CN105510919B - 一种智能铁鞋低温测距装置及测距方法 - Google Patents

一种智能铁鞋低温测距装置及测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能铁鞋低温测距装置及测距方法。所述智能铁鞋低温测距装置，包括距离检测模块、温度模块、电源管理模块、电池、主控模块和无线传输模块，距离检测模块、无线传输模块、温度模块、均与主控模块连接，由主控模块负责整个系统的运行协调。所述智能铁鞋低温测距方法，据温度的不同，采用4种方法提高低温下超声波测距精度，包括通过温度修正声速，调整超声波探头驱动电压，根据温度动态调整发送脉冲数，以及调整接收端阈值电压。本发明通过在软件和硬件电路上的调整，提高了智能铁鞋在低温下，尤其在北方寒冷地区的距离测量精度，对防止列车遛逸，保障列车安全，起到十分重要的作用。

Description

一种智能铁鞋低温测距装置及测距方法
技术领域
本发明涉及铁路防溜领域，尤其涉及一种基于超声波测距并在低温环境下提高铁鞋测距精度的方法，具体是一种智能铁鞋低温测距装置及测距方法。
背景技术
近年来铁路运输向快捷、高效的方向发展，对安全提出了更高要求。铁鞋作为列车停靠时防止遛逸的主要工具，在列车运行中起着极其重要的作用。目前传统机械式铁鞋已经不能满足信息化、智能化需求，智能铁鞋应运而生。
目前智能铁鞋广泛采用超声波测距方法，通过测距确定铁鞋是否在列车停车时放置到位。应用发现，温度对智能铁鞋测距系统影响很大：例如，当温度降至零下时，探头振动幅度减小，回波幅值减小，当所选阈值电压一定时，系统会错误判断检测距离变大。智能铁鞋在寒冷地区，如东北地区使用时，由于测距误差变大，严重制约智能铁鞋的推广应用。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于超声波测距，并对铁鞋软硬件进行调整，以提高智能铁鞋测距精度的方法。
本发明公开了一种智能铁鞋低温测距装置，它包括距离检测模块、温度模块、电源管理模块、电池、主控模块和无线传输模块，距离检测模块、无线传输模块、温度模块、均与主控模块连接，由主控模块负责整个系统的运行协调；温度模块设置在智能铁鞋中并通过测量环境温度修正超声波测距；电池及电源管理模块为距离检测模块提供驱动电压，所述距离检测模块设置在智能铁鞋中并包括超声波发射端电路及超声波接收端电路，其中：
超声波发射端电路包括顺次连接的信号调理电路、超声波升压中周和发射探头，主控模块发射端产生脉冲信号，经超声波升压中周升压，增大驱动电压，保证了低温下超声波回波的幅值，提高了测量精度；
超声波接收端电路包括顺次连接的接收探头、信号调理电路、放大电路和双比较器，接收探头收到回波后产生振动，由机械能转换为电信号；电信号通过放大电路进行放大；放大信号送入双比较器，该双比较器可选两个阈值电压，针对不同的温度范围选用不同的阈值电压。
优选的，所述主控模块发射端产生的脉冲信号为频率为40kHz，峰峰值为9V；经超声波升压中周升压至峰峰值50V。
优选的，所述两个阈值电压分别为1.81V和1.96V，其中基准电压为1.65V；当温度高于-20℃时，选用1.96V阈值电压；当温度低于-20℃时，选用1.81V阈值电压。
本发明还公开了一种基于前述的智能铁鞋低温测距装置的测距方法，所述距离检测模块采用4种方法组合提高低温下超声波测距精度，包括：
主控模块基于温度模块修正超声波声速；
超声波发射端电路调整发射探头驱动电压，通过超声波升压中周对脉冲信号进行放大，以调整发射探头驱动电压；
主控模块根据智能铁鞋环境温度动态调整发送脉冲数，随着温度降低增加脉冲个数；
超声波接收端电路调整超声波接收端阈值电压，可选两个阈值电压，针对不同的温度范围选用不同的阈值电压。
优选的，测距方法包括以下步骤：
(1)温度模块检测环境温度T，主控模块根据T计算修正后的声速v；
(2)主控模块根据环境温度不同，选用不同的阈值电压，初始化双比较器的输入输出；
(3)主控模块根据环境温度不同，动态调整超声波发射脉冲的个数；
(4)打开主控模块定时器，并清零；
(5)若无回波信号，返回故障代码；否则，转到步骤(6)；
