CN107719409B - 具有姿态检测功能的铁路防溜智能铁鞋及其姿态检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有姿态检测功能的铁路防溜智能铁鞋，在铁鞋本体内设有姿态检测装置，姿态检测装置包括超声距离传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器、磁场传感器、温度传感器、中央处理器和无线收发模块，中央处理器根据检测到的距离数据、加速度数据和倾斜角度数据进行姿态判断及报警，无线收发模块将相关参数信息和报警信息发送至智能防溜监测上位机。本发明还提出一种智能铁鞋的姿态检测方法，通过加速度传感器和陀螺仪传感器的数据进行融合计算，得出智能铁鞋绕铁轨线倾角及绕重锤线转动角度，利用磁场传感器的数据对绕重锤线转动角度校准，可实现对防溜装置状态的实时准确监测，对保障铁路安全运行具有非常重要的意义和实用价值。
Description
技术领域
本发明公开了一种铁路车辆停车防溜领域，尤其是适用于实现对铁路现场停车智能防溜装置的实时监测及管理。
背景技术
防溜铁鞋是铁路运输部门防止停留车辆溜逸而设置在钢轨与车轮间的固定装置。
目前，传统防溜装置存在以下问题：由于铁鞋体积小、设置灵活，在方便使用的同时也带来了容易撤除、移动、不便管理的问题，防溜装置是否放置到位难以监控；停车时防溜装置工作过程中的姿态同样难以监控；防溜装置发生被盗无法及时报警；防溜装置均由人工操作完成，难以从根本上形成对铁鞋防溜工作管理的系统有序的监测。
公告号为205022604U的专利文献公开了一种列车防溜铁鞋，包括鞋体和移动检测报警装置；所述移动检测报警装置安装在所述鞋体底部凹槽内。移动检测报警装置包括在检测到列车移动时生成脉冲信号并输出的移动检测装置和发射电路，该移动检测报警装置在检测到鞋体放置于轨道上且列车移动时进行报警。但是其功能单一，防溜装置是否放置到位无法监控。
公开号为101032972的专利文献公开了一种电子智能防溜铁鞋,由铁鞋本体和监测采样装置组成,所述铁鞋本体内设有监测采样装置,所述监测采样装置是在铁鞋本体内设有一个系统控制器,所述系统控制器分别连接有双轴加速度采样器、测距器、无线数传模块和电池,所述电池通过导线与双轴加速度采样器、测距器和无线数传模块。上述电子智能防溜铁鞋,采用无线通讯和嵌入式、低功耗、智能化测量相结合的方法,当铁鞋没有放置到位或者发生移动的情况下可以发出报警信息,但是方案比较笼统，且没有公开停车时防溜装置工作过程中的具体姿态检测策略。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提出一种新型智能铁鞋及其姿态检测方法，可充分监测铁路停车信息，实现对防溜铁鞋的实时准确监测。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种具有姿态检测功能的铁路防溜智能铁鞋，在铁鞋本体内设有姿态检测装置，姿态检测装置包括：
超声距离传感器，用于检测车辆与智能铁鞋距离数据；
加速度传感器，用于检测智能铁鞋X轴、Y轴及Z轴三个方向的加速度数据Ax，Ay，Az；
陀螺仪传感器，用于检测智能铁鞋的角速度数据；
中央处理器，其被配置基于加速度传感器采集的加速度数据X轴分量Ax，陀螺仪传感器采集的角速度数据计算出智能铁鞋绕铁轨线倾角和智能铁鞋绕重锤线转动角度；并根据检测到的距离数据、加速度数据，以及智能铁鞋绕铁轨线倾角和智能铁鞋绕重锤线转动角度进行姿态判断及报警；
无线收发模块，用于将相关参数信息和报警信息发送至外部智能防溜监测上位机。
进一步的，本发明的一种具有姿态检测功能的铁路防溜智能铁鞋，还包括用于检测磁力计值大小的磁场传感器，中央处理器采用磁场传感器采集的磁力计值对智能铁鞋绕重锤线转动角度校准。
进一步的，本发明的一种具有姿态检测功能的铁路防溜智能铁鞋，还包括温度传感器，用于修正超声距离传感器测距所采用的声波速度，若温度传感器的测量温度为T，则修正后的声波速度计算公式为：V＝331.5+0.607T。
