CN113511236A - 一种轨交列车运动状态高精度感知设备及感知方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨交列车运动状态高精度感知设备，包括：壳体、面板、运动状态监测传感器和中央数据处理器，通过中央数据处理器将各运动状态监测传感器的多源数据融合处理，在不依赖轨交地面测量系统和车载信号系统的情况下，可以自主获取列车运行方向、实时速度、位移信息、实时位置和加速度等信息。本发明还涉及一种实现轨交列车高精度位移测量的方法，采用雷达测速和激光测距联合测量的方法实现列车位移信息的获取，可以实现各类轨交条件下的高精度位移测量。本发明还涉及一种实现轨交列车实时自主定位的方法，通过融合处理列车位移信息和运行方向信息，结合轨交地图即能实现列车实时位置感知，且精度高、实时性好。

Description

一种轨交列车运动状态高精度感知设备及感知方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种轨交列车运动状态高精度感知设备及列车运动状态测量方法。

背景技术

安全和高效是轨道交通系统追求的两大目标，用于控制列车运行速度的列车运行控制系统是确保列车运行安全、提高列车运行效率的核心子系统，而实时、高精度地获取列车速度和位置信息是其中的关键性技术。

目前，轨交列车测速传感器主要采用轴端转动测速和雷达测速两种方式，其中，轴端转动测速通过测量列车轮轴的转动获得列车的速度值，其受车轮空转、打滑等因素影响，测速误差相对较大，且进一步提升空间不大；雷达测速通过测量列车和地面之间因相对运动引起的多普勒效应实现速度测量，由于雷达为非接触式测量，不受车轮空转、打滑等因素影响，环境适应性好，测速精度较高，因此雷达测速方式更具技术优势。

高精度位置信息对轨交列车运行至关重要，目前列车定位方式主要有GPS卫星定位、轨道电路定位和轨道标签定位等方法。其中，GPS卫星定位方式在隧道或地下等封闭环境下受无线电波传播特性的影响会形成定位盲区，因此其只能作为辅助定位方法；轨道电路定位以两根铁轨作为导体，发射信号并接收回波，根据回波特征进行列车位置定位，其定位精度在百米量级，定位误差较大；轨道标签定位精度受制于标签间隔，通常在轨交站等位置标签排布较多，其余位置标签排布较少，因此远离轨交站的位置精度较差。目前，实际应用中主要采用的是，在标签定位基础上结合速度积分实现实时定位，存在以下问题：一是轨道标签定位需要轨道施工，建设投入大、时间长、改造难；二是采用速度积分方式计算列车位移量，会造成微小速度误差因积累时间增大而造成位移误差持续加大的问题，长距离测量精度较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轨交列车运动状态高精度感知设备及一种轨交列车高精度位移测量和实时自主定位的方法，在不依赖轨交地面测量系统和车载信号系统的情况下，可以自主获取列车运行方向、实时速度、位移信息、实时位置和加速度等信息。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种轨交列车运动状态高精度感知设备，包括：

壳体，内部中空，壳体的顶面与列车车体外部底面固定；

面板，固定在壳体的一侧侧壁外部，用于显示系统数据和设置设备参数；

运动状态监测传感器，固定在壳体的内部或外部，用于监测列车运行状态；

中央数据处理器，固定在壳体内部，与运动状态监测传感器、面板电连接或无线通信信号连接，用于将运动状态监测传感器的数据进行处理并输出处理结果，以及与面板进行输入输出通信。

优选地，所述运动状态监测传感器包括：

多普勒雷达，安装在壳体的内部，其电磁波发射方向在列车速度方向的纵轴面上，并与地面成一定夹角，其电磁波发射方向正前方的壳体镂空且镶嵌雷达透波罩，雷达透波罩采用电磁波可穿透的材质，使电磁波可以穿透所述雷达透波罩对地面进行探测，用于测量列车的运行速度；

