CN104527735B - 基于f轨的磁浮列车定位与测速装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于F轨的磁浮列车定位与测速装置及方法，该装置包括安装在列车转向架上的相对位置传感器和绝对位置传感器、位于F轨轨把表面的绝对定位孔和相对定位孔、以及信号处理装置，绝对定位孔和相对定位孔分别安装于F轨轨把表面的一侧上，呈相对状布置；绝对位置传感器用来检测F轨轨把上的绝对定位孔，相对位置传感器用来检测F轨轨把上的相对定位孔，产生与脉冲宽度和孔径相关的绝对位置和相对位置脉冲信号，并将该信号发送至信号处理装置；信号处理装置通过接收到的传感器信号计算列车运行的绝对位置、相对位置和列车的实时速度。该方法基于上述装置来实现。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、使用方便等优点。

Description

基于F轨的磁浮列车定位与测速装置及方法

技术领域

本发明主要涉及到磁浮列车的控制领域，特指一种基于F轨的磁浮列车定位与测速方法及装置。

背景技术

列车的牵引控制系统和运行控制系统都需要准确实时地获取列车运行的位置和速度信息，这是列车安全、可靠和稳定运行的保障。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，列车定位测速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定位测速方法有：(1)基于交叉感应环线的定位测速方法；(2)基于感应轨枕的定位测速方法；(3)基于光电的定位测速方法等。

基于交叉感应环线的定位测速方法主要是利用电磁感应原理来检测列车的速度与位置。通过将交变电信号送到沿磁浮线路铺设并且每隔一定距离交叉一次的感应环线上，从而使得感应环线周围产生交变电磁场。列车运行时，利用安装在车底部的接收线圈产生感应电压，并根据感应电压幅值或者相位的变化检测实现列车位置和速度的检测。该种方法由于需要在轨道额外铺设感应电缆，造成结构十分复杂，施工比较麻烦。日本名古屋1.5km的HSST磁浮列车试验线和18.4km的超导高速磁浮铁路山梨试验线就是采用基于轨间电缆的方法实现了列车的定位测速。

基于感应轨枕的定位测速方法是通过计数轨枕的数目来测量列车的位移和速度，其采用的是等距离速度更新的方式，因此其精度指标与传感器排布间隔有关。该种定位测速方法都对轨枕的排布有一定的要求，并且获取的相对位置存在累积误差。

基于光电的定位测速方法，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。

综上所述，以上各种方式都只具有测速、相对定位功能，并没有将绝对定位功能包含在内。

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、使用方便的基于F轨的磁浮列车定位与测速装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于F轨的磁浮列车定位与测速装置，包括安装在列车转向架上的相对位置传感器和绝对位置传感器、位于F轨轨把表面的绝对定位孔和相对定位孔、以及信号处理装置，绝对定位孔和相对定位孔分别安装于F轨轨把表面的一侧上，呈相对状布置；所述绝对位置传感器用来检测F轨轨把上的绝对定位孔，所述相对位置传感器用来检测F轨轨把上的相对定位孔，产生与脉冲宽度和孔径相关的绝对位置和相对位置脉冲信号，并将该信号发送至信号处理装置；所述信号处理装置通过接收到的传感器信号计算列车运行的绝对位置、相对位置和列车的实时速度。

作为本发明的进一步改进：所述绝对定位孔包括绝对定位实孔和绝对定位虚孔，所述绝对定位实孔为实际存在的孔，所述绝对定位虚孔为虚拟孔，所述绝对位置传感器在经过绝对定位实孔和绝对定位虚孔会产生不同的逻辑信号并以此作为绝对位置编码。

