CN111721960A - 超高速磁悬浮列车激光测速定位装置及方法 - Google Patents

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毛凯
张艳清
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Abstract

本发明涉及磁悬浮列车技术领域，公开了一种超高速磁悬浮列车激光测速定位装置及方法。其中，该装置包括：多个激光器，以预定间隔设置在所述超高速磁悬浮列车上，用于发出激光信号；探测器，用于在所述超高速磁悬浮列车运行过程中检测激光信号，并将检测到的激光信号转换成相应的电脉冲信号；控制器，用于接收所述电脉冲信号，并根据所述电脉冲信号、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置。由此，可以利用光学特性装置避免强磁场的干扰，提高信号的传输速率，从而高精度、低成本地实现超高速磁悬浮列车的实时位置检测。

Description

超高速磁悬浮列车激光测速定位装置及方法
技术领域
本发明涉及磁悬浮列车技术领域，尤其涉及一种超高速磁悬浮列车激光测速定位装置及方法。
背景技术
目前，随着控制理论的发展以及对电磁推进系统性能要求的不断提高，控制系统传感器精度需求日益提高。当今，对于新兴的超高速磁悬浮列车，关于超高速电磁推进控制技术的研究与开发在国内外都处于快速发展之中，超高速电磁推进的基本原理是大功率变流器驱动控制大功率超高速直线电机，直线电机动子推动负载向前运动。超高速磁悬浮列车的测速定位是列车牵引系统闭环控制的重要组成，保证列车安全运行。由于超高磁悬浮测速定位需要非接触式、高精度、高实时性、在强电磁环境下可靠运行，因此，急需开发一套高效可靠的测速定位传感器。
现有高速磁悬浮列车测速技术主要有日本的“单线交叉感应回线”测速定位方法，此方法需要在轨道上铺设交叉感应环线，在回线中输入信号，然后用车辆上的检测器检测此信号，由于高精度需要高密度交叉回线，工程造价成本极高，且在强的电磁环境干扰下，电信号容易被噪声淹没。德国的极距检测+信标”测速定位的方法，由于车上接收信号，传感器的敏感能力有限，限制悬浮高度的设计，且解决位置实时传输问题，单套通讯设备价格较高。
发明内容
本发明提供了一种超高速磁悬浮列车激光测速定位装置及方法，能够解决现有技术中测速定位方式干扰大、成本高的技术问题。
本发明提供了一种超高速磁悬浮列车激光测速定位装置，其中，该装置包括：
多个激光器，以预定间隔设置在所述超高速磁悬浮列车上，用于发出激光信号；
探测器，用于在所述超高速磁悬浮列车运行过程中检测激光信号，并将检测到的激光信号转换成相应的电脉冲信号；
控制器，用于接收所述电脉冲信号，并根据所述电脉冲信号、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置。
优选地，所述控制器根据所述电脉冲信号、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置包括：
根据所述电脉冲信号中的信号脉冲数、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置。
优选地，通过下式确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置：
列车的实时位置＝探测器的绝对位置+信号脉冲数*预定间隔。
优选地，所述控制器还用于根据当前信号脉冲与上一信号脉冲之间的时间间隔和预定间隔计算所述超高速磁悬浮列车的实时速度。
优选地，通过下式计算所述超高速磁悬浮列车的实时速度：
列车的实时速度＝预定间隔/当前信号脉冲与上一信号脉冲之间的时间间隔。
本发明还提供了一种超高速磁悬浮列车激光测速定位方法，其中，该方法包括：
以预定间隔设置在所述超高速磁悬浮列车上的多个激光器在所述超高速磁悬浮列车运行过程中发出激光信号；
探测器在所述超高速磁悬浮列车运行过程中检测激光信号，并将检测到的激光信号转换成相应的电脉冲信号；
控制器接收所述电脉冲信号，并根据所述电脉冲信号、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置。
优选地，根据所述电脉冲信号、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置包括：
根据所述电脉冲信号中的信号脉冲数、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置。
优选地，通过下式确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置：
列车的实时位置＝探测器的绝对位置+信号脉冲数*预定间隔。
优选地，该方法还包括：
所述控制器根据当前信号脉冲与上一信号脉冲之间的时间间隔和预定间隔计算所述超高速磁悬浮列车的实时速度。
优选地，通过下式计算所述超高速磁悬浮列车的实时速度：
列车的实时速度＝预定间隔/当前信号脉冲与上一信号脉冲之间的时间间隔。
通过上述技术方案，可以在超高速磁悬浮列车上以预定间隔设置多个激光器，多个激光器在列车运行过程中可以发出激光信号，地面设置的探测器可以在列车运行过程中检测激光信号，并将激光信号转换成相应的电脉冲信号，控制器可以接收电脉冲信号，并根据所述电脉冲信号、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置。由此，可以利用光学特性装置避免强磁场的干扰，提高信号的传输速率，从而高精度、低成本地实现超高速磁悬浮列车的实时位置检测。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的一种超高速磁悬浮列车激光测速定位装置的方框示意图；
图2示出了根据本发明实施例的一种超高速磁悬浮列车激光测速定位装置的原理示意图；
