CN101574974A - 铁路机车前大灯控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁路机车的前大灯转向控制装置及方法。本发明的装置中，机车监控器通过带光电隔离的总线与机车运行动态信息接口电路相连，微处理器分别与机车运行动态信息接口电路和步进电机驱动器相连，微处理器的存储器中事先存入机车运行区间的弯道信息和与弯道信息相对应的前大灯转动角度数据表，微处理器根据机车运行动态信息接口电路给出的机车运行前方的弯道信息从其存储器中查找出对应前大灯转动角度输出控制步进电机转动快慢的脉冲信号和转动方向信号至步进电机细分驱动器，由步进电机细分驱动器驱动步进电机运动。

Description

铁路机车前大灯控制装置和方法

技术领域

本发明涉及一种铁路机车的前大灯转向控制装置及其控制方法。本发明包括驱动机车前大灯转动的机械机构和驱动机械机构运动的步进电机。

背景技术

铁路机车的前大灯，也称为前照灯，一般是固定安装在机车前端，当机车运行到铁路弯道时，前照明灯的光束会沿弯道切线方向射出，偏离铁道线路。由于其聚焦光点不能落到车行的前方铁道上，形成弯道内侧照明盲区，存在重大安全隐患。为解决现有技术存在的不足，有多个专利及专利申请公开控制、调整机车前大灯的技术方案。

中国发明专利88105127.6公开一种铁路机车自动转向的前照灯，该专利是由一个采用闭环控制又加校正的自动控制系统和一套与之相适应的机械传动机构所组成，其控制器跟踪机车行驶轨迹提供驱动直流电机的驱动信号，并经由齿轮付和蜗轮付减速后通过拨块拉杆带动向前照灯随机车同步转向和自动复位，使前照灯的灯光始终照射在铁轨中间，从而确保运行安全的前照灯。

中国发明专利200510021088.6公开的铁路机车前照灯自动转向装置包括驱动前照灯灯体偏转的电动回转机构、铁路线路曲线半径探测器和前照灯自身位置传感器、根据检测信号控制前照灯偏转的自动控制器，该专利所用的铁路线路曲线半径探测器采用位移传感器，用于检测车体与转向架之间的相对角位移量，因该角位移量与铁路弯道的曲线半径唯一对应并同步，从而使前照灯的聚焦投光点始终准确地落在安全瞭望距离处的铁道上。

前述专利存在的问题是作为控制参数的物理量及相应的传感器选择不合理，可能会产生误动作；其次这些专利中的执行机构过于的复杂，而且结构不紧凑，可能会产生动作不同步的现象；第三其灵敏度低。为解决这些不足，中国专利申请200610022575.9公开的机车头灯自动寻迹系统，采用GPS定位系统，用计算机接收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，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、纬度信总，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。但这一技术需要首先利用GPS获得线路整个路面多个信息点处的经纬度信息，然后经过拟合，得到路况信息图；其次，要用GPS生成的路况信息图，并根据当前点信息和此后第5点信息之间的经纬度正切值，得到当前机车大灯的转动角度，因此还需要对铁路线路的所有点都进行分析，如要运行新的其他线路，则必须经过二次测绘，其工作量巨大。

现有技术除上述不足外，还存在一个共同的缺点，即机车只能是在到达轨道转弯处时才能做出相应的转动控制，这样在弯道的起始处不可避免地会产生一个大灯照射盲区，给机车的运行带来不安全因素。

发明内容

本发明提供一种可以克服现有技术不足，能在列车行驶过程中随轨道的情况自动控制机车头灯旋转，使铁路机车前大灯可以始终照射在机车运行前方300米左右的轨面中心，而不存在照射盲区的装置和控制方法。

本发明的铁路机车前大灯控制装置包括驱动机车前大灯转动的机械机构和驱动机械机构运动的步进电机，本发明的装置中，机车监控器通过带光电隔离的总线与机车运行动态信息接口电路相连，微处理器分别与机车运行动态信息接口电路和步进电机驱动器相连，微处理器的存储器中事先存入机车运行区间的弯道信息和与弯道信息相对应的前大灯转动角度数据表，微处理器根据机车运行动态信息接口电路给出的机车运行前方的弯道信息从其存储器中查找出对应前大灯转动角度输出控制步进电机转动快慢的脉冲信号和转动方向信号至步进电机细分驱动器，由步进电机细分驱动器驱动步进电机运动。