作为本发明的进一步改进：所述绝对定位孔与相对定位孔为单一对应关系，每个所述绝对定位孔与一个所述相对定位孔相对应，每两个对应孔的圆心连接线平行。

作为本发明的进一步改进：所述绝对定位孔与相对定位孔为单一对应关系，每个所述绝对定位孔与一个所述相对定位孔相对应，所述绝对定位孔与相对定位孔错开半个孔径的距离。

作为本发明的进一步改进：所述绝对定位实孔和绝对定位虚孔排列形成一组绝对定位孔，每组绝对定位孔的始端孔和末端孔均为绝对定位实孔。

作为本发明的进一步改进：所述相对位置传感器和绝对位置传感器为电磁式传感器或电涡流传感器。

本发明进一步提供一种基于上述装置的磁浮列车定位与测速方法，信号处理装置利用接收到的传感器信号计算列车运行的绝对位置、相对位置和列车的实时速度；具体为：

所述绝对位置检测是利用绝对定位与相对定位脉冲的对应关系，通过解码规则来获取；

所述相对位置检测是通过计数相对位置脉冲实现；

所述列车的实时速度是利用相对定位孔的中心距与通过相邻两定位孔时间差之比来获取。

作为本发明的进一步改进：所述相对位置检测的具体过程为：

列车运行时，相对位置传感器不间断的经过相对定位孔，并将检测信号发送给信号处理装置；当相对位置传感器位于孔间隙上方时，输出逻辑信号“0”；当逐渐靠近相对定位孔，且相对定位孔位于相对位置传感器上检测探头检测投影范围内时，相对位置传感器输出逻辑信号“1”；相对位置传感器将检测信号发送到信号处理装置，并由信号处理装置进行计数；计数器在列车接收到绝对位置编码时清零，在一个绝对位置区间内，当相对定位脉冲S₁中信号每出现一个下降沿时，计数器动作一次，即计数器读数从n变化为n+1，已知一个定位周期中检测长度为L，此时列车运行的相对位置s为：

s＝L·(n+1)。

作为本发明的进一步改进：所述列车的实时速度检测是利用相对定位孔的孔距和相邻两个定位脉冲的时间差之间的关系来计算得到的；若其中一个脉冲信号上升沿时间为t_u1，下一脉冲信号上升沿时间为t_u2，采用下式计算：

$v=\frac{2L}{t_{d2}-t_{d1}+t_{u2}-t_{u1}}$

其中，t_d1脉冲信号下降沿时间，t_d2为下一个脉冲信号的下降沿时间。

作为本发明的进一步改进：所述绝对位置检测的过程为：

列车运行时，所述绝对位置传感器经过绝对定位孔，并将检测信号发送给信号处理装置；

当绝对位置传感器位于孔间隙上方时，输出逻辑信号“0”；当逐渐靠近绝对定位孔，且绝对定位孔位于绝对位置传感器上检测探头检测投影范围内时，绝对位置传感器输出逻辑信号“1”；信号处理装置在相对位置脉冲的跳变沿时刻读取绝对位置脉冲的逻辑来组成绝对位置编码，当列车正向运行时，由于绝对位置脉冲滞后于相对位置脉冲，选择在相对位置脉冲的下降沿时刻读取绝对位置脉冲逻辑；当列车反向运行时，由于绝对位置脉冲超前于相对位置脉冲，选择在相对位置脉冲的上升沿读绝对位置脉冲逻辑。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的基于F轨的磁浮列车定位与测速装置及方法，结构简单、安装方便、可一次成型和F轨成一体化，能够有效减少后期安装、维护工作，节约人工、设备成本。

2、本发明的基于F轨的磁浮列车定位与测速装置及方法，具有较好的适应性，不受天气、尘土和地形等因素的影响。

3、本发明的基于F轨的磁浮列车定位与测速装置及方法，采用无接触的测量方式，从而有效地避免了机械磨损。

4、本发明的基于F轨的磁浮列车定位与测速装置及方法，将相对定位、绝对定位和测速融合为一体。

5、本发明的基于F轨的磁浮列车定位与测速装置及方法，定位和测速精度高，其最小精度为一个定位周期长度，根据传感器探头的高灵敏度特性，可实现厘米级别的定位精度。

6、本发明的基于F轨的磁浮列车定位与测速装置及方法，定位孔结构简单、形状多样化，便于传感器探头检测，抗干扰能力强，可有效避免误码、漏码现象。

7、本发明的基于F轨的磁浮列车定位与测速装置及方法，可以同时向列车控制系统提供速度、相对位置、绝对位置信号，有利于列车控制系统更迅捷、精准地发出控制指令。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图。

图2是在一个具体应用实例中F轨上定位孔的加工分布示意图。

图3是基于图2中定位孔分布的相对定位脉冲与绝对定位脉冲波形示意图。

图4是本发明在具体应用时F轨上定位孔的孔型示意图。

图5是本发明在另一个具体应用实例中F轨定位孔的加工分布示意图。

图6是基于图5中定位孔分布的相对定位脉冲与绝对定位脉冲波形示意图。

图例说明：

1、F轨次级部分；2、F轨轨把；3、相对定位孔；4、绝对定位实孔；5、绝对定位虚孔；6、电磁式传感器；L1、孔直径；L2、孔间间隙；S₁、相对定位脉冲(相对位置传感器检测信号)；S₂、绝对定位脉冲(绝对位置传感器检测信号)。

