CN111559412A - 一种基于uwb定位的机车对标方法及系统 - Google Patents

一种基于uwb定位的机车对标方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于UWB定位的机车对标方法及系统，根据UWB基站的位置信息以及UWB标签与各UWB基站之间的实时距离可以得到UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下的实时空间位置，再根据采样周期和UWB标签的实时空间位置可以得到机车的实时速度，最后根据UWB标签的实时空间位置和机车的实时速度计算出机车进站对标所需牵引/制动力的大小，实现对车辆的牵引/制动控制，从而实现精确对标停车；对于机车，尤其是在曲线轨道上运行的机车，所述对标方法可以更为精确地得到UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下的空间位置信息，更为精确地实现机车的定位和测速，从而实现机车一次性精准对标和停车。

Description

一种基于UWB定位的机车对标方法及系统
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，尤其涉及一种基于UWB定位的机车站内对标方法及系统。
背景技术
目前列车定位系统的原理为利用速度传感器、多普勒雷达、信标读取器测量出车辆的速度、位置信息，传给具有安全防护功能的车载列车自动防护系统VATP（VehicleAutomatic Train Protection），VATP_CPU通过融合3类定位信息计算并确定列车在轨道上的具体位置，并将列车位置/速度信息传送给车载信号系统，车载信号系统根据列车当前位置信息输出牵引/制动指令，从而实现精确和可靠的列车精确对标。
近年来随着轨道交通的快速发展，虽然基于自动驾驶（ATO）技术的机车车辆已普遍应用现场服务中，但是基于自动驾驶（ATO）技术的机车车辆在进站对标停车过程中存在有欠标、过标以及冲标等现象，造成车辆门闸不能准确停在对应的站台，影响乘客上车，其原因多数为列车定位、测速的精确性较差。当速度或距离测量不精准时，车载信号系统计算的位移与实际位移的偏差过大，车载信号系统将根据当前位置计算的停站距离与机车速度，发送牵引/制动指令控制机车停车，会导致车载信号系统提前或滞后输出相应的制动命令，造成机车欠标或过标等现象。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于UWB（Ultra Wide Band，超带宽）定位的机车对标方法及系统。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种基于UWB定位的机车对标方法，适用于在站台的最前端设置UWB基站A，在站台内的任意位置设置至少三个UWB基站B，且UWB基站A与至少三个所述UWB基站B不共面的机车对标系统，具体对标方法包括：
步骤1：获取所述UWB基站A和每个UWB基站B的空间位置信息；
所述空间位置信息是在WGS坐标系下的坐标位置，或者是在以UWB基站A为原点所建立的三维坐标系下的坐标位置；
步骤2：根据机车上的UWB标签与所述UWB基站A之间通讯的时间差计算出UWB标签与UWB基站A之间的距离；根据UWB标签与每个UWB基站B之间通讯的时间差计算出UWB标签与每个UWB基站B之间的距离；
步骤3：根据所述步骤1的空间位置信息，以及所述步骤2中UWB标签与UWB基站A之间的距离和UWB标签与每个UWB基站B之间的距离，计算出所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下的空间位置信息；
步骤4：根据所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下空间位置信息的实时变化计算出机车的实时速度；
步骤5：根据所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下空间位置信息的实时变化，以及所述步骤4中机车的实时速度，计算出机车进站所需牵引/制动力的大小；
步骤6：根据所述步骤5中牵引/制动力的大小对机车进行牵引/制动控制，实现机车的精准对标停车。
本发明所述的机车对标方法，根据UWB基站的位置信息以及UWB标签与各UWB基站之间的实时距离可以得到UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下的实时空间位置，再根据采样周期和UWB标签的实时空间位置可以得到机车的实时速度，最后根据UWB标签的实时空间位置（可以得到机车的实时位置）和机车的实时速度计算出机车进站对标所需牵引/制动力的大小，实现对车辆的牵引/制动控制，从而实现精确对标停车；对于机车，尤其是在曲线轨道上运行的机车，所述对标方法可以更为精确地得到UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下的空间位置信息，更为精确地实现机车的定位和测速，从而实现机车一次性精准对标和停车。
进一步地，所述步骤1中，三维坐标系是以UWB基站A为原点，以垂直于轨道且远离站台的方向为x轴，以与机车进站方向相反的方向为y轴，再根据右手定则建立的。
进一步地，所述UWB基站B为三个，三个UWB基站B分别设置在所述三维坐标系的x轴、y轴和z轴上。将UWB基站B设置在三维坐标系的坐标轴上，简化了后续的计算。
