CN111674430A - 一种微轨车辆间距测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微轨车辆间距测量装置及测量方法，所述装置包括：UWB测距装置和走行装置，所述UWB测距装置安装在走行装置的顶部，所述走行装置安装在箱形轨道内，走行装置的底部悬挂车厢，在走行装置的带动下，车厢在箱形轨道内移动，UWB测距装置测量相邻两车之间的距离，测量结果发送至车辆的中央处理模块。本发明解决了现有轨道车辆间距测量装置易受到干扰、测量结果不精准、成本高、安装不便的问题。

Description

一种微轨车辆间距测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及轨道交通测距技术领域，具体涉及一种微轨车辆间距测量装置及测量方法。

背景技术

个人快速交通可以用轨道宽度在600ms以下的悬挂式车辆实现，称为微轨系统。微轨系统中轨道和车厢的尺寸小，单车载人少，需要采用单车短间距自动运行方式，具备近距离跟车和车辆动态编组的能力。因此，车辆间距的实时测量是重要的控制输入。

对于实时距离检测的实现，现有公开的方法包括激光测距、微波雷达测距和超声波测距等。这些方法在用于微轨车辆间距测量时存在的缺陷包括：容易受到天气、光线或电磁环境影响，致使测量数据不准确；容易受到轨旁其他物体的干扰，也不能区分本线路和相邻线路上的车辆；不便于在弯曲轨道上确定前后车距，以及成本高、安装不便等。

发明内容

为此，本发明提供一种微轨车辆间距测量装置及测量方法，以解决现有轨道车辆间距测量装置易受到干扰、测量结果不精准、成本高、安装不便的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的第一方面，公开了一种微轨车辆间距测量装置，所述装置包括：UWB测距装置和走行装置，所述UWB测距装置安装在走行装置的顶部，所述走行装置安装在箱形轨道内，走行装置的底部悬挂车厢，在走行装置的带动下，车厢在箱形轨道内移动，UWB测距装置测量相邻两车之间的距离，测量结果发送至车辆的中央处理模块。

进一步地，所述UWB测距装置安装在走行装置顶部，走行装置与金属材质的箱形轨道相接触，UWB测距装置发出的电磁波能够沿着金属轨道内传播。

进一步地，所述UWB测距装置在具有近距离金属遮挡时，在走行装置顶部的前端和后端各安装一个UWB测距装置。

进一步地，所述UWB测距装置包括：发射模块、接收模块、寻址模块，每个UWB测距装置都具有自己唯一的ID地址，所述发射模块发出测距请求数据包，测距请求数据包带有UWB测距装置的ID地址，轨道上其余的UWB测距装置的接收装置接收测距请求数据包，寻址模块对测距请求数据包进行识别寻址，确认ID信息为预设连接的UWB测距装置时，进行双向通信，实现信息反馈。

进一步地，所述箱形轨道具有直线轨道和弯曲轨道，UWB测距装置发出的电磁波在直线轨道和弯曲轨道内沿着轨道路径进行传播。

进一步地，所述车辆的中央处理模块接收UWB测距装置反馈的测量结果，中央处理模块根据测量结果进行车辆间距预警，安排车辆调度编组。

根据本发明的第二方面，公开了一种微轨车辆间距测量方法，所述测量方法为：

UWB测距装置安装在走行装置的顶部，UWB测距装置发出测距请求数据包；

测距请求数据包带有UWB测距装置的ID地址，通过电磁波在箱形轨道内传播；

箱形轨道具有直线轨道和弯曲轨道，电磁波沿着轨道路径进行传播，不受外界环境干扰；

同一轨道上的UWB测距装置通过接收模块接收测距请求数据包，立体寻址模块对测距请求数据包进行识别寻址；

确认测距请求数据包的ID信息为预设连接的UWB测距装置时，进行双向通信，实现信息反馈；

中央处理模块接收测距结果，并根据两车之间间距，调整车辆运行状态，进行合理的车辆调度编组。

本发明具有如下优点：

本发明公开了一种微轨车辆间距测量装置及测量方法，通过UWB测距装置在轨道内传播电磁波，进行车辆间距的测量，测距所用电磁波的主要成分沿着金属管道内传播，测量距离远；测得为两车之间的轨道长度距离，实现弯道上测距，对于控制车辆安全距离或编组运行是更为有效的数据；测距可避免受外部环境物体和电磁信号干扰；利用UWB测距通信的寻址能力，利用车辆的ID分辨测距对象，可避免临线车辆干扰，适应多车相邻、岔道和车站等复杂情况，使测量结果更加精准；在测距的同时也能完成车辆间数据通信，可作为车辆行驶控制辅助输入数据，成本低，安装简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术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示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的一种微轨车辆间距测量装置没有金属遮挡结构挡示意图；

图2为本发明实施例提供的一种微轨车辆间距测量装置具有金属遮挡结构示意图；

图3为本发明实施例提供的双向飞行时间法飞行距离测量示意图；

图中：1-UWB测距装置、2-走行装置、3-箱形轨道、4-车厢、5-金属遮挡。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动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。