激光测距仪，固定在壳体的外部下方，激光发射角度垂直于地面，用于测量列车位移信息，辅助实现列车定位。

其中，所述多普勒雷达包括两部完全相同的第一多普勒雷达和第二多普勒雷达，第一多普勒雷达和第二多普勒雷达对地面的探测角度不同，融合第一多普勒雷达和第二多普勒雷达的测量结果，可以适应列车各类安装高度和消除列车振动对测速精度的影响。

优选地，所述运动状态监测传感器还包括陀螺仪，安装在壳体内部，其三轴测量方向与列车的横向、纵向及垂向方向一致，用于测量列车的运行方向，辅助实现列车定位。

优选地，所述运动状态监测传感器还包括GPS/北斗接收机，安装在壳体内部，用于接收GPS或北斗卫星导航系统的卫星数据，实现在可接收卫星信号环境下的列车绝对位置定位。

优选地，所述运动状态监测传感器还包括加速度计，安装在壳体内部，其三轴测量方向与列车的横向、纵向及垂向方向一致，用于测量列车的三轴加速度信息，辅助实现列车定位。

一种轨交列车运动状态高精度感知方法，使用上述轨交列车运动状态高精度感知设备实现，用于进行轨交列车的高精度位移测量，包含步骤：

S1、所述激光测距仪持续发射垂直于地面的激光，测量激光发射点到测量点的直线距离d_测，d_测实时传输到中央数据处理器，并计算测量点与轨面之间的高程差Δd，计算公式为：

Δd＝d_测-d_轨；

其中，d_轨为预设在中央数据处理器中的激光发射点到轨面的高度；

S2、所述多普勒雷达持续发射电磁波探测地面，根据多普勒效应，中央数据处理器计算出列车运行速度，并积分速度值得到位移量，设一阶段位移量L_阶，L_阶＝0，并开始累计L_阶；

S3、将Δd值与预设在中央数据处理器中的枕轨与轨面间的高程差值进行比对，如符合则设一短时位移量L_短，L_短＝0，并开始累计L_短，直到Δd值不再符合该特征值时结束累计；

S4、将L_阶与预设在中央数据处理器中的一个枕轨段长度值L_轨进行比对，当L_阶＝L_轨时，将L_短与预设在中央数据处理器中的枕轨宽度值W_轨进行比对：

若L_短＝W_轨，则判断列车经过了一个枕轨，将存储在中央数据处理器中的列车累计位移量L_累增加L_轨，并返回步骤S1继续测量；

若L_短≠W_轨，则判断为枕轨缺失，将存储在中央数据处理器中的列车累计位移量L_累增加L_阶，并返回步骤S1继续测量。

一种轨交列车运动状态高精度感知方法，使用上述轨交列车运动状态高精度感知设备实现，用于进行轨交列车的实时自主定位，包含步骤：

S10、当可正常接收GPS/北斗卫星信号进行卫星定位时，通过GPS/北斗接收机实时定位列车的绝对位置；

S20、当GPS/北斗卫星信号丢失无法卫星定位时，记录最后接收卫星信号位置为起始位置，从起始位置开始实时采集列车位移信息和列车运行方向信息，得出列车运行轨迹，与轨交地图进行比对和定位，实现列车自主实时定位。

其中，步骤S20中，所述列车位移信息采用上述轨交列车的高精度位移测量的步骤获取。

其中，步骤S20中，所述列车运行方向信息获取步骤为：

S201、通过陀螺仪测量得到列车即时运动方向，发送到中央数据处理器；

S202、通过已知算法，由多普勒雷达的测量值可以计算出列车为前进或后退状态，发送到中央数据处理器；

S203、由中央数据处理器融合S1与S2的结果，得出列车的运行方向信息。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的一种轨交列车运动状态高精度感知设备及一种轨交列车高精度位移测量和实时自主定位的方法，具有如下有益效果：

