CN101797927A - 基于轨枕检测的非接触式轨道交通测速定位方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种基于轨枕检测的非接触式轨道交通测速定位方法及其装置，在车体底部安装传感器，以轨道上平行铺设的轨枕为检测物，当车辆经过检测物时，传感器被触发产生电脉冲，依据被触发传感器的顺序以及每个传感器引起电脉冲的上升沿和下降沿的时刻，完成车辆测速和相对定位。该装置包括安装于车体底部的两个以上传感器及测量控制单元。本发明是一种结构简单紧凑、成本低廉、便于维护、可靠性高、适用范围广的基于轨枕检测的非接触式轨道交通测速定位方法及其装置。

Description

基于轨枕检测的非接触式轨道交通测速定位方法及其装置

技术领域

本发明主要涉及到轨道交通车辆的测速领域，特指一种非接触式轨道交通测速定位方法及测速定位设备。

背景技术

中低速磁浮列车作为新一代交通工具，具有速度快、对地形适应性强、选线较灵活、安全、环保等诸多优点。在磁浮列车安全和自动控制系统中，准确、及时地获取列车位置和速度信息，将列车运行情况实时传输给地面控制中心并接收来自控制中心的命令，这是列车安全、可靠运行的基础和保障。在磁浮列车行车安全和指挥调度系统中，列车测速定位系统发挥着重要作用。列车运行控制系统要实现列车的自动防护、自动运行和自动监控等功能，依赖于列车测速定位系统提供的准确、可靠的列车速度和位置信息。考虑到磁浮列车运行时与轨道无接触，传统铁路测速方法已经不能实现磁浮列车的测速定位，目前，国内外中低速磁浮列车采用的测速与相对定位方式主要有如下几种：

(1)基于交叉感应回线的测速定位方法

交叉感应回线测速定位方式，由轨道上铺设的长度均匀的环线，当在环线中通上激励信号时相邻环线会产生方向相反磁场。利用车载天线装置可以读取地面环线距离刻度标识，通过对刻度增加量的计算可以求出列车移动距离和速度，定位测速精度较高。然而，由于这种测速方式必须沿轨道全线铺设环线，且必须保证回线内的激励信号满足车载线圈检测需要，在长距离轨道线路中，由于激励信号驱动功率及可靠性的需要，感应回线一股需要分区段控制，地面环线驱动系统较为复杂，一旦某一段出现故障，则全线列车运行就会受到影响。

(2)基于多普勒雷达的测速定位方法

根据微波传输的多普勒效应原理，可以测定移动物体相对地面(路基)的运动速度。在列车上安装雷达，雷达天线向轨面发射电磁波，经过轨面反射回天线。列车相对轨面的运动会使得发射波和接收波之间存在一定的频率差，即多普勒频率，其值正比于列车速度和天线波束方向与水平地面夹角的余弦值。根据这个原理可以测得列车运行速度。该方法要求作为检测面的地面(轨道)须保证雷达有足够的回波，由于雨雪天气易造成检测面折射雷达波，尤其是在检测面结冰时，会造成误测量，因此使用时需考虑天气情况的适用性。同时，低速时多普勒频率比较小，易受到外界干扰，会导致测量精度下降。

(3)基于轨枕计数的测速定位方法

“轨枕计数法”测速定位方法原理比较简单。中低速磁浮列车一股采用金属轨枕，且轨枕间距排列均匀，在列车低速运行时，利用电感式接近开关传感器测量通过两枕木之间(间距为L)的时间T，则V＝L/T(米/秒)；列车高速时，采集列车单位时间t内通过的轨枕数目n，再结合轨枕间距已知的信息，即可测出列车已经过的里程S＝n×L，也就可以算出列车的运行速度V＝S/t。

这种方法设备简单，轨道上不需要增加额外设备，且利用电感式传感器检测轨枕，抗干扰性较强，但如果轨枕间距不规则，或者轨枕宽度不等，这种测速方法无法则使用。工程应用中，轨枕要做到按照规定间距铺设是很困难的，在较长线路施工中基本不可实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、便于维护、可靠性高、适用范围广的基于轨枕检测的非接触式轨道交通测速定位方法及其装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种基于轨枕检测的非接触式轨道交通测速定位方法，其特征在于，实现步骤为：

