CN112172535A - 一种磁浮列车定位测速测高的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁浮列车定位测速测高的方法。所述磁浮列车定位测速测高的方法包括定位测速测高装置，所述定位测速测高装置包括沿列车运行路线布置的规格均匀的三角尺、车载光电传感器组、电机控制板以及将所述车载光电传感器组的检测信号送入所述电机控制板的无线信号传送和接收装置，所述三角尺并列布置在轨道两侧，所述车载光电传感器设于列车的下部，包括光斑反射点状式的探头及放大器，所述定位测速测高装置基于游标卡尺提高精度的原理实现对列车定位测速测高。本发明适用于磁浮列车的定位测速，具有定位精度高、成本低的优点，定位精度可以达到毫米级别甚至更高，并能够视系统的精度要求进行方案设计。

Description

一种磁浮列车定位测速测高的方法

技术领域

本发明涉及磁浮列车测速定位以及测量悬浮高度的系统技术领域，特别涉及一种磁浮列车定位测速测高的方法。

背景技术

磁浮列车作为一种大容量客运方式，具有噪声低、振动小、无磨损、爬坡转弯能力强、运营维护费用低等特点。近年来，随着北京S1磁浮示范线和长沙磁浮快线的商业运营，磁浮交通呈现出快速发展的势头。

磁浮列车利用电磁悬浮技术实现车辆的悬浮导向，利用直线感应电机或者直线同步电机实现牵引和制动。常导式磁浮列车的稳定悬浮高度一般在8-10mm之间，需要悬浮高度测量系统实时检测悬浮高度，以根据线路状况实时调整悬浮导向力实现车体稳定悬浮；定位测速作为磁浮列车牵引、制动和运行控制的重要组成部分，用于实时检测列车的运行速度、所处位置和运行方向。

由于磁浮列车的非接触运行方式，传统轮轨式列车通过测速感应器测量车轮转动齿槽数目的方式不再适用；目前常用的方法有轨枕计数法、齿槽计数法和交叉感应回线法，以及无传感器方法。然而轨枕计数法需要轨枕是金属材质，且存在定位精度不高的问题；齿槽计数法也局限于定子侧为齿槽结构的铁芯式电机才能适用；交叉回线法可以满足不同电机环境下的定位测速，并且具有精度高的特点，但是该系统需要在车下安装交流探测线圈会占用较大部分空间，也局限了在某些情况下的使用。

发明内容

本发明提供了一种磁浮列车定位测速测高的方法，其目的是为了解决背景技术中定位精度不高，或占用较大部分空间、成本高的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供的一种磁浮列车定位测速测高的方法，包括定位测速测高装置，所述定位测速测高装置包括沿列车运行路线布置的规格均匀的三角尺、车载光电传感器组、电机控制板以及将所述车载光电传感器组的检测信号送入所述电机控制板的无线信号传送和接收装置，所述三角尺并列布置在轨道两侧，所述车载光电传感器设于列车的下部，随列车运行，包括光斑反射点状式的探头及放大器，所述探头对所述三角尺进行扫描并输出电压信号，电压信号经所述放大器转换成脉冲信号，脉冲信号通过所述无线信号传送和接收装置送入所述电机控制板，所述定位测速测高装置基于游标卡尺提高精度的原理实现对列车定位测速测高。

优选地，所述三角尺为耐受实际工程中天气影响、且具有使用寿命长、成本低的胶带样式的黑色三角尺。

优选地，所述无线信号传送和接收装置为抗干扰式无线装置。

优选地，所述对列车定位测速测高的方法具体包括如下步骤：

步骤S1、对多探头及三角尺周期位置关系建模，设计合适的三角尺底边以及探头的位置和数量，获得定位精度公式及悬浮高度测量公式；

步骤S2、确立模型与车载光电传感器组的编码的关系，确定第一个探头在三角尺周期内的位置；

步骤S3、通过模拟，从精度、传感器数量和高度变化多角度进行验证，并获取辨识度高的模型参数；

步骤S4、应用定位测速测高装置及模型参数到悬浮列车，实现对磁浮列车的实时测速测高。

优选地，所述步骤S1具体为：

多个三角尺在列车行驶方向并列设置，多个探头对应并列设置，其中，a为三角尺的底边长度，a₁为探头周期长度，a₁＜a，b是三角尺的高，h是探头所处的高度，b<h,l₁是探头对应高电平的长度,L为a₁和a的最小公倍数，也为一个定位精度的长度区间，n为三角尺的个数，n₁为传感器的个数，n₁＝n+1；

