CN105501256A - 一种中低速磁悬浮列车组合测速定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中低速磁悬浮列车组合测速定位装置，包括：设置在列车底部的两组电涡流式PNP传感器、多普勒测速雷达以及测速定位板(含板载MEMS数字加速度计)；其中：所述电涡流式PNP传感器，用于以非接触无磨损的方式监测轨道间的金属轨枕；所述测速定位板，用于根据多个电涡流式PNP传感器进入同一轨枕区域的时间差，计算列车速度，并结合MEMS加速度计测量到的列车加速度计算列车运行速度；以及根据列车运行速度计算一段时间内列车运行的位移，并在接收到应答器发送的含有列车位置信息的报文后，确定列车位置。

Description

一种中低速磁悬浮列车组合测速定位装置

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种中低速磁悬浮列车组合测速定位装置。

背景技术

中低速磁悬浮列车具有安全、环保、低噪音、建设运营维护成本低等诸多优点，受到了社会各界的关注，是一个新兴的领域。中低速磁浮的测速定位方式与其它的轨道交通大有不同。因其本身没有车轮，不能像轮轨列车一样使用测速感应器测量车轮转动齿槽数目；并且它采用异步直线电机，没有带铁芯的长定子绕组安装在线路道床上，无法像高速磁悬浮测速那样直接测量槽齿的磁阻。

目前国内外主要的中低速磁浮列车测速定位方法有：

(1)基于感应环线的测速定位方式。感应环线测速是通过特殊排列的环线形成开口部分和闭口部分，随着车辆的移动，环线开口部分对接收天线产生高电平，而闭口部分不会产生电平，由此形成周期间隔的脉冲信号。这种方式技术复杂，施工要求高，道岔区段更需要特殊处理，运营维护困难。

(2)基于槽齿磁阻传感器的测速方式。槽齿磁阻传感器测速是借鉴高速磁浮系统测速原理而来，需要在轨道上等间距的安装槽齿测速板，安装精度要求高，工程建设以及后期运营维护成本高；并且，测速精度完全由安装在地面的多个槽齿测速板的安装间距决定，调整间距时工作量大，间距过大则低速的启停阶段精确度低，间距过小则高速运行时信号分辨率高，对传感器和信号测速板的压力较大，容易丢失信号，产生安全隐患；另外，定位只能依靠等间距安装的槽齿测速板检测列车的相对位置，并且没有考虑过如果检测信号丢失情况下如何定位，且这个方案需要一段时间的波形数据才能判断列车方向，增加了安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种中低速磁悬浮列车组合测速定位装置，可实现列车的精确测速与定位，并可降低成本与施工难度以及后期运营维护的难度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种中低速磁悬浮列车组合测速定位装置，包括：设置在列车底部的两组电涡流式PNP传感器、多普勒测速雷达以及包含板载MEMS数字加速度计的测速定位板；其中：

所述电涡流式PNP传感器，用于以非接触无磨损的方式监测轨道间的金属轨枕；

所述测速定位板，用于根据多个电涡流式PNP传感器进入同一轨枕区域的时间差，计算列车速度，并结合MEMS加速度计测量到的列车加速度计算列车运行速度，再将计算出的列车运行速度与多普勒雷达测量出的速度进行比较；若二者速度差在规定的阈值范围内，则取较大值作为最终的列车运行速度；以及根据列车运行速度计算一段时间内列车运行的位移，并在接收到应答器发送的含有列车位置信息的报文后，确定列车位置。

进一步的，每一组电涡流式PNP传感器均包括以L的间距安装的若干个电涡流感应式传感器，且两组电涡流式PNP传感器前后按照L/2间距交错布置。

进一步的，所述电涡流式PNP传感器包含四个通道：通道1接电源正极，通道3接电源负极，通道2与通道4分别接一电阻后接电源负极；当电涡流式PNP传感器经过金属轨枕区域时，通道2输出低电平，当电涡流式PNP传感器不在金属轨枕区域时，通道2输出高电平。

进一步的，所述测速定位板包括两个独立工作的CPU、两个MEMS加速度计以及母板；其中：

每一CPU分别通过SSP高速串口与一个MEMS加速度计相连，接收相应的加速度数据；两个CPU均通过母板采集两组电涡流式PNP传感器的脉冲信号以及多普勒雷达的输出信息；当CPU计算出列车运行速度与位置后，通过母板发送给ATP系统与ATO系统。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用了磁浮线路上的钢轨枕结构，不再安装其它的地面测速设备，并且不要求钢轨枕等间距安装；这种方式合理的节约了资源，降低的工程设计和施工的难度，同时也降低了后期运营维护的难度。另外，基于中低速磁浮线路的钢枕机构，采用加速度计和电涡流传感器相结合的测速定位方式，修正了低速情况下涡流传感器的测速不准的问题，同时解决了高速情况下传感器脉冲丢失的问题，能够得到更准确的速度位置信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的电涡流式PNP传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电涡流式PNP传感器的通道2与通道4输出波形图；