①.安装：在车体底部安装两个以上传感器，所述传感器沿车体呈直线排列，按照顺序对传感器进行标定，并测量记录每两个相邻传感器之间的距离D；

②.记录车辆的行驶信息：以轨道上平行铺设的轨枕为检测物，当传感器经过检测物时，传感器被触发产生电脉冲；记录下被触发传感器的顺序以及每个传感器引起电脉冲的上升沿和下降沿的时刻；

③.测速：根据被触发传感器的顺序，对车辆行驶方向进行判定；每两个相邻传感器构成一个测速序列对，根据每两个相邻传感器之间的距离D以及该相邻传感器所引起电脉冲上升沿和下降沿的时间差，得到此时车辆的行驶速度；

④.相对定位：每计算出一个速度，就输出占空比为1∶1的速度脉冲信号，该脉冲信号频率正比于车辆的运行速度，测得速度脉冲信号的频率即可换算出车辆的实际运行速度，对速度脉冲信号进行计数，可得到车辆的相对运行距离，即可实现车辆的相对定位。

作为本发明的进一步改进，本发明进一步提供一种基于轨枕检测的非接触式轨道交通测速定位装置，其特征在于：包括安装于车体底部的两个以上传感器、测量控制单元以及检测物，所述检测物为在轨道上平行分布的轨枕，所述传感器沿车体呈直线排列并按顺序标定传感器，所述传感器被检测物触发会产生电脉冲，所述测量控制单元中分别记录所有传感器所引起电脉冲上升沿和下降沿的时刻，根据被触发传感器的顺序、每两个相邻传感器之间的距离D以及该相邻传感器引起电脉冲上升沿和下降沿的时刻得到车辆的方向、速度、位置信息。

所述测量控制单元包括主中断管理器、从中断管理器、微控制器、脉冲输出模块、光电隔离模块以及反向器，所述传感器传来的信号经光电隔离模块后分成两路，一路直接进入主中断管理器，另一路经反向器进入从中断管理器，所述从中断管理器用来捕获信号的上升沿，所述主中断管理器用来捕获信号的下降沿并向微控制器发起中断请求；所述微控制器接受请求进入中断，获取传感器序号和边沿时刻信息并进行配对，根据配对结果得到测速序列对的时间宽度，根据相邻传感器的间距D可计算出速度值，并将速度值转化为频率值发往脉冲输出模块产生速度脉冲信号输出。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明采用了传感器间距作为测速的基准，传感器的间距可以通过控制机械加工工艺以保证其安装精度，本发明可以允许轨枕间距在一定范围内任意铺设，降低了施工要求。本发明的信号输出方式完全由系统控制，相邻传感器的间距D越小，则测速和定位精度越高；车辆运行速度、相对位置信息全部包含在脉冲信号中，精度高，可靠性好。

2、本发明完全基于现有的轨枕，利用传感器对其进行检测即可完成非接触测量，系统结构十分简单、可靠性较高，且生产成本低廉，维护工作量较小。

3、本发明针对采用金属轨枕的轨道交通，可采用电涡流传感器检测轨枕进行非接触测速与相对定位，在下雨、下雪、线路结冰等复杂天气情况下仍能稳定可靠的输出信号，环境适应能力强、适用范围广。

4、本发明针对非金属轨枕的轨道交通，可采用光电、超声、电容等接近开关传感器对轨枕进行检测。随着传感器技术的发展，上述传感器抗干扰能力得到提高后，可广泛推广到目前常规铁路车辆的测速定位使用，可彻底消除目前因火车轮子打滑而造成测速不准确的现象。

附图说明

图1是本发明装置在应用实例中的结构示意图；

图2是本发明装置检测物与传感器位置关系的示意图；

图3是本发明具体实施例中控制单元的框架结构示意图；

图4是本发明方法在具体实施例中的程序流程示意图。

图例说明

1、车体；2、检测物；3、测量控制单元；31、微控制器；321、主中断管理器；322、从中断管理器；33、显示设备；34、脉冲输出模块；35、总线网络；36、光电隔离模块；37、反向器；4、传感器；5、支架；6、轨道。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2、图4所示，本发明基于轨枕检测的非接触式轨道交通测速定位方法，其步骤为：