在本发明中所用的步进电机驱动器最好采用步进电机细分驱动器，这样可以消除步进电机的固有的低频振荡；其次还可以得到更高的控制精度。

本发明的铁路机车前大灯控制装置中的驱动机车大灯转动的机械机构由转轴固定板、控制系统固定板、固定于机车头上的底板、转轴、支架、U型支架、不完全蜗轮、蜗杆、链板、电机支架、大灯、大灯固定轴、防尘端盖、轴承，及步进电机和联轴器构成，其中固定于机车上的底板上用螺栓固定U型支架，转轴固定板固定在底板上，转轴和机架上设置的轴承连接，并使整个支架可绕着转轴左右往复旋转运动，步进电机通过电机支架固定在底板上，步进电机轴通过联轴器和蜗杆相连接，蜗杆与蜗轮相啮合，蜗轮固定于支架上，蜗轮的转动中心与大灯的转动中心重合且绕着转轴的轴线转动。

本发明的铁路机车前大灯控制装置中微处理器可采用双CPU结构的嵌入式控制器，其中一个CPU用于与机车监控器实时通讯，另一个CPU根据从存储器中查得的大灯转动角度控制步进电机运动。

本发明的铁路机车前大灯控制装置中机车监控器与机车运行动态信息接口电路通过CAN、RS422或RS485等通讯总线形式连接。

本发明装置控制方法是：其机车监控器以广播方式循环方式向微处理器发送包括机车行驶速度和弯道数据的弯道信息，其中的弯道数据为当机车驶过弯道后，1000米内有新弯道时，广播新弯道的数据信息，否则仍然发送最后一次发送的历史数据，微处理器根据收到的机车运行前方的弯道信息和机车运行速度信息查找存储器中存入的对应前大灯转动角度，输出控制步进电机转动快慢的信号和转动方向的信号，同时与机车监控器通讯。

本发明所述的控制方法是微处理器根据收到的机车运行前方的弯道信息在弯道前250至350米即开始输出转动大灯的信号，弯道结束，大灯回到零位。

本发明的控制方法其前大灯转动角度数据表的生成方式是：根据已知列车运行区间线路的弯道半径，弯道长度等的特征信息，建立在大灯转角的数学模型。

本发明的控制方法是以大灯开始转动点为起始坐标O，大灯停止转动点为结束坐标E，在计算机中计算出大灯在此之间以每30米为进制的多个离散的转动角度值。

本发明有如下优点：

1、本发明的方法及装置具有控制准确、数据结构简单可靠，具有通用性。

目前铁路运行采用的方法是：每辆机车只在固定路段行车，例如行驶在兰渝路段的就不可能行驶别的路段；司机在行车之前，先领取本路段路况信息图，其中包括整个线路所有的弯道、隧道信息和各个路段的限速情况。这些地面数据的所有权、编辑权都在各铁路局。地面数据由铁路局的相关部门已经完成的，且这种数据完全符合现场实际，并存放在u盘样的存储器中；机车司机上车后将存储器与机车监控器，即俗称的“黑匣子”，相连，由机车监控器读取存储器中的地面数据，即：路况信息。行车中，机车监控器根据地面信号机公里标推算出相对公里标，根据安装在机车轮对轴端的光电传感器的脉冲计算出速度，然后将速度、当前公里标、路段限速信息等在铁路机车显示器中显示出来，脉冲计算出速度，然后将速度、当前公里标、路段限速信息等在铁路机车显示器中显示出来。

本发明直接利用了现有铁路机车使用的监控器，并利用铁路线路弯道都是标准的一段圆弧的共性，根据弯道半径和弯道长度的不同生成一个数据表存储在微处理器的存储器中，在机车行驶中通过监控器读取存储器中的路况信息，以及所得到的相对公里标和机车速度信息，查找微处理器的存储器中事先存入的对应前大灯转动角度，输出控制步进电机转动快慢的信号和转动方向的信号，不但其数据非常准确，而且更为简单、更为可靠，并更具有通用性，也就是利用本发明时仅需在程序中改几个参数，就可以运行于其他铁路线路，而无需如现有技术那样需要重新进行新线路的测绘。