图3为本发明实施例提供的测速定位板的硬件结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种中低速磁悬浮列车组合测速定位装置的应用场景示意图；

图5为本发明实施例提供的A、B两组电涡流式PNP传感器布置示意图；

图6为本发明实施例提供的测速定位的过程示意图；

图7为本发明实施例提供的测速定位的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种中低速磁悬浮列车组合测速定位装置，其主要包括：设置在列车底部的两组电涡流式PNP传感器(该传感器内部包含一个PNP型三极管控制通断)、多普勒测速雷达以及测速定位板(含板载MEMS数字加速度计)；其中：

所述电涡流式PNP传感器，用于以非接触无磨损的方式监测轨道间的金属轨枕；

所述测速定位板，用于根据多个电涡流式PNP传感器进入同一轨枕区域的时间差，计算列车速度，并结合MEMS加速度计测量到的列车加速度计算列车运行速度；以及根据列车运行速度计算一段时间内列车运行的位移，并在接收到应答器发送的含有列车位置信息的报文后，确定列车位置。

优选的，所述测速定位板，还用于将计算出的列车运行速度与多普勒雷达测量出的速度进行比较；若二者速度差在规定的阈值范围内，则取较大值作为最终的列车运行速度。

本发明利用磁浮线路上已有的钢枕结构，在列车底部沿车体运行方向纵向布置安装两组电涡流式PNP传感器组，每一组为若干以等间距(定义为L，相邻传感器中心点之间的水平距离)布置的传感器，具体数量根据磁悬浮工程相邻钢轨枕的最大间距确定。通过两组传感器前后以L/2间距交错布置，物理上减少相邻传感器间距，测量列车的速度，辅助测速板载MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)数字加速度计测得的列车加速度，结合多普勒测速雷达进行校核，共同计算出精确的列车速度和位置。

本发明实施例中，每一组电涡流式PNP传感器均包括以L的间距安装的若干个电涡流感应式传感器(电涡流式PNP传感器的安装数目根据现场轨枕间距而定，至少为2个)，且两组电涡流式PNP传感器前后交错L/2间距布置，从而在物理上减少相邻传感器间距，提高了测距分辨率和测速刷新率。

所述电涡流式PNP传感器由三个无铁氧体芯的空线圈构成，以非接触无磨损的方式监测金属，如图1所示，所述电涡流式PNP传感器包含四个通道：通道1接电源正极，通道3接电源负极，通道2与通道4分别接一电阻后接电源负极；当电涡流式PNP传感器经过金属轨枕区域时，通道2输出低电平，当电涡流式PNP传感器不在金属轨枕区域时，通道2输出高电平。如图2所示，通道2与通道4输出两路完全相反的波形，以方便多个系统同时采集其数据，本发明实施例可使用多个电涡流式PNP传感器的通道2的数据。

如图3所示，本发明实施例中所述的测速定位板设计了独立的速度脉冲输入接口，通过外部配线获取电涡流传感器的速度脉冲信息，经过接口匹配电路后同时提供给CPUA、CPUB的定时器端口使用。测速板设计了外部总线RS485/422接口电路，通过数据通信报文方式采集雷达的信息。

具体来说，所述测速定位板主要包括：两个独立工作的CPU、两个MEMS加速度计以及母板；其中：

每一CPU分别通过SSP高速串口与一个MEMS加速度计相连，接收相应的加速度数据；两个CPU均通过母板采集两组电涡流式PNP传感器的脉冲信号以及多普勒雷达的输出信息；当CPU计算出列车运行速度与位置后，通过母板发送给ATP系统与ATO系统。

本发明提供的一种中低速磁悬浮列车组合测速定位装置的应用场景如图4所示。列车底部安装有A、B两组电涡流式PNP传感器(布置示意图如图5所示)，且与包含测速定位板的车载控制器相连；通过测量多个传感器进入同一轨枕区域的时间差，计算列车运行速度，同时用测速板载的MEMS加速度计测量列车的加速度，通过板载的通信端口获取多普勒雷达测速信息，采用相应的算法共同计算列车运行的精确速度和位置。

