CN101934805B - 基于周期性齿槽结构的中低速磁浮列车测速定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于周期性齿槽结构的中低速磁浮列车测速定位系统,包括固定于轨道上的金属齿槽条、安装于车体上的两个以上具有金属检测功能的传感器以及信号处理单元,具有金属检测功能的传感器与金属齿槽条接近时配合产生周期性通断信号并输至信号处理单元,信号处理单元根据接收到的通断信号判断车体的速度和位置。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、安装方便、测量精度高、适用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到磁浮列车领域,特指一种适用于中低速磁浮列车的测速定位系统。
背景技术
在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。在轨道交通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,依赖于列车定位测速系统提供的实时、准确和可靠的列车位置和速度信息。目前,国内外主要的磁浮列车测速定位方法有:(1)基于交叉感应回线的测速定位方法;(2)基于感应轨枕的测速定位方法;(3)基于光电的测速定位方法等。交叉感应回线法利用电磁感应原理来检测列车的速度与位置。将交变电信号送到沿磁浮线路铺设的,每隔一定距离交叉一次的回线上,这样在回线上将产生交变电磁场。列车运行时,车载线圈通过感应交叉回线中电流信号所生成的磁场产生感应电压,并根据感应电压的变化检测列车的位移和速度。基于感应轨枕的测速定位方法是通过计数轨枕的数目来测量列车的位移和速度,该种方法受到轨枕铺设密度的限制,因此精度较低。基于光电的测速定位方法,利用安装在车上的光发射器依次通过一系列有规则不透明挡板,光接收器以是否接收到光信号来计数列车通过的距离并进行测速,此种方法容易受到雨雪及尘土的影响,因此不适合在户外使用,使用范围受到限制。
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技术问题,本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、安装方便、测量精度高、适用范围广的基于周期性齿槽结构的中低速磁浮列车测速定位系统。
为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
一种基于周期性齿槽结构的中低速磁浮列车测速定位系统,其特征在于:包括固定于轨道上的金属齿槽条、安装于车体上的两个以上具有金属检测功能的传感器以及信号处理单元,所述具有金属检测功能的传感器与金属齿槽条接近时配合产生周期性通断信号并输至信号处理单元,所述信号处理单元根据接收到的通断信号判断车体的速度和位置。
作为本发明的进一步改进:
所述金属齿槽条沿着轨道铺设的方向布置并位于轨道的上方,所述具有金属检测功能的传感器的感应面朝向金属齿槽条并与轨道的铺设面平行。
所述金属齿槽条沿着轨道铺设的方向布置并位于轨道的侧面,所述具有金属检测功能的传感器的感应面朝向金属齿槽条并与轨道的铺设面垂直。
所述金属齿槽条由一个以上的齿和槽组成,所述齿和槽呈间隔布置。
所述相邻的一个齿和一个槽共同组成一个齿槽周期,所述一个齿槽周期的长度为L,所述槽的长度为M,所述一个齿的长度为L-M。
所述两个以上具有金属检测功能的传感器为等间距布置,相邻两个具有金属检测功能的传感器之间的间距为k*L+L/4,即齿槽周期长度的整数倍加上四分之一长度的齿槽周期长度,其中k为相隔的齿槽周期数目。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1、本发明结构简单、安装方便,除了需要铺设金属齿槽条以外,其余所有设备都安放在车体上,降低了设备的维护和检修费用;
2、本发明具有较好的适应性,不受天气、尘土和地形等因素的影响;
3、本发明采用无接触的测量方式,从而有效地避免了机械磨损,降低了使用成本;