(6)进入中断处理程序，读取定时器时间t，根据公式s＝vt/2，得到铁鞋与列车轮毂之间的距离s；
(7)重复步骤(3)到(6)，得到10组数据，采用中位值平均法，计算最终距离s。
优选的，所述主控模块通过温度模块修正超声波声速，具体是：温度模块检测环境温度T℃并将检测信息返回主控模块，主控模块根据式v＝(332+0.607T)m/s修正超声波声速，v表示修正后的超声波声速。
优选的，所述超声波发射端电路调整发射探头驱动电压，具体是：主控模块发射端产生的脉冲信号为频率为40kHz，峰峰值为9V；经超声波升压中周升压至峰峰值50V。
优选的，所述主控模块根据智能铁鞋环境温度动态调整发送脉冲数，具体是：温度在-30℃以下时，发送14个脉冲；温度在-30℃与-20℃之间时，发送12个脉冲；温度在-20℃与0℃之间时，发送10个脉冲；温度在0℃以上时，发送8个脉冲。
优选的，所述超声波接收端电路调整超声波接收端阈值电压，具体是：设置两个阈值电压，所述两个阈值电压分别为1.81V和1.96V，其中基准电压为1.65V；当温度高于-20℃时，选用1.96V阈值电压；当温度低于-20℃时，选用1.81V阈值电压。
优选的，测距方法包括以下步骤：
(1)温度模块检测环境温度T℃，根据公式v＝(332+0.607T)m/s，计算修正后的声速v；
(2)当温度大于-30℃，转到步骤(3)，否则，转到步骤(7)；
(3)主控模块设置双比较器的阈值电压1.96V；
(4)当温度大于-20℃，转到步骤(5)，否则转到步骤(9)；
(5)当温度大于0℃，转到步骤(6)，否则转到步骤(10)；
(6)主控模块设置发送脉冲数n＝8，转到步骤(11)；
(7)主控模块设置双比较器的阈值电压1.81V；
(8)主控模块设置发送脉冲数n＝14，转到步骤(11)；
(9)主控模块设置发送脉冲数n＝12，转到步骤(11)；
(10)主控模块设置发送脉冲数n＝10，转到步骤(11)；
(11)主控模块发送端发送n个40kHz脉冲；
(12)打开主控模块定时器，并清零；
(13)若无回波信号，返回故障代码；否则，读取定时器时间t，根据公式s＝vt/2，计算铁鞋与列车轮毂之间的距离，计数加1；
(14)若计数等于10，对所得十组数据进行中值滤波，计算距离s，否则，转到步骤(11)。
本发明的有益效果
本发明通过在软件和硬件电路上的调整，提高了智能铁鞋在低温下，尤其在北方寒冷地区的距离测量精度，对防止列车遛逸，保障列车安全，起到十分重要的作用。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图；
图2是本发明超声波发射端电路结构框图；
图3是本发明超声波接收端电路结构框图；
图4是本发明系统工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，智能铁鞋低温测距装置包括距离检测模块、温度模块、电源管理模块、电池、主控模块和无线传输模块，距离检测模块、无线传输模块、温度模块、均与主控模块连接，由主控模块负责整个系统的运行协调；温度模块设置在智能铁鞋中并通过测量环境温度修正超声波测距；电池及电源管理模块为距离检测模块提供驱动电压。
如图2所示，超声波发射端电路包括顺次连接的信号调理电路、超声波升压中周和发射探头，主控模块发射端产生脉冲信号，经超声波升压中周升压，增大驱动电压，保证了低温下超声波回波的幅值，提高了测量精度。
优选的实施例中，所述主控模块发射端产生的脉冲信号为频率为40kHz，峰峰值为9V；经超声波升压中周升压至峰峰值50V。
如图3所示，超声波接收端电路包括顺次连接的接收探头、信号调理电路、放大电路和双比较器，接收探头收到回波后产生振动，由机械能转换为电信号；电信号通过放大电路进行放大；放大信号送入双比较器，该双比较器可选两个阈值电压，针对不同的温度范围选用不同的阈值电压。
优选的实施例中，所述两个阈值电压分别为1.81V和1.96V，其中基准电压为1.65V；当温度高于-20℃时，选用1.96V阈值电压；当温度低于-20℃时，选用1.81V阈值电压。