①.安装：在车辆行驶的轨道6上平行铺设有检测物2，检测物2每隔一定距离设置一个，其间距在规定的范围内可以任意铺设，检测物2在本实施例中为金属材料制作成的轨枕，其上表面与传感器4保持相等。在车辆底部安装两个以上传感器4，顺着车辆的前进方向，传感器4沿车体1呈直线排列，按照顺序对传感器4进行依序标定，并测量记录每两个相邻传感器4之间的距离D，其中所有相邻传感器4的间距可以相等也可以不等。

②.记录车辆的行驶信息：当车辆经过检测物2时，传感器4被触发产生电脉冲；记录下依次被触发传感器4的序号以及每个传感器4引起电脉冲的上升沿和下降沿的时刻。

③.测速：由测量控制单元3完成所有数据的处理。根据被触发传感器4的顺序，对车辆行驶方向进行判定；每两个相邻传感器4构成一个测速序列对，根据每两个相邻传感器4之间的距离D以及该相邻传感器4引起电脉冲上升沿和下降沿的时刻，得到此刻车辆的行驶速度。

④.相对定位：测量控制单元3每计算出一个速度，就输出占空比为1∶1的速度脉冲信号，该脉冲信号频率正比于车辆运行速度，因此，测得速度脉冲信号的频率即可换算出车辆实际运行速度，对速度脉冲信号进行计数，可得到车辆相对运行距离，即可实现车辆的相对定位。

当车辆运行时，沿车体1安装的传感器4会依次划过轨枕，多个传感器4经过同一根轨枕时会产生相位依次滞后的方波，对接收到的方波序列进行处理，即可提取出车辆运行的速度、位置信息。如图2所示，其中A1～A6为六个安装在车辆底部的传感器4，传感器4的间距为D。当车辆运行时，轨枕依次划过六个传感器4，会产生六组方波信号。准确测量出相邻两个传感器4依次划过同一根轨枕所需的时间T，利用相邻传感器4的间距与时间T的比值即可计算出车辆的运行速度和运行距离。

为了实现上述目的，需将相邻的传感器4两两配对，可以得到A1&A2、A2&A3、A3&A4、A4&A5、A5&A6五个组合，MPU对每个传感器4触发的中断进行记录，由于每对传感器4的间距均小于相邻轨枕的间距，如果车辆向右运行，A1先被触发，当A2也被触发时，此刻A1、A2即构成一个测速序列对，根据MPU记录的A1&A2被先后触发的时间间隔，即可计算出此时列车运行速度。以此类推，A2&A3、A3&A4、A4&A5、A5&A6序列对也会先后出现。同理，车辆向左运行时，则会出现A6&A5、A5&A4、A4&A3、A3&A2、A2&A1等5个测速序列对。采用改进型的感应轨枕测速定位，系统最远每隔24cm更新一次速度，确保所测速度的实时性。

上述测速序列对的建立，需要事先测定车辆运行方向。由图2可知，当出现A1→A2→A3(或者其它任何相邻的三个传感器4被依次触发的序列)，就可以判断出车辆为向右运行，反之亦然。而在车辆方向未确定之前，可根据轨枕的实际宽度d与传感器4经过这根轨枕的时间t的比值计算速度，以确保速度输出的连续性。

参见图4，本发明方法中主程序和中断服务子程序的流程图。

主程序流程为：

步骤1.1：系统初始化，设置中断控制器，定时器，初始化各种系统变量；

步骤1.2：等待外部中断，如果没有继续等待，如果有中断则进入步骤1.3；

步骤1.3：读取中断号、方向、时间标尺信息得到时间差；

步骤1.4：根据传感器间距和步骤1.3得到的时间差得到车辆的速度信息；

步骤1.5：对速度值滤波、补偿，发送到总线和显示设备，并转化为脉冲输出回到步骤1.2。

中断服务子程序内容包括：

当中断来临时，首先判断是上升沿中断还是下降沿中断，然后读取中断号，判断出哪个传感器4引起的中断，每个传感器4都有两个寄存器分别记录上升沿和下降沿时刻信息，读取定时器的值更新相对应的寄存器，并进行简单的判断滤除尖峰毛刺，中断处理流程如下：