4、本发明选用的电感式接近开关本身具有较高的抗电磁干扰能力,适合在磁浮列车等有磁环境下工作;
5、本发明定位精度高,由于采用了多传感器等差分布排列的方式,因此可以使得定位精度=L/(传感器个数),定位精度可以根据金属齿槽条齿槽周期的长度和传感器个数进行调整,做到按需设计,能达到厘米级的定位精度;传感器的安装约束较小,金属齿槽条结构不唯一,保证了较大的安装自由度和适应性;
6、本发明能够以非接触和无磨损的测量方式为列车安全行驶提供所需的方向,位移和速度信息。该方法结构简单,易于实现,具有较高的测量精度和抗干扰能力,具有高等级的电磁兼容(EMC)特性,即极高的抗电磁干扰能力,尤其是在保证精度不变的情况下,可以采用多种安装和设计方式,非常适合于作为磁浮列车轨道交通测速定位技术。
附图说明
图1是本发明在应用实例中的结构示意图;
图2是一种实例中金属齿槽条的安装示意图;
图3是另一种实例中金属齿槽条的安装示意图;
图4是列车正向行驶时具有金属检测功能的传感器输出脉冲的示意图;
图5是列车反向行驶时具有金属检测功能的传感器输出脉冲的示意图;
图6是本发明中信号处理单元进行信号处理的流程示意图;
图7是具体实施例中信号处理单元的框架结构示意图。
图例说明:
1、信号处理单元;2、具有金属检测功能的传感器;3、金属齿槽条;4、齿;5、槽;6、车体。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示,本发明基于周期性齿槽结构的中低速磁浮列车测速定位系统,包括固定于轨道上的金属齿槽条3、安装于车体6上的两个以上具有金属检测功能的传感器2以及信号处理单元1,具有金属检测功能的传感器2与金属齿槽条3接近时配合产生周期性通断信号并输至信号处理单元1,信号处理单元1根据接收到的通断信号判断车体6的速度和位置。具有金属检测功能的传感器2的具体安装数量要根据具体的测量精度要求以及金属齿槽条3上齿槽周期的长度而定。金属齿槽条3的材料可以选择铁、铝、铜或不锈钢等多种金属,通常选择电感式传感器进行检测。如果金属齿槽条3为磁性材料,可以选择磁阻式传感器或者霍尔传感器。
具有金属检测功能的传感器2(电感式接近开关)是利用导电物体在接近时能产生电磁场的原理,当导电物体接近具有金属检测功能的传感器2时,使导电物体内部产生涡流。这个涡流反作用到具有金属检测功能的传感器2的线圈,等效电感发生变化,从而使得内部LC震荡电路减弱,由此识别出有无导电物体移近,进而控制开关的通或断。这种具有金属检测功能的传感器2所能检测的物体必须是导电体,具有金属检测功能的传感器2通过开关的通或断输出高低电平,当具有金属检测功能的传感器2沿金属齿槽条3移动时就会输出周期性的通断信号,从而形成矩形波,或称作定位脉冲。
当采用一个具有金属检测功能的传感器2时,其产生的定位脉冲的精度只是一个齿槽周期的长度,并不能满足列车测速定位系统的设计要求。为了有效的提高列车定位和测速精度,本发明提出了一种“多传感器周期性等差安装”的方式,利用两个以上具有金属检测功能的传感器2产生的定位脉冲,实现对齿槽周期长度的细分。另外,采用该种安装方式,降低了车体6本身对具有金属检测功能的传感器2安装难度的限制,能够在更大范围内选择安装位置。
参见图2,在一种实施例中,金属齿槽条3沿着轨道铺设的方向布置并位于轨道的上方,具有金属检测功能的传感器2的感应面朝向金属齿槽条3并与轨道的铺设面平行。金属齿槽条3可采用沿轨道铺设方向布置的具有齿槽结构的工字钢或槽钢,可由热轧普通工字钢经过精确地齿槽切割而成。考虑到磁浮列车悬浮间隙的变化以及车体6上、下抖动的影响,该种方案要求选择具有金属检测功能的传感器2的检测距离较大。
参见图3,在另一种实施例中,金属齿槽条3沿着轨道铺设的方向布置并位于轨道的侧面,具有金属检测功能的传感器2的感应面朝向金属齿槽条3并与轨道的铺设面垂直。金属齿槽条3可采用沿轨道铺设方向布置的具有齿槽结构的等边或不等边的角钢,角钢的边厚度要根据传感器本身的检测特性而定,可由热轧不等边角钢经过精确地齿槽切割而成,通常适合在具有金属检测功能的传感器2的检测距离较小、同时列车左右抖动不剧烈的情况下使用。