本发明还提出一种铁路防溜智能铁鞋的姿态检测方法，根据智能铁鞋检测到的距离数据、加速度数据，以及智能铁鞋绕铁轨线倾角、智能铁鞋绕重锤线转动角度进行姿态判断及报警；姿态判断为判断智能铁鞋放置状态是否到位；报警包括放置不到位报警、压鞋报警、被盗报警、倾斜报警，如果超出设定范围则判断为报警事件发生，具体判断公式如下：
(1)放置到位状态：
A＝F(60<D<160)*F(-15°<θx<15°)*F(-5°<θz<5°)
(2)报警状态：
其中：D为车辆与智能铁鞋距离，Ay，Az分别为智能铁鞋在Y轴及Z轴方向的加速度数据，θx代表智能铁鞋绕铁轨线倾角，θz代表智能铁鞋绕重锤线转动角度；
A表示放置到位状态，放置到位事件发生用1表示，放置到位状态事件未发生用0表示；
A1表示放置不到位报警状态，放置不到位报警事件发生用1表示，放置不到位报警事件未发生用0表示；表示对A取“非”操作，即若“A”为真，则为假；若“A”为假，则为真；
A2表示压鞋报警状态，压鞋报警事件发生用1表示，压鞋报警事件未发生用0表示；
A3表示被盗报警状态，被盗报警事件发生用1表示，被盗报警事件未发生用0表示；
A4表示倾斜报警状态，倾斜报警事件发生用1表示，倾斜报警事件未发生用0表示；F(x)为逻辑函数，表示若“x”为真，则函数值为1，若“x”为假，则函数值为0；“∪”表示逻辑“或”运算。
进一步的，本发明的铁路防溜智能铁鞋的姿态检测方法，计算智能铁鞋绕铁轨线倾角θx和智能铁鞋绕重锤线转动角度θz包含以下步骤：
(A)将智能铁鞋放置到位后开机并保持静止状态k秒，k取值为3-8，在ta时刻读取磁力计的X轴、Y轴的值Xa和Ya，存入CPU，读取加速度传感器X轴的重力加速度分量Ax，计算出倾角αx；
αx＝arcsin(Ax/g)
(B)将αx设为智能铁鞋绕铁轨线倾角θx的初始值，将智能铁鞋绕重锤线转动角度θz的初始值设置为0，开启定时计数器，计数初值为i＝0，阈值为n；
(C)当i<n时，具体步骤如下：
1)将智能铁鞋绕铁轨线倾角θx作为变量β缓存至存储器；
2)经过Td延时后，再次读取加速度传感器X轴的重力加速度分量Ax’，计算出倾角αx’＝arcsin(Ax’/g)；
3)计算智能铁鞋绕铁轨线倾角与步骤2)中αx’的偏差；
ε＝αx’-β
4)读取陀螺仪的角速度数据ωx和ωz，计算出智能铁鞋绕重锤线转动角度
5)更新智能铁鞋绕重锤线转动角度
6)计算智能铁鞋绕铁轨线倾角偏差补偿值；
ΔD＝(Tg*ε+ωx)*Ts
其中，Ts代表融合运算周期，Tg代表比例系数；
7)更新智能铁鞋绕铁轨线倾角θx＝β+ΔD；
8)智能铁鞋根据工作状态的判断，将自身工作状态和更新后的数据θz和θx发送出去；
9)令i＝i+1，返回步骤1)进行下一次计算；
(D)当定时计数器时间到，则读取磁力计的值Xb和Yb，如果Xa-j<Xb<Xa+j且Ya-j<Yb<Ya+j，j为取值5到10之间的任一自然数，则将智能铁鞋绕重锤线转动角度θz清零，计数值i清零，返回步骤(C)中的步骤1)。
进一步的，本发明的铁路防溜智能铁鞋的姿态检测方法，步骤(B)中，设置的计数阈值n为60；步骤(C)中，根据具体工况需求设置比例系数，Tg取值0.5-1，Ts取值10-50ms。
进一步的，本发明的铁路防溜智能铁鞋的姿态检测方法，Td取值8-40ms。
进一步的，本发明的铁路防溜智能铁鞋的姿态检测方法，j取值为5。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明提出的具有姿态检测功能的智能铁鞋及其姿态检测方法，是一套基于高效、易操作、可靠性高的新型智能铁鞋，可实现对防溜装置的实时准确监测，对保障铁路安全运行具有非常重要的意义和实用价值。
附图说明
图1是本发明的应用场合框图。
图2是本发明的姿态信息检测流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