进一步地，所述步骤3中，采用TDOA定位算法计算出所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下的空间位置信息。
TDOA定位算法不再需要精确地求得UWB基站A、每个UWB基站B以及UWB标签的响应和处理时延，而只要求UWB基站A以及每个UWB基站B的时钟是同步的，即可计算出UWB标签的空间位置信息。
本发明还提供一种基于UWB定位的机车对标系统，在站台的最前端设置UWB基站A，在站台内的任意位置设置至少三个UWB基站B，且UWB基站A与至少三个所述UWB基站B不共面，具体对标系统包括：
基站位置信息获取单元，用于获取所述UWB基站A和每个UWB基站B的空间位置信息；所述空间位置信息是在WGS坐标系下的坐标位置，或者是在以UWB基站A为原点所建立的三维坐标系下的坐标位置；
距离计算单元，用于根据机车上的UWB标签与所述UWB基站A之间通讯的时间差计算出UWB标签与UWB基站A之间的距离；根据UWB标签与每个UWB基站B之间通讯的时间差计算出UWB标签与每个UWB基站B之间的距离；
UWB标签位置信息计算单元，用于根据所述UWB基站A和每个UWB基站B的空间位置信息，以及UWB标签与UWB基站A之间的距离和UWB标签与每个UWB基站B之间的距离，计算出所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下的空间位置信息；
速度计算单元，用于所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下空间位置信息的实时变化计算出机车的实时速度；
牵引/制动力计算单元，用于根据所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下空间位置信息的实时变化，以及所述步骤4中机车的实时速度，计算出机车对标所需牵引/制动力的大小；
控制单元，用于根据所述牵引/制动力的大小对机车进行牵引/制动控制，实现机车的精准对标停车。
有益效果
与现有技术相比，本发明所提供的一种基于UWB定位的机车对标方法及系统，根据UWB基站的位置信息以及UWB标签与各UWB基站之间的实时距离可以得到UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下的实时空间位置，再根据采样周期和UWB标签的实时空间位置可以得到机车的实时速度，最后根据UWB标签的实时空间位置和机车的实时速度计算出机车进站对标所需牵引/制动力的大小，实现对车辆的牵引/制动控制，从而实现精确对标停车；对于机车，尤其是在曲线轨道上运行的机车，所述对标方法可以更为精确地得到UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下的空间位置信息，更为精确地实现机车的定位和测速，从而实现机车一次性精准对标和停车；
与传统的无线信号相比，UWB具有吉赫兹的带宽、亚纳秒级极窄脉冲的时间宽度特性，信号传播过程中具有极强的抗干扰性、传播速度快等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中基于UWB定位的机车对标方法的控制流程图；
图2是本发明实施例中UWB基站位置设置及三维坐标系的示意图；
其中，1-UWB基站A，2-UWB基站B1，3-UWB基站B2，4-UWB基站B3，5-UWB标签，6-轨道，F-机车进站方向。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所提供的一种基于UWB定位的机车对标方法，在站台的最前端设置UWB基站A 1，站台的最前端是指机车进站后车头所停靠的一端，机车对标是指通过对机车的牵引/制动控制，使机车车头的UWB标签5与UWB基站A 1对准并停靠，从而使机车车厢对应闸门与对应的站台地标对准。以UWB基站A 1为原点，以垂直于轨道6且远离站台的方向为x轴，以与机车进站方向F相反的方向为y轴，再根据右手定则建立三维坐标系，如图2所示。在三维坐标系的x轴、y轴、z轴上分别设置UWB基站B3 4、UWB基站B2 3以及UWB基站B1 2，UWB基站A 1以及UWB基站B3 4、UWB基站B2 3和UWB基站B1 2不共面，由此构成一个三维空间。具体对标方法包括：
1、获取UWB基站A 1、UWB基站B3 4、UWB基站B2 3以及UWB基站B1 2的空间位置信息。
各UWB基站（包括UWB基站A 1、UWB基站B3 4、UWB基站B2 3以及UWB基站B1 2）的空间位置信息可以是在WGS坐标系下的坐标位置，也可以是在三维坐标系下的坐标位置。各UWB基站设置后即可获得其在WGS坐标系下的坐标位置，或者在三维坐标系建立后即可获得各UWB基站在三维坐标系下的坐标位置。本实例中，以各UWB基站在三维坐标系下的坐标位置为例，并且将UWB基站B3 4、UWB基站B2 3以及UWB基站B1 2分别设置在三维坐标系的坐标轴上，UWB基站A 1的坐标为（0,0,0），UWB基站B3 4的坐标为（x 1 ,0,0）、UWB基站B2 3的坐标为（0,y 1 ,0），UWB基站B1 2的坐标为（0,0, z 1 ），大大简化了后续的计算。
2、根据机车上的UWB标签5与UWB基站A 1之间通讯的时间差计算出UWB标签5与UWB基站A 1之间的距离；根据UWB标签5与每个UWB基站B之间通讯的时间差计算出UWB标签5与每个UWB基站B之间的距离。