结合游标卡尺提高精度原理，可以得到“三角尺+多探头”组合的精度公式为：

对定位精度公式进行简化可以得到精度：u＝a/n₁，悬浮高度测量公式为：h＝(b×l₁)/a。

优选地，所述步骤S2具体为：多组探头实现三角尺周期内的定位，根据车载光电传感器组的编码确定三角尺周期内的位置，具体包括如下步骤：

步骤S21、以第一个探头进行三角尺周期的计数；当第一个探头随着列车在三角尺周期探头移动路线移动时，在一个定位精度的长度区间内的多个探头在移动过程中在三角尺周期内向外输出的多个电压信号，通过放大器转换成脉冲信号，对应输出一组0/1组合编码；

步骤S22、对输出编码方波处理，根据游标卡尺原理实现第一个探头在三角尺周期内的位置的确定，实现高精度的定位。

优选地，所述步骤S21中，可用高低电平模型表示是否感应到三角尺，以分析编码和高度以及三角尺内位置关系，具体为：

高电平表示光电传感器经过三角尺部分输出高电平，用l₁表示，l₁的长度变化即探头高度发生变化；此时，探头感应到三角尺，则输出1或0；

低电平表示光电传感器经过三角尺间的空白部分输出低电平，a表示三角尺底边的长度，即一个三角尺周期长，a₁表示传感器之间的间隔，也即探头周期长度，u表示设计的精度；此时，探头未感应到三角尺，则对应输出0或1。

采用本发明能达到的技术效果有：提供的磁浮列车定位测速与测量悬浮高于一体的系统，实现无论是感应式电机还是同步式电机的磁浮列车的精确定位和测速；实现对现有测量悬浮高速系统的替代或者冗余。本发明可以不受电机有无齿槽特性限制，且占用空间小，在磁浮列车上具有普遍适用性；并且从施工成本和维护成本上也具有优势。

附图说明

图1为本发明的一种磁浮列车定位测速测高的方法的三角尺和车载光电传感器组的关系示意图；

图2为本发明的一种磁浮列车定位测速测高的方法的探头布置和三角尺规格的关系示意图；

图3为本发明的一种磁浮列车定位测速测高的方法的多个车载光电传感器进行定位的输出信号概念图；

图4为本发明的一种磁浮列车定位测速测高的方法的设计精度为u＝a/n₁＝8/2＝4时探头组与三角尺结构尺寸示意图；

图5为本发明的一种磁浮列车定位测速测高的方法的设计精度为u＝a/n₁＝6/3＝2时探头组与三角尺结构尺寸示意图；

图6为本发明的一种磁浮列车定位测速测高的方法的设计精度为u＝a/n₁＝16/4＝4时探头组与三角尺结构尺寸示意图；。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的问题，提供了一种磁浮列车定位测速测高的方法，包括定位测速测高装置，所述定位测速测高装置包括沿列车运行路线布置的规格均匀的三角尺、车载光电传感器组、电机控制板以及将所述车载光电传感器组的检测信号送入所述电机控制板的无线信号传送和接收装置，所述三角尺并列布置在轨道两侧，所述车载光电传感器设于列车的下部，随列车运行，包括光斑反射点状式的探头及放大器，所述探头对所述三角尺进行扫描并输出电压信号，电压信号经所述放大器转换成脉冲信号，脉冲信号通过所述无线信号传送和接收装置送入所述电机控制板，所述定位测速测高装置基于游标卡尺提高精度的原理实现对列车定位测速测高。三角尺和车载光电传感器组的关系示意图如图1所示。

所述三角尺为耐受实际工程中天气影响、且具有使用寿命长、成本低的胶带样式的黑色三角尺。胶带样式的三角尺，贴于轨道两侧。所述无线信号传送和接收装置为抗干扰式无线装置。