实施例1

本实施例公开了一种微轨车辆间距测量装置，所述装置包括：UWB测距装置1和走行装置2，所述UWB测距装置1安装在走行装置2的顶部，所述走行装置2安装在箱形轨道3内，走行装置2的底部悬挂车厢4，在走行装置2的带动下，车厢4在箱形轨道3内移动，UWB测距装置1测量相邻两车之间的距离，测量结果发送至车辆的中央处理模块。

UWB测距装置1安装在走行装置2顶部，走行装置2与金属材质的箱形轨道3相接触，UWB测距装置1发出的电磁波能够沿着金属轨道内传播。超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。

UWB技术是一种使用1GHz以上频率带宽的无线载波通信技术。它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很大，尽管使用无线通信，但其数据传输速率可以达到几百兆比特每秒以上。UWB实质上是以占空比很低的冲击脉冲作为信息载体的无载波扩谱技术，它是通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制。典型的UWB直接发射冲击脉冲串，不再具有传统的中频和射频的概念，此时发射的信号既可看成基带信号(依常规无线电而言)，也可看成射频信号(从发射信号的频谱分量考虑)。

UWB技术具有以下特点：

1、系统结构的实现比较简单

当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，利用载波的状态变化来传输信息。而UWB技术则不使用载波，它通过发送纳秒级非正弦波窄脉冲来传输数据信号。UWB系统中的发射器直接用脉冲小型激励天线，不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。UWB系统允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，UWB系统的接收机也有别于传统的接收机，它不需要中频处理，因此，UWB系统结构的实现比较简单。

2、高速的数据传输

民用商品中，一般要求UWB信号的传输范围为10m以内，根据经过修改的信道容量公式，民用商品数据传输速率可达500Mbit/s，UWB技术是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB技术以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，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。在军事应用中，UWB技术可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。

3、功耗低

UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20～1.5ns之间，有很低的占空比，系统耗电很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百微瓦至几十毫瓦。民用UWB设备的功率一般是传统移动电话所需功率的1/100左右，是蓝牙设备所需功率的1/20左右。军用的UWB电台耗电也很低。因此，UWB设备在电池寿命和电磁辐射上，与传统无线通信设备相比，有着很大的优势。

4、安全性高

作为通信系统的物理层技术，UWB技术具有天然的安全性能。由于UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对于一般通信系统来说，UWB信号相当于白噪声信号，并且在大多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声的功率谱密度，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。

5、多径分辨能力强

由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率，由于超宽带无线电发射的是持续时间极短且占空比极小的单周期脉冲，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10～30dB的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不到5dB。

6、定位精确

冲激脉冲具有很高的定位精度。采用UWB技术，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。UWB技术具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS(全球定位系统)只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内。与GPS提供绝对地理位置不同，超宽带无线电定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级，此外，超宽带无线电定位器在价格上更为便宜。

7、工程简单造价便宜

在工程实现上，UWB技术比其他无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲进行调制，而实现上述过程所需的电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本很低。

UWB系统发射和接收的是纳秒级的非正弦波窄脉冲，不需要采用正弦载波而直接进行调制，接收机利用相关器件能直接完成信号检测，这样，收发信机不需要复杂的载频调制解调电路和滤被器，只需要一种数字方式来产生纳秒级的非正弦波窄脉冲。因此，采用UWB技术可以大大降低系统的复杂度，减小收发信机的体积，降低收发信机的功耗，易于数字化和采用软件无线电技术。

在科学和军事应用中，确定两点(或两个设备)间水平距离的过程被称为测距。飞行时间(ToF)是测距的一种形式，使用信号行程时间来计算距离

双向飞行时间法(TW-TOF，two way-time of flight)每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳。参考图3，模块A的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号，模块B在Tb2时刻发射一个响应性质的信号，被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收。有次可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离S。S＝Cx[(Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)](C为光速)

TOF测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个异步收发机(Transceiver)之间飞行时间来测量节点间的距离。因为在视距视线环境下，基于TOF测距方法是随距离呈线性关系，所以结果会更加精准。我们将发送端发出的数据包和接收回应的时间间记为TTOT，接收端收到数据包和发出回应的时间间隔记为TTAT，那么数据包在空中单向飞行的时间TTOF可以计算为：TTOF＝(TTOT-TTAT)/2；

然后根据TTOF与电磁波传播速度的成绩便可计算出两点间的距离D＝CxTTOF。

参考图1，UWB测距装置1在没有近距离金属遮挡5时，安装一个UWB测距装置1即可；参考图2，UWB测距装置1在具有近距离金属遮挡5时，在走行装置2顶部的前端和后端各安装一个UWB测距装置1，分别用于前车和后车测距。

