CN111055877A - 一种宽温范围智能铁鞋及其防溜状态判断方法 - Google Patents

一种宽温范围智能铁鞋及其防溜状态判断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽温范围智能铁鞋，智能铁鞋由传统铁鞋及安装于其内部的嵌入式硬件构成，嵌入式硬件包括中央处理器、温度传感器、GPS定位模块、加速度传感器以及超声波测距单元；所述中央处理器用于温度传感器、加速度传感器、超声波测距单元的信号采集，以及GPS定位模块的数据采集与数据处理，以及距离运算和智能铁鞋状态判断。本发明适用于各种铁路站场。在总体可通过多传感器融合判断是否处于防溜状态方面，采用基于位置判断、智能铁鞋运动状态和姿态解算和超声波测距分析的方式对智能铁鞋防溜状态进行多角度判断，有效地避免了单一判断方式在复杂工作环境下发生判断出错的情况，大大提高了智能铁鞋防溜状态判断的精确性和可靠性。

Description

一种宽温范围智能铁鞋及其防溜状态判断方法
技术领域
本发明涉及铁路安全领域，尤其适用于宽温度变化条件下的智能铁鞋防溜状态的监测，具体地说是一种宽温范围的智能铁鞋及其防溜状态判断方法。
背景技术
随着铁路运输的飞速发展，铁路线路日益增加、覆盖区域不断扩大，智能铁鞋的应用也日趋广泛，智能铁鞋已成为保护铁路站场内人员与车辆安全的重要设备。
传统智能铁鞋存在以下问题：智能铁鞋部署完成后无法监测由于列车意外滑动导致智能铁鞋安装不到位的情况，从而造成一定的安全隐患；采用的超声波测距方法精度较低，且受环境因素的影响过大，无法对智能铁鞋的工作状态做出准确判断；智能铁鞋在股道上左右移动会引起测得的列车车轮到智能铁鞋间的距离发生大幅度跳变，从而引起智能铁鞋状态判断发生不必要的变化；智能铁鞋在低温环境下往往会出现工作状态不佳、误判率高的问题，造成测得的列车车轮到智能铁鞋间的距离远大于实际值，造成对智能铁鞋工作状态的误判；智能铁鞋防溜状态的判断方式单一，容易受外界环境影响，不利于智能铁鞋工作状态的准确判断。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提出一种宽温范围的智能铁鞋及其防溜状态判断方法，适用于宽温度变化条件下的智能铁鞋防溜状态的监测。
本发明的技术方案是：
本发明首先公开了一种宽温范围智能铁鞋，智能铁鞋由传统铁鞋及安装于其内部的嵌入式硬件构成，所述嵌入式硬件包括中央处理器、温度传感器、GPS定位模块、加速度传感器以及超声波测距单元；温度传感器采集环境温度为中央处理器修正超声波在不同温度时的速度误差提供依据；GPS定位模块和加速度传感器通过解算获取智能铁鞋的位置信息、运动状态和姿态信息，
所述中央处理器用于温度传感器、加速度传感器、超声波测距单元的信号采集，以及GPS定位模块的数据采集与数据处理，以及距离运算和智能铁鞋状态判断；温度传感器、加速度传感器和超声波测距单元均与中央处理器的对应数据输入输出端相连，GPS定位模块与中央处理器的相应串行通讯数据接口相连。
优选的，所述超声波测距单元包括收发一体式超声波探头、可调增益放大电路、发射电路、前级放大电路、中级放大电路、后级放大电路以及吸能模块，中央处理器的信号输出端连接可调增益放大电路的信号输入端，可调增益放大电路的信号输出端通过发射电路连接吸能模块和超声波探头；吸能模块和超声波探头的回波数据顺次通过前级放大电路、中级放大电路、后级放大电路返回中央处理器；选取超声波探头的信号发射角度为θ1，θ1≤7°；中央处理器的信号输出端通过可调增益放大电路和发射电路与300KHz超声波探头信号发射端相连；超声波探头的信号接收端依次通过多级放大电路与中央处理器的数据输入端连接；中央处理器通过PWM产生双路300KHz脉冲后，经可调增益放大电路和发射电路转换为一定幅值的超声波探头驱动信号传递给超声波探头信号发射端，从而产生预设的超声波脉冲；中央处理器发送完一组超声波脉冲激发信号后，立即发送半个周期的反向脉冲，并启动吸能模块，让其工作一定时间，以尽快消除超声波探头余振；当发射的超声波遇到障碍物被反射回来时，超声波探头接收到回波后将其转换为电信号，然后经过前级放大、中级放大和后级放大三级放大电路将超声波探头发出的回波电平放大到一定幅值，然后将放大后的电信号传入中央处理器的A/D采集端口，以对数据进行进一步分析计算；
所述可调增益放大电路采用双路放大电路设计，并以可变增益运算放大器为核心，将运算放大器的电压控制引脚与中央处理器的D/A输出端相连，从而实现对放大电路增益的调节；发射电路采用带中心抽头的变压器进一步放大发射信号脉冲，以驱动超声波探头发出超声波；
所述前级放大电路直接接收超声波探头的回波电信号，一般放大倍数较低，其主要用于提高系统信噪比，减少外界干扰的相对影响；中级放大电路具有较高的增益水平，主要用于进一步放大回波电压幅值，是系统的主放大电路；后级放大电路采用可变增益放大电路，用于调整放大电路整体放大倍数，使回波信号的电压幅值保持一致，从而降低温度变化对回波信号幅值的影响；