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，本发明的基于F轨的磁浮列车定位与测速装置，包括安装在列车转向架上的相对位置传感器和绝对位置传感器、位于F轨轨把2表面的绝对定位孔和相对定位孔3、以及信号处理装置，F轨轨把2靠近F轨次级部分1，信号处理装置可以位于车厢内，两类传感器的检测面分别朝向安装有相对定位孔3和绝对定位孔的F轨轨把2的表面。绝对位置传感器和相对位置传感器分别用来检测F轨轨把2上的绝对定位孔和相对定位孔3，从而产生与脉冲宽度和孔径相关的绝对位置和相对位置脉冲信号，并将该信号发送至车厢内的信号处理装置。信号处理装置利用接收到的传感器信号计算列车运行的绝对位置、相对位置和列车的实时速度。其中：

绝对位置检测利用绝对定位与相对定位脉冲的对应关系，通过一定的解码规则来获取。

相对位置检测是通过计数相对位置脉冲来实现的。

列车的实时速度是利用相对定位孔的中心距与通过相邻两定位孔时间差之比来获取的。

具体应用时，相对位置传感器和绝对位置传感器的类型相同，可以根据实际需要采用电磁式传感器6或电涡流传感器，例如，如图1所示的电磁式传感器6。

参见图1和图2，在轨道上，相对定位孔3位于F轨轨把2上的一侧，绝对定位孔位于F轨轨把2上的另一侧。绝对定位孔分为实孔和虚孔两种类型，即：绝对定位实孔4和绝对定位虚孔5，绝对定位实孔4是实际存在的孔，而绝对定位虚孔5不是实际存在的孔，二者的区别在于传感器在经过绝对定位实孔4和绝对定位虚孔5会产生不同的逻辑信号：“1”和“0”，并以此作为绝对位置编码。绝对定位实孔4和绝对定位虚孔5的空间分布需要参考相对定位孔3的空间分布，一般可采取与相对定位孔3对齐的方式，即绝对定位孔与相对定位孔3在空间上存在单一对应关系，即每个绝对定位孔与一个相对定位孔3相对应，每两个对应孔的圆心连接线平行。图中L1为孔直径，L2为孔间间隙。在本实施例中，每组绝对定位孔的始端孔和末端孔都必须是绝对定位实孔4。

如图3所示，是列车匀速正向运行经过图2所示的定位孔时，相对位置传感器检测信号与绝对位置传感器检测信号。从图中可以看出，由于采用绝对定位孔与相对定位孔3存在单对应关系，理想状态下，相对位置传感器检测相对定位孔3所产生的检测信号与绝对位置传感器检测绝对定位孔所产生的检测信号跳变同步，可以选择在相对定位脉冲的上升沿读取绝对定位脉冲信号的逻辑，从而确定绝对位置编码。

参见图4，绝对定位孔和相对定位孔3的孔形状、规格相同，相对定位孔3的孔距相同，每组绝对定位孔的孔距相同(包括绝对定位虚孔5)，具体孔形状可以根据传感器检测探头进行调整。定位孔的形状可采用圆形、方形或者多边形等多种形状，主要是为了适应不同的传感器检测探头，有效提高传感器的检测性能。

用于相对位置检测的传感器检测探头检测到相对定位孔3时输出高电平，检测到孔间隙时输出低电平。用于绝对位置检测的传感器检测探头检测到绝对定位实孔4时输出高电平，检测到孔间隙或者绝对定位虚孔5时输出低电平，因此会存在传感器检测到孔间隙输出的低电平信号与检测到虚孔时输出的低电平信号混淆的情况。本实施例中，为了有效区分无用信号与绝对位置编码信号，需要将相对位置传感器检测的相对定位孔3信号作为同步信号，即认为相对位置传感器输出高电平时刻时的绝对位置传感器输出的信号为绝对位置编码信号，换言之，上述绝对定位孔与相对定位孔3在空间上存在对应关系即是此目的。

由于绝对定位孔编组沿轨道线路每隔一段距离铺设，信号处理单元在绝对位置传感器进入绝对位置编码时才启动读码程序，绝对位置传感器检测到绝对定位孔的始端孔和终端孔输出逻辑信号“1”，信号处理单元接收该信号，仅以此作为绝对位置编码的准备信号和结束信号，并不作为反映列车绝对位置的编码信号。