2、本发明采用双处理器的嵌入式控制器，且两个微处理器使用一般的单片机，并用两个CPU来分别完成通信和控制步进电机两个任务，这样既解决了单片机功能不是很强大的不足，又可以最大程度地降低装置的成本，而且在控制、体积和携带上都占有绝对优势。其次，采用两个CPU既可以满足通信的实时性，又可以满足对大灯控制的连贯性，以保证不失步，其实时性好，精度高。

3、本发明采用了CAN、RS422或RS485等通讯总线形式连接，特别是采用485通讯总路线形式，由于这种通讯的差分信号，使其抗干扰性优于其它的一些通讯形式，并且其制造成本较低而且结构也相对简单。

4、本发明采用循环广播的通信方式，可以充分保证黑匣子(机车监控器)的数据安全性，因为黑匣子只是不停的给我方发送数据，而不考虑我方是否接收到，不需要建立通信联系，即使在我们的嵌入式控制系统出现故障时，仍然能保证火车黑匣子以及火车的正常运行，这对于机车安全正点行驶是非常重要的；同时循环广播发送还可以减轻我们的控制系统的工作量。即使第一次接收不正确，还可以等待二次通信，而无需与黑匣子握手通信。

5、本发明的装置中将蜗轮直接固定于支架上，并使蜗轮的转动中心与大灯的转动中心重合且绕着同一转轴的轴线转动，这一结构既紧凑、简单，又可靠，而且可以克服现有技术中驱动与大灯运动不同步的问题。

6、本发明的控制方法中将机车大灯的照明设定于其前方300米左右的轨面上，也就是要司机可以始终看到前方300米内轨道面的信息，同时在本发明中根据黑匣子的提示，在弯道前300米即开始转动大灯，在弯道结束，大灯即到零位，这就可以使机车前大灯的灯光焦点始终处于轨道中央处，而不存在现有技术中的局部盲区的不足。关于现有技术与本发明在轨道转变起始处的照明情况可参见附图1和附图2。

附图说明

图1为现有技术，包括前述现有专利的控制方式，由图可见，在现有技术中机车行驶到与转弯弧相切的位置后，即通过图中所示的S段后，才开始控制大灯转动，在这一瞬间会存在一个大灯照射盲区；而在机车通过弯道后大灯才控制大灯复位，这时也同样会存在一个大灯照射盲区。

图2为本发明的控制方式示意图。，由图可见，本发明是在转弯前的适当距离控制大灯转动，即图中S段的起始位置就输出控制大灯转动的信号，同样在机车转弯将结束时即进行复位，这样就保证了灯光始终处于轨道中间，而不存在照射盲区。在本发明中S段的距离设定为250～300米，而这一距离是铁路部门设计规定的灯光照射距离。

图3为本发明优选的微处理器为嵌入式控制器构成的铁路机车前大灯主动转向系统结构示意框图。图中CPU1通过机车运行动态信息接口电路(2)不断接收机车监控器发送的弯道信息和实时行车信息，当接收到有效的前方弯道信息时，CPU1根据前方弯道半径和长度，查找CPU1存储器中存储的前大灯转动角度数据表，将线路前方各关键点大灯的转动角度事先提取出来。当列车驶入大灯转动公里标区间时，CPU1依次将各关键点处的大灯转动角度值和当前列车速度通过SPI总线，传递给CPU2。CPU2根据上述信息，控制机车前大灯实时转动。