1、本发明通过集成多普勒雷达、激光测距仪、加速度计、陀螺仪、GPS/北斗接收机等传感器，可以独立的实现列车运行方向、实时速度、位移信息、实时位置和加速度等信息的获取，且精度高、实时性好，解决了传统方法依赖于轨交地面测量系统和车载信号系统的问题，减少了轨交系统基础设施建设投入，具有较好的经济效益和实用价值；

2、本发明通过采用激光测距仪识别枕轨的方法，来测量列车位移信息，实现了累计位移测量误差始终小于一个枕轨间距(一般在0.6m左右)，克服了传统方法因积累时间增大而造成位移误差持续加大的问题，大大提高了测量精度；

3、本发明采用雷达测速和激光测距联合测量实现高精度位移信息的获取，二者数据融合可以在各类轨交条件下实现较高的位移测量精度，具有良好的适应性和实用性；

4、本发明通过中央数据处理器将各运动状态监测传感器的多源数据融合处理，可以自动选择各项测量指标的最优化解决方案，智能化程度高，实用性好，并且冗余度较高，系统稳定可靠。

附图说明

图1为本发明中的轨交列车运动状态高精度感知设备系统框图；

图2为本发明中的轨交列车运动状态高精度感知设备结构示意图；

图3为本发明中的激光测距实现枕轨计数示意图；

图4为本发明中的列车位移信息解算流程图；

图5为本发明中的采用雷达测速和激光测距联合测量获取列车定位流程图；

图6为本发明中的列车自主定位流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种轨交列车运动状态高精度感知设备，一种采用该设备识别枕轨实现轨交列车高精度位移测量的方法，以及一种采用该设备实现轨交列车实时自主定位的方法，作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，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能涵盖的范围内。

需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

结合附图1～6所示，本实施例提供一种轨交列车运动状态高精度感知设备，该设备安装在列车底部，如附图1、2所示，包括：面板1、壳体2、雷达透波罩3、中央数据处理器4和多个运动状态监测传感器。其中，壳体2为内部中空的壳体，用于固定、保护各设备组件，材质优选金属，壳体2的顶面与列车车体外底面连接固定；面板1固定在壳体2的一侧侧壁外部，用于显示系统数据和设置设备参数；雷达透波罩3采用多普勒雷达波可以穿透的材质，本实施例选用聚四氟乙烯材料，固定在壳体2的未设置面板1的一侧侧壁，雷达透波罩3的罩体面与地面呈一定夹角，壳体2在雷达透波罩3覆盖范围内部分镂空，使电磁波可以穿透雷达透波罩3对地面进行探测；中央数据处理器4固定在壳体2内部，与各运动状态监测传感器、面板1及列车运行控制系统电连接或无线通信信号连接，用于将各运动状态监测传感器的多源数据进行融合处理并输出处理结果，以及与面板1进行输入输出通信。

其中，运动状态监测传感器包括：第一多普勒雷达51、第二多普勒雷达52、激光测距仪6、加速度计7、陀螺仪8和GPS(全球卫星定位导航系统)/北斗接收机9。其中：

第一多普勒雷达51和第二多普勒雷达52完全相同，二者用于测量列车的运行速度；两部雷达均安装在壳体2的内部，且其电磁波发射、接收方向正对雷达透波罩3，使电磁波可以穿透雷达透波罩3对地面进行探测；两部雷达发射电磁波的方向在列车速度方向的纵轴面上，与地面成一定夹角，且两个夹角有角度差，以适应列车各类安装高度和克服列车振动等对测速精度的影响，本实施例中角度差为10°。多普勒雷达测速的工作原理是基于多普勒效应，雷达天线以与地面成夹角的方向发射电磁波，当列车与地面有相对运动时，接收到的雷达波会产生频率偏移量，通过测量两个信号之间的频率差就可以获取列车即时运行速度和前进/后退状态，对列车的速度进行积分就可得到列车的运行距离。由于列车运行时车体的上下振动，测量时会产生误差，为了消除误差影响及适应不同安装高度，设置两部雷达成夹角探测。

