CN110187660A - 单轨运输车脱轨预测及紧急处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种山地单轨运输车的预防脱轨和紧急处理系统及方法，包括后台控制设备、二维力传感器、RFID标签定位系统、中继网络系统及车载控制系统。其中二维力传感器可以通过测定力的方式评估出是否有脱轨的风险，RFID标签系统可以准确地确定运输车的在轨位置，中继网络系统可以实现运输车与后台控制设备的互通互联，车载控制系统可以根据后台控制设备传来的信号对运输车进行一定的控制以及将该车的位置信息和状态信息通过中继网络传递到后台控制设备中，后台控制设备可以实现对运输车状态的远程监控及控制。本发明通过对运输车的运行状态进行实时的监控及控制大大降低了单轨运输车的脱轨率，提高了运输安全性，极大地减少了因脱轨而造成的损失。

Description

单轨运输车脱轨预测及紧急处理系统

所属技术领域

本发明涉及一种单轨运输车在轨运行安全领域，是一种脱轨预测和事故紧急处理技术。

背景技术

山地单轨运输车具有结构简单、运行灵活、可靠性强、安装操作简便等优点，可以适应山地复杂的环境，因而广泛的被应用于我国南方的山地丘陵地区，用于果园农资物料以及果品的运输。山地单轨运输车的出现改变了以往山地货物运输畜拉人扛的运输方式，大大降低了运输成本，提高了运输生产线率。

但由于单轨固有的局限性即稳定性较差，在实际的装载运输过程中由于货物摆放不合理或者在运输的过程中受颠簸而导致的重心偏离，因而会引起侧翻脱轨事故的发生，造成人员和财产的损失。因而对单轨运输车的安全性提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述存在的问题，提供了一种运输车的脱轨预测及紧急处理系统，该系统通过对运行或静止状态下的运输车进行脱轨风险的评估，将分析的结果传递到后台的控制单元，使得操作人员可以直观的了解运输车的运行状态，从而能做到对整个运行过程的全程监管控制。

本发明的运输车向后台控制系统发送的信息包括车辆的运行状态信息及位置信息，以便于在车辆发生了事故后工作人员可以在第一时间赶到事发现场对事故进行处理。

所述的车辆运行状态信息的采集主要是依靠一个安放于车厢底部的二维力传感器来实现，它可以同时测出与车厢底部平行和垂直两个方向力的大小，二维力传感器与车载控制系统相互连接，并将实时信息传递给车载控制系统。系统中的单片机通过比较两个力的大小关系，从而可以评估出运输车脱轨倾覆的风险。

所述的车辆位置信息的确定依靠于RFID标签定位系统来实现，该系统是由射频识别读写器和射频识别标签构成。

射频识别读写器是由射频模块和控制处理模块构成，安装在车头部分，通过发射无线电波，用于识别各个射频识别标签信息，并最终确定运输车所在的位置，通过与单片机相连，将实时位置信息传递给单片机。

射频识别标签被安装在轨道内侧，每条轨道与标签一一对应，当标签接收到来自于射频识别读写器发送来的无线电波时，它也会向读写器发射一个来自于这个标签特定的反向无线电波，使得射频识别读写器可以感知其自身所在的位置。

所述的车载控制系统是由一个单片机、解码器、编码器和无线电信号收发模块构成。

单片机通过对二维力传感器及射频识别读写器传来的信号进行分析，按照事先设定好的程序编码出相应的无线电波通过无线电信号发射模块进行发射，根据来自后台控制设备的命令通过PWM电路对直流电动机进行控制。