步骤2.1：判断中断是上升沿中断还是下降沿中断，上升沿进入步骤2.2，下降沿进入步骤2.3；

步骤2.2：读取中断号，读取定时器信息，更新相应的寄存器，进行简单的滤波处理，滤除尖峰毛刺，中断结束；

步骤2.3：读取中断号，读取定时器信息，更新相应的寄存器，进行简单的滤波处理，滤除尖峰毛刺，通知主程序计算速度值，中断结束。

如图1、图2和图3所示，本发明基于轨枕检测的非接触式轨道交通测速定位方法装置，包括安装于车体1底部上的两个以上传感器4、安装于轨道6上的检测物2以及测量控制单元3，检测物2为在轨道6上平行分布的轨枕，顺着车辆的前进方向传感器4沿车体1呈直线排列并按顺序依序标定传感器4，本实施例中传感器4呈直线安装在平行于线路的支架5上，支架5安装在车体1的底部，传感器4通过屏蔽电缆连接到测量控制单元3，传感器4经过检测物2时被触发产生电脉冲，传感器4中设有分别记录该传感器4所引起电脉冲上升沿和下降沿时刻的时间标尺，测量控制单元3根据依次被触发传感器4的序号、每两个相邻传感器4之间的距离D以及该相邻传感器4引起电脉冲上升沿和下降沿的时刻得到车辆的方向、速度、位置信息。即，传感器4传来的数据供给测量控制单元3，经过计算、分析、滤波、补偿后，输出两路方波信号，其中方波信号的频率、脉冲数、相位差分别代表车辆行驶的速度、位置和方向信息。

在本实施例中，测量控制单元3包括主中断管理器321、从中断管理器322、微控制器31(MCU)、脉冲输出模块34、光电隔离模块36以及反向器37，传感器4传来的信号经光电隔离模块36后分成两路，一路直接进入主中断管理器321，另一路经反向器37进入从中断管理器322，从中断管理器322用来捕获信号的上升沿，主中断管理器321用来捕获信号的下降沿并向微控制器31发起中断请求，微控制器31接受请求进入中断，获取传感器4序号和边沿时刻信息并进行配对，根据配对结果得到测速序列对的时间宽度，根据相邻传感器4的间距得到速度值，速度值发送到显示设备33和总线网络35，同时速度值转化为频率值发往脉冲输出模块34产生脉冲输出。

传感器信号经过光电隔离、滤波后，6路传感器信号直接进入主中断管理器321，同时传感器信号经过反向器37后进入从中断管理器322，从中断管理器322通过主中断管理器321向MCU发起中断请求，微控制器31接受请求进入中断，获取传感器序号和边沿时刻信息并进行配对，根据配对结果得到测速序列对的时间宽度，根据相邻传感器的间距得到速度值。MCU对速度信号进行滤波处理后，将速度位置和方向信息通过网络总线，输出到人机显示等设备，同时要将列车运行速度、运行方向和相对位置信息转化为脉冲输出。

在本实施例中，测速、相对定位的具体实现步骤为：

(一)方向测定

测量控制单元3中维持一个传感器4感应的先入先出队列，当检测到传感器4的响应序列中依次出现传感器4的序号为1→2→3或者2→3→4，3→4→5，4→5→6的顺序时，判断车辆为正向前进。当测量控制单元3检测到传感器4的响应序列中依次出现传感器4的序号为6→5→4或者5→4→3，4→3→2，3→2→1的顺序时，判断车辆为后退。

(二)速度测量

将传感器4按照从车头至车尾的顺序标记为A1～A6，当车辆经过检测检测物2时，测量控制单元3鉴别出被触发的传感器4的序号、传感器4电脉冲的上升沿和下降沿。测量控制单元3中设有高精度的计时器，每个传感器4设置了两个时间标尺，分别记录该传感器4引起的电脉冲的上升沿和下降沿的时刻。当车辆正向前进时，A1～A6依次感应，可以得到5个测速序列对，分别为A1&A2、A2&A3、A3&A4、A4&A5、A5&A6，如图2所示。时间标尺1和时间标尺2分别记录A3产生电脉冲的上升沿和下降沿，设为t1、t2，时间标尺3和时间标尺4分别记录A2产生电脉冲的上升沿和下降沿，设为t3、t4。车辆行驶过传感器4的间距D所用的时间为T＝t3-t1，。设车辆的速度为V，则有：