图4、5为本发明嵌入式控制器控制系统工作程序流程示意图，其中图4为CPU1的程序流程图示意，图5为CPU2的程序流程图。系统工作流程是：控制系统上电，开始工作时，首先让大灯转回到零位，然后尝试和机车监控器建立通信，当控制系统收到机车监控器发送的一组完整数据时，通信建立。在通信周期中，控制系统的CPU1不断接收来自机车监控器的数据，并对数据内容进行分析，当确认前方有弯道时，CPU1将根据接收到的弯道起始坐标、终止坐标和弯道半径，在flash存储器的角度数据表中查找相匹配的弯道关键点的大灯转角值，同时计算出大灯转动的起始点坐标和终止点坐标，等待机车进入这一行驶区间。当机车公里标介于已经计算出的大灯转动的起始点坐标和终止点坐标时，CPU1开始向CPU2发送步进电机转动指令，并在机车驶入各关键点后，通过SPI总线顺次向CPU2发送各关键点处大灯转动角度、方向和当前点处的机车行驶速度，CPU2根据CPU1的上述控制指令，计算步进电机的脉冲频率和方向，驱动步进电机带动大灯做连续转动，同时在每个SPI通信周期中，向CPU1回传当前的大灯角度。为进一步保证行车安全，当列车驶出弯道时，CPU1向CPU2发送大灯回零命令，CPU2在接到这一指令后，匀速控制步进电机回到零位。

附图6为机车监控器采用循环广播方式向微处理器发送数据的示意图。如图所示，机车监控器向微处理器不间断广播最近的一条弯道与最近的一条隧道数据给嵌入式控制器，在弯道1前1000米，机车监控器会发送弯道信息，当驶入弯道后，1000米内存在弯道2，则发送弯道2的信息，广播新弯道的数据信息，否则主机仍然发送最后一次发送的历史数据。

图7是列车进出弯道时计算前大灯转动角度数学模型图。

图8为A类弯道数学模型示意图。

图9为B类弯道数学模型示意图。

图10为本发明的机车大灯控制机械系统示意图，这幅图是从大灯的后部向前投影的视图。

图11为图8的右视图。

图12为表示本发明的机车大灯控制机械系统各主要部件装配关系的俯视图。

在图10至图12中，各部件标号是：5为U型支架，6为固定于机车头上的底板，7为蜗杆，8为不完全蜗轮，9为防尘端盖，10和11为轴承，12为转轴，13为转轴固定板，14和15为固定螺栓，16为机车前大灯，17为步进电机电源，18为接线柱，19为控制系统电源，20为步进电机，21为电机支架，22为联轴器，23为支架，24为链板，25为大灯固定轴，26为控制系统固定板。其中底板6固定于机车头上，其余所有部件都装配在底板6上，

具体实施方式

附图3～12给出本发明的一个实施例，在这个实施例中，微处理器采用的是嵌入式控制器。以下结合附图的实施例解说本发明。

图3中机车监控器1通过带光电隔离的RS485总线与机车运行动态信息接口电路2相连，嵌入式控制器3，通过机车运行动态信息接口电路2与机车监控器1相连。

机车监控器1循环向嵌入式控制器3发送列车实时运行时信息数据，包括：列车运行的当前速度、公里标和前方弯道方向、半径、起始公里标、结束公里标，以及前方隧道开始公里标、隧道结束公里标。通讯采用主从方式，机车监控器1为主机，嵌入式控制器3为从机。主机采用循环广播方式，采用这种通信方式，黑匣子只是不停的给从机发送数据，而不考虑从机是否接收到，不需要建立通信联系，即使在嵌入式控制系统出现故障时，仍然能保证火车黑匣子以及火车的正常运行，这是非常重要的；同时循环广播发送还可以减轻本发明的控制系统的工作量。即使第一次接收不正确，还可以等待第二次通信，而无需与黑匣子握手通信。

本发明发送数据时，不断广播最近的一条弯道数据，当机车驶过弯道后1000米内有新弯道时广播新弯道的数据信息，否则主机仍然发送最后一次发送的历史数据。

在运行中，嵌入式控制器3可接收到机车监控器1发送的有效弯道信息，包括下一个弯道的起始坐标、结束坐标、弯道半径等，并查询事先存入嵌入式控制器3包含的flash存储器中的前大灯转动角度数据表，得出前大灯转动的起始公里标，结束公里标和此区间内多个离散关键点的转动角度、方向信息，并在列车运行至前大灯转动区间内，根据当前速度、公里标和相应的步进电机控制策略，向步进电机驱动控制器发出一定频率和方向的脉冲信息，驱动步进电机正转或者反转，从而带动机车前大灯做小角度的随动运动。

