CN113291354B - 一种基于m序列编码的超高速磁悬浮列车定位测速系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于m序列编码的超高速磁悬浮列车定位测速系统，包括车体、激光光源、分束器、发射光源板、接收镜头模组、组网处理系统、牵引运控系统；激光光源、分束器和发射光源板安装在超高速磁悬浮列车车头车体顶部，接收镜头模组等间隔安装在管道的内部管壁；发射光源板上安装有光学发射镜头，接收镜头模组上安装光学接收镜头；激光光源输出的连续光信号通过分束器在发射光源板端形成“一”字形光，随着超高速磁悬浮列车车体移动，接收镜头模组接收编码激光信号，并将编码激光信号传送到远离管道的组网处理系统，组网处理系统将接收的编码激光信号转化为电信号，将上述信息输出传送给牵引运控系统，所述编码激光信号为8位m序列编码。
Description
技术领域
本发明涉及超高速磁悬浮列车定位测速领域，特别是超高速磁悬浮列车光学定位测速。
背景技术
超高速磁悬浮列车是指最高时速在1000km/h以上，甚至可以发展到4000km/h的列车，行驶里程、速度等信息是衡量列车质量、保证列车实时可靠控制的重要技术指标。
其中定位测速系统，能够为超高速磁悬浮列车牵引、运控等系统实时提供其所必需的准确的高分辨率的转子相位、绝对位置、速度等信息。传统高速磁悬浮列车一般采用沿导轨布置的交叉感应环线对高速磁悬浮列车的位置和运行速度进行测量。然而，交叉感应环线的位置测量精度一般只能达到3cm，同时超高速磁悬浮列车驱动所产生的强电磁干扰会严重影响交叉感应环线传感器的性能，无法保证超高速磁悬浮列车在超高速运行的环境下获得安全稳定的通信，所以无法获取准确的高分辨率的转子相位、绝对位置、速度信息。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于m序列编码的超高速磁悬浮列车定位测速系统，综合考虑光学、电磁学特点来获取超高速磁悬浮列车的实时速度和位置信息，以满足牵引、运控需求。
一种基于m序列编码的超高速磁悬浮列车定位测速系统，包括车体、激光光源、分束器、发射光源板、接收镜头模组、组网处理系统、牵引运控系统；激光光源、分束器和发射光源板安装在超高速磁悬浮列车车头车体顶部，接收镜头模组等间隔安装在管道的内部管壁；发射光源板上安装有光学发射镜头，接收镜头模组上安装光学接收镜头；激光光源输出的连续光信号通过分束器在发射光源板端形成“一”字形光，随着超高速磁悬浮列车车体移动，接收镜头模组接收编码激光信号，并将编码激光信号传送到远离管道的组网处理系统，组网处理系统将接收的编码激光信号转化为电信号，形成超高速磁悬浮列车绝对位置、速度、方向、相位、牵引电机的线圈周期信息，将上述信息输出传送给牵引运控系统，所述编码激光信号为m序列编码。
进一步，所述m序列编码为8位m序列编码，序列的长度为28-1＝255。
进一步，所述发射光源板包括位置编码光源和索引编码光源。
进一步，所述接收镜头模组包括位置接收镜头和索引接收镜头，位置接收镜头是一组接收镜头，用于接收位置编码光源信号；索引接收镜头用于产生同步信号，来检测索引编码光源光信号的跳变，并以此跳变来触发位置编码光源的读取。
进一步，所述接收镜头模组间隔距离为4.5米。
进一步，所述激光光源输出的为1550nm连续光信号。
进一步，所述组网处理系统包括输入装置、信号处理装置、输出装置；输入装置为镜头模组，输入装置用于输出光源编码信号；信号处理装置接收输入装置输出的信号，并对信号进行处理，将处理后的信号输出给输出装置；输出装置将得到超高速磁悬浮列车的位置及速度信息输出给牵引运控系统；所述信号处理装置包括光电探测电路、FPGA解码电路；接收镜头模组在接收光源时会有三种情况，接收到强光、弱光和无光，光电探测电路的作用是对光信号进行处理，将这三种情况分别对应产生高电平、低电平、高阻态三种数字信号状态；FPGA解码电路对接收到的数字信号进行解码，不同的位置用不同m序列编码，保证m序列编码的唯一性，通过FPGA解出当前时间的m序列编码，即此刻超高速磁悬浮列车所在位置，由此计算出对应此时的速度信息。
进一步，所述发射光源板为三块相同的，发射光源板沿车厢纵向排列，每次对三块发射光源板上的位置编码解码，接收镜头模组获得的三个激光编码数据，三个数据一致时，则该数据为编码数据；若出现不一致情况，选择两个一致的数据为编码数据；若三个数据均不相同，则判断编码数据无效，此处位置编码有误，则通过软件读取前序编码位置和后序编码位置来判断此处的位置信息。
