CN111381237B - 基于激光反射的管道列车定位方法及系统 - Google Patents

基于激光反射的管道列车定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于激光反射的管道列车定位方法及系统，该系统包括设置于管道列车的第一反射镜和设置于列车管道的多个测速定位装置，测速定位装置，包括：激光发射器，沿着管道列车行驶方向的反方向发射激光信号；信号接收器，包括接收电路、近端第一反射光路和远端第二反射光路，接收电路分别通过第一反射光路和第二反射光路接收激光发射器发射的激光信号；第二反射光路的激光信号为第一反射镜对激光发射器发射的激光信号的反射信号；信号处理装置根据从第一反射光路和第二反射光路接收到激光信号的时间差计算当前测速定位装置与管道列车之间的目标距离，根据当前测速定位装置的位置和目标距离确定管道列车的位置，准确地实现管道列车定位。

Description

基于激光反射的管道列车定位方法及系统
技术领域
本发明涉及电磁推进技术领域，尤其涉及一种基于激光反射的管道列车定位方法及系统。
背景技术
随着国民经济的飞速发展，各种交通工具的当前效力已经不能满足人们的特殊需求。目前，一种新的交通工具“管道列车”已经受到越来越多的关注。“管道列车”即低真空管道里的悬浮列车(磁悬浮+低真空模式)，相比传统高铁，高速管道运输工具运行速度提升了4-10倍；相比现有民航客机，速度提升了2-5倍，是人类对交通工具速度极致追求的一大进步。
管道列车是一种具有封闭轨道的列车，在封闭轨道中如何进行列车定位具有重要意义。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了一种基于激光反射的管道列车定位方法及系统，能够准确地实现管道列车定位。
本发明实施例提供了一种基于激光反射的管道列车定位系统，包括设置于管道列车的第一反射镜和多个测速定位装置，多个所述测速定位装置等间隔设置于列车管道；
所述测速定位装置，包括：
激光发射器，用于沿着管道列车行驶方向的反方向发射激光信号；
信号接收器，包括接收电路和设置在近端的第一反射光路、设置在远端的第二反射光路，所述接收电路用于分别通过所述第一反射光路和所述第二反射光路接收所述激光发射器发射的激光信号；所述第二反射光路的激光信号为所述第一反射镜对所述激光发射器发射的激光信号的反射信号；
信号处理装置，用于根据从第一反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间差计算当前测速定位装置与所述管道列车之间的目标距离，并根据当前测速定位装置的位置和所述目标距离确定管道列车的位置；
所述第一反射镜，用于将所述激光发射器发射的激光信号反射到所述第二反射光路。
其中，所述第一反射光路包括第一透镜和第二反射镜；
所述第一透镜，用于对所述激光发射器发射的激光信号反射到所述第二反射镜；
所述第二反射镜，用于将所述第一透镜折射来的激光信号反射到所述接收电路。
其中，所述第二反射光路包括所述第一透镜和与所述接收电路连接的激光接收器；
所述第一透镜，还用于将所述激光发射器发射的激光信号折射到所述第一反射镜；
所述激光接收器，用于接收所述第一反射镜对所述激光发射器发射的激光信号的反射信号，并将接收的激光信号传输到所述接收电路。
其中，所述系统还包括伺服控制装置，所述伺服控制装置用于控制所述第一反射镜的反射方向保持不便。
其中，所述伺服控制装置包括控制器、电机以及与电机连接的伺服机构、设置在所述第一反射镜的陀螺仪；
所述陀螺仪，用于检测所述第一反射镜发生偏转或倾斜时的转动角速度；
所述控制器，用于根据所述陀螺仪检测的转动角速度控制所述电机，以使所述电机带动所述伺服机构驱动所述第一反射镜进行姿态调整，使得所述第一反射镜的反射方向保持不便。
其中，所述信号接收器还包括第三反射光路；
所述第三反射光路包括第二透镜和第三反射镜；
所述第二透镜，用于对所述激光发射器发射的激光信号反射到所述第三反射镜；
所述第三反射镜，用于将所述第二透镜折射来的激光信号反射到所述接收电路。
其中，所述信号处理装置，具体用于根据从第一反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间差计算当前测速定位装置与所述管道列车之间的目标距离；根据从第三反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间差计算当前测速定位装置与所述管道列车之间的第二目标距离；计算所述目标距离和所述第二目标距离的平均值，并根据当前测速定位装置的位置和所述平均值确定管道列车的位置。