光电传感器的响应速度要足够快，光斑要反射式的点状探头，以从处理速度上满足定位的精度要求且避免不同传感器之间的反射干扰。

光电传感器的脉冲信号采用无线传输方式送入电机控制板。发送装置安装在车体上，将一组传感器信号进行发送，接收装置和电机控制柜放在一起，将传感器信号进行接收并送入控制柜进行处理和控制。考虑到车体和控制柜的相对移动，在这个系统中选用抗干扰的无线形式进行传送。

所述对列车定位测速测高的方法具体包括如下步骤：

步骤S1、对多探头及三角尺周期位置关系建模，设计合适的三角尺底边以及探头的位置和数量，获得定位精度公式及悬浮高度测量公式；

本发明采用游标卡尺提高精度的原理，实现三角尺周期内的测量，以提高系统的定位精度。通过设计多个传感器，并且传感器间距小于三角尺底边长度，实现了三角尺周期内部的定位测量。探头布置和三角尺规格的关系如图2所示。

所述步骤S1具体为：

多个三角尺在列车行驶方向并列设置，多个探头对应并列设置，其中，a为三角尺的底边长度，a₁为探头周期长度，a₁＜a，b是三角尺的高，h是探头所处的高度，b<h,l₁是探头对应高电平的长度,L为a₁和a的最小公倍数，也为一个定位精度的长度区间，n为三角尺的个数，n₁为传感器的个数，n₁＝n+1；

结合游标卡尺提高精度原理，可以得到“三角尺+多探头”组合的精度公式为：

对定位精度公式进行简化可以得到精度：u＝a/n₁，悬浮高度测量公式为：h＝(b×l₁)/a。

从精度公式可以看出，多探头提高精度的原理相当于把三角尺周期长度a分配到n₁个间隔长度里，达到系统的精度提高到u，使得测量精度得到成倍提升。该公式也说明，当工程中对精度的要求是定值时，三角尺的周期越长，所需要的探头数量越多。或者说，要想提高多传感器方案的测量精度，可以增加探头数量，或者减小三角尺周期长度。然而，考虑到可靠性a不可能无限小；从成本上和信号处理难度上来说，n₁也不可能无限多。因此，在实际工程中可以根据实际工程精度要求、空间大小和成本预算，设计合适的三角尺底边以及探头的规格和数量。

另外，根据上述精度公式可知，精度是由“三角尺底边和传感器间距”的规格所决定的，即对于确定的三角尺周期长度和探头周期长度，精度就是确定的。但是，当探头高度发生变化时，探头组对应的编码也会发生改变。因此在磁浮交通的定位中，也需要考虑高度变化的编码方式。多个车载光电传感器进行定位的输出信号概念图如图3所示。

步骤S2、确立模型与车载光电传感器组的编码的关系，确定第一个探头在三角尺周期内的位置；

所述步骤S2具体为：多组探头实现三角尺周期内的定位，根据车载光电传感器组的编码确定三角尺周期内的位置，具体包括如下步骤：

步骤S21、以第一个探头进行三角尺周期的计数；当第一个探头随着列车在三角尺周期探头移动路线移动时，在一个定位精度的长度区间内的多个探头在移动过程中在三角尺周期内向外输出的多个电压信号，通过放大器转换成脉冲信号，对应输出一组0/1组合编码，具体表现为，如果探头在移动过程中感应到三角尺，则输出1或0，如果探头未感应到三角尺，则对应输出0或1；可参考图3，第一个探头进行三角尺周期的计算，多个探头组在一个定位精度的长度区间内实现位置确定。

步骤S21交代了多组探头的用法，以第一个探头的位置为准进行动子的定位，并结合探头组的输出编码判断第一个探头在三角尺内的位置。

因为是多组探头，并且探头走过的距离一样，但是为了具体定位，所以人为选择第一个探头所在的位置为实际的动子位置；再结合多个探头的输出编码，来判断第一个探头在三角尺内是什么位置。

随着探头组的运动，会输出一组随位置变化的编码组，并且这个编码组以定位精度为单位进行变化-即在一个定位精度的长度区间内，编码是保持不变的，在不同的精度区间内，编码是不同的，这样就可以根据编码确定第一个探头处于三角尺周期内的第几个精度区间。