$V=\frac{D}{T}(\mathrm{km}/h)...\left(1\right)$

(三)相对定位

测量控制单元3每计算出一个速度时，便会连续输出频率为f的方波信号，一直持续到下一个测速序列对出现，然后立即输出频率与新的速度相对应的方波信号。f与速度的换算关系如公式(2)所示，一个完整的方波脉冲代表列车行进距离为m。

$f=\frac{V}{3.6m}\left(\mathrm{Hz}\right)...\left(2\right)$

因此，可以通过统计测量控制单元3输出的方波脉冲个数来计算列车行驶距离。设测量控制单元3输出的方波脉冲个数为N，则车辆行驶距离S为：

S＝N×m(Km)                            …(3)

本实施例中，速度每Km/h输出信号频率可配置在10Hz～100Hz之间，每个脉冲相应的代表列车行驶27mm～2.7mm。系统默认列车速度每Km/h输出11.574Hz，每个脉冲代表列车行驶24mm。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于轨枕检测的非接触式轨道交通测速定位方法，其特征在于，实现步骤为：

①.安装：在车体(1)底部安装两个以上传感器(4)，所述传感器(4)沿车体(1)呈直线排列，按照顺序对传感器(4)进行标定，并测量记录每两个相邻传感器(4)之间的距离D；

②.记录车辆的行驶信息：以轨道(6)上平行铺设的轨枕为检测物(2)，当传感器(4)经过检测物(2)时，传感器(4)被触发产生电脉冲；记录下被触发传感器(4)的顺序以及每个传感器(4)引起电脉冲的上升沿和下降沿的时刻；

③.测速：根据被触发传感器(4)的顺序，对车辆行驶方向进行判定；每两个相邻传感器(4)构成一个测速序列对，根据每两个相邻传感器(4)之间的距离D以及该相邻传感器(4)所引起电脉冲上升沿和下降沿的时间差，计算出此时车辆的行驶速度；

④.相对定位：每计算出一个速度，就输出占空比为1∶1的速度脉冲信号，该脉冲信号频率正比于车辆的运行速度，测得速度脉冲信号的频率即可换算出车辆的实际运行速度，对速度脉冲信号进行计数，可得到车辆的相对运行距离，实现车辆的相对定位。

2.一种基于轨枕检测的非接触式轨道交通测速定位装置，其特征在于：包括安装于车体(1)底部的两个以上传感器(4)、测量控制单元(3)以及检测物(2)，所述检测物(2)为在轨道(6)上平行分布的轨枕，所述传感器(4)沿车体(1)呈直线排列并按顺序标定传感器(4)，所述传感器(4)被检测物(2)触发会产生电脉冲，所述测量控制单元(3)中分别记录所有传感器(4)所引起电脉冲上升沿和下降沿的时刻，根据被触发传感器(4)的顺序、每两个相邻传感器(4)之间的距离D以及该相邻传感器(4)引起电脉冲上升沿和下降沿的时刻得到车辆的方向、速度、位置信息。

3.根据权利要求2所述的基于轨枕检测的非接触式轨道交通测速定位装置，其特征在于：所述测量控制单元(3)包括主中断管理器(321)、从中断管理器(322)、微控制器(31)、脉冲输出模块(34)、光电隔离模块(36)以及反向器(37)，所述传感器(4)传来的信号经光电隔离模块(36)后分成两路，一路直接进入主中断管理器(321)，另一路经反向器(37)进入从中断管理器(322)，所述从中断管理器(322)用来捕获信号的上升沿，所述主中断管理器(321)用来捕获信号的下降沿并向微控制器(31)发起中断请求；所述微控制器(31)接受请求进入中断，获取传感器(4)序号和边沿时刻信息并进行配对，根据配对结果得到测速序列对的时间宽度，根据相邻传感器(4)的间距D可计算出速度值，并将速度值转化为频率值发往脉冲输出模块(34)产生速度脉冲信号输出。

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