本发明公开了一种基于所述的智能铁鞋低温测距装置的测距方法，所述距离检测模块采用4种方法组合提高低温下超声波测距精度，包括：
主控模块基于温度模块修正超声波声速；
超声波发射端电路调整发射探头驱动电压，通过超声波升压中周对脉冲信号进行放大，以调整发射探头驱动电压；
主控模块根据智能铁鞋环境温度动态调整发送脉冲数，随着温度降低增加脉冲个数；
超声波接收端电路调整超声波接收端阈值电压，可选两个阈值电压，针对不同的温度范围选用不同的阈值电压。
优选的实施例中，测距方法包括以下步骤：
(1)温度模块检测环境温度T，主控模块根据T计算修正后的声速v；
(2)主控模块根据环境温度不同，选用不同的阈值电压，初始化双比较器的输入输出；
(3)主控模块根据环境温度不同，动态调整超声波发射脉冲的个数；
(4)打开主控模块定时器，并清零；
(5)若无回波信号，返回故障代码；否则，转到步骤(6)；
(6)进入中断处理程序，读取定时器时间t，根据公式s＝vt/2，得到铁鞋与列车轮毂之间的距离s；
(7)重复步骤(3)到(6)，得到10组数据，采用中位值平均法，计算最终距离s。
优选的实施例中，所述主控模块通过温度模块修正超声波声速，具体是：温度模块检测环境温度T℃并将检测信息返回主控模块，主控模块根据式v＝(332+0.607T)m/s修正超声波声速，v表示修正后的超声波声速。
优选的实施例中，所述超声波发射端电路调整发射探头驱动电压，具体是：主控模块发射端产生的脉冲信号为频率为40kHz，峰峰值为9V；经超声波升压中周升压至峰峰值50V。
优选的实施例中，所述主控模块根据智能铁鞋环境温度动态调整发送脉冲数，具体是：温度在-30℃以下时，发送14个脉冲；温度在-30℃与-20℃之间时，发送12个脉冲；温度在-20℃与0℃之间时，发送10个脉冲；温度在0℃以上时，发送8个脉冲。
优选的实施例中，所述超声波接收端电路调整超声波接收端阈值电压，具体是：设置两个阈值电压，所述两个阈值电压分别为1.81V和1.96V，其中基准电压为1.65V；当温度高于-20℃时，选用1.96V阈值电压；当温度低于-20℃时，选用1.81V阈值电压。
更优的实施例中，如图4所示，超声波测距模块具体工作流程如下：
(1)温度模块检测环境温度T℃，根据公式v＝(332+0.607T)m/s，计算修正后的声速v；
(2)当温度大于-30℃，转到步骤(3)，否则，转到步骤(7)；
(3)主控模块设置双比较器的阈值电压1.96V；
(4)当温度大于-20℃，转到步骤(5)，否则转到步骤(9)；
(5)当温度大于0℃，转到步骤(6)，否则转到步骤(10)；
(6)主控模块设置发送脉冲数n＝8，转到步骤(11)；
(7)主控模块设置双比较器的阈值电压1.81V；
(8)主控模块设置发送脉冲数n＝14，转到步骤(11)；
(9)主控模块设置发送脉冲数n＝12，转到步骤(11)；
(10)主控模块设置发送脉冲数n＝10，转到步骤(11)；
(11)主控模块发送端发送n个40kHz脉冲；
(12)打开主控模块定时器，并清零；
(13)若无回波信号，返回故障代码；否则，读取定时器时间t，根据公式s＝vt/2，计算铁鞋与列车轮毂之间的距离，计数加1；
(14)若计数等于10，对所得十组数据进行中值滤波，计算距离s，否则，转到步骤(11)。
综上所述，本发明提出了一种智能铁鞋低温测距方法及装置，据温度的不同，采用4种方法提高低温下超声波测距精度，包括通过温度修正声速，调整超声波探头驱动电压，根据温度动态调整发送脉冲数，以及调整接收端阈值电压。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种基于智能铁鞋低温测距装置的测距方法，其特征在于
智能铁鞋低温测距装置包括距离检测模块、温度模块、电源管理模块、电池、主控模块和无线传输模块，距离检测模块、无线传输模块、温度模块、均与主控模块连接，由主控模块负责整个系统的运行协调；温度模块设置在智能铁鞋中并通过测量环境温度修正超声波测距；电池及电源管理模块为距离检测模块提供驱动电压，所述距离检测模块设置在智能铁鞋中并包括超声波发射端电路及超声波接收端电路，其中：