步骤S22、对输出编码方波处理，根据游标卡尺原理实现三角尺周期内的位置确定，实现高精度的定位。

所述步骤S21中，可用高低电平模型表示是否感应到三角尺，以分析编码和高度以及三角尺内位置关系，如图3所示，表示多个车载光电传感器进行定位的输出信号，具体为：

高电平表示光电传感器经过三角尺部分输出高电平，用l₁表示，l₁的长度变化即探头高度发生变化；此时，探头感应到三角尺，则输出1或0；

低电平表示光电传感器经过三角尺间的空白部分输出低电平，a表示三角尺底边的长度，即一个三角尺周期长，a₁表示传感器之间的间隔，也即探头周期长度，u表示设计的精度；此时，探头未感应到三角尺，则对应输出0或1。

步骤S3、通过模拟，从精度、传感器数量和高度变化多角度进行验证，并获取辨识度高的模型参数。

通过模拟探头沿三角尺运动，发现高度变化时是可以通过编码进行判断位置的，并且在一个三角尺周期的长度内，每隔一个多探头精度有一种有效编码方式，当运行到下一个精度范围内时，编码方式也会发生变化，但在一个精度区间内总可以根据编码区分出探头处于不同的精度区间。

所述步骤S3举例如下:

1.u＝a/n₁＝8/2＝4。本例中，三角尺周期长8mm，布置2个探头，探头间隔4mm，使得达到精度为4mm的设计。探头组高度发生变化时，探头组的输出运动和输出结果分别如图4和表1所示。

表1中，高电平长度也就是指悬浮高度发生变化时对应着高电平也会发生变化；根据第一个探头在一个三角尺周期内所处的位置进行编码。随着第一个探头的运行，编码方式也表现出以三角尺周期为单位的循环。

表1 u＝a/n₁＝8/2＝4时高度变化对应的编码

这里可以发现编码是以精度为区间发生变化。但是，要实现根据编码判断精度区间，那么就要一列中不同精度内不会出现相同编码，这里显然不满足。

2.u＝a/n₁＝6/3＝2，本例中，三角尺周期长6mm，布置2个探头，探头间隔4mm，使得达到精度为2mm的设计。探头组高度发生变化时，探头组的输出运动和输出结果分别如图5和表2所示。

表2 u＝a/n₁＝6/3＝2时高度变化对应的编码：

从表2中可以得出：①高度变化时，编码是以精度为区间发生变化。②高度在一个精度区间内变化时，除去第一个和最后一个精度区间，在三角尺周期内可以实现编码以精度为区间进行划分。

3.u＝a/n₁＝16/4＝4，本例中，三角尺周期长16mm，布置4个探头，探头间隔12mm，使得达到精度为2mm的设计。探头组高度发生变化时，探头组的输出运动和输出结果分别如图6和表3所示。

表3 u＝a/n₁＝16/4＝4时高度变化对应的编码：

通过对探头和三角尺的相对运动可以得到与高度相关的编码规律：在除去第一个和最后一个精度区间内，编码可以进行以精度为单位的辨识且每个精度区间内有且仅有两种编码形式。也就是说，高电平“1”的长度(或者低电平“0”的长度)在精度区间内变化时，有效编码不变，且有效编码不会是别的区间的无效编码，即不会造成辨识混乱。

步骤S4、应用定位测速测高装置及模型参数到悬浮列车，实现对磁浮列车的实时测速测高。

“多探头+三角尺”组合进行定位主要从两个方面进行实现：①脉冲计数确定动子走过的完整的三角尺个数；②多探头编码判断第一个探头处于不完整三角尺周期内的位置。以第一个探头经过的位置为准判断动子的运动距离，将“完整三角尺个数*三角尺底边长度+经过不完整三角尺内的长度”即可得到动子的运动距离，实现定位。单位时间内动子运动的距离就是动子的平均速度，由于单位时间可以取得很小，所以平均速度可以视为瞬时速度。进行悬浮高度判断时，仍以第一个探头输出的脉冲为判断依据，在一个三角尺周期内，根据三角形底边与高的关系进行悬浮高度的判断，高电平长度：三角形周期(也就是三角形底边长度)＝探头高度：三角尺高度。因此，对三角尺周期内高低电平的占空比就可以求得动子的悬浮高度。