所述吸能模块并接在超声波探头两端，吸能模块采用电阻吸能方式，加速消耗超声波探头余振能量，并用MOSFET管与中央处理器控制引脚相连接，控制吸能模块是否接入超声波探头，以减小超声波探头工作时吸能模块对其灵敏度的影响。
优选的，智能铁鞋的超声波测距探头以一定角度安装在智能铁鞋头部，使得智能铁鞋运算所得智能铁鞋与列车车轮之间距离与其真实距离呈正相关关系；超声波探头与水平方向所成的安装角度的计算方法是智能铁鞋紧密放置于列车车轮下并与其紧贴时，超声波探头指向列车车轮圆心，其安装角度计算公式为：
Figure BDA0002333758890000031
其中，h为超声波探头到地面的垂直高度，s为探头到列车车轮圆心的水平距离，列车车轮半径为r，r>h。
本发明还公开了一种宽温范围智能铁鞋的防溜状态判断方法，基于任一项所述的一种宽温范围智能铁鞋，其特征是中央处理器在宽温度范围条件下，将融合智能铁鞋的位置信息、运动状态和姿态信息与通过超声波测距单元获得的高精度距离数据，从而获得智能铁鞋的工作状态最佳估计，具体方法为：
智能铁鞋中央处理器通过融合多个传感器信息判断智能铁鞋的工作状态，其判断公式如下：
sta＝dis_En×ran_En×mpu_En
其中，sta表示智能铁鞋的工作状态，若“sta＝1”，表示智能铁鞋处于“防溜状态”，若“sta＝0”，则表示智能铁鞋处于“假防溜状态”；dis_En是智能铁鞋位置判断位，用于判断智能铁鞋是否放置在股道上；ran_En是超声波测距判断位，其根据智能铁鞋到列车车轮之间的距离数据判断智能铁鞋是否放置到位；mpu_En是智能铁鞋运动状态和姿态判断位，用于判断智能铁鞋是否以正确的姿态放置；
上式中，智能铁鞋位置判断位dis_En的计算公式如下：
dis_En＝f(0≤S≤interval)
其中，f(X)为逻辑函数，若“X”的值为真，则函数值为1；否则函数值为0，当dis_En为1时，表示智能铁鞋在股道上；当dis_En为0时，表示智能铁鞋不在股道上；interval是间距判定阈值，其初值为0.2米；S为智能铁鞋位置到股道的距离，其公式如下：
Figure BDA0002333758890000032
其中，智能铁鞋的位置坐标为P(X,Y)，由GPS定位模块解算获得，股道两端点的坐标为A(X1,Y1)、B(X2,Y2)；
超声波测距判断位ran_En的判断公式入下：
ran_En＝f(D1≤dis≤D2)
其中，dis是中央处理器通过超声波测距单元测得的智能铁鞋到列车车轮之间的距离；D1表示智能铁鞋放置到位判断阈值下限，其默认值设为4cm；D2表示智能铁鞋放置到位判断阈值上限，其默认值设为10cm；当ran_En为1时，表示智能铁鞋处于“放置到位”状态；当ran_En为0，则表示智能铁鞋处于“未放置到位”状态。
智能铁鞋运动状态和姿态判断位mpu_En的判断公式如下：
mpu_En＝f(|Ax|≤0.05g&|Ay|≤0.05g&0.95g≤Az≤1.05g)×f(|θx|≤0.5°&|θy|≤0.5°&|θz|≤0.5°)
其中，|X|为取绝对值计算；g表示重力加速度常量；Ax、Ay、Az分别表示智能铁鞋在X、Y、Z轴方向上的加速度分量，由加速度传感器解算获得，θx表示智能铁鞋X轴与地面角度，θy表示智能铁鞋Y轴与地面角度，θz表示智能铁鞋Z轴与重力加速度方向的夹角，θx、θy、θz的计算公式如下：
Figure BDA0002333758890000041
优选的，中央处理器能够根据环境温度自动调整超声波探头的驱动电压并修正超声波速度从而提高测距精度，并通过多种手段有效减小超声波测距盲区，同时分析、处理通过A/D采集的回波信号数据，计算出智能铁鞋到列车车轮的距离，其具体步骤如下：
1)、初始化回波接收引脚上的A/D转换单元，设置A/D转换单元采样间隔为T，默认T＝1us，初始化温度传感器、定时器1(用于周期性回波电平筛选阈值Vs校正，默认计时周期为1小时)，并设置初始回波电平筛选阈值Vs(默认Vs＝0.1V)；
2)、中央处理器根据温度传感器采集的环境温度自动调整超声波探头的驱动电压，进而调节超声波发射脉冲的幅值；
3)、中央处理器根据环境温度修正超声波速度，所述修正超声波速度的方法是：
中央处理器根据环境温度K℃并依据声音在空气中传播时声速与温度的线性关系修正超声波声速，其公式如下：
v＝(332+0.607K)m/s
4)、中央处理器发出脉冲指令，通过超声波探头发出N个频率为F的超声波信号(默认N＝10，F＝300KHz)，然后中央处理器立即再发出半个周期的反向脉冲，以抑制超声波探头余振；
5)、启动A/D转换器，开始采集经三级信号放大的回波电平数据，并存入回波数据数组中；
6)、启动余振吸收模块，将其并接到超声波探头两端，200us后将其断开；
7)、判断A/D转换器是否采集到1000组数据；若是，则执行步骤9)；