激光测距仪6安装在壳体2的外部下方，与壳体2的底面固定，激光发射角度垂直于地面，用于测量列车位移，辅助实现列车定位。如附图3所示，列车运行时，激光测距仪6通过测量枕轨与轨面之间的高度变化，来判断列车是否经过了枕轨，从而实现枕轨识别和计数；因为轨道枕轨间距为规范值，所以通过枕轨计数可以实现列车位移测量，且不受列车运行时间、距离等条件限制，使误差始终保持在一个枕轨间距范围内(一般在0.6m左右)，克服了单一速度积分因积累时间增大造成位移误差持续加大的问题，可以使位移测量结果达到很高的精度。但其仅适用于无渣轨道，且要求枕轨与轨面之间有一定的高程差(一般不小于3cm)。

加速度计7和陀螺仪8安装在壳体2内部，当壳体2安装在列车上，加速度计7和陀螺仪8三轴测量方向与列车的横向、纵向及垂向方向一致，实现对列车三轴加速度信息和角速度信息的测量，进而可以获取列车运行方向，辅助列车定位。

GPS/北斗接收机9安装在壳体2内部，用于接收GPS或北斗卫星导航系统的卫星数据，可以实现列车的绝对位置定位，不需要轨道交通地图、起始位置等辅助信息。但其仅适用于在卫星信号无遮挡的环境下使用，在隧道等封闭环境下无法使用。

如上所述，各运动状态监测传感器在不同环境下存在一定的适应性限制，本实施例通过中央数据处理器4对各运动状态监测传感器的多源数据进行融合处理，可以实现在不依赖轨交地面测量系统和车载信号系统的情况下，自主感知和获取运行方向、运行速度、位移信息、实时位置、加速度等列车运行状态信息，各状态信息获取方法如下：

1、运行方向信息获取

如附图5所示，通过陀螺仪8测量得到列车即时运动方向，发送到中央数据处理器4；通过已知算法，由多普勒雷达的测量值可以计算出列车为前进或后退状态，发送到中央数据处理器4；由中央数据处理器4融合处理，得出列车的运行方向信息。

2、运行速度信息获取

两部多普勒雷达与地面成一定夹角进行测量，且两个夹角之间有10°的角度差，根据已知的运算方法，将二者测得的列车速度值通过中央数据处理器4融合处理得到取优结果，以克服列车振动对测速精度的影响。

3、位移信息获取

本实施例采用多普勒雷达测速和激光测距联合测量列车位移信息，二者数据融合可以实现各类轨交条件下的较高精度的位移测量，具体流程如附图4所示：

(1)对于满足激光测距条件的轨道(枕轨与轨面之间有不小于3cm高程差的无渣轨道)：

①激光测距仪6持续发射垂直于地面的激光，测量激光发射点到测量点的直线距离d_测，d_测实时传输到中央数据处理器4，并计算测量点与轨面之间的高程差Δd，计算公式为：

Δd＝d_测-d_轨；

其中，d_轨为预设在中央数据处理器4中的激光发射点到轨面的高度；

②多普勒雷达持续发射电磁波探测地面，根据已知的多普勒效应及相应计算公式，中央数据处理器4计算出列车运行速度，并积分速度值得到位移量，设一阶段位移量L_阶，L_阶＝0，并开始累计L_阶；

③将Δd值与预设在中央数据处理器4中的枕轨与轨面间的高程差值进行比对，如符合则设一短时位移量L_短，L_短＝0，并开始累计L_短，直到Δd值不再符合该特征值时结束累计；