本发明确立了一种绝对位置编码的定位测速系统，该系统是一种地面安置系统，不占用车体重量，有利于冗余设计，利于维护；采用光学传感原理，可以避免强磁的影响；采用主动光源发射接收方式，可以避免镜头污染影响，也可以提升光强适应车体更高速的测速响应要求。
附图说明
图1为本发明整体架构图，
图2为基于m序列的编码光源板及其对应的接收镜头模组示意图，
图3为本发明组网处理系统组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一种基于m序列编码的超高速磁悬浮列车定位测速系统，如图1所示，包括车体、激光光源、分束器、发射光源板、接收镜头模组、组网处理系统、牵引运控系统。激光光源、分束器和发射光源板安装在超高速磁悬浮列车车头车体顶部，接收镜头模组等间隔安装在管道的内部管壁，间隔距离为4.5米。发射光源板和接收镜头模组上分别安装有光学发射镜头和光学接收镜头。激光光源输出的1550nm连续光信号通过分束器在发射光源板端形成“一”字形光，随着超高速磁悬浮列车车体移动，接收镜头模组接收编码激光信号，并利用光纤传送到远离管道的组网处理系统，组网处理系统将接收的位置编码数据转化为电信号，形成超高速磁悬浮列车绝对位置、速度、方向、相位、牵引电机的线圈周期信息，将上述信息输出传送给牵引运控系统；组网处理系统根据分段变流器的情况，提供用于牵引和运控的数据；所述编码激光信号为m序列编码。
通过布置多个接收镜头模组1，实现对超高速磁悬浮列车长距离测速定位。
基于m序列编码的光源板及其对应的接收镜头模组结构，如图2所示，镜头模组1包括位置接收镜头6、索引接收镜头7，位置接收镜头6是指一组接收镜头，用于接收m序列编码信号；索引接收镜头7用于产生同步信号；发射光源板2包括位置编码光源10和索引编码光源11，图中虚框8表示编码光源为“0”，实框9表示编码光源为“1”。
4位m序列激光编码：000100110101111，长度为24-1＝15位，规律如如表1所示：
1：000100110101111
2：000100110101111
......
12:000100110101111
13:000100110101111，尾前首后，即1110
14:000100110101111
15:000100110101111
表1--4位m序列位置列表
由表1可知，对4位m序列依序取4位数，结尾处取不到4位数时以开头处数字为补充，即循环码，共可得15种不同情况。第16次取得与第一次相同，进入循环。一个循环周期内，第1次到第15次，不会出现重复情况。由4位m序列分析可知，m序列并不是随机序列，它是有一定规律的、特殊的、伪随机的序列，它的产生可通过移位寄存器来实现。
本发明采用的是8位m序列编码光源，通过调节光源的明为1暗为0来实现对8位m序列的表示，例如：00000000010101...。由4位m序列可知，8位m序列的长度为28-1＝255，对8位m序列依序取8位数，共可得255种不同情况。因此，4.5m长的光源板上需要布置一列有255个两种光强0和1的光源来表示经过移位寄存器计算得到的8位m序列，如图2为1～15的m序列编码。例如：00000000010101...，255位。光源板每移动一位，4.5m/255≈18mm，8位接收镜头便接收到255种不同编码中的一种，即上述000000000，000000001，000000010，...，中的一种，由此实现18mm的定位精度。光源循环码是通过两个相同光源板首尾相接实现的。
表2--8位m序列位置列表
为保证接收镜头组1接收位置编码10光信号的实时性与准确性，引入了同步触发读码机制，即在光源板原有单列位置编码10的基础上再增加一列明暗相间的索引编码11，对应镜头模组1也增加一位索引接收镜头7，用来检测索引编码11光信号的跳变，并以此跳变来触发位置编码10的读取。
地面数据处理及组网装置如图3所示，包括输入装置、信号处理装置、输出装置。输入装置为镜头模组1，用于输出光源编码信号，每隔4.5米布置；信号处理装置接收输入装置输出的信号，并对信号进行处理，将处理后的信号输出给输出装置；输出装置将得到的超高速磁悬浮列车位置、速度、方向、相位、牵引电机的线圈周期信息输出给牵引运控系统。
牵引运控系统是车体为同步电机转子、轨道为同步电机长定子的系统。车辆系统要实现良好的运行，转子和定子的磁场要同步/同频，转子自身为主动励磁系统，永磁或超导励磁，它的磁场需要与长定子的磁场同步，因此，牵引运控系统需要转子的位置信息，从而控制定子电流频率，使其与转子同步，“方向、相位、牵引电机的线圈周期信息”都是牵引系统所需要的信息，而这些信息都可以通过当前位置反应出来。