单片机发出的信号经PWM电路的放大调试，通过调节直流控制器的相序及直流电动机两端电压来实现对直流电动机转向和转速的控制，从而达到控制运输车运行的目的。

无线信号发射模块通过对来自单片机的信号进行放大后，将信号发射到中继网络并最终传到后台的遥控系统。

所述的中继网络系统是由若干个安放在不同位置的中继器构成，这些中继器处于运输车与后台控制系统之间，实现二者的信息互通。

每个中继器都是由单片机、无线电收发模块、解码器、编码器构成，无线电接收模块与解码器与单片机与编码器和无线电发射模块一次相连来完成对无线电信号的传递作用。

所述的后台控制系统包括显示模块和按键模块。

显示模块是由无线电接收模块、解码器、单片机和LED信号显示电路构成，当控制器接收到中继器传来的信号后，通过解码器的解码将相应的无线电信号转译为电信号，最终通过LED信号显示电路完成一个对运输车状态的直观体现。按键模块由单片机，编码器、无线发射模块和按键构成，按下按键后会向单片机传递一个数字信号，经编码器的编码通过无线发射模块将无线电信号发射到中继器并最终传递到运输车的控制系统中。

本发明的有益效果：

1.本发明的出现，可以在脱轨倾覆发生之前对该事故进行预防，从而大大降低脱轨事故的发生，减少财产的损失。

2.本发明系统中基于RFID标签的定位系统，可以通过射频识别读写器与射频识别标签的互联实现精准的定位，使得操作人员对运输车的运行状态进行实时了解和第一时间赶赴事故现场对事故进行解决成为可能。

3.本发明系统中对于中继网络系统的设计，通过设立若干个中继器组成中继网络，使得运输车与后台控制系统远距离信息交流成为可能，每个中继器的编码器输出幅度键控调制的串行数据信号，利用幅度键控这种调节方式可以大幅度简化调幅复杂性，加快数据的传输速度，可以大大提高无线电信号的抗干扰性。

4.本发明系统中，遥控系统分为显示模块和按键模块两部分，在显示模块中可以直观的观察到运输车的在轨位置和运行状态，实现运行过程的全程监控，按键模块可以方便的实现对运输车的远程控制。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

图1是本发明二维力传感器与射频识别系统安装的轴测示意图；

图2是本发明运输车部分的硬件结构连接图；

图3是本发明中继器部分的硬件结构连接图；

图4是本发明后台控制系统的硬件结构连接图。

图中：1.单轨轨道；2.车头；3.车厢；4.二维力传感器5.射频识别读写器；6.车用单片机；7.直流电动机；8.收发天线；9.射频识别标签。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实施方式并不仅限于此。

本实施例所述的一种单轨运输车脱轨预测及紧急处理系统，如图1所示，包括单轨轨道1、安装在单轨轨道1上的车头2、车厢3、设置在车厢3底部的二维力传感器4、安装在车头2前部的射频识别读写器5、车用单片机6、直流电动机7、收发天线8，以及等距安装在单轨轨道内侧的无源抗金属射频识别标签。

二维力传感器4，选用数据识别能力较大的AUTO—ST550型传感器，它是一种数字传感器且可以同时测得XY两个方向上的力，将其安装在车厢1的底部便可测得与车厢垂直与平行两个方向上力的大小，测得的数据可以直接传递到车用单片机6上，使之对所测得出的数据进行分析。

射频识别读写器5，其内部包括非接触式读写控制芯片、功率放大器、及天线。本发明选用的是装有FM1702SL读写芯片的读写器。非接触式读写芯片FM1702SL是基于ISO14443标准的，可满足的加密算法有很多种，支持13.56MHz下的非接触通信协议TYPEA。读写器5将要发射的信息编码后加载在13.56MHz的射频载波上，通过其内部天线向外发送，并形成一个稳定的电磁场，为射频识别标签9提供能量。当射频识别标签9进入读写器的工作区时，卡内天线接收此信号和能量，标签被激活。标签内的芯片对此信号做出反应，将从存储器中读取有关信息，并通过卡内天线发射出一条特定的无线电信号。读写器5内部的天线收到此信号后，FM1702SL内部接收器将对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理，之后经SPI接口传送至单片机6，进行后续的操作。