如图1所示，一种新型智能铁鞋，它包括超声距离传感器(优先选用型号为TCT40-16R/T)、加速度传感器(优先选用型号为BMA220)、陀螺仪传感器(优先选用型号为I3G4250D)、磁场传感器(优先选用型号为LSM303DLHC)、温度传感器(优先选用型号为DS18B20)、中央处理器(优先选用型号STM32L151CBT6)和无线收发模块(优先选用Lora通信模块型号为F8L10D)，所述的超声距离传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器、磁场传感器分别用于采集车辆停车的对应参数信息，其中，加速度传感器和陀螺仪传感器的数据进行融合计算，得出智能铁鞋绕铁轨线倾角，磁场传感器的数据对绕重锤线转动角度校准。
所述的超声距离传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器、磁场传感器、温度传感器的信号输出端均与中央处理器的对应信号输入端相连，中央处理器的通信信号端与无线收发模块相连，无线收发模块将相关参数信息和报警信息发送至智能防溜监测上位机。
其中，温度传感器用于修正超声距离传感器测距所采用的声波速度，若温度传感器的测量温度为T，则修正后的声波速度计算公式为：V＝331.5+0.607T。
本发明的中央处理器通过检测超声距离传感器发射和接收的时间差，计算出车辆与智能铁鞋距离数据D，单位是毫米；中央处理器通过加速度传感器检测智能铁鞋X轴、Y轴及Z轴三个方向的加速度数据Ax，Ay，Az，单位是重力加速度g；中央处理器通过陀螺仪传感器检测角速度数据ωx，ωz；中央处理器通过磁场传感器检测磁力计值大小；中央处理器基于Ax、ωx，ωz及磁力计值计算出智能铁鞋绕铁轨线倾角θx和智能铁鞋绕铁轨线倾角θz，单位为度。
本发明的智能铁鞋根据检测到的距离数据、加速度数据和倾斜角度数据进行姿态判断及报警。智能铁鞋最重要的姿态为到位状态；报警包括放置不到位报警、压鞋报警、被盗报警、倾斜报警，如果超出设定范围则判断为报警事件发生，具体判断公式如下：(1)放置到位状态：
A＝F(60<D<160)*F(-15°<θx<15°)*F(-5°<θz<5°)
(2)报警状态：
其中：A表示放置到位状态，放置到位事件发生用1表示，放置到位状态事件未发生用0表示；A1表示放置不到位报警状态，放置不到位报警事件发生用1表示，放置不到位报警事件未发生用0表示；表示对A取“非”操作，即若“A”为真，则为假；若“A”为假，则为真。A2表示压鞋报警状态，压鞋报警事件发生用1表示，压鞋报警事件未发生用0表示；A3表示被盗报警状态，被盗报警事件发生用1表示，被盗报警事件未发生用0表示；A4表示倾斜报警状态，倾斜报警事件发生用1表示，倾斜报警事件未发生用0表示；F(x)为逻辑函数，表示若“x”为真，则函数值为1，若“x”为假，则函数值为0；“∪”表示逻辑“或”运算。
如图2所示，在具体实施时，包括以下步骤：
(1)将智能铁鞋放置到位后开机并保持静止状态5s，中央处理器读取磁力计的X轴、Y轴的值Xa和Ya，存入CPU，读取加速度传感器X轴的重力加速度分量Ax，计算出倾角αx；
αx＝arcsin(Ax/g)
(2)将αx设为智能铁鞋绕铁轨线倾角θx的初始值，将智能铁鞋绕重锤线转动角度θz的初始值设置为0。开启定时计数器，计数初值为i＝0，阈值为n；
(3)当i<n时，具体步骤如下：
1)中央处理器将智能铁鞋绕铁轨线倾角θx作为β缓存；
2)经过Td延时后，读取加速度传感器X轴的重力加速度分量Ax，计算出倾角αx＝arcsin(Ax/g)；
3)计算智能铁鞋绕铁轨线倾角与步骤2)中αx的偏差；
ε＝αx-β
4)中央处理器读取陀螺仪的角速度数据ωx和ωz，计算出智能铁鞋绕重锤线转动角度
5)更新智能铁鞋绕重锤线转动角度
6)计算智能铁鞋绕铁轨线倾角偏差补偿值；
ΔD＝(Tg*ε+ωx)*Ts
7)更新智能铁鞋绕铁轨线倾角θx＝β+ΔD；
8)智能铁鞋根据工作状态的判断，将自身工作状态和更新后的数据θz和θx发送出去；
9)令i＝i+1，返回步骤1)进行下一次计算。