由于上述相对定位孔3的孔间距相同，那么信号处理单元可以利用相对位置传感器检测相邻两个相对定位孔3的时间差来计算列车运行的速度。

如图5所示，在另一个具体应用实例中，与上述一个实例不同，绝对定位孔与相对定位孔3错开半个孔径的距离。由于绝对定位孔和相对定位孔3的布置会存在误差以及不同传感器的检测灵敏度存在差异，前一个实例中采用定位孔中心线平行的方式有可能会造成绝对定位码误读。为此，采用本实例的方式，就可确保绝对位置编码的准确读取。在这种方式下，以传感器检测探头完全正对绝对定位孔时作为绝对位置编码的读码时刻。当列车正向运行时，以相对位置传感器检测信号的稳定下降沿作为绝对位置编码的读码时刻；当列车反向运行时，以相对位置传感器检测信号的稳定上升沿作为绝对位置编码的读码时刻。也就是说，当列车匀速正向经过图5所示的定位孔时，绝对位置传感器输出脉冲信号滞后相对位置传感器输出的脉冲信号180°；当列车匀速反向经过图5所示的定位孔时，绝对位置传感器输出脉冲信号超前相对位置传感器输出的脉冲信号180°。

在本发明上述装置的基础上，本发明进一步提供一种定位与测速方法，其可以分为相对定位过程、测速过程和绝对定位过程。具体处理方法如下：

1、相对定位过程；

列车运行时，用于相对定位孔3检测的相对位置传感器不间断的经过相对定位孔3，并将检测信号发送给信号处理装置。当相对位置传感器位于孔间隙上方时，输出逻辑信号“0”；当其逐渐靠近定位孔，且定位孔位于检测探头检测投影范围内时，传感器输出逻辑信号“1”。传感器将检测信号发送到信号处理装置，并由信号处理装置进行计数，其检测信号波形如图6中S₁所示。计数器在列车接收到绝对位置编码时清零，在一个绝对位置区间内，当S₁中信号每出现一个下降沿时，计数器动作一次，即计数器读数从n变化为n+1，已知一个定位周期中检测长度为L，此时列车运行的相对位置s为：

s＝L·(n+1)；

2、测速过程；

列车运行速度的计算主要利用相对定位孔3的孔距和相邻两个定位脉冲的时间差之间的关系来计算得到的。若其中一个脉冲信号上升沿时间为t_u1，下一脉冲信号上升沿时间为t_u2，可以得到列车速度的简单计算公式：

$v=\frac{L}{t_{u2}-t_{u1}};$

考虑到磁浮列车运行时悬浮间隙变化等其它因素，传感器检测信号的占空比会发生改变，导致速度检测精度受到影响，针对这种情况，因此考虑采用如下的计算公式：

$v=\frac{2L}{t_{d2}-t_{d1}+t_{u2}-t_{u1}}$

若其中t_d1脉冲信号下降沿时间，t_d2为下一个脉冲信号的下降沿时间。

3、绝对定位过程；

列车运行时，用于绝对定位孔检测的绝对位置传感器同样会经过绝对定位孔，并将检测信号发送给信号处理装置。

当绝对位置传感器位于孔间隙上方时，输出逻辑信号“0”；当其逐渐靠近定位孔，且定位孔位于检测探头检测投影范围内时，传感器输出逻辑信号“1”。信号处理装置在相对位置脉冲的跳变沿时刻读取绝对位置脉冲的逻辑来组成绝对位置编码，当列车正向运行时，由于绝对位置脉冲滞后于相对位置脉冲，选择在相对位置脉冲的下降沿时刻读取绝对位置脉冲逻辑；当列车反向运行时，由于绝对位置脉冲超前于相对位置脉冲，选择在相对位置脉冲的上升沿读绝对位置脉冲逻辑。

传感器将检测信号发送到信号处理装置。每一组完整的绝对位置编码由首位编码1、绝对位置编码、末位编码1组成，以三位绝对位置编码为例，其形式为1XXX1。

绝对位置编码的编码形式、编码位数可根据具体情况而定，具有很强的灵活性和稳定性。本发明为了增强绝对位置编码的可靠性，采用了相邻两组编码只有一位发生改变的格雷码作为基本编码形式。

为了有效区分虚孔和孔间隙信号，信号处理装置将始端孔信号作为绝对位置编码的启动信号，将末端孔信号作为绝对位置编码的结束信号，但是不作为编码信号，以图2为例，两个绝对位置区间的绝对位置编码分别为：“010”和“110”。

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 (9)

1.一种基于F轨的磁浮列车定位与测速装置，其特征在于，包括安装在列车转向架上的相对位置传感器和绝对位置传感器、位于F轨轨把(2)表面的绝对定位孔和相对定位孔(3)、以及信号处理装置，绝对定位孔和相对定位孔(3)分别安装于F轨轨把(2)表面的一侧上，呈相对状布置；所述绝对位置传感器用来检测F轨轨把(2)上的绝对定位孔，所述相对位置传感器用来检测F轨轨把(2)上的相对定位孔(3)，产生与脉冲宽度和孔径相关的绝对位置和相对位置脉冲信号，并将该信号发送至信号处理装置；所述信号处理装置通过接收到的传感器信号计算列车运行的绝对位置、相对位置和列车的实时速度；