单片机6具体采用C8951F310型号的单片机，在其接收到来自二维力传感器4和射频识别读写器5传来的信号时，对传感器4测得XY两个方向上的力大小关系进行比较，一般将车辆的最大横向力Q和垂直力P的比值Q/P(脱轨系数)作为衡量车辆发生脱轨风险的指标，据我国相关部门根据案例的分析和实验，把Q/P＝1确定为安全允许限度，Q/P＝1.2确定为安全危险限度，本系统将Q/P＝1.1作为脱轨危险的警戒值，按照事先输入好的程序向比较两个方向力的大小关系，并对脱轨风险性进行评估，随之通过编码器和无线信号发射装置向中继器发出带有运输车位置和运行状态的信号，并最终传递到后台控制系统。若脱轨系数大于1.1时，则说明具有脱轨的风险，反之则无脱轨的风险，这两种情况分别对应于事先输入在单片机6内部中的两种不同输出信号；对于射频识别读写器5传来的特定信号，这些信号具有唯一性，即每个信号，每个标签及其具体位置是一一对应的关系，通过事先将映射关系输入到单片机6的内存里，当其接收到来自射频识别读写器5传来的特定信号后，便可准确的输出特定的数字信号，并与上述对于车辆是否有脱轨风险的信号结合成最终的输出信号。

如图2所示，当单片机在对接收到的信号进行分析处理后，将会把最终合成的0-1数字信号传递到解码器，本发明中的编码器选用PT2262型编码器，其集成了调制电路，不要额外的模块。经PT2262编码芯片发出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成，PT2262最多可由6位(D0-D5)数据端管脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出。

本发明中的无线收发模块采用体积小成本低的F05R型无线发射模块，发射模块未设编码集成电路，而增加了一只数据调制三极管,这种结构使得它可以方便地和其它固定编码电路接口，而不必考虑编码电路的工作电压和输出幅度信号值的大小。当与PT2262编码集成电路配接时，直接将其数据输出端第17脚接至无线发射模块的输入端即可。本模块可以将编码模块传出的信号通过天线8发射出去，将信号传递到中继系统中。当编码模块未接通电源时，PT2262未接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当编码模块接通电源时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间，315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全受控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控(ASK调制)相当于调制度为100％的调幅。利用这种简单的调制方式，可提高频带利用率。

如图3所示，中继系统中的每一个中继器都是由单片机、编码器、解码器、、和无线收发模块构成。当中继器的天线与无线接收模块接收到来自运输车或上一个中继器传来的无线电信号时，与之相连的解码器PT2272将串行信号解码为单片机可识别的数字信号，中继器中的单片机对该数字信号进行分析处理后，便向与之相连的编码器传递出一个相应的数字信号，编码器完成编码任务后，其17脚将串行信号发送给无线发射模块，经发射模块的调制经由天线发往下一个中继器或后台控制系统。

如图4所示，最开始由运输车发出的信号经中继网中的若干个中继器传播后最终传递到后台控制系统中。本系统由两大模块构成，显示模块和按键模块。当天线和无线接收模块将无线电信号接收到后台控制系统中，解码器将串行信号解码为数字信号随之传递给显示模块的单片机，依靠事先输入的程序，经其分析处理后，通过接入移位寄存器74LS164和移位锁存器74LS373的方式来进行对点阵LED模块的控制。单片机输入的二进制的“0”、“1”信号经移位寄存器分别给点阵LED各行各列输入相应的低电平和高电平，经移位锁存器锁存后送LED显示屏行线，使得二极管两侧分别处于相应的电平条件，只有二极管处于正向电平差时才会被点亮，从而达到控制LED显示板的目的。此处LED板所显示的时运输车在轨道上的具体位置以及对单轨车脱轨风险的评估结果，使得控制人员可以直观的获取运输车在轨的位置和运行状态的信息。

当后台控制人员获取到运输车的位置和运行状态的信息后，通过按键模块对运输车的运行状态进行调整。当控制人员按下按键时，会给其所连的按键模块的单片机发送一个数字信号，经其分析处理后，发送到编码器，并最终由无线发射模块发射出去。