本实施例中,金属齿槽条3由一个以上的齿4和槽5组成,齿4和槽5呈间隔布置。相邻的一个齿4和一个槽5共同组成一个齿槽周期,一个齿槽周期的长度为L,槽5的长度为M,一个齿4的长度为L-M。本实施例中,一个齿4和一个槽5的长度相等且均为L/2,两个以上具有金属检测功能的传感器2为等间距布置。
假定在设计中一共使用了n个具有金属检测功能的传感器2(S1,S2...Sn)来提高定位和测速精度。所谓周期性等差错位的安装方式是指:每相邻两个具有金属检测功能的传感器2(Si,Si+1)之间的距离为整数倍个齿槽周期的长度加上一个固定的位置增量l,该位置增量l一般要小于一个齿4或一个槽5的长度,即:
k*L+l,k≥0
而不相邻两个具有金属检测功能的传感器2(Si,Sj)之间距离为:
k*L+(j-i)*l,k≥0,j>i-1
其中k为相隔的齿槽周期数目。本实施例中,根据具体需求采用四个具有金属检测功能的传感器2(S1,S2,S3,S4),相邻两个具有金属检测功能的传感器2之间的安装距离为L/4。
参见图4,为列车正向行驶时,四个具有金属检测功能的传感器2输出信号的波形示意图。当具有金属检测功能的传感器2相对于金属齿槽条3移动时,根据其检测原理就会输出连续的定位脉冲信号。信号处理单元1接收所有具有金属检测功能的传感器2的信号,并将其转化为逻辑信号,高电平代表逻辑‘1’,低电平代表逻辑‘0’。四个具有金属检测功能的传感器2输出四路定位脉冲信号,由于具有金属检测功能的传感器2位置上的差异,就会使得四路脉冲信号相角存在差异,而这种相角上的差异就可以反映具有金属检测功能的传感器2在位置上的差异。
参见图5,为列车反向行驶时,四个具有金属检测功能的传感器2输出信号的波形示意图。通过图4和图5的差异,可以很容易得到列车的方向信号。方向信号的识别需要两个相邻的具有金属检测功能的传感器2,通过它们输出信号的逻辑关系进行判断。判别方式为:以其中一路的输出脉冲的上升沿或下降沿作为采样的时间基准,称该路信号为触发信号,当信号处理单元1检测到基准信号发生跳变的同时对另一路输入信号进行采样,被采样信号简称为逻辑信号。具体的判别方式如下表1所示,同样信号处理单元1可以依据触发时的采样信号可以获得列车运行方向信息。通过下表1可以看出,作为输出触发信号的具有金属检测功能的传感器2并不总是同一个具有金属检测功能的传感器2,同一个作为触发信号的具有金属检测功能的传感器2也可以选择不同的具有金属检测功能的传感器2作为输出逻辑信号的电感式接近开关。
表1
触发传感器 | 跳变方式 | 逻辑传感器 | 逻辑电平 | 方向判断 |
S1 | 上升沿 | S2 | 低电平 | 正向 |
S1 | 上升沿 | S2 | 高电平 | 反向 |
S1 | 下降沿 | S2 | 高电平 | 正向 |
S1 | 下降沿 | S2 | 低电平 | 反向 |
S1 | 上升沿 | S4 | 高电平 | 正向 |
S1 | 上升沿 | S4 | 低电平 | 反向 |
S1 | 下降沿 | S4 | 低电平 | 正向 |
S1 | 下降沿 | S4 | 高电平 | 反向 |
S2 | 上升沿 | S1 | 高电平 | 正向 |
S2 | 上升沿 | S1 | 低电平 | 反向 |
S2 | 下降沿 | S1 | 低电平 | 正向 |
S2 | 下降沿 | S1 | 高电平 | 反向 |
S2 | 上升沿 | S3 | 低电平 | 正向 |
S2 | 上升沿 | S3 | 高电平 | 反向 |
S2 | 下降沿 | S3 | 高电平 | 正向 |
S2 | 下降沿 | S3 | 低电平 | 反向 |
S3 | 上升沿 | S2 | 高电平 | 正向 |
S3 | 上升沿 | S2 | 低电平 | 反向 |
S3 | 下降沿 | S2 | 低电平 | 正向 |
S3 | 下降沿 | S2 | 高电平 | 反向 |
S3 | 上升沿 | S4 | 低电平 | 正向 |
S3 | 上升沿 | S4 | 高电平 | 反向 |
S3 | 下降沿 | S4 | 高电平 | 正向 |
S3 | 下降沿 | S4 | 低电平 | 反向 |
