CN105572543B - 一种接触网运行状态检测装置 - Google Patents

一种接触网运行状态检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种接触网运行状态检测装置，所述装置与设置在轨道交通车辆车顶的用于采集接触网视频图像的图像采集终端连接，所述图像采集终端外设有护罩，所述装置包括处理器及与处理器连接的定位单元、温度采集单元、温度控制单元、信号触发单元和电源控制单元；定位单元包括基站定位模块、惯性导航模块和卫星定位模块，通过基站定位模块、惯性导航模块和卫星定位模块配合使用，获取轨道交通车辆的实时位置数据；所述温度采集单元用于采集护罩内外的温度；所述温度控制单元用于根据护罩内外的温度信息来调节护罩内的温度；所述信号触发单元用于输出触发图像采集终端采集接触网视频图像的触发信号；所述电源控制单元用于控制图像采集终端的电源。

Description

一种接触网运行状态检测装置
技术领域
本发明涉及接触网领域，特别是涉及一种接触网运行状态检测装置。
背景技术
接触网是在电气化铁道中，沿钢轨上空“之”字形架设的，供受电弓取流的高压输电线。接触网是铁路电气化工程的主构架，是沿铁路线上空架设的向轨道交通工具供电的特殊形式的输电线路。因此，为保证轨道交通车辆的正常运行，需采用接触网运行状态安全监测系统对接触网进行实时监控。
现有技术中，一般是通过单路或多路相机采集接触网视频图像信息，基于图像处理技术对接触网进行异常分析，然而在多路相机同时采集接触网视频图像信息时，不能很好的完成多相机同步采集信息。
现有技术中，接触网运行状态安全监测系统所获取的定位数据一般是在车顶设置卫星定位天线，在通过天线将模拟信号传送至车内的接收机，这种方式，不便于布线，其信号也可能不准确。
再由于列车处于高速运行的状态下，其车顶安装装置具有特别的要求，其安装位置和安装空间受到很多限制，现有的车顶控制装置集成度不高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种接触网运行状态检测装置，基于单CPU多线程开发，定位单元、温度采集单元、信号触发单元和电源控制单元共用一个处理器，主要解决在护罩内多路相机、温度采集单元、定位单元，造成资源的浪费。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种接触网运行状态检测装置，所述装置与设置在轨道交通车辆车顶的用于采集接触网视频图像的图像采集终端连接，所述图像采集终端外设有护罩，所述装置包括处理器及与处理器连接的定位单元、温度采集单元、温度控制单元、信号触发单元和电源控制单元。
所述定位单元包括基站定位模块、惯性导航模块和卫星定位模块，通过基站定位模块、惯性导航模块和卫星定位模块配合使用，获取轨道交通车辆的实时位置数据。
所述温度采集单元用于采集护罩内外的温度。
所述温度控制单元用于根据护罩内外的温度信息来调节护罩内的温度。
所述信号触发单元用于输出触发图像采集终端采集接触网视频图像的触发信号。
所述电源控制单元用于控制图像采集终端的电源。
进一步的，所述基站定位模块根据定位控制单元发出的基站经纬度指令查询最近的基站编号，并根据基站编号通过位置查询服务器LBS获取该基站的坐标信息，基站定位模块将该基站的坐标信息回传给定位控制单元。
所述卫星定位模块实时接收卫星定位数据，并将该定位数据传送至定位控制单元。
所述惯性导航模块实时采集车辆的速度信息，根据车辆前一时刻的位置数据信息对车辆进行惯性定位，并根据卫星定位数据校准惯性定位数据，校准惯性定位单元的时钟信息和速度信息。
进一步的，所述惯性导航模块至少包括加速度传感器和加速度传感器。
通过加速度传感器得到轨道交通车辆当前的加速度，根据当前加速度计算出轨道交通车辆当前的瞬时速度，对瞬时速度进行积分计算，获得平均速度。
通过陀螺仪采集轨道交通车辆的行驶角度，从X、Y、Z三个角度进行积分计算，获取出行驶方向，通过轨道交通车辆当前的位置数据、平均速度和行驶方向进行空间几何运算得最新的位置坐标。
进一步的，所述卫星定位模块至少包括GPS定位导航模块、BDS定位导航模块、GLONASS定位导航模块和GALILEO定位导航模块中的一种或多种组合。