嵌入式控制器是本发明系统的核心部分，本发明的核心部分嵌入式控制器包括两片单片机，其中CPU1负责提取机车监控器发送的地面数据信息，并由此判断前方是否有弯道，如果前方有弯道，则CPU1在转动角度数据表根据地面数据信息中的弯道半径、弯道长度所在区间，查表得出大灯转动期间的各关键点的转动角度、方向信息，同时根据照明距离，计算出大灯转动起始公里标，结束公里标，其中：

大灯转动起始公里标O＝弯道起始公里标-/+(铁路公里标不是单向的递增，或者是递减的，由于信号机或这测绘的原因，会出现一段递增一段递减的公里标，但机车监控器给我们的控制系统发信息的时候，会将当前公里标的最高位，也就是第16位作为公里标递增或者递减的指示，0为递减，1指示递增，所以如果当前公里标指示为递增的，那么显然，如果在进入弯道前300米转动的话，o＝x1-300；反之，o＝x1+300)照明距离S，本发明中的S值为铁路系统确定的大灯照明距离，一般为250～400米.本发明中实际使用的是300米。另外本发明中大灯转动结束公里标E＝弯道结束公里标；

在列车运行至各关键点处，CPU1通过SPI总线向CPU2传递当前速度和下一关键点处大灯转动角度数据。CPU2用于接收来自CPU1的上述信息，根据大灯转动角度数据β和步进电机细分角度0.0625(即嵌入式控制系统输出一个脉冲，步进电机转动0.0625度)，以及涡轮蜗杆减速比(本发明中采用的减速比为100∶1)，换算成步进电机的步进值，也就是嵌入式控制系统输出脉冲个数N，公式为N＝β/(0.0625*100)，设速度为V，单位为公里，则当N*V/108＜833，也就是大灯转动频率低于步进电机的启动频率时，嵌入式控制系统输出频率为833hz的脉冲，控制大灯走过N步，当1000＞N*V/108＞833时，嵌入式控制系统将控制脉冲逐渐加速到1000hz，当1250＞N*V/108＞1000时，嵌入式控制系统将控制脉冲逐渐加速到1250hz，以此类推，最大运行频率2500hz，以使大灯跟随列车的行驶做随动运动。并及时调整输出步进电机驱动脉冲频率，使大灯光线紧密跟随列车运动时前方200到300米处的轨道

同时通过CPU1和机车运行信息获取接口电路向机车监控器回送步进电机实际步进值，以便显示在机车运行途中，方便机车驾驶员了解当前机车头灯的转角情况。嵌入式控制系统将当前机车大灯的转动角度，回传给机车监控器，也就是黑匣子，黑匣子接收到后将它显示在机车运行显示屏上。

需说明的是本发明中微处理器也可不使用单片机，而采用高端CPU，虽然这一技术方案将会使其功能更为强大，但其实施成本也会更大。

步进电机驱动控制器，包括步进电机细分驱动器和零位控制器。本发明采用的步进电机为常州双杰生产二相混合式步进电机的58BYG(57BYG系列)，步进电机细分驱动器为常州双杰生产的SJ-230M2二相混合式步进电机细分驱动器。将接收到的步进电机角度信息和脉冲信息，转化为电机的正反转和细分脉冲信号；零位控制器能在系统出现故障时，手动复位，发出控制脉冲信号，使大灯回复至零位。

本发明的大灯转角的数学模型如下：

由于铁路弯道类型相对复杂，弯道半径在300-1500之间，而且弯道长度也不同，另外还有连续弯道、缓和弯道等。为使讨论较为简单，在本发明的实施例中着重讨论半径固定的弯道，并将其分为A类弯道和B类弯道，其中弯道长度大于300米的弯道为A类弯道，而弯道长度小于300米的弯道为B类弯道。

其中：

A类弯道的模型

以一段直线-曲线-直线的A弯道来讨论大灯转动角度β的计算公式：X1，X2为弯道起始和终止点公里标，O点为X1之前300米处，也就是大灯转动的起始点，作为坐标的零点，R为曲线半径，X为列车当前点位置公里标，设大灯前方300米的辉点落在C点处，则有，