当机车与UWB基站A 1之间的距离小于或等于L时，开始进行对标控制，L为UWB标签5与UWB基站A 1之间能够通讯的距离，当机车与UWB基站A 1之间的距离大于L时，机车正常运行。
在进行对标控制时，UWB标签5发射出定位信号，UWB基站A 1以及UWB基站B3 4、UWB基站B2 3和UWB基站B1 2分别接受该定位信号。设UWB标签5发射出定位信号的时间为T0，UWB基站A 1、UWB基站B3 4、UWB基站B2 3、UWB基站B1 2分别接受到该定位信号的时间分别为T1、T2、T3、T4，那么UWB标签5与UWB基站A 1之间通讯的时间差为（T1－T0），UWB标签5与UWB基站B3 4之间通讯的时间差为（T2－T0），UWB标签5与UWB基站B2 3之间通讯的时间差为（T3－T0），UWB标签5与UWB基站B1 2之间通讯的时间差为（T4－T0）。根据通讯的时间差以及定位信号传输速率可以计算出UWB标签5分别与UWB基站A 1以及UWB基站B3 4、UWB基站B2 3和UWB基站B1 2之间的距离。由于机车上UWB标签的位置是实时变化的，因此，UWB标签与各UWB基站之间的距离也是实时变化的。
UWB技术通过发送纳秒级脉冲来传输定位信号，UWB标签直接用脉冲小型激励天线，不再需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功用放大器与混频器，因此，UWB标签允许采用非常低廉的宽带发射器。同时UWB基站也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此结构的实现比较简单。UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的信号传输，并且不单独占用已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带；UWB标签使用间歇的脉冲来发送信号，脉冲持续时间很短，一般在0. 20ns～1. 5ns 之间，有很低的占空因数，UWB标签和UWB基站耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW～几十mW。采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内。
3、根据步骤1的空间位置信息，以及步骤2中UWB标签5与UWB基站A 1之间的距离和UWB标签5与每个UWB基站B之间的距离，计算出UWB标签5三维坐标系下的空间位置信息。
本实施例中，采用TDOA定位算法计算出UWB标签5在三维坐标系下的空间位置信息。
TDOA定位算法是一种利用时间差进行定位的方法，在进行UWB标签5的空间位置计算时不再需要精确地求得UWB基站A、每个UWB基站B以及UWB标签的响应和处理时延，而只要求UWB基站A以及每个UWB基站B的时钟是同步的。TDOA定位算法进行位置计算可参考申请号为CN201710758381.3，名称为基于高度辅助修正的室内定位的TDOA定位方法的专利文献。
4、根据UWB标签5在三维坐标系下空间位置信息的实时变化计算出机车的实时速度。
UWB标签5在三维坐标系下的空间位置信息是实时变化的，因此机车在三维坐标系下的空间位置也是实时变化的，根据采样周期和机车的空间位置的实时变化值可以精确地计算出机车的实时速度。
由于机车轨道并不均是直线轨道，可能存在不平直或曲线轨道的情况，当为不平直或曲线轨道时，传统的对标方法机车的定位和测速精确度较差，不能实现准确对标，本申请采用三维坐标来表示UWB标签的空间位置信息，从而能够更为精确地反映出机车空间位置的实时变化值，实现机车空间位置的精确定位以及速度精确计算。
5、根据UWB标签3在三维坐标系下空间位置信息的实时变化，以及步骤4中机车的实时速度，计算出机车进站对标所需牵引/制动力的大小。
当机车速度实时变化时，所对应的机车所需牵引/制动力的大小也随着速度的变化而变化，形成速度-牵引/制动力曲线，速度与牵引/制动力之间的关系可参考黄问盈, 杨宁清, 黄民,等.列车制动力的等效换算原理及应用[J]. 铁道机车车辆, 2002, 000(001):1-7.。
6、根据步骤5中牵引/制动力的大小对机车进行牵引/制动控制，实现机车的精准对标停车。
本发明所述的机车对标方法，根据UWB基站的位置信息以及UWB标签与各UWB基站之间的实时距离可以得到UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下的实时空间位置，再根据采样周期和UWB标签的实时空间位置可以得到机车的实时速度，最后根据UWB标签的实时空间位置（可以得到机车的实时位置）和机车的实时速度计算出机车进站对标所需牵引/制动力的大小，实现对车辆的牵引/制动控制，从而实现精确对标停车；对于机车，尤其是在曲线轨道上运行的机车，所述对标方法可以更为精确地得到UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下的空间位置信息，更为精确地实现机车的定位和测速，从而实现机车一次性精准对标和停车。
本发明还提供一种基于UWB定位的机车对标系统，在站台的最前端设置UWB基站A，在站台内的任意位置设置至少三个UWB基站B，且UWB基站A与至少三个所述UWB基站B不共面，具体对标系统包括：