进一步的，所述温度采集单元包括用于采集温度信号的温度传感器，温度传感器包括采样电阻。
所述温度采集单元还包括稳态误差矫正模块，稳态误差矫正模块对温度传感器多次采集的温度信号进行中值运算，然后再对多个中值数据进行平均运算，完成温度信号的稳态误差矫正。
稳态误差矫正模块通过公式aX2+bX+c=Y完成温度传感器的阻值矫正，其中，X为采样电阻当前采集到的阻值，Y为温度传感器对应的阻值，a、b、c为矫正常量。
进一步的，所述温度采集单元包括用于对温度信号进行放大处理的差动放大电路。
所述差动放大电路包括可控稳压源TL、采样电阻RV1、电阻R1~R10、电容C1和运算放大器OP。
其中，可控稳压源TL的正极通过电阻R9与差动放大电路的信号输入端连接，可控稳压源TL的负极与地对接，可控稳压源TL的参考极与可控稳压源TL的正极连接。
可控稳压源TL的参考极还通过电阻R1和R5与运算放大器OP的反相输入端连接，电阻R1还通过电阻R6与地对接。
可控稳压源TL的参考极还通过电阻R2和电阻R3与运算放大器OP的同向输入端连接，电阻R3还通过电阻R4与地对接，电阻R2还通过采样电阻RV1与地对接，采样电阻RV1的调整端与采样电阻RV1的正极连接。
运算放大器OP的输出端通过电阻R8与运算放大器OP的反相输入端连接，运算放大器OP的输出端还通过电阻R7与差动放大电路的信号输出端连接，电阻R7还分别通过电阻R10和电容C1与地对接。
进一步的，所述信号触发单元包括滤波模块，所述滤波模块在接收到上升沿或下降沿信号时，触发定时器，定时器在时间t1内完成触发确认，若触发信号正确，则在时间t2内进行跟随触发，若触发信号异常，则丢弃该异常信号准备下一轮确认。
其中，时间t1与时间t2之和小于最大采集频率中的最小占空比时间。
进一步的，所述信号触发单元通过同一滤波模块完成所有触发信号的滤波处理，使采集后的触发信号保持同步性。
进一步的，所述信号触发单元还通过定时器完成触发信号的分频输出，当需要m分频输出时，若定时器完成m次触发确认，则在m次计数跟随输出触发信号。
进一步的，所述温度控制单元包括风扇和风扇开关控制器，风扇开关控制器根据温度采集单元所采集的温度信号控制风扇的启停，且风扇开启后需至少持续运行一段时间，在风扇停止后也需至少间隔一段时间后才能再次开启。
本发明的有益效果是：
1）本发明主要是基于单CPU多线程开发，定位单元、温度采集单元、信号触发单元和电源控制单元共用一个处理器，主要解决在护罩内多路相机，温度模块，基站模块，造成资源的浪费；
2）增加基站定位模块，配合惯导模块进行多种定位方式，定位信息直接以数字信号方式传送至车内的接触网运行状态安全监测系统，无需再通过天线信号线将定位信息从车顶传送至车内的接触网运行状态安全监测系统；
3）本发明增加了信号触发同步，分频功能，增加了多相机的拍照同步性；
4）本发明增加了稳定的温度采集单位，可对护罩外温度监控及，护罩内温度控制；
5）本发明可对多路相机电源可控制。
附图说明
图1为本发明一种接触网运行状态检测装置系统的处理流程示意图；
图2为本发明一种接触网运行状态检测装置系统的系统框图；
图3为本发明中定位单元的电路框图；
图4为本发明中差动放大电路的电路图；
图5为本发明中信号触发单元的过滤处理示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，该实施例描述了一种接触网运行状态检测装置，基于单CPU多线程开发，定位单元、温度采集单元、信号触发单元和电源控制单元共用一个处理器，主要解决在护罩内多路相机，温度模块，基站模块，造成资源的浪费。
本发明基于单CPU五线程设计：
通过线程1控制温度采集单元，通过对温度信号的放大、滤波处理后，计算并输出温度数据；
通过线程2控制信号触发单元，在对触发信号进行滤波处理后，分频同步输出触发信号；
通过线程3控制电源管理单元，完成电源控制操作；
通过线程4控制基站定位单元，通过SIM卡获取基站信息，以获取BSS定位数据，完成辅助定位；
通过线程5控制温度控制单元，通过对温度信号的滤波处理，计算出温度数据，根据温度数据完成风扇控制操作。