此外，本发明还提供了一种基于上述的基于激光反射的管道列车定位系统的管道列车定位方法，该方法包括：
分别获取从所述第一反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间；
根据从第一反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间差计算当前测速定位装置与所述管道列车之间的目标距离；
根据当前测速定位装置的位置和所述目标距离确定管道列车的位置。
其中，所述方法还包括：
分别获取从所述第三反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间；
根据从第三反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间差计算当前测速定位装置与所述管道列车之间的第二目标距离；
相应的，所述根据当前测速定位装置的位置和所述目标距离确定管道列车的位置，具体包括：
计算所述目标距离和所述第二目标距离的平均值，并根据当前测速定位装置的位置和所述平均值确定管道列车的位置。
其中，所述根据当前测速定位装置的位置和所述目标距离确定管道列车的位置，包括：
根据以下计算模型确定管道列车的位置：
ΔS+SN＝S列车
其中，ΔS＝c*t/2，c为在激光在空气中的飞行速度，t为两路激光信号的时间差，SN为当前测速定位装置的位置，S列车为管道列车的位置。
本发明实施例提供的基于激光反射的管道列车定位方法及系统，通过在列车管道间隔设置测速定位装置，并在管道列车设置一个反射镜，测速定位装置中的激光发射器沿着管道列车行驶方向的反方向发射激光信号，并通过设置于管道列车的反射镜和远端反射光路返回到测速定位装置中的信号接收器，信号接收器通过计算近端反射光路和远端反射光路接收到激光信号的时间差，以及当前测速定位装置的位置得到列车的位置信息，实现管道列车定位。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的测速定位装置的实现原理图；
图2为本发明实施例提供的伺服控制装置的实现原理图；
图3为本发明实施例提供的另一测速定位装置的实现原理图；
图4为本发明实施例提供的基于激光反射的管道列车定位方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
本技术领域技术人员可以理解，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。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明实施例提供了一种基于激光反射的管道列车定位系统，包括多个测速定位装置和设置于管道列车的第一反射镜，多个所述测速定位装置等间隔设置于列车管道。
其中，如图1所示，所述测速定位装置，包括：
激光发射器11，用于沿着管道列车行驶方向的反方向发射激光信号；
信号接收器，包括接收电路121和设置在近端的第一反射光路122、设置在远端的第二反射光路123，所述接收电路121用于分别通过所述第一反射光路122和所述第二反射光路123接收所述激光发射器11发射的激光信号；所述第二反射光路123的激光信号为所述第一反射镜对所述激光发射器11发射的激光信号的反射信号；
信号处理装置13，用于根据从第一反射光路122和所述第二反射光路123接收到激光信号的时间差计算当前测速定位装置与所述管道列车之间的目标距离，并根据当前测速定位装置的位置和所述目标距离确定管道列车的位置；
所述第一反射镜，用于将所述激光发射器11发射的激光信号反射到所述第二反射光路。
本发明实施例中，所述第一反射光路包括第一透镜和第二反射镜；所述第一透镜，用于对所述激光发射器发射的激光信号反射到所述第二反射镜；所述第二反射镜，用于将所述第一透镜折射来的激光信号反射到所述接收电路。
本发明实施例中，所述第二反射光路包括所述第一透镜和与所述接收电路连接的激光接收器；所述第一透镜，还用于将所述激光发射器发射的激光信号折射到所述第一反射镜；所述激光接收器，用于接收所述第一反射镜对所述激光发射器发射的激光信号的反射信号，并将接收的激光信号传输到所述接收电路。
本发明实施例中，激光器发出一束激光，激光在设备内经过第一透镜反射和第二反射镜反射直接进入接收电路，经过第一透镜折射的激光经第一反射镜反射，并通过激光接收器接收后，也进入到接收电路。两束激光到达接收电路的时间差的一半即为激光测速系统目标镜子的激光飞行时间。