(4)当定时器时间到，则读取磁力计的值Xb和Yb，如果Xa-5<Xb<Xa+5且Ya-5<Yb<Ya+5，则将智能铁鞋绕重锤线转动角度θz清零，计数值i清零，返回步骤(3)中的步骤1)；
本发明的步骤(2)中，设置的计数阈值n为60；步骤(3)中，根据具体工况需求设置比例系数，Tg取值0.5-1，Ts取值10-50ms，Td取值比Ts略小一点，取8-40ms。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (4)
1.一种铁路防溜智能铁鞋的姿态检测方法，其特征是，根据智能铁鞋检测到的距离数据、加速度数据，以及智能铁鞋绕铁轨线倾角、智能铁鞋绕重锤线转动角度进行姿态判断及报警；姿态判断为判断智能铁鞋放置状态是否到位；报警包括放置不到位报警、压鞋报警、被盗报警、倾斜报警，如果超出设定范围则判断为报警事件发生，具体判断公式如下：
(1)放置到位状态：
A＝F(60<D<160)*F(-15°<θx<15°)*F(-5°<θz<5°)
(2)报警状态：
其中：D为车辆与智能铁鞋距离，Ay，Az分别为智能铁鞋在Y轴及Z轴方向的加速度数据，θx代表智能铁鞋绕铁轨线倾角，θz代表智能铁鞋绕重锤线转动角度；
A表示放置到位状态，放置到位事件发生用1表示，放置到位状态事件未发生用0表示；
A1表示放置不到位报警状态，放置不到位报警事件发生用1表示，放置不到位报警事件未发生用0表示；表示对A取“非”操作，即若“A”为真，则为假；若“A”为假，则为真；
A2表示压鞋报警状态，压鞋报警事件发生用1表示，压鞋报警事件未发生用0表示；
A3表示被盗报警状态，被盗报警事件发生用1表示，被盗报警事件未发生用0表示；
A4表示倾斜报警状态，倾斜报警事件发生用1表示，倾斜报警事件未发生用0表示；F(x)为逻辑函数，表示若“x”为真，则函数值为1，若“x”为假，则函数值为0；“∪”表示逻辑“或”运算；
其中，计算智能铁鞋绕铁轨线倾角θx和智能铁鞋绕重锤线转动角度θz包含以下步骤：
(A)将智能铁鞋放置到位后开机并保持静止状态k秒，k取值为3-8，在ta时刻读取磁力计的X轴、Y轴的值Xa和Ya，存入CPU，读取加速度传感器X轴的重力加速度分量Ax，计算出倾角αx；
αx＝arcsin(Ax/g)
(B)将αx设为智能铁鞋绕铁轨线倾角θx的初始值，将智能铁鞋绕重锤线转动角度θz的初始值设置为0，开启定时计数器，计数初值为i＝0，阈值为n；
(C)当i<n时，具体步骤如下：
1)将智能铁鞋绕铁轨线倾角θx作为变量β缓存至存储器；
2)经过Td延时后，再次读取加速度传感器X轴的重力加速度分量Ax’，计算出倾角αx’＝arcsin(Ax’/g)；
3)计算智能铁鞋绕铁轨线倾角与步骤2)中αx’的偏差；
ε＝αx’-β
4)读取陀螺仪的角速度数据ωx和ωz，计算出智能铁鞋绕重锤线转动角度
5)更新智能铁鞋绕重锤线转动角度
6)计算智能铁鞋绕铁轨线倾角偏差补偿值；
ΔD＝(Tg*ε+ωx)*Ts
其中，Ts代表融合运算周期，Tg代表比例系数；
7)更新智能铁鞋绕铁轨线倾角θx＝β+ΔD；
8)智能铁鞋根据工作状态的判断，将自身工作状态和更新后的数据θz和θx发送出去；
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2.根据权利要求1所述的铁路防溜智能铁鞋姿态检测方法，其特征是，步骤(B)中，设置的计数阈值n为60；步骤(C)中，根据具体工况需求设置比例系数，Tg取值0.5-1，Ts取值10-50ms。
3.根据权利要求1所述的铁路防溜智能铁鞋姿态检测方法，其特征是，Td取值8-40ms。
4.根据权利要求1所述的铁路防溜智能铁鞋姿态检测方法，其特征是，j取值为5。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20190201 Termination date: 20210915 |
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