所述装置与设置在轨道交通车辆车顶的用于采集接触网视频图像的图像采集终端连接，所述图像采集终端外设有护罩，一般的，所述图像采集终端可包括多路相机，本装置可同图像采集终端一并安装在轨道交通车辆车顶，设置在护罩内，完成前端数据的初步处理。
如图2所示，所述接触网运行状态检测装置包括处理器及与处理器连接的定位单元、温度采集单元、信号触发单元和电源控制单元。
（1）所述定位单元包括基站定位模块、惯性导航模块和卫星定位模块，通过基站定位模块、惯性导航模块和卫星定位模块配合使用，获取轨道交通车辆的实时位置数据，如图3所示。
所述基站定位模块根据定位控制单元发出的基站经纬度指令查询最近的基站编号，并根据基站编号通过位置查询服务器LBS获取该基站的坐标信息，基站定位模块将该基站的坐标信息回传给定位控制单元。
所述卫星定位模块实时接收卫星定位数据，并将该定位数据传送至定位控制单元。
所述惯性导航模块实时采集车辆的速度信息，根据车辆前一时刻的位置数据信息对车辆进行惯性定位，并根据卫星定位数据校准惯性定位数据，校准惯性定位单元的时钟信息和速度信息。
进一步的，所述惯性导航单元至少包括加速度传感器和加速度传感器。
通过加速度传感器得到轨道交通车辆当前的加速度，根据当前加速度计算出轨道交通车辆当前的瞬时速度，对瞬时速度进行积分计算，获得平均速度。
通过陀螺仪采集轨道交通车辆的行驶角度，从X、Y、Z三个角度进行积分计算，获取出行驶方向，通过轨道交通车辆当前的位置数据、平均速度和行驶方向进行空间几何运算得最新的位置坐标。
进一步的，所述卫星定位模块至少包括GPS定位导航模块、BDS定位导航模块、GLONASS定位导航模块和GALILEO定位导航模块中的一种或多种组合。
本发明定位单元的工作流程包括以下步骤：
S1，当采集到轨道交通车辆速度为零且无卫星定位数据时，如轨道交通车辆从起始站点出发时，还有轨道交通车辆在中间站点停站时，定位控制单元向基站定位单元发送获取基站经纬度指令，基站定位单元根据基站经纬度指令查询最近的基站编号，根据基站编号通过位置查询服务器LBS获取该基站的坐标信息，基站定位单元将该基站的坐标信息回传给定位控制单元，定位控制单元根据该坐标信息进行位置初始化设置，并控制惯性导航单元进行惯性定位。
S2，当卫星定位单元采集到卫星定位数据时，即轨道交通车辆行驶至空旷地带，进入卫星信号覆盖区域，卫星定位单元实时接收卫星的定位数据，并将该定位数据传送至定位控制单元，定位控制单元根据该卫星定位数据实时校准惯性定位，校准惯性定位单元的时钟信息和速度信息。
S3，当轨道交通车辆速度不为零且卫星定位单元接收不到卫星定位数据时，如轨道交通车辆进入隧道，定位控制单元控制惯性定位单元进行惯性定位。
S4，定位控制单元输出轨道交通车辆的实时位置数据信息。
S5，接触网检测系统在检测到接触网存在缺陷时，将发生缺陷时的时间、位置数据信息和缺陷报警数据发送至接触网数据中心。
进一步的，在步骤S3中，定位控制单元通过杆号牌采集单元获取杆号牌信息，查找出杆号牌对应的坐标数据，惯性定位单元根据杆号牌的坐标数据校准惯性定位。
（2）所述温度采集单元用于采集护罩内外的温度。
进一步的，所述温度采集单元包括用于采集温度信号的温度传感器，温度传感器包括温度采样电阻，如使用高精度温度采样电阻PT1000。
所述温度采集单元还包括稳态误差矫正模块，稳态误差矫正模块对温度传感器多次采集的温度信号进行中值运算，然后再对多个中值数据进行平均运算，完成温度信号的稳态误差矫正。例如，温度采集单元每2ms进行1次12位的ADC采集，采集温度的AD值，每5次采集取一次中值，每1s对100个中值数据进行平均。
稳态误差矫正模块通过公式aX2+bX+c=Y完成温度传感器的阻值矫正，其中，X为采样电阻当前采集到的阻值，Y为温度传感器输出的对应的阻值，a、b、c为矫正常量，矫正常量可通过选择0度、25度、80度对应的精准电阻进行采集计算得到。
进一步的，所述温度采集单元包括用于对温度信号进行放大处理的差动放大电路。
如图4所示，所述差动放大电路包括可控稳压源TL、采样电阻RV1、电阻R1~R10、电容C1和运算放大器OP。