8)、A/D转换器持续采集回波电平数据，直到采集满1000组数据为止；
9)、将回波数据数组中的前200组数据视为无效数据，将其置0；
10)、对A/D转换器采集的1000组超声波回波电平数据做包络检波处理，具体方法为：回波数据数组从头开始计算，根据包络检波计算公式计算出每一个采样数据经过包络检波处理后的电压幅值从而得到检波输出数组，包络检波计算公式如下：
Figure BDA0002333758890000051
其中，Uo(t)为t时刻的输出电压，Ui(t)为t时刻的输入电压，R、C分别为包络检波中设定的电阻值与电容值,△t为待检波信号的周期；
11)、设置归零阈值V0(默认V0＝0.1V)遍历回波数组各元素，将电平幅值低于0.1V的元素值重设为0，以消除采集的数据中的零电压附近毛刺；
12)、判断定时器1是否计时到预设值；若否，则执行步骤14)；
13)、中央处理器根据采集到的电平数据重新自动设置回波电平筛选阈值；
14)、根据采集的回波数据筛选出高于回波电平筛选阈值且具有峰值特征的回波数据；
15)、根据步骤14)筛选出的数据做进一步筛选，筛选出一组具有一定脉冲宽度的回波；
16)、根据筛选出的回波确定超声波回波最初到达的时刻；
17)、计算智能铁鞋到列车车轮之间的距离。
优选的，步骤2)所述调整超声波探头的驱动电压进而调节超声波发射脉冲的幅值的方法是：
中央处理器根据温度传感器采集的环境温度K℃调整可调增益放大电路的放大增益从而调整超声波探头的驱动电压，使超声波探头在不同的环境温度下均能达到良好的工作状态，其驱动电压调节公式如下：
Figure BDA0002333758890000052
其中，Vd表示超声波探头的驱动电压峰峰值。
优选的，所述宽温范围智能铁鞋测量智能铁鞋到列车车轮之间的距离方法，其特征是步骤13)所述重新设置回波电平筛选阈值的方法如下：
遍历回波数组各元素，对电平幅值高于V0＝0.1V的元素进行计数，设其值为n，并在数组遍历完成之后求出电平幅值高于V0的所有元素幅值之和E，则回波电平筛选阈值Vs为：
Figure BDA0002333758890000061
优选的，步骤14)所述筛选具有峰值特征的回波数据的方法如下：
回波数据数组从头开始遍历，将低于回波电平筛选阈值Vs的数据视为无效数据并将其置0，同时选取相邻的两个数据做差，公式如下：
diff＝V[a]-V[b]
其中，V[a]表示采集的第a个回波数据，且a、b满足a＝b+1，0<b<1000；依次求得相邻两数据间的差值，若diff≥0时，将该处视为电平信号的上升沿，然后继续向后遍历数组，当遇到diff<0时，将diff发生变化的这段范围内的第一个最大值标记为一个特征峰值，继续遍历数据，直至再次diff≥0完成一次峰值特征数据筛选，当遍历完所有数据后即得到经过峰值分析后的回波数据。
优选的，步骤15)所述筛选具有一定脉冲宽度的回波的方法如下：
设置有效脉宽阈值为PW＝N/F，其中，F为超声波探头发出的脉冲频率，N为超声波探头一次发出的脉冲数；
设累计脉冲宽度为W(初值为0)，回波数据数组经过峰值筛选后，中央处理器从“i＝0”开始，重新遍历整个数组数据并执行脉冲宽度累计判断：
B＝f(V[i]≥Vs)
其中，V[i]表示所有采集的回波数据中的第i个回波数据，Vs表示回波电平筛选阈值；
若B为1，则开始计算累计脉冲宽度W并记下此时i的值为ia，且其后每遍历一个数据,i自加1，脉宽W增加一个采样间隔T的值；若B为0，则判断W与PW间的关系，若W≥PW，记录下此时i的值为ib，从而获得超声波回波到达接收探头的开始时刻ia和结束时刻ib，ia到ib的时间间隔即为超声波回波的脉冲宽度；否则将W置0并从下一个数据开始重新依次遍历后面的数据，进行下一个具有一定脉冲宽度的回波筛选。
优选的，所述宽温范围智能铁鞋测量智能铁鞋到列车车轮之间的距离方法，其特征是步骤17)所述计算智能铁鞋到列车车轮之间的距离的方法是：
超声波回波脉冲处于A/D转换器第ia和ib次的采样间隔内，因此判断超声波回波在A/D执行第ia次转换时被采集到，则超声波测距单元测得的智能铁鞋到列车车轮间的距离为：
Figure BDA0002333758890000071
其中，T为A/D转换器的采样间隔时间。
有益效果
本发明的一种宽温范围的智能铁鞋及其防溜状态判断方法，适用于各种铁路站场。
在总体可通过多传感器融合判断是否处于防溜状态方面，采用基于位置判断、智能铁鞋运动状态和姿态解算和超声波测距分析的方式对智能铁鞋防溜状态进行多角度判断，有效地避免了单一判断方式在复杂工作环境下发生判断出错的情况，大大提高了智能铁鞋防溜状态判断的精确性和可靠性。