所述绝对定位孔包括绝对定位实孔(4)和绝对定位虚孔(5)，所述绝对定位实孔(4)为实际存在的孔，所述绝对定位虚孔(5)为虚拟孔，所述绝对位置传感器在经过绝对定位实孔(4)和绝对定位虚孔(5)会产生不同的逻辑信号并以此作为绝对位置编码。

2.根据权利要求1所述的基于F轨的磁浮列车定位与测速装置，其特征在于，所述绝对定位孔与相对定位孔(3)为单一对应关系，每个所述绝对定位孔与一个所述相对定位孔(3)相对应，每两个对应孔的圆心连接线平行。

3.根据权利要求1所述的基于F轨的磁浮列车定位与测速装置，其特征在于，所述绝对定位孔与相对定位孔(3)为单一对应关系，每个所述绝对定位孔与一个所述相对定位孔(3)相对应，所述绝对定位孔与相对定位孔(3)错开半个孔径的距离。

4.根据权利要求1所述的基于F轨的磁浮列车定位与测速装置，其特征在于，所述绝对定位实孔(4)和绝对定位虚孔(5)排列形成一组绝对定位孔，每组绝对定位孔的始端孔和末端孔均为绝对定位实孔(4)。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的基于F轨的磁浮列车定位与测速装置，其特征在于，所述相对位置传感器和绝对位置传感器为电磁式传感器或电涡流传感器。

6.一种基于上述权利要求1～5中任意一项装置的磁浮列车定位与测速方法，其特征在于，信号处理装置利用接收到的传感器信号计算列车运行的绝对位置、相对位置和列车的实时速度；具体为：

绝对位置检测是利用绝对定位与相对定位脉冲的对应关系，通过解码规则来获取；

相对位置检测是通过计数相对位置脉冲实现；

所述列车的实时速度是利用相对定位孔(3)的中心距与通过相邻两定位孔时间差之比来获取。

7.根据权利要求6所述的磁浮列车定位与测速方法，其特征在于，所述相对位置检测的具体过程为：

列车运行时，相对位置传感器不间断的经过相对定位孔(3)，并将检测信号发送给信号处理装置；当相对位置传感器位于孔间隙上方时，输出逻辑信号“0”；当逐渐靠近相对定位孔(3)，且相对定位孔(3)位于相对位置传感器上检测探头检测投影范围内时，相对位置传感器输出逻辑信号“1”；相对位置传感器将检测信号发送到信号处理装置，并由信号处理装置进行计数；计数器在列车接收到绝对位置编码时清零，在一个绝对位置区间内，当相对定位脉冲S₁中信号每出现一个下降沿时，计数器动作一次，即计数器读数从n变化为n+1，已知一个定位周期中检测长度为L，此时列车运行的相对位置s为：

s＝L·(n+1)。

8.根据权利要求7所述的磁浮列车定位与测速方法，其特征在于，列车的实时速度检测是利用相对定位孔(3)的孔距和相邻两个定位脉冲的时间差之间的关系来计算得到的；若其中一个脉冲信号上升沿时间为t_u1，下一脉冲信号上升沿时间为t_u2，采用下式计算：

$v=\frac{2L}{t_{d2}-t_{d1}+t_{u2}-t_{u1}}$

其中，t_d1脉冲信号下降沿时间，t_d2为下一个脉冲信号的下降沿时间。

9.根据权利要求6所述的磁浮列车定位与测速方法，其特征在于，所述绝对位置检测的过程为：

列车运行时，所述绝对位置传感器经过绝对定位孔，并将检测信号发送给信号处理装置；

当绝对位置传感器位于孔间隙上方时，输出逻辑信号“0”；当逐渐靠近绝对定位孔，且绝对定位孔位于绝对位置传感器上检测探头检测投影范围内时，绝对位置传感器输出逻辑信号“1”；信号处理装置在相对位置脉冲的跳变沿时刻读取绝对位置脉冲的逻辑来组成绝对位置编码，当列车正向运行时，由于绝对位置脉冲滞后于相对位置脉冲，选择在相对位置脉冲的下降沿时刻读取绝对位置脉冲逻辑；当列车反向运行时，由于绝对位置脉冲超前于相对位置脉冲，选择在相对位置脉冲的上升沿读绝对位置脉冲逻辑。