当O＜X＜X1时，

$\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\frac{x_1-x}{\sqrt{R^2+{(x_1-x)}^2}}-{\cos }^{-1}\frac{s^2+{(x_1-x)}^2}{2s\sqrt{R^2+{(x_1-x)}^2}}$

当 $x_1\≤x\≤x_2-2R{\sin }^{-1}\frac{s}{2R}$ 时，

$\mathrm{\β}={\sin }^{-1}\frac{s}{2R}$

出弯道时， $x_2-2R{\sin }^{-1}\frac{s}{2R}\≤x\≤x_2$ 机车仍在曲线上，而辉点已进入

直线范围，

$\mathrm{\β}={\sin }^{-1}\frac{s^2-L^2}{2\mathrm{Rs}}$

$L=R(\sqrt{{\left(\frac{s}{R}\right)}^2-4{\sin }^4\frac{\mathrm{\δ}}{2}}-\sin \mathrm{\δ}),$ $\mathrm{\δ}=\frac{x_2-x}{R}.$

以上可参见图8.

而当弯道不够长时，也就是这里的B类弯道，设弯道长度L＝|X2-X1|，

当O＜X＜L时，和A类相同，这里界限L也是一个近似值；

$\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\frac{x_1-x}{\sqrt{R^2+{(x_1-x)}^2}}-{\cos }^{-1}\frac{s^2+{(x_1-x)}^2}{2s\sqrt{R^2+{(x_1-x)}^2}}$

当L＜X＜X1时，β＝π-α-δ，

其中α＝π-L/R； $\mathrm{\δ}={\sin }^{-1}\left\{\frac{\left[\right|X1-X|+\mathrm{Rtg}\left(\frac{L}{2R}\right)]\sin \left(\mathrm{\α}\right)}{S}\right\}$

当X1＜X＜X2时，和A类第三阶段相同。

以上可参见图9。

对以上数学模型的建立，可参考图7给出的示意图，本发明中再用计算软件Fortran进行分析，依次取R＝300，350，400，450……1500，X2-X1＝30，60……270，300，计算的O点到X2点之间多个离散点的角度值，并进行比较、优化，就得到了转动角度表。

图7给出的是计算大灯转角时的模拟坐标位置图，图8和9是对图7的数学化，就是从实际情况到数学分析。所以图7需要说明的就是它指示的是在实际列车过弯道时的一种情况，设了O点：大灯起始点O＝弯道起始公里标-/+S，X1弯道起始点、X2弯道终止点、X列车当前点和C列车大灯期望照明点，然后在图8和9中提取其数学的部分抽象分析。

对于连续弯道、缓和弯道等情况可以参照前述方法建立相应的数学模型。

本发明的实施例中采用两片atmega16单片机、串行通信接口，复位电路、大灯零位输入口和步进电机控制信号输出接口构成嵌入式控制器。每片atmega16单片机具有2M的flash存储器，CPU1的flash存储器不仅用来存储系统程序，还用于存储前大灯转动角度数据表，CPU1和CPU2通过SPI总线进行数据通信，CPU1为主机，CPU2为从机，工作在中断方式，当CPU1向CPU2发送数据信息时，根据SPI总线通信完成通信双方数据交换的特点，CPU2同时将步进电机步进值回送CPU1，并在CPU1与机车监控器通讯周期中，回送机车监控器，并输出到与机车监控器相连接的机车屏幕上，方便司机及时了解机车前大灯的转动状态。

图4描述的是CPU1的程序流程图，CPU1上电之后，首先根据零位限位开关的指示信号，判断当前大灯是否处在零位，如果不在则发送零位控制指令给CPU2，只有零位信号正确时，CPU1才进入与机车监控器的循环通信周期。在此周期中，CPU1接收到来自机车监控器的一组有效数据信息时，就对这组数据中的弯道信息进行分析，根据当前机车公里标和弯道起始公里标、弯道结束公里标，判断前方是否有新的弯道。如果有新弯道，则根据机车监控器传递的弯道起始公里标、弯道结束公里标，计算大灯开始转动点的起始坐标O，大灯停止转动点的结束坐标E，同时根据弯道半径和弯道长度，查询CPU1的flash中存储的前大灯转动角度数据表，得出大灯在转动区间30米为进制的多个离散的关键点处，例如：O，O+/-30，O+/-60，O+/-90，O+/120，...，E，处的大灯转动角度值，并存于全局数组变量中。在机车进入大灯从O到E的关键点区间后，CPU1根据实时接收到的列车当前公里标，判断列车是否进入大灯转动的各关键点坐标区间，将大灯在此区间中应转动角度值和当前速度传递给CPU2，同时接收CPU2在spi通信中回送的步进电机实际步进值。当列车行驶出弯道后，CPU1根据零位限位开关的指示信号，向CPU2发送归零位指令，确保行车安全。

