CN108674450A - 基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞系统及防碰撞方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞系统，包括安装于前车车尾的发射端和安装于后车车头的接收端，发射端包括微控制器MCU单元A，微控制器MCU单元A分别与电源模块A和紫外光LED阵列连接，接收端包括微控制器MCU单元B，微控制器MCU单元B分别与光电倍增管PMT、电源模块B、显示模块、报警模块以及滤波器连接，本发明还公开了基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞方法，本发明解决了现有列车防碰撞技术中存在的定位精度差、信号接收能力弱的问题。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞系统，本发明还涉及一种基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞方法。
背景技术
随着社会不断的发展，铁路交通变得四通八达，但由于受到轨道、隧道和天气等外界因素影响，铁路安全问题日渐深入人心，列车防碰撞技术也成为了近年来新的热点。
目前市面上流行的防碰撞技术手段主要有：①卫星定位技术通过人造卫星可以全天候、实时往地面不断发送无线电信号，通过接收到的信号，可以算出相应的位置、距离等信息，从而达到列车之间的防碰撞。该技术相对成熟，但是在恶劣天气、隧道等复杂环境条件下，定位精度会相对变差；②GPS技术是一种可以实时测距的导航系统，可向列车提供连续、实时的信息，保证列车之间的安全距离，但是受到钢筋混凝土等障碍物遮挡的影响，在障碍物下能够接收到的GPS信号很弱，无法利用现有的GPS技术实现列车导航；③射频技术通过向外发送射频信号，附着电子标签列车会接收到相应的信息，实现列车之间的信息交换，达到列车防碰撞的目的。该定位技术收发装置简单，但射频技术通信距离相对较短，而且标签易出现不兼容现象。此外还有基于声学测距技术、雷达跟踪技术等，其各自都有自己的优缺点。
通过对比上述列车防碰撞技术可知，要实现列车之间的安全运行，还需要一种方法简单实用,并且能应对隧道、不良天气和弯道等环境的防碰撞系统，针对这种需求我们设计了一种基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞系统，解决了现有列车防碰撞技术中存在的定位精度差、信号接收能力弱的问题。
本发明所采用的第一技术方案是，基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞系统，包括安装于前车车尾的发射端和安装于后车车头的接收端，发射端包括微控制器MCU单元A，微控制器MCU单元A分别与电源模块A和紫外光LED阵列连接，接收端包括微控制器MCU单元B，微控制器MCU单元B分别与光电倍增管PMT、电源模块B、显示模块、报警模块以及滤波器连接。
本发明第一技术方案的特点还在于，
紫外光LED阵列为N*N的紫外光LED组成的任意形状的阵列，其中，N>2，紫外光LED为UVTOP255，紫外光LED阵列安放在前车车尾的中间位置处的底盘上。
光电倍增管PMT为R7154。
本发明所采用的第二技术方案是，基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞方法，利用基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞系统，具体按照以下步骤实施：
步骤1、发射端的紫外光LED阵列实时向外发送紫外光信号，接收端的光电倍增管PMT同时实时检测紫外光信号，检测到紫外光信号后，微控制器MCU单元B开始控制滤波器对接收到的实时信号进行去噪滤波，经滤波器滤除外界干扰后开始对有效信号进行判断；
步骤2、通过测距原理得到相应的直视距离dLOS和非直视距离dNLOS，并在显示模块上显示；
步骤3、通过报警模块提醒列车长注意安全，最终达到列车之间的防碰撞：在接收端微控制器MCU单元B中设置两车之间的安全距离值，通过测距原理得到两车距离d后，开始用直视距离dLOS和非直视距离dNLOS与安全距离值进行比较，若两车距离d小于安全距离值，则报警模块立即报警提醒列车长注意安全，最终达到列车之间的防碰撞。