其中，可控稳压源TL的正极通过电阻R9与差动放大电路的信号输入端连接，可控稳压源TL的负极与地对接，可控稳压源TL的参考极与可控稳压源TL的正极连接。可控稳压源TL的参考极还通过电阻R1和R5与运算放大器OP的反相输入端连接，电阻R1还通过电阻R6与地对接。可控稳压源TL的参考极还通过电阻R2和电阻R3与运算放大器OP的同向输入端连接，电阻R3还通过电阻R4与地对接，电阻R2还通过采样电阻RV1与地对接，采样电阻RV1的调整端与采样电阻RV1的正极连接。运算放大器OP的输出端通过电阻R8与运算放大器OP的反相输入端连接，运算放大器OP的输出端还通过电阻R7与差动放大电路的信号输出端连接，电阻R7还分别通过电阻R10和电容C1与地对接。
所述可控稳压源TL包括TL431芯片，所述运算放大器OP包括LM324芯片。
在该实施例中，设附图4中的A点的电压为U1，B点的电压为U2，C点的电压为U3。
已知方程1：(U3 - U2) * (R4 / R3) = U1；
已知方程2：U2 = R6 / (R1 + R6) * Vref，Vref为基准电压值，如采用2.5V的基准电压；
得出：U3 = U1 / (R4 / R3) + R6 / (R1 + R6) * Vref；
已知方程3：U3 / Rx = (Vref - U3) / R2；
可推出：RV1 = U3 / ((Vref - U3) / R2)；
推出：RV1 = U3 * R2 / (Vref - U3)；
已知方程4：U1=12位AD值*最大AD采样常量/ Vref，最大AD采样常量可取值4096；
通过上述公式，计算出采样电阻PT100的阻值RV1，最后通过查表法获取出对应的温度。
（3）所述温度控制单元用于根据护罩内外的温度信息来调节护罩内的温度。
所述温度控制单元包括风扇和风扇开关控制器，风扇开关控制器根据温度采集单元所采集的温度信号控制风扇的启停，且风扇开启后需至少持续运行一段时间，在风扇停止后也需至少间隔一段时间后才能再次开启。
护罩内实时对本装置电路板附近温度进行采集，如果温度高出20摄氏度则开启风扇。为防止临界温度频繁开关风扇问题，采取风扇一旦被打开，至少运行1分钟。如果风扇停止至少满足10秒后才可再次被打开。
（4）所述信号触发单元用于输出触发图像采集终端采集接触网视频图像的触发信号，用于输出触发多路相机进行拍照，并具有分频功能，实现多相机拍照的同步性。
进一步的，由于本装置信号源与后端接触网数据分析系统有一端较远的传输距离，在传输过程中容易产生各种干扰信号，为了消除干扰信号，所述信号触发单元包括滤波模块，所述滤波模块在接收到上升沿或下降沿信号时，触发定时器，定时器在时间t1内完成触发确认，若触发信号正确，则在时间t2内进行跟随触发，若触发信号异常，则丢弃该异常信号准备下一轮确认，如图5所示。
其中，时间t1与时间t2之和小于最大采集频率中的最小占空比时间。
所述信号触发单元通过同一滤波模块完成所有触发信号的滤波处理，使采集后的触发信号保持同步性。
所述信号触发单元还通过定时器完成触发信号的分频输出，当需要m分频输出时，若定时器完成m次触发确认，则在m次计数跟随输出触发信号。如，若为一分频，则对采集信号进行同步输出，若为三分频，则对采集信号计数达到3次时信号跟随输出，依此类推，几分频只要满足几次计数跟随输出信号即可。
（5）所述电源控制单元用于控制图像采集终端的电源，如各个相机的电源、LED补光灯的电源、风扇的电源、SIM卡的电源等等。
另，本装置还可设置RS232接口、DB9接口、RJ45接口等等，所述相机可包括红外相机、可见光相机和近红外相机。
如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明的一种接触网运行状态检测装置。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的一种接触网运行状态检测装置，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (7)

1.一种接触网运行状态检测装置，所述装置与设置在轨道交通车辆车顶的用于采集接触网视频图像的图像采集终端连接，所述图像采集终端外设有护罩，其特征在于：所述装置包括处理器及与处理器连接的定位单元、温度采集单元、温度控制单元、信号触发单元和电源控制单元；
所述定位单元包括基站定位模块、惯性导航模块和卫星定位模块，通过基站定位模块、惯性导航模块和卫星定位模块配合使用，获取轨道交通车辆的实时位置数据；