将传感器输出的脉冲信号通过无线发送装置传送到地面上无线接收装置并送入电机控制器，实现对磁浮列车的实时定位测速以及测高，以用于磁浮列车的实时控制。

采用本发明所提供的一种磁浮列车定位测速测高的方法，其技术优点体现如下：

提供的磁浮列车定位测速与测量悬浮高于一体的系统，实现无论是感应式电机还是同步式电机的磁浮列车的精确定位和测速；实现对现有测量悬浮高速系统的替代或者冗余。本发明可以不受电机有无齿槽特性限制，且占用空间小，在磁浮列车上具有普遍适用性；并且从施工成本和维护成本上也具有优势。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种磁浮列车定位测速测高的方法，其特征在于，包括定位测速测高装置，所述定位测速测高装置包括沿列车运行路线布置的规格均匀的三角尺、车载光电传感器组、电机控制板以及将所述车载光电传感器组的检测信号送入所述电机控制板的无线信号传送和接收装置，所述三角尺并列布置在轨道两侧，所述车载光电传感器设于列车的下部，随列车运行，包括光斑反射点状式的探头及放大器，所述探头对所述三角尺进行扫描并输出电压信号，电压信号经所述放大器转换成脉冲信号，脉冲信号通过所述无线信号传送和接收装置送入所述电机控制板，所述定位测速测高装置基于游标卡尺提高精度的原理实现对列车定位测速测高。

2.根据权利要求1所述的一种磁浮列车定位测速测高的方法，其特征在于，所述三角尺为耐受实际工程中天气影响、且具有使用寿命长、成本低的胶带样式的黑色三角尺。

3.根据权利要求1所述的一种磁浮列车定位测速测高的方法，其特征在于，所述无线信号传送和接收装置为抗干扰式无线装置。

4.根据权利要求1所述的一种磁浮列车定位测速测高的方法，其特征在于，所述对列车定位测速测高的方法具体包括如下步骤：

步骤S1、对多探头及三角尺周期位置关系建模，设计合适的三角尺底边以及探头的位置和数量，获得定位精度公式及悬浮高度测量公式；

步骤S2、确立模型与车载光电传感器组的编码的关系，确定第一个探头在三角尺周期内的位置；

步骤S3、通过模拟，从精度、传感器数量和高度变化多角度进行验证，并获取辨识度高的模型参数；

步骤S4、应用定位测速测高装置及模型参数到悬浮列车，实现对磁浮列车的实时测速测高。

5.根据权利要求1所述的一种磁浮列车定位测速测高的方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

多个三角尺在列车行驶方向并列设置，多个探头对应并列设置，其中，a为三角尺的底边长度，a₁为探头周期长度，a₁＜a，b是三角尺的高，h是探头所处的高度，b<h,l₁是探头对应高电平的长度,L为a₁和a的最小公倍数，也为一个定位精度的长度区间，n为三角尺的个数，n₁为传感器的个数，n₁＝n+1；

结合游标卡尺提高精度原理，可以得到“三角尺+多探头”组合的精度公式为：

对定位精度公式进行简化可以得到精度：u＝a/n₁，悬浮高度测量公式为：h＝(b×l₁)/a。

6.根据权利要求1所述的一种磁浮列车定位测速测高的方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：多组探头实现三角尺周期内的定位，根据车载光电传感器组的编码确定三角尺周期内的位置，具体包括如下步骤：

步骤S21、建立三角尺与探头输出信号的关系模型：以第一个探头进行三角尺周期的计数；当第一个探头随着列车在三角尺周期探头移动路线移动时，在一个定位精度的长度区间内的多个探头在移动过程中在三角尺周期内向外输出的多个电压信号，通过放大器转换成脉冲信号，对应输出一组0/1组合编码；

步骤S22、对输出编码方波处理，根据游标卡尺原理实现第一个探头在三角尺周期内的位置的确定，实现高精度的定位。

7.根据权利要求6所述的一种磁浮列车定位测速测高的方法，其特征在于，所述步骤S21中，可用高低电平模型表示是否感应到三角尺，以分析编码和高度以及三角尺内位置关系，具体为：

高电平表示光电传感器经过三角尺部分输出高电平，用l₁表示，l₁的长度变化即探头高度发生变化；此时，探头感应到三角尺，则输出1或0；

低电平表示光电传感器经过三角尺间的空白部分输出低电平，a表示三角尺底边的长度，即一个三角尺周期长，a₁表示传感器之间的间隔，也即探头周期长度，u表示设计的精度；此时，探头未感应到三角尺，则对应输出0或1。

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