本发明第二技术方案的特点还在于，
步骤1具体如下：
发射端微控制器MCU单元A首先控制紫外光LED发送一段频率为10KHz的引导码，引导码包括确认段和信息段，其中确认段由连续的4ms高电平和2ms低电平组成，之后的信息段由占空比为50％的8位二进制编码组成，若经过滤波后的信号与确认段不符合则立即判断为干扰；若经过滤波后的信号与确认段符合，则进入下一步判断，判断与确认段符合的信号是否与信息段也符合，若信息段同时也符合则为正确的紫外光信号，则立即判断前面有行驶车辆并开始进行两车之间的距离计算。
步骤2中两车距离d计算如下：
通过功率确定两车之间的通信距离，在直视时通信距离dLOS为：
非直视时通信距离dNLOS为：
式中，Lambertw为朗伯函数，d为两车之间的距离，S为接收孔径面积，ke为大气消光系数，ks为散射系数，PS为散射相函数，PT为发送功率，PR为接收功率，θT为发射仰角，θR为接收端仰角，φT发射端发散角，φR为接收视场角。
步骤3中两车之间的安全距离值为1Km。
本发明的有益效果是，本发明基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞方法对列车之间的紫外光收发信号进行实时检测、判断和确认，同时通过公式可以得到距离信息，报警装置可以及时提醒列车长，避免潜在的危险，本发明提供的方法简单实用且高效，提高了列车之间的安全系数；本发明基于无线紫外光轨道车辆防碰撞系统结合了无线紫外光通信的优点，实现了对列车之间的全天候、全环境的实时预警，同时所设计的系统成本低、装置小巧、结构简单、易于安装和操作。
附图说明
图1是本发明基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞系统结构示意图。
图中，1.电源模块A，2.微控制器MCU单元A，3.紫外光LED阵列，4.光电倍增管PMT，5.电源模块B，6.显示模块，7.报警模块，8.滤波器，9.微控制器MCU单元B。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞系统，结构如图1所示，包括安装于前车车尾的发射端和安装于后车车头的接收端，发射端包括微控制器MCU单元A2，微控制器MCU单元A2分别与电源模块A1和紫外光LED阵列3连接，接收端包括微控制器MCU单元B9，微控制器MCU单元B9分别与光电倍增管PMT4、电源模块B5、显示模块6、报警模块7以及滤波器8连接。
紫外光LED阵列3为N*N的紫外光LED组成的任意形状的阵列，其中，N>2，紫外光LED为UVTOP255，紫外光LED阵列3安放在前车车尾的中间位置处的底盘上。
光电倍增管PMT4为R7154。
基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、发射端的紫外光LED阵列3实时向外发送紫外光信号，接收端的光电倍增管PMT4同时实时检测紫外光信号，检测到紫外光信号后，微控制器MCU单元B9开始控制滤波器8对接收到的实时信号进行去噪滤波，经滤波器8滤除外界干扰后开始对有效信号进行判断，具体如下：
发射端微控制器MCU单元A2首先控制紫外光LED发送一段频率为10KHz的引导码，引导码包括确认段和信息段，其中确认段由连续的4ms高电平和2ms低电平组成，之后的信息段由占空比为50％的8位二进制编码组成，若经过滤波后的信号与确认段不符合则立即判断为干扰；若经过滤波后的信号与确认段符合，则进入下一步判断，判断与确认段符合的信号是否与信息段也符合，若信息段同时也符合则为正确的紫外光信号，则立即判断前面有行驶车辆并开始进行两车之间的距离计算；
步骤2、通过测距原理得到相应的直视距离dLOS和非直视距离dNLOS，并在显示模块上显示，两车距离d计算如下：
通过功率确定两车之间的通信距离，在直视时通信距离dLOS为：
非直视时通信距离dNLOS为：
式中，Lambertw为朗伯函数，d为两车之间的距离，S为接收孔径面积，ke为大气消光系数，ks为散射系数，PS为散射相函数，PT为发送功率，PR为接收功率，θT为发射仰角，θR为接收端仰角，φT发射端发散角，φR为接收视场角；