图3示出了根据本发明实施例的探测器转换的信号示意图；
图4示出了根据本发明实施例的激光光斑与探测器的相对关系示意图；
图5示出了根据本发明实施例的一种超高速磁悬浮列车激光测速定位方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图1示出了根据本发明实施例的一种超高速磁悬浮列车激光测速定位装置的方框示意图。
图2示出了根据本发明实施例的一种超高速磁悬浮列车激光测速定位装置的原理示意图。
图3示出了根据本发明实施例的探测器转换的信号示意图。
如图1-3所示，本发明实施例提供了一种超高速磁悬浮列车激光测速定位装置，其中，该装置包括：
多个激光器(例如，水平激光器)10，以预定间隔设置在所述超高速磁悬浮列车上，用于发出激光信号；
探测器12，用于在所述超高速磁悬浮列车运行过程中检测激光信号，并将检测到的激光信号转换成相应的电脉冲信号；
举例来讲，可以在飞行列车上以预定间隔装一排激光器，激光器发出激光信号，当列车高速移动时，多个激光器的激光信号顺序经过探测器，位于地面的探测器检测到激光信号时(如图2所示，即当飞行列车高速经过探测器时，探测器检测到激光信号)，转换成相应电脉冲信号(如图3所示)。
控制器14，用于接收所述电脉冲信号，并根据所述电脉冲信号、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置。
通过上述技术方案，可以在超高速磁悬浮列车上以预定间隔设置多个激光器，多个激光器在列车运行过程中可以发出激光信号，地面设置的探测器可以在列车运行过程中检测激光信号，并将激光信号转换成相应的电脉冲信号，控制器可以接收电脉冲信号，并根据所述电脉冲信号、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置。由此，可以利用光学特性装置避免强磁场的干扰，提高信号的传输速率，从而高精度、低成本地实现超高速磁悬浮列车的实时位置检测。
由于本发明实施例中可以采用多个相同的激光器10，为了简化的目的，图1中仅示出了一个激光器10代表多个激光器10的情况，但其仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。
本领域技术人员可以根据实际情况确定激光器10的数量。
根据本发明一种实施例，所述控制器14根据所述电脉冲信号、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置包括：
根据所述电脉冲信号中的信号脉冲数、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置。
也就是，通过信号脉冲数和已知的地面探测器的绝对位置，可以计算出列车的实时位置。
根据本发明一种实施例，通过下式确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置：
列车的实时位置＝探测器的绝对位置+信号脉冲数*预定间隔。
根据本发明一种实施例，所述控制器14还用于根据当前信号脉冲与上一信号脉冲之间的时间间隔和预定间隔计算所述超高速磁悬浮列车的实时速度。
由此，根据当前信号脉冲与上一信号脉冲之间的时间间隔和预定间隔(即，相邻两个激光器之间的间距)可以计算得到超高速磁悬浮列车的实时速度。
其中，本领域技术人员应当理解，可以采用现有技术中已有的方法确定当前信号脉冲与上一信号脉冲之间的时间间隔，为了不混淆本发明，在此不再赘述。
根据本发明一种实施例，可以通过下式计算所述超高速磁悬浮列车的实时速度：
列车的实时速度＝预定间隔/当前信号脉冲与上一信号脉冲之间的时间间隔。
图4示出了根据本发明实施例的激光光斑与探测器(左视图)的相对关系示意图。
如图4所示，所述激光器10可以发出竖长条激光斑，竖长条激光斑顺序经过探测器12，位于地面的探测器12检测到激光信号时，可以转换成相应电脉冲信号。
激光器采用竖长条激光斑，当飞行列车震动，悬浮起降时，探测器始终在激光器光斑的范围内，测速定位装置有效的防止了飞车列车震动、起降的影响。
举例来讲，每个激光器可以采用工业激光模组，波长可以为650nm，不小于20mW，采用导磁外壳进行电磁屏蔽。
根据本发明一种实施例，所述探测器12可以包括光电二极管(例如，激光二极管和光敏二极管)。
通过该光电二极管可以将激光信号转换为电脉冲信号。
举例来讲，光电二极管的光电转换延时可以为5ns，从而可以有效保证信号的低延时。
根据本发明一种实施例，所述光电二极管可以采用响应速度为100MHz的光电二极管。
举例来讲，光电二级管将光信号转换为电信号后，可以通过例如100M的控制器(FPGA)高速采样处理，FPGA逻辑处理后将有效的速度位置信号通过EtherCAT通信总线高速输出给牵引系统的控制，保证信号的实时性。
根据本发明一种实施例，所述探测器12还可以包括滤光片。
举例来讲，滤光片可以为650nm的窄带滤光片。在光电二极管的基础上加650nm的窄带滤光片，通过20mW光强和滤光片有效的排除太阳光和其他光源的信号干扰。
根据本发明一种实施例，用于设置多个激光器的预定间隔(即，设置间隔)可以为10mm。
可以通过调整所述预定间隔的大小来实现测量精度的调整，从而使得本发明所述的方法具有高可扩展性。
本领域技术人员应当理解，上述涉及数值的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。
图5示出了根据本发明实施例的一种超高速磁悬浮列车激光测速定位方法的流程图。
如图5所示，本发明实施例还提供了一种超高速磁悬浮列车激光测速定位方法，其中，该方法包括：
S100，以预定间隔设置在所述超高速磁悬浮列车上的多个激光器在所述超高速磁悬浮列车运行过程中发出激光信号；
S102，探测器在所述超高速磁悬浮列车运行过程中检测激光信号，并将检测到的激光信号转换成相应的电脉冲信号；
