供的数据实据机车头灯的实时偏转。 

在图2中，描述的是控制机车的头灯软件流程。在机车行进过程中，微处理器接收一次GPS接收器所发出的一组完整的卫星数据，其中包括经度、纬度、海拔、速度数据。根据不同的GPS接收器的数据格式，提取出卫星数据中的经度、纬度信息，得到当前点数据。之后，从已经生成的路线位置角度表(路线位置角度表，是一个记录机车路线的数据表，每一张表对应一条路线，其中的每一条记录对应机车行进路线上一个点的位置数据和头灯转动角度数据，它的内容包括序号(标示数据的 先后顺序)，经度，纬度，头灯转动角度。)中，依次读取出表中每一点的经纬度信息，计算其与当前点的距离，即当前经度与表中经度之差的平方与当前纬度与表中纬度之差的平方之和作开方，取所有计算结果中距离最小的点作为当前点的位置。再从查询到后计算的当前点取出角度信息进行控制。判断方向，若角度大于零度，头灯需要左转，则输出电机正转控制信号；若角度小于零度，头灯需要右转，则输出电机反转控制信号。然后，计算角度对应的驱动脉冲个数，以控制电机转过的角度，将角度除以90再乘以脉冲变换系数(即每转一度角所对应的脉冲个数)就能得到角度对应的脉冲个数。控制接口输出驱动脉冲，输出的正反转信号和驱动脉冲通过环形分配器电路后，驱动步进电机转动。程序再次开始接收GPS数据。 

在图3中，描述的是用于导向的路线位置角度表的生成程序。本程序在机车的第一次行进过程运行以生成所需的路线位置角度表。PC机接收一次GPS接收器所发出的一组完整的卫星数据，其中包括经度、纬度数据。根据不同的GPS接收器的数据格式，提取出卫星数据中的经度、纬度信息，得到一个点的路线位置数据，然后将它添加到路线位置角度表中，再指向下一条记录，为将来的操作做准备。之后，判断是否到达终点，若终点按键(Windows程序界面中的一个操作按钮)未按下，则未到达终点，继续接收数据；若终点按键按下，则到达终点，转入数据处理流程。数据处理流程原理是用将至位置点与当前位置点的连线方向的角度减去当前方向的角度，其结果作为头灯转动角度。具体操作方法是首先，重新指向数据表中一条记录作为当前记录，取出其经度数据到第1寄存器，纬度数据到第2寄存器，取出前一条记录的经度数据到第3寄存器，前一条记录的纬度数据到第4寄存器，取出后一条记录的经度数据到第5寄存器，后一条记录的纬度数据到第6寄存器，取出后五条记录的经度数据到第7寄存器，后五条记录的纬度数据到第8寄存器，然后，用第6寄存器减去第2寄存器的结果除以第5寄存器减去第1寄存器再做反正切，加上第2寄存器减去第4寄存器的结果除以第1寄存器减去第3寄存器再做反正切，再除以2，得到当前方向的角度存入第9寄存器。用第8寄存器减去第2寄存器的结果除以第7寄存器减去第1寄存器再做反正切，得到将至位置点与当前位置点的连线方向的角度存入第10寄存器，用第10寄存器的数据减去第9寄存器的数据，即得 到该点的角度数据。将角度数据写入到当前记录中，此时一条完整的记录就生成了。再指向下一条记录，为将来的操作做准备。通过数据库操作命令判断是否到达表末，若没有到达表末，则进行下一个点的角度计算；若到达表末，则操作完成，程序结束。 

角度数据的计算公式如下： 

在图4中，微处理器负责对整体负责对头灯装置的控制。它通过一个串口从GPS接收器获取定位信息，再通过另一个串口从PC机获取定位信息对应的地理位置信息，通过对两者进行综合分析得到控制步进电机的两路信号(电机正反转信号、脉冲控制信号)，电机正反转信号通过电路放大，脉冲控制信号通过电路整形放大后进入环形分配器，生成步进电机的每路控制信号，经驱动电路后即可驱动步进电机转动，从而带动头灯装置动作。 

在图5中，计算机的CPU单元通过对寄存器单元的操作，完成角度数据的运算。 

在图6中，微处理器通过接口2从PC机中读取路线位置角度表，将它存储在存储器中。在控制过程中，微处理器通过接口1从GPS取得位置信息，经过程序运行后，产生控制信号，通过电机控制器控制步进电机动作。微处理器采用AT91R40008，存储器采用AT49BV1614，串行接口芯片采用MAX232，电机控制器采用MC20806-20605-20601。AT91R40008是一块ARM核心的微处理器，用于采集和处理数据。AT49BV1614是2M的FLASH存储器，用于存储路线位置角度表，它的地址线A0-19连接到微处理器的地址线A0-19，它的数据线I/D0-15连接到微处理器的数据线D0-15。MAX232是一块电平转换芯片，用于微处理器与外设接口，它的11脚T1IN与微处理器68脚TXD0相连，12脚R10UT与微处理器69脚RXD0相连，10脚T2IN与微处理器75脚TXD1相连，9脚R20UT与微处理器76脚RXD1相连；13脚R1IN与接口1的2脚相连，14脚T10UT与接口1的3脚相连，接口1用于接收GPS数据，通过串口线与GPS相连；8脚R2IN与接口2的2脚相连，7脚T20UT与接 

口2的3脚相连，接口2用于接收PC机数据，通过串口线与PC机相连。MC20806-20605-20601是一款电机控制器，用于处理器的电机控制信号 (控制脉冲、正反转信号)转化为电机驱动信号，功能包含整形放大、环形分配和驱动。DIR脚与微处理器70脚P16相连传输正反转信号，CP脚与微处理器71脚P17相连传输控制脉冲信号，A+、A-、B+、B-与电机绕组相连输出驱动电流。 