因此，当前测速定位装置与管道列车之间的目标距离ΔS，具体通过以下方式计算：ΔS＝c*t/2
其中，c为在激光在空气中的飞行速度，t为两路激光信号的时间差
进一步地，可根据以下计算模型确定管道列车的位置：
ΔS+SN＝S列车
其中，ΔS为当前测速定位装置与所述管道列车之间的目标距离，SN为当前测速定位装置的位置，S列车为管道列车的位置。
本发明实施例中，所述系统还包括伺服控制装置，所述伺服控制装置用于控制所述第一反射镜的反射方向保持不便。
如图2所示，所述伺服控制装置包括控制器、电机以及与电机连接的伺服机构、设置在所述第一反射镜的陀螺仪，其中：
所述陀螺仪，用于检测所述第一反射镜发生偏转或倾斜时的转动角速度；
所述控制器，用于根据所述陀螺仪检测的转动角速度控制所述电机，以使所述电机带动所述伺服机构驱动所述第一反射镜进行姿态调整，使得所述第一反射镜的反射方向保持不便。
本发明实施例，利用伺服系统解决镜子晃动问题。不论列车如何振动，镜子永远指向一个方向，确保所述第一反射镜的反射方向保持不便。
在本发明另一实施例中，如图3所示，所述信号接收器还包括第三反射光路124。
具体的，所述第三反射光路124包括第二透镜和第三反射镜；所述第二透镜，用于对所述激光发射器发射的激光信号反射到所述第三反射镜；所述第三反射镜，用于将所述第二透镜折射来的激光信号反射到所述接收电路。
进一步地，所述信号处理装置13，具体用于根据从第一反射光路122和所述第二反射光路123接收到激光信号的时间差计算当前测速定位装置与所述管道列车之间的目标距离；根据从第三反射光路124和所述第二反射光路123接收到激光信号的时间差计算当前测速定位装置与所述管道列车之间的第二目标距离；计算所述目标距离和所述第二目标距离的平均值，并根据当前测速定位装置的位置和所述平均值确定管道列车的位置。
进一步地，还可以在管道列车车体前后左右各布置一面反射镜，增加冗余度，以及解决死区问题。
图4为本发明实施例的基于激光反射的管道列车定位方法的流程图。如图4所示，本发明实施例提供的基于激光反射的管道列车定位方法，具体包括以下步骤：
S101、分别获取从所述第一反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间；
S102、根据从第一反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间差计算当前测速定位装置与所述管道列车之间的目标距离；
S103、根据当前测速定位装置的位置和所述目标距离确定管道列车的位置。
进一步地，为了提高定位精度，本发明设置了双光路标定测量，具体实现如下：
分别获取从所述第三反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间。
根据从第三反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间差计算当前测速定位装置与所述管道列车之间的第二目标距离。
具体的，所述根据当前测速定位装置的位置和所述目标距离确定管道列车的位置，包括：
根据以下计算模型确定管道列车的位置：
ΔS+SN＝S列车
其中，ΔS＝c*t/2，c为在激光在空气中的飞行速度，t为两路激光信号的时间差，SN为当前测速定位装置的位置，S列车为管道列车的位置。
相应的，步骤S13中记载的根据当前测速定位装置的位置和所述目标距离确定管道列车的位置，具体包括：计算所述目标距离和所述第二目标距离的平均值，并根据当前测速定位装置的位置和所述平均值确定管道列车的位置。
本发明实施例提供的基于激光反射的管道列车定位方法及系统，通过在列车管道间隔设置测速定位装置，并在管道列车设置一个反射镜，测速定位装置中的激光发射器沿着管道列车行驶方向的反方向发射激光信号，并通过设置于管道列车的反射镜和远端反射光路返回到测速定位装置中的信号接收器，信号接收器通过计算近端反射光路和远端反射光路接收到激光信号的时间差，以及当前测速定位装置的位置得到列车的位置信息，实现管道列车定位。
本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于激光反射的管道列车定位系统，其特征在于，包括设置于管道列车的第一反射镜和多个测速定位装置，多个所述测速定位装置等间隔设置于列车管道；
所述测速定位装置，包括：
激光发射器，用于沿着管道列车行驶方向的反方向发射激光信号；
信号接收器，包括接收电路和设置在近端的第一反射光路、设置在远端的第二反射光路，所述接收电路用于分别通过所述第一反射光路和所述第二反射光路接收所述激光发射器发射的激光信号；所述第二反射光路的激光信号为所述第一反射镜对所述激光发射器发射的激光信号的反射信号；