S104，控制器接收所述电脉冲信号，并根据所述电脉冲信号、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置。
通过上述技术方案，可以在超高速磁悬浮列车上以预定间隔设置多个激光器，多个激光器在列车运行过程中可以发出激光信号，地面设置的探测器可以在列车运行过程中检测激光信号，并将激光信号转换成相应的电脉冲信号，控制器可以接收电脉冲信号，并根据所述电脉冲信号、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置。由此，可以利用光学特性装置避免强磁场的干扰，提高信号的传输速率，从而高精度、低成本地实现超高速磁悬浮列车的实时位置检测。
根据本发明一种实施例，根据所述电脉冲信号、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置包括：
根据所述电脉冲信号中的信号脉冲数、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置。
也就是，通过信号脉冲数和已知的地面探测器的绝对位置，可以计算出列车的实时位置。
根据本发明一种实施例，可以通过下式确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置：
列车的实时位置＝探测器的绝对位置+信号脉冲数*预定间隔。
根据本发明一种实施例，该方法还可以包括：
所述控制器根据当前信号脉冲与上一信号脉冲之间的时间间隔和预定间隔计算所述超高速磁悬浮列车的实时速度。
由此，根据当前信号脉冲与上一信号脉冲之间的时间间隔和预定间隔(即，相邻两个激光器之间的间距)可以计算得到超高速磁悬浮列车的实时速度。
根据本发明一种实施例，通过下式计算所述超高速磁悬浮列车的实时速度：
列车的实时速度＝预定间隔/当前信号脉冲与上一信号脉冲之间的时间间隔。
图5所述的方法与图1所述的装置相对应，具体实例可以参照上述实施例中关于图1的装置的描述，本发明在此不再赘述。
从上述实施例可以看出，本发明上述实施例所述的装置和方法相比于现有技术至少具有以下优点：
1)抗电磁干扰型性好，测量超高速列车，高精度，低延迟：利用激光脉冲信号检测，可有效防止强电磁环境的噪声干扰，能实时检测时速高达1000km/h的列车的速度和位置信号，信号延时不大于1us，位置精度可达到10mm；
2)成本低，信号可靠：装置采用低成本的工业激光二极管和光敏二极管，大大降低装置成本，激光作为信号传输增加信号的可靠性。
3)通过在列车上安装水平激光器，无需在沿线上安装激光器装置，只需按照列车长度间隔，在沿线安装探测器即可。此外，通过改变激光器间距，可调整速度位置检测的精度，可扩展性好。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超高速磁悬浮列车激光测速定位装置，其特征在于，该装置包括：
多个激光器，以预定间隔设置在所述超高速磁悬浮列车上，用于发出激光信号；
探测器，用于在所述超高速磁悬浮列车运行过程中检测激光信号，并将检测到的激光信号转换成相应的电脉冲信号；
控制器，用于接收所述电脉冲信号，并根据所述电脉冲信号、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器根据所述电脉冲信号、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置包括：
根据所述电脉冲信号中的信号脉冲数、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，通过下式确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置：
列车的实时位置＝探测器的绝对位置+信号脉冲数*预定间隔。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制器还用于根据当前信号脉冲与上一信号脉冲之间的时间间隔和所述预定间隔计算所述超高速磁悬浮列车的实时速度。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，通过下式计算所述超高速磁悬浮列车的实时速度：
列车的实时速度＝预定间隔/当前信号脉冲与上一信号脉冲之间的时间间隔。
6.一种超高速磁悬浮列车激光测速定位方法，其特征在于，该方法包括：
以预定间隔设置在所述超高速磁悬浮列车上的多个激光器在所述超高速磁悬浮列车运行过程中发出激光信号；
探测器在所述超高速磁悬浮列车运行过程中检测激光信号，并将检测到的激光信号转换成相应的电脉冲信号；
控制器接收所述电脉冲信号，并根据所述电脉冲信号、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述电脉冲信号、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置包括：
根据所述电脉冲信号中的信号脉冲数、所述预定间隔和所述探测器的绝对位置确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过下式确定所述超高速磁悬浮列车的实时位置：
列车的实时位置＝探测器的绝对位置+信号脉冲数*预定间隔。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
所述控制器根据当前信号脉冲与上一信号脉冲之间的时间间隔和所述预定间隔计算所述超高速磁悬浮列车的实时速度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过下式计算所述超高速磁悬浮列车的实时速度：
列车的实时速度＝预定间隔/当前信号脉冲与上一信号脉冲之间的时间间隔。
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