步骤3、通过报警模块7提醒列车长注意安全，最终达到列车之间的防碰撞：在接收端微控制器MCU单元B9中设置两车之间的安全距离值，两车之间的安全距离值为1Km，通过测距原理得到两车距离d后，开始用直视距离dLOS和非直视距离dNLOS与安全距离值进行比较，若两车距离d小于安全距离值，则报警模块7立即报警提醒列车长注意安全，最终达到列车之间的防碰撞。
本发明基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞系统，在实际应用时，不同天气下的直线、隧道、弯道路况等都可应用。
Claims (7)
1.基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞系统，其特征在于，包括安装于前车车尾的发射端和安装于后车车头的接收端，发射端包括微控制器MCU单元A(2)，微控制器MCU单元A(2)分别与电源模块A(1)和紫外光LED阵列(3)连接，接收端包括微控制器MCU单元B(9)，微控制器MCU单元B(9)分别与光电倍增管PMT(4)、电源模块B(5)、显示模块(6)、报警模块(7)以及滤波器(8)连接。
2.根据权利要求1所述的基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞系统，其特征在于，所述紫外光LED阵列(3)为N*N的紫外光LED组成的任意形状的阵列，其中，N>2，紫外光LED为UVTOP255，紫外光LED阵列(3)安放在前车车尾的中间位置处的底盘上。
3.根据权利要求1所述的基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞系统，其特征在于，所述光电倍增管PMT(4)为R7154。
4.基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞系统，具体按照以下步骤实施：
步骤1、发射端的紫外光LED阵列(3)实时向外发送紫外光信号，接收端的光电倍增管PMT(4)同时实时检测紫外光信号，检测到紫外光信号后，微控制器MCU单元B(9)开始控制滤波器(8)对接收到的实时信号进行去噪滤波，经滤波器(8)滤除外界干扰后开始对有效信号进行判断；
步骤2、通过测距原理得到相应的直视距离dLOS和非直视距离dNLOS，并在显示模块上显示；
步骤3、通过报警模块(7)提醒列车长注意安全，最终达到列车之间的防碰撞：在接收端微控制器MCU单元B(9)中设置两车之间的安全距离值，通过测距原理得到两车距离d后，开始用直视距离dLOS和非直视距离dNLOS与安全距离值进行比较，若两车距离d小于安全距离值，则报警模块(7)立即报警提醒列车长注意安全，最终达到列车之间的防碰撞。
5.根据权利要求4所述的基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞方法，其特征在于，所述步骤1具体如下：
发射端微控制器MCU单元A(2)首先控制紫外光LED发送一段频率为10KHz的引导码，引导码包括确认段和信息段，其中确认段由连续的4ms高电平和2ms低电平组成，之后的信息段由占空比为50％的8位二进制编码组成，若经过滤波后的信号与确认段不符合则立即判断为干扰；若经过滤波后的信号与确认段符合，则进入下一步判断，判断与确认段符合的信号是否与信息段也符合，若信息段同时也符合则为正确的紫外光信号，则立即判断前面有行驶车辆并开始进行两车之间的距离计算。
6.根据权利要求4所述的基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞方法，其特征在于，所述步骤2中两车距离d计算如下：
通过功率确定两车之间的通信距离，在直视时通信距离dLOS为：
非直视时通信距离dNLOS为：
式中，Lambertw为朗伯函数，d为两车之间的距离，S为接收孔径面积，ke为大气消光系数，ks为散射系数，PS为散射相函数，PT为发送功率，PR为接收功率，θT为发射仰角，θR为接收端仰角，φT发射端发散角，φR为接收视场角。
7.根据权利要求4所述的基于无线紫外光的轨道车辆防碰撞方法，其特征在于，所述步骤3中两车之间的安全距离值为1Km。
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