在提高超声测距精度方面，通过选取高性能小发射角度单超声波探头、改进超声波探头的安装角度、采用二级放大电路作为超声波发射电路、三级放大电路作为超声波接收电路等措施，提高了超声波测距的方向性和距离分辨率，同时改善了超声波探头测距的灵敏度和对不同环境温度的适应性。在此硬件基础上，首先，根据环境温度自动调整超声波探头的发射功率、修正超声波速度，使超声波探头在各种环境温度下都具有良好的工作状态，降低环境温度对测距结果产生的影响，同时从余振抑制和能量消耗角度使超声波探头余振快速衰减，减小了超声波探头的测距盲区，提高了超声波测距单元的有效量程；然后对超声波回波信号进行包络提取，并自动设置数据筛选阈值，有利于提高智能铁鞋高精度测距对器件性能变化、温度环境变化的适应性；接着对经包络提取后的的数据进行幅值、波形及脉冲宽度筛选，确定最佳回波包络波形，从而快速、准确判断出超声波回波被捕获的时刻，进一步减小测距误差；最后根据筛选出的回波包络在采集的回波数据中出现的位置确定超声波回波的渡越时间，计算出智能铁鞋到列车车轮之间的距离，该方法避免了采用定时器计算渡越时间可能会导致的定时器误触发等问题，有利于降低测距误差，提高了智能铁鞋工作状态判断的可靠性。
附图说明
图1本发明的宽温范围智能铁鞋硬件原理图
图2本发明的宽温范围智能铁鞋距离测量流程图
具体实施方式
如图1所示，一种宽温范围智能铁鞋，由传统铁鞋及安装于其内部的嵌入式硬件构成，所述嵌入式硬件包括中央处理器、温度传感器、GPS定位模块、加速度传感器以及超声波测距单元；温度传感器采集环境温度为中央处理器修正超声波在不同温度时的速度误差提供依据；GPS定位模块和加速度传感器通过解算获取智能铁鞋的位置信息、运动状态和姿态信息，所述超声波测距单元包括收发一体式超声波探头、可调增益放大电路、发射电路、前级放大电路、中级放大电路、后级放大电路以及吸能模块。
超声波测距单元结合温度传感器用于测量智能铁鞋到列车车轮之间的距离。所述中央处理器用于温度传感器、加速度传感器、超声波测距单元的信号采集，GPS定位模块数据采集与数据处理，以及距离运算和智能铁鞋状态判断；温度传感器、加速度传感器和超声波测距单元均与中央处理器的对应数据输入输出端相连，GPS定位模块与中央处理器的相应串行通讯数据接口相连。
中央处理器在宽温度范围条件下，将融合智能铁鞋的位置信息、运动状态和姿态信息与通过超声波测距单元获得的高精度距离数据，从而获得智能铁鞋的工作状态最佳估计，具体方法为：
智能铁鞋中央处理器通过融合多个传感器信息判断智能铁鞋的工作状态，其判断公式如下：
sta＝dis_En×ran_En×mpu_En
其中，sta表示智能铁鞋的工作状态，若“sta＝1”，表示智能铁鞋处于“防溜状态”，若“sta＝0”，则表示智能铁鞋处于“假防溜状态”；dis_En是智能铁鞋位置判断位，用于判断智能铁鞋是否放置在股道上；ran_En是超声波测距判断位，其根据智能铁鞋到列车车轮之间的距离数据判断智能铁鞋是否放置到位；mpu_En是智能铁鞋运动状态和姿态判断位，用于判断智能铁鞋是否以正确的姿态放置。
上式中，智能铁鞋位置判断位dis_En的计算公式如下：
dis_En＝f(0≤S≤interval)
其中，f(X)为逻辑函数，若“X”的值为真，则函数值为1；否则函数值为0。当dis_En为1时，表示智能铁鞋在股道上；当dis_En为0时，表示智能铁鞋不在股道上；interval是间距判定阈值，其初值为0.2米；S为智能铁鞋位置到股道的距离，其公式如下：
Figure BDA0002333758890000081
其中，智能铁鞋的位置坐标为P(X,Y)，由GPS定位模块解算获得，股道两端点的坐标为A(X1,Y1)、B(X2,Y2)。
超声波测距判断位ran_En的判断公式入下：
ran_En＝f(D1≤dis≤D2)
其中，f(X)为逻辑函数，若“X”的值为真，则函数值为1；否则函数值为0。dis是中央处理器通过超声波测距单元测得的智能铁鞋到列车车轮之间的距离；D1表示智能铁鞋放置到位判断阈值下限，其默认值设为4cm；D2表示智能铁鞋放置到位判断阈值上限，其默认值设为10cm。当ran_En为1时，表示智能铁鞋处于“放置到位”状态；当ran_En为0，则表示智能铁鞋处于“未放置到位”状态。
智能铁鞋运动状态和姿态判断位mpu_En的判断公式如下：
mpu_En＝f(|Ax|≤0.05g&|Ay|≤0.05g&0.95g≤Az≤1.05g)×f(|θx|≤0.5°&|θy|≤0.5°&|θz|≤0.5°)
其中，f(X)为逻辑函数，若“X”的值为真，则函数值为1；否则函数值为0。|X|为取绝对值计算；g表示重力加速度常量；Ax、Ay、Az分别表示智能铁鞋在X、Y、Z轴方向上的加速度分量，由加速度传感器解算获得，θx表示智能铁鞋X轴与地面角度，θy表示智能铁鞋Y轴与地面角度，θz表示智能铁鞋Z轴与重力加速度方向的夹角，θx、θy、θz的计算公式如下：
Figure BDA0002333758890000091