④将L_阶与预设在中央数据处理器4中的一个枕轨段长度值L_轨进行比对，当L_阶＝L_轨时，将L_短与预设在中央数据处理器4中的枕轨宽度值W_轨进行比对：

若L_短＝W_轨，则判断列车经过了一个枕轨，将存储在中央数据处理器4中的列车累计位移量L_累增加L_轨，并返回步骤①继续测量；

若L_短≠W_轨，则判断为枕轨缺失，将存储在中央数据处理器(4)中的列车累计位移量L_累增加L_阶，并返回步骤①继续测量。

(2)对于不满足上述激光测距条件的轨道：由中央数据处理器4将多普勒雷达测速值进行积分运算，计算列车位移量。

4、实时位置信息获取

本实施例通过GPS/北斗接收机9、激光测距仪6、多普勒雷达51和多普勒雷达52、陀螺仪8、中央数据处理器4共同获取高精度位移信息。具体流程如附图5、6所示：

(1)当可正常接收GPS/北斗卫星信号进行卫星定位时，通过GPS/北斗接收机9实时定位列车的绝对位置；

(2)当GPS/北斗卫星信号丢失无法卫星定位时，记录最后接收卫星信号位置为起始位置，从起始位置开始采用前述方法实时采集列车位移信息和列车运行方向信息，通过中央数据处理器4得出列车运行轨迹，与轨交地图进行比对和定位，实现列车自主实时定位。

5、加速度信息获取

通过加速度计7即可测量列车运行的加速度，测量数据发送给中央数据处理器4，进行后续处理、应用及显示。

综上所述，本发明提供的一种轨交列车运动状态高精度感知设备及一种轨交列车高精度位移测量和实时自主定位的方法，通过集成多普勒雷达、激光测距仪、加速度计、陀螺仪、GPS/北斗接收机等传感器，可以独立获取列车的运行状态信息，精度高、实时性好，不依赖轨交地面测量系统和车载信号系统；通过采用激光测距仪识别枕轨的方法测量列车位移信息，实现了累计位移测量误差始终小于一个枕轨间距，克服了传统方法因积累时间增大而造成位移误差持续加大的问题，大大提高了测量精度；通过采用雷达测速和激光测距联合测量实现高精度位移信息的获取，二者数据融合可以实现各类轨交条件的位移测量；通过中央数据处理器将各运动状态监测传感器的多源数据融合处理，可以实现各项测量指标的最优化解决方案，系统冗余度较高，稳定可靠。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种轨交列车运动状态高精度感知设备，其特征在于，包括：

壳体(2)，内部中空，壳体(2)的顶面与列车车体外部底面固定；

面板(1)，固定在壳体(2)的一侧侧壁外部，用于显示系统数据和设置设备参数；

运动状态监测传感器，固定在壳体(2)的内部或外部，用于监测列车运行状态；

中央数据处理器(4)，固定在壳体(2)内部，与运动状态监测传感器、面板(1)电连接或无线通信信号连接，用于将运动状态监测传感器的数据进行处理并输出处理结果，以及与面板(1)进行输入输出通信。

2.如权利要求1所述的一种轨交列车运动状态高精度感知设备，其特征在于，所述运动状态监测传感器包括：

多普勒雷达，安装在壳体(2)的内部，其电磁波发射方向在列车速度方向的纵轴面上，并与地面成一定夹角，其电磁波发射方向正前方的壳体(2)镂空且镶嵌雷达透波罩(3)，雷达透波罩(3)采用电磁波可穿透的材质，使电磁波可以穿透所述雷达透波罩(3)对地面进行探测，用于测量列车的运行速度；

激光测距仪(6)，固定在壳体(2)的外部下方，激光发射角度垂直于地面，用于测量列车位移信息，辅助实现列车定位。

3.如权利要求2所述的一种轨交列车运动状态高精度感知设备，其特征在于，所述多普勒雷达包括两部完全相同的第一多普勒雷达(51)和第二多普勒雷达(52)，第一多普勒雷达(51)和第二多普勒雷达(52)对地面的探测角度不同，融合第一多普勒雷达(51)和第二多普勒雷达(52)的测量结果，可以适应列车各类安装高度和消除列车振动对测速精度的影响。