另外在O点的计算上，O＝弯道起始坐标-/+300，选择减号或者加号是由当前这一段公里标是递加还是递减趋势决定的。机车监控器的公里标是根据信号机公里标推算出的相对公里标，由于线路的原因，存在递增或递减的可能，但是弯道左右线路一般都是单方向变化的，不会突变，所以机车监控器发送当前公里标时，最高位会指示此段线路公里标是递增还是递减的，如果是递增的就是说，当前如果公里标是10330，那么接下来就是10331、10332，如果是递减的就是说，当前如果公里标是10330，那么接下来就是10329、10328，所以CPU要根据接收到的弯道起始坐标和公里标的变化趋势一起，算出O点；如果是递增的公里标，那么O＝弯道起始坐标+300，如果是递减的公里标，那么O＝弯道起始坐标-300。由此可见，大灯的实际转向是在进入弯道前的300米就开始了，这就保证了大灯照射始终是照射在机车运行前方300米左右的轨面中心处。

图5给出的是CPU2的程序流程图，CPU2在收到CPU1发送的大灯转角控制指令后，首先分析控制指令类别是否为归零指令，如果为归零指令，则CPU2向步进电机控制器发送低于步进电机启动频率的步进脉冲信号，并根据零位限位开关的指示信号，在大灯回到零位时，及时停止步进电机；如果是步进电机步进控制指令，则CPU2根据接收到的当前列车行驶的速度、大灯转动角度和方向，根据确定的控制策略，增加或者减少步进脉冲信号的频率，使大灯加速或者减速转动，以适应机车拐弯时运行节奏，使大灯光线始终照在机车前方200到300米左右的轨面上。

前大灯转动角度数据表的生成方式是根据已知列车运行区间线路的弯道半径，弯道长度等的特征信息，建立大灯转角的数学模型，根据照明距离要求，以大灯开始转动点为起始坐标O，大灯停止转动点为结束坐标E，在计算机中计算出大灯在此之间以30米为进制的多个离散的关键点处，本发明的一个实施例中建立的离散角度值为：O，O+/-30，O+/-60，O+/90，O+/120......处的转动角度值，这一角度值是弯道半径、弯道长度和关键点坐标共同决定的。

本发明中驱动大灯运动的机械机构参见图10、11和12如下：

固定于机车上的底板6上用螺栓固定U型支架5，转轴固定板13固定在底板6上，转轴12和机架上设置的轴承10和11连接，本发明的实施例中是采用一个深沟球轴承和一个单向推力轴承结构实现机架与转轴间的联接，并使整个支架5可绕着转轴12左右往复旋转运动，步进电机20通过电机支架1固定在底板6上，步进电机轴通过联轴器22和蜗杆7相连接，蜗杆7与不完全蜗轮8相啮合，蜗轮8固定于支架5上，蜗轮8的转动中心与大灯的转动中心重合且绕着转轴12的轴线转动。

由所述结构可知蜗轮通过紧固螺栓固定在支架上的一侧，并且蜗轮的中心与转轴中心相重合，在旋转中不会出现死点。由于支架旋转角度控制在正0～15度和负-15～0度之间，因此可以把一个完整的蜗轮加工好后平均切成6～10等份，本例采用10等份，使用其中的一等份即可。支架通过轴承与转轴连接在一起。步进电机通电后，控制系统发出脉冲信号使步进电机转动，步进电机转动带动蜗杆转动，蜗杆和蜗轮拟合带动蜗轮转动，使得支架绕转轴旋转一定角度。