所述超声波测距单元中的超声波探头采用收发一体式超声波探头；同时选取超声波探头的信号发射角度为θ1(θ1≤7°)；中央处理器的信号输出端通过可调增益放大电路和发射电路与300KHz超声波探头信号发射端相连；超声波探头的信号接收端依次通过多级放大电路与中央处理器的数据输入端连接。中央处理器通过PWM产生双路300KHz脉冲后，经可调增益放大电路和发射电路转换为一定幅值的超声波探头驱动信号传递给超声波探头信号发射端，从而产生预设的超声波脉冲；中央处理器发送完一组超声波脉冲激发信号后，立即发送半个周期的反向脉冲，并启动吸能模块，让其工作一定时间，以尽快消除超声波探头余振；当发射的超声波遇到障碍物被反射回来时，超声波探头接收到回波后将其转换为电信号，然后经过前级放大、中级放大和后级放大三级放大电路将超声波探头发出的回波电平放大到一定幅值，然后将放大后的电信号传入中央处理器的A/D采集端口，以对数据进行进一步分析计算。
所述可调增益放大电路采用双路放大电路设计，并以可变增益运算放大器为核心，将运算放大器的电压控制引脚与中央处理器的D/A输出端相连，从而实现对放大电路增益的调节；发射电路采用带中心抽头的变压器进一步放大发射信号脉冲，以驱动超声波探头发出超声波。
所述前级放大电路直接接收超声波探头的回波电信号，一般放大倍数较低，其主要用于提高系统信噪比，减少外界干扰的相对影响；中级放大电路具有较高的增益水平，主要用于进一步放大回波电压幅值，是系统的主放大电路；后级放大电路采用可变增益放大电路，用于调整放大电路整体放大倍数，使回波信号的电压幅值保持一致，从而降低温度变化对回波信号幅值的影响。
所述吸能模块并接在超声波探头两端，吸能模块采用电阻吸能方式，加速消耗超声波探头余振能量，并用MOSFET管与中央处理器控制引脚相连接，控制吸能模块是否接入超声波探头，以减小超声波探头工作时吸能模块对其灵敏度的影响。
智能铁鞋的超声波测距探头安装在智能铁鞋头部，且必须以一定角度安装在智能铁鞋上，使得智能铁鞋运算所得智能铁鞋与列车车轮之间距离与其真实距离呈正相关关系。超声波探头与水平方向所成的安装角度的计算方法是智能铁鞋紧密放置于列车车轮下并与其紧贴时，超声波探头指向列车车轮圆心，其安装角度计算公式为：
Figure BDA0002333758890000101
其中，h为超声波探头到地面的垂直高度，s为探头到列车车轮圆心的水平距离，列车车轮半径为r(r>h)。
如图2所示，中央处理器能够根据环境温度自动调整超声波发射脉冲的幅值增益并修正超声波速度从而提高测距精度，并通过多种手段有效减小超声波测距盲区，同时分析、处理通过A/D采集的回波信号数据，计算出智能铁鞋到列车车轮的距离。其具体步骤如下：
1)、初始化回波接收引脚上的A/D转换单元，设置A/D转换单元采样间隔为T，默认T＝1us，初始化温度传感器、定时器1(用于周期性回波电平筛选阈值Vs校正，默认计时周期为1小时)，并设置初始回波电平筛选阈值Vs(默认Vs＝0.1V)；
2)、中央处理器根据温度传感器采集的环境温度自动调整超声波发射脉冲的幅值；
3)、中央处理器根据环境温度修正超声波速度，所述修正超声波速度的方法是：
中央处理器根据环境温度K℃并依据声音在空气中传播时声速与温度的线性关系修正超声波声速，其公式如下：
v＝(332+0.607K)m/s
4)、中央处理器发出脉冲指令，通过超声波探头发出N个频率为F的超声波信号(默认N＝10，F＝300KHz)，然后中央处理器立即再发出半个周期的反向脉冲，以抑制超声波探头余振；
5)、启动A/D转换器，开始采集经三级信号放大的回波电平数据，并存入回波数据数组中；
6)、启动余振吸收模块，将其并接到超声波探头两端，200us后将其断开；
7)、判断A/D转换器是否采集到1000组数据；若是，则执行步骤9)；
8)、A/D转换器持续采集回波电平数据，直到采集满1000组数据为止；
9)、将回波数据数组中的前200组数据视为无效数据，将其置0；
10)、对A/D转换器采集的1000组超声波回波电平数据做包络检波处理，具体方法为：回波数据数组从头开始计算，根据包络检波计算公式计算出每一个采样数据经过包络检波处理后的电压幅值从而得到检波输出数组，包络检波计算公式如下：
Figure BDA0002333758890000111
其中，Uo(t)为t时刻的输出电压，Ui(t)为t时刻的输入电压，R、C分别为包络检波中设定的电阻值与电容值,△t为待检波信号的周期；
11)、设置归零阈值V0(默认V0＝0.1V)遍历回波数组各元素，将电平幅值低于0.1V的元素值重设为0，以消除采集的数据中的零电压附近毛刺；
12)、判断定时器1是否计时到预设值；若否，则执行步骤14)；
13)、中央处理器根据采集到的电平数据重新自动设置回波电平筛选阈值；
14)、根据采集的回波数据筛选出高于回波电平筛选阈值且具有峰值特征的回波数据；
15)、根据步骤14)筛选出的数据做进一步筛选，筛选出一组具有一定脉冲宽度的回波；
16)、根据筛选出的回波确定超声波回波最初到达的时刻；
17)、计算智能铁鞋到列车车轮之间的距离。