信号处理装置，用于根据从第一反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间差计算当前测速定位装置与所述管道列车之间的目标距离，并根据当前测速定位装置的位置和所述目标距离确定管道列车的位置；
所述第一反射镜，用于将所述激光发射器发射的激光信号反射到所述第二反射光路；
所述第一反射光路包括第一透镜和第二反射镜；所述第一透镜，用于对所述激光发射器发射的激光信号反射到所述第二反射镜；所述第二反射镜，用于将所述第一透镜折射来的激光信号反射到所述接收电路；
所述系统还包括伺服控制装置，所述伺服控制装置包括控制器、电机以及与电机连接的伺服机构、设置在所述第一反射镜的陀螺仪；所述陀螺仪，用于检测所述第一反射镜发生偏转或倾斜时的转动角速度；所述控制器，用于根据所述陀螺仪检测的转动角速度控制所述电机，以使所述电机带动所述伺服机构驱动所述第一反射镜进行姿态调整，使得所述第一反射镜的反射方向保持不变。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二反射光路包括所述第一透镜和与所述接收电路连接的激光接收器；
所述第一透镜，还用于将所述激光发射器发射的激光信号折射到所述第一反射镜；
所述激光接收器，用于接收所述第一反射镜对所述激光发射器发射的激光信号的反射信号，并将接收的激光信号传输到所述接收电路。
3.根据权利要求1-2任一项所述的系统，其特征在于，所述信号接收器还包括第三反射光路；
所述第三反射光路包括第二透镜和第三反射镜；
所述第二透镜，用于对所述激光发射器发射的激光信号反射到所述第三反射镜；
所述第三反射镜，用于将所述第二透镜折射来的激光信号反射到所述接收电路。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述信号处理装置，具体用于根据从第一反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间差计算当前测速定位装置与所述管道列车之间的目标距离；根据从第三反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间差计算当前测速定位装置与所述管道列车之间的第二目标距离；计算所述目标距离和所述第二目标距离的平均值，并根据当前测速定位装置的位置和所述平均值确定管道列车的位置。
5.一种基于如权利要求1-2任一项所述基于激光反射的管道列车定位系统的管道列车定位方法，其特征在于，所述方法包括：
分别获取从所述第一反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间；
根据从第一反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间差计算当前测速定位装置与所述管道列车之间的目标距离；
根据当前测速定位装置的位置和所述目标距离确定管道列车的位置。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述信号接收器还包括第三反射光路；所述第三反射光路包括第二透镜和第三反射镜；所述第二透镜，用于对所述激光发射器发射的激光信号反射到所述第三反射镜；所述第三反射镜，用于将所述第二透镜折射来的激光信号反射到所述接收电路；
所述方法还包括：
分别获取从所述第三反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间；
根据从第三反射光路和所述第二反射光路接收到激光信号的时间差计算当前测速定位装置与所述管道列车之间的第二目标距离；
相应的，所述根据当前测速定位装置的位置和所述目标距离确定管道列车的位置，具体包括：
计算所述目标距离和所述第二目标距离的平均值，并根据当前测速定位装置的位置和所述平均值确定管道列车的位置。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述根据当前测速定位装置的位置和所述目标距离确定管道列车的位置，包括：
根据以下计算模型确定管道列车的位置：
ΔS+SN＝S列车
其中，ΔS＝c*t/2，c为在激光在空气中的飞行速度，t为两路激光信号的时间差，SN为当前测速定位装置的位置，S列车为管道列车的位置。
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