S4 | 上升沿 | S1 | 低电平 | 正向 |
S4 | 上升沿 | S1 | 高电平 | 反向 |
S4 | 下降沿 | S1 | 高电平 | 正向 |
S4 | 下降沿 | S1 | 低电平 | 反向 |
S4 | 上升沿 | S3 | 高电平 | 正向 |
S4 | 上升沿 | S3 | 低电平 | 反向 |
S4 | 下降沿 | S3 | 低电平 | 正向 |
S4 | 下降沿 | S3 | 高电平 | 反向 |
具有金属检测功能的传感器2每输出一个完整的脉冲信号,代表其经过的距离为L/4。通过图4和图7可以看出,当列车正向(反向)行驶时,每个具有金属检测功能的传感器2输出的脉冲信号从S1到S4依次滞后(或超前)四分之一个脉冲周期,反映到位移量上则对应一个齿槽距离的四分之一。那么信号处理单元1可以通过接收的所有定位脉冲信号的上升沿进行计数,可以得到列车的运行位移。易知,该种方法的定位精度为L/4。具体的信号处理过程可参见流程图7。
对于列车速度的计算是显而易见的,由于一个齿槽周期的长度固定为L,只需要信号处理单元1提取前后两次上升沿的时间差T,求得列车运行速度为V:
V=4*L/T
参见图7,为具体实施中信号处理单元1的框架结构示意图。该信号处理单元1包括单片机、主中断控制器、从中断控制器、反相器、光电隔离电平转换单元等部件,四个具有金属检测功能的传感器2检测到的信号经过光电隔离电平转换单元、主中断控制器、从中断控制器、反相器后输送至单片机。
参见图6,是本实施例中信号处理单元1进行信号处理的流程示意图。
(1)对数字电路进行初始化;
(2)启动定时器,作为计算时间的依据;
(3)等待外部中断控制器的中断信号,若收到中断信号,则根据定时的计数值保存收到中断时的时间;若没有收到中断信号,则继续等待;
(4)将该次收到中断是的时间与上一次收到中断时的时间做差,通过齿槽距离L,计算出列车运行的速度;
(5)获取收到中断时的中断向量地址,从而定位发出中断信号的传感器以及区分定位脉冲的上升沿和下降沿,从而通过查表获得列车运行的方向信号;
(6)若列车为正向运行,则位移变量累加,若判断列车为反向运行,则位移变量递减,无论累加还是递减,位移量每次变化量均为齿槽距离的四分之一;
(7)返回(3)继续等待。
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,应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于周期性齿槽结构的中低速磁浮列车测速定位系统,其特征在于:包括固定于轨道上的金属齿槽条(3)、安装于车体(6)上的两个以上具有金属检测功能的传感器(2)以及信号处理单元(1),所述传感器(2)与金属齿槽条(3)接近时配合产生周期性通断信号并输至信号处理单元(1),所述信号处理单元(1)根据接收到的通断信号判断车体(6)的速度和位置;所述金属齿槽条(3)由一个以上的齿(4)和槽(5)组成,所述齿(4)和槽(5)呈间隔布置;所述相邻的一个齿(4)和一个槽(5)共同组成一个齿槽周期,所述一个齿槽周期的长度为L,所述槽(5)的长度为M,所述一个齿(4)的长度为L-M;所述两个以上具有金属检测功能的传感器(2)为等间距布置,相邻两个具有金属检测功能的传感器(2)之间的间距为k*L+L/4,即齿槽周期长度的整数倍加上四分之一长度的齿槽周期长度,其中k为相隔的齿槽周期数目,k大于或等于0。
2.根据权利要求1所述的基于周期性齿槽结构的中低速磁浮列车测速定位系统,其特征在于:所述金属齿槽条(3)沿着轨道铺设的方向布置并位于轨道的上方,所述具有金属检测功能的传感器(2)的感应面朝向金属齿槽条(3)并与轨道的铺设面平行。
3.根据权利要求1所述的基于周期性齿槽结构的中低速磁浮列车测速定位系统,其特征在于:所述金属齿槽条(3)沿着轨道铺设的方向布置并位于轨道的侧面,所述具有金属检测功能的传感器(2)的感应面朝向金属齿槽条(3)并与轨道的铺设面垂直。
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