步骤2)中，中央处理器根据温度传感器采集的环境温度K℃调整可调增益放大电路的放大增益从而调整超声波探头的驱动电平，进而调节超声波发射脉冲的幅值；使超声波探头在不同的环境温度下均能达到良好的工作状态，其驱动电压调节公式如下：
Figure BDA0002333758890000121
其中，Vd表示超声波探头的驱动电压峰峰值。
步骤13)中，所述重新设置回波电平筛选阈值的方法如下：
遍历回波数组各元素，对电平幅值高于V0＝0.1V的元素进行计数，设其值为n，并在数组遍历完成之后求出电平幅值高于V0的所有元素幅值之和E，则回波电平筛选阈值Vs为：
Figure BDA0002333758890000122
所述筛选具有峰值特征的回波数据的方法如下：
回波数据数组从头开始遍历，将低于回波电平筛选阈值Vs的数据视为无效数据并将其置0，同时选取相邻的两个数据做差，公式如下：
diff＝V[a]-V[b]
其中，V[a]表示采集的第a个回波数据，且a、b满足a＝b+1，0<b<1000；依次求得相邻两数据间的差值，若diff≥0时，将该处视为电平信号的上升沿，然后继续向后遍历数组，当遇到diff<0时，将diff发生变化的这段范围内的第一个最大值标记为一个特征峰值，继续遍历数据，直至再次diff≥0完成一次峰值特征数据筛选。当遍历完所有数据后即得到经过峰值分析后的回波数据。
步骤15)中，所述筛选具有一定脉冲宽度的回波的方法如下：
设置有效脉宽阈值为PW＝N/F。其中，F为超声波探头发出的脉冲频率，N为超声波探头一次发出的脉冲数。
设累计脉冲宽度为W(初值为0)，回波数据数组经过峰值筛选后，中央处理器从“i＝0”开始，重新遍历整个数组数据并执行脉冲宽度累计判断：
B＝f(V[i]≥Vs)
其中，V[i]表示所有采集的回波数据中的第i个回波数据，Vs表示回波电平筛选阈值。
若B为1，则开始计算累计脉冲宽度W并记下此时i的值为ia，且其后每遍历一个数据,i自加1，脉宽W增加一个采样间隔T的值；若B为0，则判断W与PW间的关系，若W≥PW，记录下此时i的值为ib，从而获得超声波回波到达接收探头的开始时刻ia和结束时刻ib，ia到ib的时间间隔即为超声波回波的脉冲宽度；否则将W置0并从下一个数据开始重新依次遍历后面的数据，进行下一个具有一定脉冲宽度的回波筛选。
步骤17)中，所述计算智能铁鞋到列车车轮之间的距离的方法是：
可知超声波回波脉冲处于A/D转换器第ia和ib次的采样间隔内，因此可以判断超声波回波在A/D执行第ia次转换时被采集到，则超声波测距单元测得的智能铁鞋到列车车轮间的距离为：
Figure BDA0002333758890000131
其中，T为A/D转换器的采样间隔时间。

Claims (10)

1.一种宽温范围智能铁鞋，其特征是智能铁鞋由传统铁鞋及安装于其内部的嵌入式硬件构成，所述嵌入式硬件包括中央处理器、温度传感器、GPS定位模块、加速度传感器以及超声波测距单元；温度传感器采集环境温度为中央处理器修正超声波在不同温度时的速度误差提供依据；GPS定位模块和加速度传感器通过解算获取智能铁鞋的位置信息、运动状态和姿态信息，
所述中央处理器用于温度传感器、加速度传感器、超声波测距单元的信号采集，以及GPS定位模块的数据采集与数据处理，以及距离运算和智能铁鞋状态判断；温度传感器、加速度传感器和超声波测距单元均与中央处理器的对应数据输入输出端相连，GPS定位模块与中央处理器的相应串行通讯数据接口相连。
2.根据权利要求1所述的一种宽温范围智能铁鞋，其特征是所述超声波测距单元包括收发一体式超声波探头、可调增益放大电路、发射电路、前级放大电路、中级放大电路、后级放大电路以及吸能模块，中央处理器的信号输出端连接可调增益放大电路的信号输入端，可调增益放大电路的信号输出端通过发射电路连接吸能模块和超声波探头；吸能模块和超声波探头的回波数据顺次通过前级放大电路、中级放大电路、后级放大电路返回中央处理器；选取超声波探头的信号发射角度为θ1，θ1≤7°；中央处理器的信号输出端通过可调增益放大电路和发射电路与300KHz超声波探头信号发射端相连；超声波探头的信号接收端依次通过多级放大电路与中央处理器的数据输入端连接；中央处理器通过PWM产生双路300KHz脉冲后，经可调增益放大电路和发射电路转换为一定幅值的超声波探头驱动信号传递给超声波探头信号发射端，从而产生预设的超声波脉冲；中央处理器发送完一组超声波脉冲激发信号后，立即发送半个周期的反向脉冲，并启动吸能模块，让其工作一定时间，以尽快消除超声波探头余振；当发射的超声波遇到障碍物被反射回来时，超声波探头接收到回波后将其转换为电信号，然后经过前级放大、中级放大和后级放大三级放大电路将超声波探头发出的回波电平放大到一定幅值，然后将放大后的电信号传入中央处理器的A/D采集端口，以对数据进行进一步分析计算；
所述可调增益放大电路采用双路放大电路设计，并以可变增益运算放大器为核心，将运算放大器的电压控制引脚与中央处理器的D/A输出端相连，从而实现对放大电路增益的调节；发射电路采用带中心抽头的变压器进一步放大发射信号脉冲，以驱动超声波探头发出超声波；