这个由后台控制系统发出的无线电信号经中继系统的若干次传递后最终被运输车的天线捕捉，并由无线接收模块接收，经PT2272解码器的解码后，车用单片机6接收到来自控制系统的指令，进过分析处理后通过PWM电路对直流电动机进行调速、转向或制动的控制。当单片机接收到前进命令时，单片机通过电机转向控制电路使无刷直流机制器正相序驱动无直流电机的功率管，令无刷直流电机正转，单轨运输车向前行驶；当单片机接收到后退命令时，单片机通过电机转向控制电路使无刷直流控制器反相序驱动无直流电机的功率管，令无刷直流电机反转，单轨运输车向后行驶；当单片机接收到加速或减速的命令时，单片机控制调速电路中的数控电位器，调节数控电位器的输出电阻值，改变接入无刷直流电机控制器的输出电压，无刷直流电机控制器根据数控电位器输出电压大小调节PWM脉宽，从而控制无刷直流电机的转速；当单片机接收到停止命令时，单片机通过停车电路向无刷直流电机控制器控制指令，无刷直流电机控制器控制无直流电机停止转动，令单轨运输车停止行驶。从而达到对运输车的运行进行控制的目的。

综上所述，本发明系统通过二维力传感器和射频识别系统对运输车运行状态的信息采集，借助于中继网络的传输作用，使得运输车与后台控制系统可以实现信息互联互通，后台系统也可以获得运输车的运行位置和状态信息，对脱轨风险能做到提前预知、及时调整，从而大大减少了单轨运输车脱轨的概率，减少了因脱轨事故造成的损失。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本专利的保护范围并不局限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单轨运输车脱轨预测及紧急处理系统，其特征在于包括后台控制设备、二维力传感器、RFID标签定位系统、中继网络系统及车载控制系统，所述的车载控制系统对传感器和定位系统提供的信号进行处理和反应，通过中继网络与后台控制设备实现无线连接，所述的中继网络系统由若干个中继器连接而成，实现远程信息互联。

2.根据权利要求1所述的单轨运输车脱轨预测及紧急处理系统，其特征在于：所述的后台控制设备包括显示模块、按键模块，所述的显示模块由单片机、无线电信号接收模块、解码器以及LED信号显示电路构成，对接收的信号进行直观的显示，所述的按键模块由单片机、编码器、无线电发射模块构成，对所下达的命令进行编码和完成发射作用。

3.根据权利要求1所述的单轨运输车脱轨预测及紧急处理系统，其特征在于：所述的二维力传感器可以同时测定与车厢垂直方向的力P与平行方向力Q的大小，随之向车载控制系统传递相应的信息。

4.根据权利要求1所述的单轨运输车脱轨预测及紧急处理系统，其特征在于：所述的RFID标签定位系统包括射频识别读写器和射频识别标签，所述的射频识别读写器可发射无线电波，所述的射频识别标签被安放在每段单轨的特定位置，单轨与射频识别标签是一一对应的，当所述的射频识别标签出现在射频读写器的一定距离时，射频识别标签就会发射一个特定的反向的无线电波，当射频识别读写器接收到这个特定的反向电波时，射频识别读写器就会向车载控制系统发送一个特定的信号来表明当前所在的位置。

5.根据权利要求1所述的单轨运输车脱轨预测及紧急处理系统，其特征在于：所述的中继网络系统包含若干个中继器，每个中继器都由无线信号收发装置、解码器、单片机、编码器构成，所述的中继器接收到来自上一个中继器或者运输车发送来的无线电信号后通过解码、编码、发射过程，将该信号传递到下一个中继器或者后台控制设备。

6.根据权利要求1所述的单轨运输车脱轨预测及紧急处理系统，其特征在于：所述的车载控制系统是由一个单片机、编码器、解码器以及无线电信号收发模块构成。所述的单片机接收到来自传感器传来的两个方向力大小的信号，和来自射频识别读写器的位置信号，一般将车辆的最大横向力Q和垂直力P的比值Q/P(脱轨系数)作为衡量车辆发生脱轨风险的指标，据我国相关部门根据案例的分析和实验，把Q/P＝1确定为安全允许限度，Q/P＝1.2确定为安全危险限度，本系统将Q/P＝1.1作为脱轨危险的警戒值，按照事先输入好的程序向比较两个方向力的大小关系，并对脱轨风险性进行评估，随之通过编码器和无线信号发射装置向中继器发出带有运输车位置和运行状态的信号，并最终传递到后台控制系统。