基站位置信息获取单元，用于获取所述UWB基站A和每个UWB基站B的空间位置信息；所述空间位置信息是在WGS坐标系下的坐标位置，或者是在以UWB基站A为原点所建立的三维坐标系下的坐标位置；
距离计算单元，用于根据机车上的UWB标签与所述UWB基站A之间通讯的时间差计算出UWB标签与UWB基站A之间的距离；根据UWB标签与每个UWB基站B之间通讯的时间差计算出UWB标签与每个UWB基站B之间的距离；
UWB标签位置信息计算单元，用于根据所述UWB基站A和每个UWB基站B的空间位置信息，以及UWB标签与UWB基站A之间的距离和UWB标签与每个UWB基站B之间的距离，计算出所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下的空间位置信息；
速度计算单元，用于所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下空间位置信息的实时变化计算出机车的实时速度；
牵引/制动力计算单元，用于根据所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下空间位置信息的实时变化，以及所述步骤4中机车的实时速度，计算出机车进站所需牵引/制动力的大小；
控制单元，用于根据所述牵引/制动力的大小对机车进行牵引/制动控制，实现机车的精准对标停车。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于UWB定位的机车对标方法，适用于在站台的最前端设置UWB基站A，在站台内的任意位置设置至少三个UWB基站B，且UWB基站A与至少三个所述UWB基站B不共面的机车对标系统，其特征在于，包括：
步骤1：获取所述UWB基站A和每个UWB基站B的空间位置信息；
所述空间位置信息是在WGS坐标系下的坐标位置，或者是在以UWB基站A为原点所建立的三维坐标系下的坐标位置；
步骤2：根据机车上的UWB标签与所述UWB基站A之间通讯的时间差计算出UWB标签与UWB基站A之间的距离；根据UWB标签与每个UWB基站B之间通讯的时间差计算出UWB标签与每个UWB基站B之间的距离；
步骤3：根据所述步骤1的空间位置信息，以及所述步骤2中UWB标签与UWB基站A之间的距离和UWB标签与每个UWB基站B之间的距离，计算出所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下的空间位置信息；
步骤4：根据所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下空间位置信息的实时变化计算出机车的实时速度；
步骤5：根据所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下空间位置信息的实时变化，以及所述步骤4中机车的实时速度，计算出机车进站所需牵引/制动力的大小；
步骤6：根据所述步骤5中牵引/制动力的大小对机车进行牵引/制动控制，实现机车的精准对标停车。
2.如权利要求1所述的一种基于UWB定位的机车对标方法，其特征在于：所述步骤1中，三维坐标系是以UWB基站A为原点，以垂直于轨道且远离站台的方向为x轴，以与机车进站方向相反的方向为y轴，再根据右手定则建立的。
3.如权利要求1或2所述的一种基于UWB定位的机车对标方法，其特征在于：所述UWB基站B为三个，三个UWB基站B分别设置在所述三维坐标系的x轴、y轴和z轴上。
4.如权利要求1或2所述的一种基于UWB定位的机车对标方法，其特征在于：所述步骤3中，采用TDOA定位算法计算出所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下的空间位置信息。
5.一种基于UWB定位的机车对标系统，其特征在于：在站台的最前端设置UWB基站A，在站台内的任意位置设置至少三个UWB基站B，且UWB基站A与至少三个所述UWB基站B不共面，具体对标系统包括：
基站位置信息获取单元，用于获取所述UWB基站A和每个UWB基站B的空间位置信息；所述空间位置信息是在WGS坐标系下的坐标位置，或者是在以UWB基站A为原点所建立的三维坐标系下的坐标位置；
距离计算单元，用于根据机车上的UWB标签与所述UWB基站A之间通讯的时间差计算出UWB标签与UWB基站A之间的距离；根据UWB标签与每个UWB基站B之间通讯的时间差计算出UWB标签与每个UWB基站B之间的距离；
UWB标签位置信息计算单元，用于根据所述UWB基站A和每个UWB基站B的空间位置信息，以及UWB标签与UWB基站A之间的距离和UWB标签与每个UWB基站B之间的距离，计算出所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下的空间位置信息；
速度计算单元，用于所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下空间位置信息的实时变化计算出机车的实时速度；
牵引/制动力计算单元，用于根据所述UWB标签在WGS坐标系下或三维坐标系下空间位置信息的实时变化，以及所述步骤4中机车的实时速度，计算出机车进站所需牵引/制动力的大小；
控制单元，用于根据所述牵引/制动力的大小对机车进行牵引/制动控制，实现机车的精准对标停车。
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