所述前级放大电路直接接收超声波探头的回波电信号，一般放大倍数较低，其主要用于提高系统信噪比，减少外界干扰的相对影响；中级放大电路具有较高的增益水平，主要用于进一步放大回波电压幅值，是系统的主放大电路；后级放大电路采用可变增益放大电路，用于调整放大电路整体放大倍数，使回波信号的电压幅值保持一致，从而降低温度变化对回波信号幅值的影响；
所述吸能模块并接在超声波探头两端，吸能模块采用电阻吸能方式，加速消耗超声波探头余振能量，并用MOSFET管与中央处理器控制引脚相连接，控制吸能模块是否接入超声波探头，以减小超声波探头工作时吸能模块对其灵敏度的影响。
3.根据权利要求1所述的一种宽温范围智能铁鞋，其特征是智能铁鞋的超声波测距探头以一定角度安装在智能铁鞋头部，使得智能铁鞋运算所得智能铁鞋与列车车轮之间距离与其真实距离呈正相关关系；超声波探头与水平方向所成的安装角度的计算方法是智能铁鞋紧密放置于列车车轮下并与其紧贴时，超声波探头指向列车车轮圆心，其安装角度计算公式为：
Figure FDA0002333758880000011
其中，h为超声波探头到地面的垂直高度，s为探头到列车车轮圆心的水平距离，列车车轮半径为r，r>h。
4.一种宽温范围智能铁鞋的防溜状态判断方法，基于权利要求1-3任一项所述的一种宽温范围智能铁鞋，其特征是中央处理器在宽温度范围条件下，将融合智能铁鞋的位置信息、运动状态和姿态信息与通过超声波测距单元获得的高精度距离数据，从而获得智能铁鞋的工作状态最佳估计，具体方法为：
智能铁鞋中央处理器通过融合多个传感器信息判断智能铁鞋的工作状态，其判断公式如下：
sta＝dis_En×ran_En×mpu_En
其中，sta表示智能铁鞋的工作状态，若“sta＝1”，表示智能铁鞋处于“防溜状态”，若“sta＝0”，则表示智能铁鞋处于“假防溜状态”；dis_En是智能铁鞋位置判断位，用于判断智能铁鞋是否放置在股道上；ran_En是超声波测距判断位，其根据智能铁鞋到列车车轮之间的距离数据判断智能铁鞋是否放置到位；mpu_En是智能铁鞋运动状态和姿态判断位，用于判断智能铁鞋是否以正确的姿态放置；
上式中，智能铁鞋位置判断位dis_En的计算公式如下：
dis_En＝f(0≤S≤interval)
其中，f(X)为逻辑函数，若“X”的值为真，则函数值为1；否则函数值为0，当dis_En为1时，表示智能铁鞋在股道上；当dis_En为0时，表示智能铁鞋不在股道上；interval是间距判定阈值，其初值为0.2米；S为智能铁鞋位置到股道的距离，其公式如下：
Figure FDA0002333758880000021
其中，智能铁鞋的位置坐标为P(X,Y)，由GPS定位模块解算获得，股道两端点的坐标为A(X1,Y1)、B(X2,Y2)；
超声波测距判断位ran_En的判断公式入下：
ran_En＝f(D1≤dis≤D2)
其中，dis是中央处理器通过超声波测距单元测得的智能铁鞋到列车车轮之间的距离；D1表示智能铁鞋放置到位判断阈值下限，其默认值设为4cm；D2表示智能铁鞋放置到位判断阈值上限，其默认值设为10cm；当ran_En为1时，表示智能铁鞋处于“放置到位”状态；当ran_En为0，则表示智能铁鞋处于“未放置到位”状态。
智能铁鞋运动状态和姿态判断位mpu_En的判断公式如下：
mpu_En＝f(|Ax|≤0.05g&|Ay|≤0.05g&0.95g≤Az≤1.05g)×
f(|θx|≤0.5°&|θy|≤0.5°&|θz|≤0.5°)
其中，|X|为取绝对值计算；g表示重力加速度常量；Ax、Ay、Az分别表示智能铁鞋在X、Y、Z轴方向上的加速度分量，由加速度传感器解算获得，θx表示智能铁鞋X轴与地面角度，θy表示智能铁鞋Y轴与地面角度，θz表示智能铁鞋Z轴与重力加速度方向的夹角，θx、θy、θz的计算公式如下：
Figure FDA0002333758880000022
5.根据权利要求4所述的一种宽温范围智能铁鞋的防溜状态判断方法，其特征是中央处理器能够根据环境温度自动调整超声波探头的驱动电压并修正超声波速度从而提高测距精度，并通过多种手段有效减小超声波测距盲区，同时分析、处理通过A/D采集的回波信号数据，计算出智能铁鞋到列车车轮的距离，其具体步骤如下：
1)、初始化回波接收引脚上的A/D转换单元，设置A/D转换单元采样间隔为T，默认T＝1us，初始化温度传感器、定时器1，并设置初始回波电平筛选阈值Vs；
2)、中央处理器根据温度传感器采集的环境温度自动调整超声波探头的驱动电压，进而调节超声波发射脉冲的幅值；
3)、中央处理器根据环境温度修正超声波速度，所述修正超声波速度的方法是：
中央处理器根据环境温度K℃并依据声音在空气中传播时声速与温度的线性关系修正超声波声速，其公式如下：
v＝(332+0.607K)m/s