4.如权利要求3所述的一种轨交列车运动状态高精度感知设备，其特征在于，所述运动状态监测传感器还包括陀螺仪(8)，安装在壳体(2)内部，其三轴测量方向与列车的横向、纵向及垂向方向一致，用于测量列车的运行方向，辅助实现列车定位。

5.如权利要求4所述的一种轨交列车运动状态高精度感知设备，其特征在于，所述运动状态监测传感器还包括GPS/北斗接收机(9)，安装在壳体(2)内部，用于接收GPS或北斗卫星导航系统的卫星数据，实现在可接收卫星信号环境下的列车绝对位置定位。

6.如权利要求1所述的一种轨交列车运动状态高精度感知设备，其特征在于，所述运动状态监测传感器还包括加速度计(7)，安装在壳体(2)内部，其三轴测量方向与列车的横向、纵向及垂向方向一致，用于测量列车的三轴加速度信息，辅助实现列车定位。

7.一种轨交列车运动状态高精度感知方法，其特征在于，使用如权利要求1～6中任一项所述的轨交列车运动状态高精度感知设备实现，用于进行轨交列车的高精度位移测量，包含步骤：

S1、所述激光测距仪(6)持续发射垂直于地面的激光，测量激光发射点到测量点的直线距离d_测，d_测实时传输到中央数据处理器(4)，并计算测量点与轨面之间的高程差Δd，计算公式为：

Δd＝d_测-d_轨；

其中，d_轨为预设在中央数据处理器(4)中的激光发射点到轨面的高度；

S2、所述多普勒雷达持续发射电磁波探测地面，根据多普勒效应，中央数据处理器(4)计算出列车运行速度，并积分速度值得到位移量，设一阶段位移量L_阶，L_阶＝0，并开始累计L_阶；

S3、将Δd值与预设在中央数据处理器(4)中的枕轨与轨面间的高程差值进行比对，如符合则设一短时位移量L_短，L_短＝0，并开始累计L_短，直到Δd值不再符合该特征值时结束累计；

S4、将L_阶与预设在中央数据处理器(4)中的一个枕轨段长度值L_轨进行比对，当L_阶＝L_轨时，将L_短与预设在中央数据处理器(4)中的枕轨宽度值W_轨进行比对：

若L_短＝W_轨，则判断列车经过了一个枕轨，将存储在中央数据处理器(4)中的列车累计位移量L_累增加L_轨，并返回步骤S1继续测量；

若L_短≠W_轨，则判断为枕轨缺失，将存储在中央数据处理器(4)中的列车累计位移量L_累增加L_阶，并返回步骤S1继续测量。

8.一种轨交列车运动状态高精度感知方法，其特征在于，使用如权利要求1～6中任一项所述的轨交列车运动状态高精度感知设备实现，用于进行轨交列车的实时自主定位，包含步骤：

S10、当可正常接收GPS/北斗卫星信号进行卫星定位时，通过GPS/北斗接收机(9)实时定位列车的绝对位置；

S20、当GPS/北斗卫星信号丢失无法卫星定位时，记录最后接收卫星信号位置为起始位置，从起始位置开始实时采集列车位移信息和列车运行方向信息，得出列车运行轨迹，与轨交地图进行比对和定位，实现列车自主实时定位。

9.如权利要求8所述的轨交列车运动状态高精度感知方法，其特征在于，步骤S20中，所述列车位移信息采用如权利要求7中所述的轨交列车的高精度位移测量的步骤获取。

10.如权利要求8所述的轨交列车运动状态高精度感知方法，其特征在于，步骤S20中，所述列车运行方向信息获取步骤为：

S201、通过陀螺仪(8)测量得到列车即时运动方向，发送到中央数据处理器(4)；

S202、通过已知算法，由多普勒雷达的测量值可以计算出列车为前进或后退状态，发送到中央数据处理器(4)；

S203、由中央数据处理器(4)融合S1与S2的结果，得出列车的运行方向信息。

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