信号处理装置包括光电探测电路、FPGA解码电路。接收镜头模组1在接收光源时会有三种情况，接收到强光、弱光和无光，光电探测电路的作用是对光信号进行处理，将这三种情况分别对应产生高电平、低电平、高阻态三种数字电信号。
FPGA解码电路对接收到的数字电信号进行解码，不同的位置用不同m序列编码，保证m序列编码的唯一性，通过FPGA解出当前时间的m序列编码，即此刻超高速磁悬浮列车所在位置，由此计算出对应此时的速度信息。M序列并不是随机序列，它是有一定规律的、特殊的、伪随机的序列，每个位置用一位M序列编码表示，具有唯一性，解出此当前位置编码，即FPGA通过查表就可以得到当前位置。
为增强冗余性，在光源板设计上引入了3选2机制，即安装三块一样的发射光源板，发射光源板沿车厢纵向排列，每次对三个发射光源板上的位置编码解码，接收镜头模组1获得的三个激光编码数据；三个数据一致时，则该数据为编码数据；若出现不一致情况，选择两个一致的数据为编码数据；若三个数据均不相同，则判断编码数据无效，此处位置编码有误，则通过软件读取前序编码位置和后序编码位置，根据逻辑关系，假设只是中间一段编码出现问题，而前序编码和后序编码都能得正确得到解出位置信息，即可推得当前位置信息。
Claims (5)
1.一种基于m序列编码的超高速磁悬浮列车定位测速系统，其特征是包括车体、激光光源、分束器、发射光源板(2)、组网处理系统、牵引运控系统；激光光源、分束器和发射光源板(2)安装在超高速磁悬浮列车车头车体顶部，接收镜头模组(1)等间隔安装在管道的内部管壁；发射光源板(2)上安装有光学发射镜头，接收镜头模组(1)上安装光学接收镜头；
激光光源输出的连续光信号通过分束器在发射光源板(2)端形成“一”字形光，随着超高速磁悬浮列车车体移动，接收镜头模组(1)接收编码激光信号，并将编码激光信号传送到远离管道的组网处理系统中的信号处理装置，组网处理系统中的信号处理装置将接收的编码激光信号转化为电信号，形成超高速磁悬浮列车绝对位置、速度、方向、相位、牵引电机的线圈周期信息，将上述信息输出传送给牵引运控系统，所述编码激光信号为m序列编码；
所述m序列编码为8位m序列编码，序列的长度为28-1＝255；
所述发射光源板(2)包括位置编码光源(10)和索引编码光源(11)；
所述接收镜头模组(1)包括位置接收镜头(6)和索引接收镜头(7)，位置接收镜头(6)是一组接收镜头，用于接收位置编码光源(10)信号；索引接收镜头(7)用于产生同步信号，来检测索引编码光源(11)光信号的跳变，并以此跳变来触发位置编码光源(10)的读取。
2.如权利要求1所述的基于m序列编码的超高速磁悬浮列车定位测速系统，其特征是所述接收镜头模组(1)间隔距离为4.5米。
3.如权利要求1所述的基于m序列编码的超高速磁悬浮列车定位测速系统，其特征是所述激光光源输出的为1550nm连续光信号。
4.如权利要求1所述的基于m序列编码的超高速磁悬浮列车定位测速系统，其特征是所述组网处理系统包括输入装置、信号处理装置、输出装置；输入装置为接收镜头模组(1)，输入装置用于输出编码激光信号；信号处理装置接收输入装置输出的信号，并对信号进行处理，将处理后的信号输出给输出装置；输出装置将得到超高速磁悬浮列车的位置及速度信息输出给牵引运控系统；所述信号处理装置包括光电探测电路、FPGA解码电路；接收镜头模组(1)在接收光源时会有三种情况，接收到强光、弱光和无光，光电探测电路的作用是对光信号进行处理，将这三种情况分别对应产生高电平、低电平、高阻态三种数字信号状态；FPGA解码电路对接收到的数字信号进行解码，不同的位置用不同m序列编码，保证m序列编码的唯一性，通过FPGA解出当前时间的m序列编码，即此刻超高速磁悬浮列车所在位置，由此计算出对应此时的速度信息。
5.如权利要求1所述的基于m序列编码的超高速磁悬浮列车定位测速系统，其特征是所述发射光源板(2)为三块相同的发射光源板，发射光源板(2)沿车厢纵向排列，每次对三块发射光源板(2)上的位置编码解码，接收镜头模组(1)获得的三个激光编码数据，三个数据一致时，则该数据为编码数据；若出现不一致情况，选择两个一致的数据为编码数据；若三个数据均不相同，则判断编码数据无效，此处位置编码有误，则通过软件读取前序编码位置和后序编码位置来判断此处的位置信息。
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