MEMS加速度计、电涡流式PNP传感器与雷达数据配合测速定位的过程如图6所示；将MEMS加速度计和电涡流式PNP传感器的数据结果融合得到列车运行速度，再与雷达的速度结果进行比较，最后得到精确的速度和位置信息。

上述过程的详细步骤如图7所示；其主要包括：

1)第一个电涡流式PNP传感器进入轨枕区域时输出高电平，测速定位板CPU在定时器里捕获第一个定时器的中断信号开始时间。

2)判断列车是否在规定的时间间隔内接收到下一个定时器的中断信号开始时间。

3)若接收到下一个中断信号，则计算两个信号的时间差计算列车速度。

4)等待规定时间后还未接收到下一个中断信号，则获取加速度计的当前加速度，通过涡流传感器和加速度计的数据计算列车运行速度。

5)比较列车运行速度和多普勒雷达的速度，计算两者的速度差。

6)判断速度差是否小于等于规定的阈值范围。

7)速度差在规定的阈值范围内，则取两个速度中的较大值为当前列车运行速度。

8)速度差大于规定的阈值范围，则放弃当前的列车运行速度。

9)计算列车运行的位移。

10)是否接收到应答器报文。

11)收到含有列车位置信息的应答器报文，则更新列车位置，完成位移的校核工作。

本发明实施例的上述方案主要具有以下优点：

1、设备安装少，结构简单，合理节约资源。本方案合理的利用了磁浮线路上的钢轨枕结构，不再安装其它的地面测速设备，并且不要求钢轨枕等间距安装。这种方式合理的节约了资源，降低的工程设计和施工的难度，同时也降低了后期运营维护的难度。

2、非接触的测速方式，避免机械磨损，能够适应更多的应用环境。本方案中的MEMS数字加速度计安装于车载机柜内板卡上，电涡流传感器安装于车底，用于校准的雷达安装于车底，所有传感器都与轨道无接触，这种安装方式节省空间，并且能够有效的避免机械磨损，更适宜磁悬浮列车特定安装环境。

3、传感器抗干扰能力高，能够在各种环境下稳定工作。安装在车底的电涡流传感器和雷达具有较高的抗电磁干扰能力，电磁兼容等级高，适宜磁悬浮列车特定工作环境。

4、测速定位精度高。本方案基于中低速磁浮线路的钢枕机构，采用加速度计和电涡流传感器相结合的测速定位方式，修正了低速情况下涡流传感器的测速不准的问题，同时解决了高速情况下传感器脉冲丢失的问题，能够得到更准确的速度位置信息。

5、两路独立的速度位置信息，安全性更高。本方案中A、B两系在相同的输入条件下，独立计算两路速度和位置信息，再与雷达的位置信息进行校准，这种方式有力的保证了系统安全可靠的长期运行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种中低速磁悬浮列车组合测速定位装置，其特征在于，包括：设置在列车底部的两组电涡流式PNP传感器、多普勒测速雷达以及包含板载MEMS数字加速度计的测速定位板；其中：

所述电涡流式PNP传感器，用于以非接触无磨损的方式监测轨道间的金属轨枕；

所述测速定位板，用于根据多个电涡流式PNP传感器进入同一轨枕区域的时间差，计算列车速度，并结合MEMS加速度计测量到的列车加速度计算列车运行速度，再将计算出的列车运行速度与多普勒雷达测量出的速度进行比较；若二者速度差在规定的阈值范围内，则取较大值作为最终的列车运行速度；以及根据列车运行速度计算一段时间内列车运行的位移，并在接收到应答器发送的含有列车位置信息的报文后，确定列车位置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每一组电涡流式PNP传感器均包括以L的间距安装的若干个电涡流感应式传感器，且两组电涡流式PNP传感器前后按照L/2间距交错布置。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述电涡流式PNP传感器包含四个通道：通道1接电源正极，通道3接电源负极，通道2与通道4分别接一电阻后接电源负极；当电涡流式PNP传感器经过金属轨枕区域时，通道2输出低电平，当电涡流式PNP传感器不在金属轨枕区域时，通道2输出高电平。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测速定位板包括两个独立工作的CPU、两个MEMS加速度计以及母板；其中：

每一CPU分别通过SSP高速串口与一个MEMS加速度计相连，接收相应的加速度数据；两个CPU均通过母板采集两组电涡流式PNP传感器的脉冲信号以及多普勒雷达的输出信息；当CPU计算出列车运行速度与位置后，通过母板发送给ATP系统与ATO系统。