在图7中，蜗杆9安装在蜗轮10的腔里，蜗轮10安装在机座8上，蜗轮10的轴下端安装齿轮14，齿轮14与扇型齿轮11啮合，扇型齿轮11安装在灯架转轴12底端，灯架13固定在灯架转轴12上，装蜗杆9的腔体和装蜗轮10的腔体共同组成机壳15的腔体，机壳15固定在机座8上。可旋转的机车头灯灯座装置的工作过程是：电机驱动蜗杆9转动，蜗杆9带动蜗轮10转动，蜗轮10带动齿轮14转动，齿轮14带动扇型齿轮11转动，从而带动灯架12转动。所以，利用本装置，通过电机就可以控制灯架12转动。电机正反转带动蜗杆9的正反转，蜗杆10的正反转带动蜗轮10的顺时针和逆时针方向转动，因齿轮14与蜗轮10同轴并固定为一体，蜗轮10的转动进而带动齿轮14顺时针和逆时针方向转动，齿轮14的转动带动扇型齿轮11的转动，扇型齿轮11的转动带动灯架转轴12转动，进而实现灯架13转动。根据实际需要和机车运行路线状况控制电机的正反转从而实现照明角度的调整。特别需要说明的两点：第一灯座起照明装置的支撑作用，它的安装孔与头灯的安装孔完全相同，支撑灯架的轴承和支撑蜗轮10、蜗杆9的装置安装于机座上。第二齿轮14与扇型齿轮11起机械传动作用，扇型齿轮11安装在灯架转轴12的下端，齿轮14安装在蜗轮10的下端，齿轮14与扇型齿轮11位于一个平面上。 

Claims (1)

1.机车头灯自动寻迹系统，其特征在于包括：

GPS数据接收机(1)，装于机车顶部接收GPS信号，

计算机(2)，接收GPS数据接收机收到的机车经过的路线上的各点的经、纬度信息，并通过计算某一点与它附近点位置关系，确定该点的机车运动方向角度，通过计算该点与头灯期望照亮点的连线方向的角度和该点的运动方向角度差，得到该点头灯要转动的角度，用同样方法计算各点的角度，并将各点角度信息及其经、纬度信息生成路线位置角度表，计算机(2)生成路线位置角度表的方法如下：

1)当机车第一次运行于路线时，计算机遂点接收GPS数据接收机收到的经、纬度数据将其添加到路线位置角度表中各序号的经、纬度信息栏中，

2)选路线位置角度表中第二条记录为当前点记录，取出其经度数据到计算机(2)的第1寄存器，纬度数据到第2寄存器，取出当前点记录的前一点记录的经度数据到第3寄存器，纬度数据到第4寄存器，取出当前点记录的后一点记录的经度数据到第5寄存器，纬度数据到第6寄存器，取出当前点记录的后n点记录的经度数据到第7寄存器，纬度记录到第8寄存器，计算机(2)用第6寄存器的数据减去第2寄存器的数据的差除以第5寄存器数据减去第1寄存器数据的差，再做反正切，用第2寄存器的数据减去第4寄存器的数据差除以第1寄存器的数据减去第3寄存器的差，再做反正切，将上述两个反正切相加后除以2，得到当前点方向的角度存入第9寄存器，计算机(2)用第8寄存器的数据减去第2寄存器的数据的差除以第7寄存器的数据减去第1寄存器的数据的差，再做反正切得到当前点后n点与当前点的连线方向的角度，存入第10寄存器，用第10寄存器的数据减去第9寄存器的数据，即得到当前点的角度数据，完成路线位置角度表的生成，

存贮器(3)，存贮路线位置角度表，

微处理器(4)，在机车的行车线路上接收GPS数据接收机在当前点的经、纬度信息，从存贮器中读取路线位置角度表中各点的经、纬度信息，计算与其当前点的距离，取路线位置角度表中计算结果距离最小点作为当前点的位置，再从路线位置角度表中取出距离最小点的角度信息，并计算出步进电机驱动脉冲信息，

电机控制器(5)，从微处理器输入角度信息和驱动脉冲信息，转化为电机正、反转和控制脉冲信号，

步进电机(6)，接收电机控制器(5)输出的信号，控制灯头装置的转动，微处理器(4)从计算机中读取路线位置角度表，将其存储在存贮器(3)中，机车接收一次GPS接收机发出的经、纬度数据作为当前点数据，从路线位置角度表中依次读取表中每一点的经纬度数据，计算其与当前点经纬度数据差，将经度差的平方加纬度差的平方和开方，取所有的计算结果中距离最小的点作为机车当前点的位置，再根据机车当前点从线路位置角度表中读出该点的角度数据作为电机正、反转信号，将角度数据除以90再乘以步进电机的脉冲变换系数得到电机的控制脉冲信号，将正反转信号和控制脉冲信号输出到电机控制器(5)，电机控制器(5)将其转化为电机驱动信号输出到步进电机(6)控制电机的正反转和转动角度，与步进电机输出轴传动连接的头灯装置(7)作相应的左转或右转，并转动相应的弧度，使头灯照亮期望照亮点，即n点，

灯头装置(7)带动机车头灯转动，机车头灯装置(7)的机座(8)上安装有蜗杆(9)、蜗轮(10)传动装置，蜗杆(9)与步进电机输出轴传动连接，蜗轮(10)轴下端齿轮(14)与扇形齿轮(11)啮合，扇形齿轮安装在灯架转轴(12)底端，灯架(13)固定在转轴(12)上。

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