本发明的这种机构由于采用了由计算机控制系统控制的步进电机转动来带动蜗轮蜗杆传动使大灯支架绕转轴左右旋转，其传动精度高、传动平稳、体积小、成本低；在转轴和支架之间采用了一个深沟球轴承和一个单向推力轴承连接，使得整个结构间隙小、紧凑；其蜗轮的制造可先加工一个完整的蜗轮，再平均切成6～10等份，用其中的一等份，这样可以进一步降低成本。

Claims (9)

1、铁路机车前大灯控制装置，包括驱动机车前大灯转动的机械机构和驱动机械机构运动的步进电机，其特征在于：机车监控器(1)通过带光电隔离的总线与机车运行动态信息接口电路(2)相连，微处理器(3)分别与机车运行动态信息接口电路(2)和步进电机驱动器(4)相连，微处理器(3)的存储器中事先存入机车运行区间的弯道信息和与弯道信息相对应的前大灯转动角度数据表，微处理器(3)根据机车运行动态信息接口电路(2)给出的机车运行前方的弯道信息从其存储器中查找出对应前大灯转动角度输出控制步进电机转动快慢的脉冲信号和转动方向信号至步进电机细分驱动器(4)，由步进电机细分驱动器(4)驱动步进电机运动。

2、根据权利要求1所述的铁路机车前大灯控制装置，其特征是步进电机驱动器(4)为步进电机细分驱动器。

3、根据权利要求1或2所述的铁路机车前大灯控制装置，其特征是装置中的驱动机车大灯转动的机械机构由转轴固定板(13)、控制系统固定板(4)、固定于机车头上的底板(6)、转轴(12)、支架(23)、U型支架(5)、不完全蜗轮(8)、蜗杆(7)、链板(24)、电机支架(21)、大灯(16)、大灯固定轴(25)、防尘端盖(9)、轴承(10)、(11)，及步进电机(20)和联轴器(22)构成，其中固定于机车上的底板(6)上用螺栓固定U型支架(5)，转轴固定板(13)固定在底板(6)上，转轴(12)和机架(3)上设置的轴承(10)和(11)连接，并使整个支架(5)可绕着转轴(12)左右往复旋转运动，步进电机(20)通过电机支架(21)固定在底板(6)上，步进电机轴通过联轴器(22)和蜗杆(7)相连接，蜗杆(7)与蜗轮(8)相啮合，蜗轮(8)固定于支架(5)上，蜗轮(8)的转动中心与大灯的转动中心重合且绕着转轴(12)的轴线转动。

4、根据权利要求3所述的铁路机车前大灯控制装置，其特征是微处理器(3)为采用双CPU结构的嵌入式控制器，其中一个CPU用于与机车监控器(1)实时通讯，另一个CPU根据从存储器中查得的大灯转动角度控制步进电机运动。

5、根据权利要求4所述的铁路机车前大灯控制装置，其特征是机车监控器(1)与机车运行动态信息接口电路(2)通过CAN、RS422或RS485通讯总线形式连接。

6、权利要求1至5所述的任一装置的控制方法，其特征是机车监控器(1)以广播方式循环方式向微处理器(3)发送包括机车行驶速度和弯道数据的弯道信息，其中的弯道数据为当机车驶过弯道后，1000米内有新弯道时，广播新弯道的数据信息，否则仍然发送最后一次发送的历史数据，微处理器(3)根据收到的机车运行前方的弯道信息和机车运行速度信息查找存储器中存入的对应前大灯转动角度，输出控制步进电机转动快慢的信号和转动方向的信号，同时与机车监控器(1)通讯。

7、根据权利要求6所述的控制方法，其特征是微处理器(3)根据收到的机车运行前方的弯道信息在弯道前250至350米即开始输出转动大灯的信号，弯道结束，大灯回到零位。

8、根据权利要求6或7所述的控制方法，其特征是前大灯转动角度数据表的生成方式是：根据已知列车运行区间线路的弯道半径，弯道长度等的特征信息，建立大灯转角的数学模型。

9、根据权利要求8所述的控制方法，其特征是根据照明距离要求，以大灯开始转动点为起始坐标O，大灯停止转动点为结束坐标E，在计算机中计算出大灯在此之间以每30米为进制的多个离散的转动角度值。

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