所述温度采集单元用于采集护罩内外的温度；
所述温度控制单元用于根据护罩内外的温度信息来调节护罩内的温度；
所述信号触发单元用于输出触发图像采集终端采集接触网视频图像的触发信号；
所述电源控制单元用于控制图像采集终端的电源；
所述信号触发单元包括滤波模块，所述滤波模块在接收到上升沿或下降沿信号时，触发定时器，定时器在时间t1内完成触发确认，若触发信号正确，则在时间t2内进行跟随触发，若触发信号异常，则丢弃该异常信号准备下一轮确认；
其中，时间t1与时间t2之和小于最大采集频率中的最小占空比时间；
所述信号触发单元通过同一滤波模块完成所有触发信号的滤波处理，使采集后的触发信号保持同步性；
所述信号触发单元还通过定时器完成触发信号的分频输出，当需要m分频输出时，若定时器完成m次触发确认，则在m次计数跟随输出触发信号。
2.根据权利要求1所述的一种接触网运行状态检测装置，其特征在于：
所述基站定位模块根据定位控制单元发出的基站经纬度指令查询最近的基站编号，并根据基站编号通过位置查询服务器LBS获取该基站的坐标信息，基站定位模块将该基站的坐标信息回传给定位控制单元；
所述卫星定位模块实时接收卫星定位数据，并将该定位数据传送至定位控制单元；
所述惯性导航模块实时采集车辆的速度信息，根据车辆前一时刻的位置数据信息对车辆进行惯性定位，并根据卫星定位数据校准惯性定位数据，校准惯性定位单元的时钟信息和速度信息。
3.根据权利要求1所述的一种接触网运行状态检测装置，其特征在于：所述惯性导航模块至少包括加速度传感器和加速度传感器；
通过加速度传感器得到轨道交通车辆当前的加速度，根据当前加速度计算出轨道交通车辆当前的瞬时速度，对瞬时速度进行积分计算，获得平均速度；
通过陀螺仪采集轨道交通车辆的行驶角度，从X、Y、Z三个角度进行积分计算，获取出行驶方向，通过轨道交通车辆当前的位置数据、平均速度和行驶方向进行空间几何运算得最新的位置坐标。
4.根据权利要求1所述的一种接触网运行状态检测装置，其特征在于：所述卫星定位模块至少包括GPS定位导航模块、BDS定位导航模块、GLONASS定位导航模块和GALILEO定位导航模块中的一种或多种组合。
5.根据权利要求1所述的一种接触网运行状态检测装置，其特征在于：所述温度采集单元包括用于采集温度信号的温度传感器，温度传感器包括采样电阻；
所述温度采集单元还包括稳态误差矫正模块，稳态误差矫正模块对温度传感器多次采集的温度信号进行中值运算，然后再对多个中值数据进行平均运算，完成温度信号的稳态误差矫正；
稳态误差矫正模块通过公式aX2+bX+c=Y完成温度传感器的阻值矫正，其中，X为采样电阻当前采集到的阻值，Y为温度传感器对应的阻值，a、b、c为矫正常量。
6.根据权利要求1所述的一种接触网运行状态检测装置，其特征在于：所述温度采集单元包括用于对温度信号进行放大处理的差动放大电路；
所述差动放大电路包括可控稳压源TL、采样电阻RV1、电阻R1~R10、电容C1和运算放大器OP；
其中，可控稳压源TL的正极通过电阻R9与差动放大电路的信号输入端连接，可控稳压源TL的负极与地对接，可控稳压源TL的参考极与可控稳压源TL的正极连接；
可控稳压源TL的参考极还通过电阻R1和R5与运算放大器OP的反相输入端连接，电阻R1还通过电阻R6与地对接；
可控稳压源TL的参考极还通过电阻R2和电阻R3与运算放大器OP的同向输入端连接，电阻R3还通过电阻R4与地对接，电阻R2还通过采样电阻RV1与地对接，采样电阻RV1的调整端与采样电阻RV1的正极连接；
运算放大器OP的输出端通过电阻R8与运算放大器OP的反相输入端连接，运算放大器OP的输出端还通过电阻R7与差动放大电路的信号输出端连接，电阻R7还分别通过电阻R10和电容C1与地对接。
7.根据权利要求1所述的一种接触网运行状态检测装置，其特征在于：所述温度控制单元包括风扇和风扇开关控制器，风扇开关控制器根据温度采集单元所采集的温度信号控制风扇的启停，且风扇开启后需至少持续运行一段时间，在风扇停止后也需至少间隔一段时间后才能再次开启。
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