UWB测距装置1包括：发射模块、接收模块、寻址模块，每个UWB测距装置1都具有自己唯一的ID地址，所述发射模块发出测距请求数据包，测距请求数据包带有UWB测距装置1的ID地址，轨道上其余的UWB测距装置1的接收装置接收测距请求数据包，寻址模块对测距请求数据包进行识别寻址，确认ID信息为预设连接的UWB测距装置1时，进行双向通信，实现信息反馈。箱形轨道3具有直线轨道和弯曲轨道，UWB测距装置1发出的电磁波在直线轨道和弯曲轨道内沿着轨道路径进行传播。电磁波沿着轨道路径传播，不会出现测量的是两车之间的直线距离，导致距离判断存在误差。

车辆的中央处理模块接收UWB测距装置1反馈的测量结果，中央处理模块根据测量结果进行车辆间距预警，安排车辆调度编组，保证车辆的行车安全，实现车辆最高效的运输。

实施例2

本实施例公开了一种微轨车辆间距测量方法，所述测量方法为：

UWB测距装置1安装在走行装置2的顶部，UWB测距装置1发出测距请求数据包；

测距请求数据包带有UWB测距装置1的ID地址，通过电磁波在箱形轨道3内传播；

箱形轨道3具有直线轨道和弯曲轨道，电磁波沿着轨道路径进行传播，不受外界环境干扰；

同一轨道上的UWB测距装置1通过接收模块接收测距请求数据包，立体寻址模块对测距请求数据包进行识别寻址；

确认测距请求数据包的ID信息为预设连接的UWB测距装置1时，进行双向通信，实现信息反馈；

中央处理模块接收测距结果，并根据两车之间间距，调整车辆运行状态，进行合理的车辆调度编组。

本实施例公开的一种微轨车辆间距测量方法，通过UWB测距装置1在轨道内传播电磁波，进行车辆间距的测量，测距所用电磁波的主要成分沿着金属管道内传播，测量距离远；测得为两车之间的轨道长度距离，实现弯道上测距，对于控制车辆安全距离或编组运行是更为有效的数据；测距可避免受外部环境物体和电磁信号干扰；利用UWB测距通信的寻址能力，利用车辆的ID分辨测距对象，可避免临线车辆干扰，适应多车相邻、岔道和车站等复杂情况，使测量结果更加精准；在测距的同时也能完成车辆间数据通信，可作为车辆行驶控制辅助输入数据，成本低，安装简单。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种微轨车辆间距测量装置，其特征在于，所述装置包括：UWB测距装置和走行装置，所述UWB测距装置安装在走行装置的顶部，所述走行装置安装在箱形轨道内，走行装置的底部悬挂车厢，在走行装置的带动下，车厢在箱形轨道内移动，UWB测距装置测量相邻两车之间的距离，测量结果发送至车辆的中央处理模块。

2.如权利要求1所述的一种微轨车辆间距测量装置，其特征在于，所述UWB测距装置安装在走行装置顶部，走行装置与金属材质的箱形轨道相接触，UWB测距装置发出的电磁波能够沿着金属轨道内传播。

3.如权利要求1所述的一种微轨车辆间距测量装置，其特征在于，所述UWB测距装置在具有近距离金属遮挡时，在走行装置顶部的前端和后端各安装一个UWB测距装置。

4.如权利要求1所述的一种微轨车辆间距测量装置，其特征在于，所述UWB测距装置包括：发射模块、接收模块、寻址模块，每个UWB测距装置都具有自己唯一的ID地址，所述发射模块发出测距请求数据包，测距请求数据包带有UWB测距装置的ID地址，轨道上其余的UWB测距装置的接收装置接收测距请求数据包，寻址模块对测距请求数据包进行识别寻址，确认ID信息为预设连接的UWB测距装置时，进行双向通信，实现信息反馈。

5.如权利要求1所述的一种微轨车辆间距测量装置，其特征在于，所述箱形轨道具有直线轨道和弯曲轨道，UWB测距装置发出的电磁波在直线轨道和弯曲轨道内沿着轨道路径进行传播。

6.如权利要求1所述的一种微轨车辆间距测量装置，其特征在于，所述车辆的中央处理模块接收UWB测距装置反馈的测量结果，中央处理模块根据测量结果进行车辆间距预警，安排车辆调度编组。

7.一种微轨车辆间距测量方法，其特征在于，所述测量方法为：

UWB测距装置安装在走行装置的顶部，UWB测距装置发出测距请求数据包；

测距请求数据包带有UWB测距装置的ID地址，通过电磁波在箱形轨道内传播；

箱形轨道具有直线轨道和弯曲轨道，电磁波沿着轨道路径进行传播，不受外界环境干扰；

同一轨道上的UWB测距装置通过接收模块接收测距请求数据包，立体寻址模块对测距请求数据包进行识别寻址；

确认测距请求数据包的ID信息为预设连接的UWB测距装置时，进行双向通信，实现信息反馈；

中央处理模块接收测距结果，并根据两车之间间距，调整车辆运行状态，进行合理的车辆调度编组。

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