4)、中央处理器发出脉冲指令，通过超声波探头发出N个频率为F的超声波信号，然后中央处理器立即再发出半个周期的反向脉冲，以抑制超声波探头余振；
5)、启动A/D转换器，开始采集经三级信号放大的回波电平数据，并存入回波数据数组中；
6)、启动余振吸收模块，将其并接到超声波探头两端，200us后将其断开；
7)、判断A/D转换器是否采集到1000组数据；若是，则执行步骤9)；
8)、A/D转换器持续采集回波电平数据，直到采集满1000组数据为止；
9)、将回波数据数组中的前200组数据视为无效数据，将其置0；
10)、对A/D转换器采集的1000组超声波回波电平数据做包络检波处理，具体方法为：回波数据数组从头开始计算，根据包络检波计算公式计算出每一个采样数据经过包络检波处理后的电压幅值从而得到检波输出数组，包络检波计算公式如下：
Figure FDA0002333758880000031
其中，Uo(t)为t时刻的输出电压，Ui(t)为t时刻的输入电压，R、C分别为包络检波中设定的电阻值与电容值,△t为待检波信号的周期；
11)、设置归零阈值V0遍历回波数组各元素，将电平幅值低于0.1V的元素值重设为0，以消除采集的数据中的零电压附近毛刺；
12)、判断定时器1是否计时到预设值；若否，则执行步骤14)；
13)、中央处理器根据采集到的电平数据重新自动设置回波电平筛选阈值；
14)、根据采集的回波数据筛选出高于回波电平筛选阈值且具有峰值特征的回波数据；
15)、根据步骤14)筛选出的数据做进一步筛选，筛选出一组具有一定脉冲宽度的回波；
16)、根据筛选出的回波确定超声波回波最初到达的时刻；
17)、计算智能铁鞋到列车车轮之间的距离。
6.根据权利要求5所述的一种宽温范围智能铁鞋的防溜状态判断方法，其特征是步骤2)所述调整超声波探头的驱动电压进而调节超声波发射脉冲的幅值的方法是：
中央处理器根据温度传感器采集的环境温度K℃调整可调增益放大电路的放大增益从而调整超声波探头的驱动电压，使超声波探头在不同的环境温度下均能达到良好的工作状态，其驱动电压调节公式如下：
Figure FDA0002333758880000032
其中，Vd表示超声波探头的驱动电压峰峰值。
7.根据权利要求5所述的一种宽温范围智能铁鞋的防溜状态判断方法，其特征是步骤13)所述重新设置回波电平筛选阈值的方法如下：
遍历回波数组各元素，对电平幅值高于V0＝0.1V的元素进行计数，设其值为n，并在数组遍历完成之后求出电平幅值高于V0的所有元素幅值之和E，则回波电平筛选阈值Vs为：
Figure FDA0002333758880000033
8.根据权利要求5所述的一种宽温范围智能铁鞋的防溜状态判断方法，其特征是步骤14)所述筛选具有峰值特征的回波数据的方法如下：
回波数据数组从头开始遍历，将低于回波电平筛选阈值Vs的数据视为无效数据并将其置0，同时选取相邻的两个数据做差，公式如下：
diff＝V[a]-V[b]
其中，V[a]表示采集的第a个回波数据，且a、b满足a＝b+1，0<b<1000；依次求得相邻两数据间的差值，若diff≥0时，将该处视为电平信号的上升沿，然后继续向后遍历数组，当遇到diff<0时，将diff发生变化的这段范围内的第一个最大值标记为一个特征峰值，继续遍历数据，直至再次diff≥0完成一次峰值特征数据筛选，当遍历完所有数据后即得到经过峰值分析后的回波数据。
9.根据权利要求5所述的一种宽温范围智能铁鞋的防溜状态判断方法，其特征是步骤15)所述筛选具有一定脉冲宽度的回波的方法如下：
设置有效脉宽阈值为PW＝N/F，其中，F为超声波探头发出的脉冲频率，N为超声波探头一次发出的脉冲数；
设累计脉冲宽度为W，回波数据数组经过峰值筛选后，中央处理器从“i＝0”开始，重新遍历整个数组数据并执行脉冲宽度累计判断：
B＝f(V[i]≥Vs)
其中，V[i]表示所有采集的回波数据中的第i个回波数据，Vs表示回波电平筛选阈值；
若B为1，则开始计算累计脉冲宽度W并记下此时i的值为ia，且其后每遍历一个数据,i自加1，脉宽W增加一个采样间隔T的值；若B为0，则判断W与PW间的关系，若W≥PW，记录下此时i的值为ib，从而获得超声波回波到达接收探头的开始时刻ia和结束时刻ib，ia到ib的时间间隔即为超声波回波的脉冲宽度；否则将W置0并从下一个数据开始重新依次遍历后面的数据，进行下一个具有一定脉冲宽度的回波筛选。
10.根据权利要求5所述的一种宽温范围智能铁鞋的防溜状态判断方法，其特征是步骤17)所述计算智能铁鞋到列车车轮之间的距离的方法是：
超声波回波脉冲处于A/D转换器第ia和ib次的采样间隔内，因此判断超声波回波在A/D执行第ia次转换时被采集到，则超声波测距单元测得的智能铁鞋到列车车轮间的距离为：
Figure FDA0002333758880000041
其中，T为A/D转换器的采样间隔时间。
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