超声波发射端电路包括顺次连接的信号调理电路、超声波升压中周和发射探头，主控模块发射端产生脉冲信号，经超声波升压中周升压，增大驱动电压，保证了低温下超声波回波的幅值，提高了测量精度；
超声波接收端电路包括顺次连接的接收探头、信号调理电路、放大电路和双比较器，接收探头收到回波后产生振动，由机械能转换为电信号；电信号通过放大电路进行放大；放大信号送入双比较器，该双比较器可选两个阈值电压，针对不同的温度范围选用不同的阈值电压；
所述距离检测模块采用4种方法组合提高低温下超声波测距精度，包括：
主控模块基于温度模块修正超声波声速；
超声波发射端电路调整发射探头驱动电压，通过超声波升压中周对脉冲信号进行放大，以调整发射探头驱动电压；
主控模块根据智能铁鞋环境温度动态调整发送脉冲数，随着温度降低增加脉冲个数；
超声波接收端电路调整超声波接收端阈值电压，可选两个阈值电压，针对不同的温度范围选用不同的阈值电压。
2.根据权利要求1所述的智能铁鞋低温测距方法，其特征在于测距方法包括以下步骤：
(1)温度模块检测环境温度T，主控模块根据T计算修正后的声速v；
(2)主控模块根据环境温度不同，选用不同的阈值电压，初始化双比较器的输入输出；
(3)主控模块根据环境温度不同，动态调整超声波发射脉冲的个数；
(4)打开主控模块定时器，并清零；
(5)若无回波信号，返回故障代码；否则，转到步骤(6)；
(6)进入中断处理程序，读取定时器时间t，根据公式s＝vt/2，得到铁鞋与列车轮毂之间的距离s；
(7)重复步骤(3)到(6)，得到10组数据，采用中位值平均法，计算最终距离s。
3.根据权利要求1或2所述的智能铁鞋低温测距方法，其特征在于所述主控模块通过温度模块修正超声波声速，具体是：温度模块检测环境温度T℃并将检测信息返回主控模块，主控模块根据式v＝(332+0.607T)m/s修正超声波声速，v表示修正后的超声波声速。
4.根据权利要求1或2所述的智能铁鞋低温测距方法，其特征在于所述超声波发射端电路调整发射探头驱动电压，具体是：主控模块发射端产生的脉冲信号为频率为40kHz，峰峰值为9V；经超声波升压中周升压至峰峰值50V。
5.根据权利要求1或2所述的智能铁鞋低温测距方法，其特征在于所述主控模块根据智能铁鞋环境温度动态调整发送脉冲数，具体是：温度在-30℃以下时，发送14个脉冲；温度在-30℃与-20℃之间时，发送12个脉冲；温度在-20℃与0℃之间时，发送10个脉冲；温度在0℃以上时，发送8个脉冲。
6.根据权利要求1或2所述的智能铁鞋低温测距方法，其特征在于所述超声波接收端电路调整超声波接收端阈值电压，具体是：设置两个阈值电压，所述两个阈值电压分别为1.81V和1.96V，其中基准电压为1.65V；当温度高于-20℃时，选用1.96V阈值电压；当温度低于-20℃时，选用1.81V阈值电压。
7.根据权利要求2所述的智能铁鞋低温测距方法，其特征在于测距方法包括以下步骤：
(1)温度模块检测环境温度T℃，根据公式v＝(332+0.607T)m/s，计算修正后的声速v；
(2)当温度大于-30℃，转到步骤(3)，否则，转到步骤(7)；
(3)主控模块设置双比较器的阈值电压1.96V；
(4)当温度大于-20℃，转到步骤(5)，否则转到步骤(9)；
(5)当温度大于0℃，转到步骤(6)，否则转到步骤(10)；
(6)主控模块设置发送脉冲数n＝8，转到步骤(11)；
(7)主控模块设置双比较器的阈值电压1.81V；
(8)主控模块设置发送脉冲数n＝14，转到步骤(11)；
(9)主控模块设置发送脉冲数n＝12，转到步骤(11)；
(10)主控模块设置发送脉冲数n＝10，转到步骤(11)；
(11)主控模块发送端发送n个40kHz脉冲；
(12)打开主控模块定时器，并清零；
(13)若无回波信号，返回故障代码；否则，读取定时器时间t，根据公式s＝vt/2，计算铁鞋与列车轮毂之间的距离，计数加1；
(14)若计数等于10，对所得十组数据进行中值滤波，计算距离s，否则，转到步骤(11)。
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