CN113815678A - 一种轨道车辆振动微发电的无线定位装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道车辆振动微发电的无线定位装置，包括：机车、振动微发电模块、振动能量收集单元、振动能量存储单元、输出控制单元、定位单元和终端服务器；振动微发电模块固定设置于机车外部；所述振动能量存储单元与所述振动能量收集单元电连接；所述定位单元与所述输出控制单元电连接；本发明的无线定位装置及方法，在不接入现有供电系统的情况下，能够将机车运行过程中的振动产生的机械能通过振动发电模块转化为电能，并向定位单元进行供电，最终实现无线定位功能。由于整个装置设置在机车外部，因此对定位信号的影响因素少，同时无需在轨道旁设置基站，同时避免了针对基站的布线和供电的困难。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域，尤其涉及一种轨道车辆振动微发电的无线定位装置及方法。
背景技术
截止至2020年末，全国铁路运营里程达14.6万公里，其中高铁近3.8万公里，每天在轨道运行的车辆数以万计，车辆在轨道上行驶的过程中由于振动产生的机械能最终转换为热能或噪声在外界环境中消耗殆尽。如何将车辆与铁轨之间振动的能量收集起来，并将其转化为可以直接利用的微电能，已成为目前新能源开发和利用的研究方向。
目前最常见的方案是在车辆上布置机车定位标签，在轨旁布置定位基站，利用定位标签与基站数据交互，同时基站将数据通过无线上传至终端服务器实现定位功能。定位标签需要布置在机车内部，现场多为金属结构，对无线信号衰减影响较大。定位基站需要布置在轨旁，但铁轨两侧禁止施工，同时要避开高压接触网，不允许随意布线，供电困难。
发明内容
本发明提供一种轨道车辆振动微发电的无线定位装置及方法，以解决机车运行过程中产生的机械能最终转换为热能或噪声在外界环境中消耗殆尽，同时设置于及车上的定位标签需要布置在机车内部，由于现场多为金属结构，对无线信号衰减影响较大；且定位基站需要布置在轨旁，但铁轨两侧禁止施工，同时要避开高压接触网，不允许随意布线，供电困难的技术问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种轨道车辆振动微发电的无线定位装置，包括：机车、振动微发电模块、振动能量收集单元、振动能量存储单元、输出控制单元、定位单元和终端服务器；
所述振动微发电模块固定设置于所述机车外部，以将机车运行过程中产生的机械能转换为电能；
所述振动能量收集单元与所述振动微发电模块电连接，以将所述振动微发电模块产生的电能进行收集；
所述振动能量存储单元与所述振动能量收集单元电连接，以将收集到的电信号进行存储；
所述输出控制单元与所述振动能量存储单元与电连接，以与所述振动能量存储单元进行电信号的传输，并将所述电信号转换成恒定的电压输出；
所述定位单元与所述输出控制单元电连接，以向所述定位单元提供电源；
所述定位单元与终端服务器无线通信连接，与所述终端服务器进行数据传输，将机车的位置信息传输到终端服务器。
进一步的，所述振动能量收集单元采用的是LTC3588芯片作为收集电路。
进一步的，所述振动能量存储单元采用超级电容作为储能器件。
进一步的，包括如下步骤：
S1：在机车外部设置振动微发电模块，以将机车运行过程中产生的机械能转换为电能；
S2：将所述电能通过振动能量收集单元进行收集，并将收集到的电信号传入到振动能量存储单元，以将所述电能进行存储；
S3：所述能量存储单元将电能传输至输出控制单元，以将所述能量存储单元的输出电压转换为定位单元所需电压；
S4：所述定位单元将机车的位置信息无线传输至终端服务器，以将所述机车的位置信息传送出去，以确保机车运行安全。
有益效果：本发明的一种轨道车辆振动微发电的无线定位装置及方法，在不接入现有供电系统的情况下，能够将机车运行过程中的振动产生的机械能通过振动发电模块转化为电能，同时利用振动能量存储单元进行储能，并向定位单元进行供电，并通过其将机车的位置信息无线传输至终端服务器，最终实现无线定位功能。由于整个装置设置在机车外部，因此对定位信号的影响因素少，同时无需在轨道旁设置基站，同时避免了针对基站的布线和供电的困难。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种轨道车辆振动微发电的无线定位装置示意图；
图2为本发明一种轨道车辆振动微发电的无线定位方法流程图；
图3为本发明收集电路芯片电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
本实施例提供了一种轨道车辆振动微发电的无线定位装置，包括：机车、振动微发电模块、振动能量收集单元、振动能量存储单元、输出控制单元、输出控制单元和定位单元，如附图1所示；
本发明的无线定位装置，当机车在轨道上运行时，由于机车和铁轨之间的振动，振动微发电模块将产生的机械能转换为电能。
具体的，所述振动微发电模块固定设置于所述机车外部，以将机车运行过程中产生的机械能转换为电能；优选的，本发明所述的振动微发电模块设置于所述机车的转向架或者其他振动剧烈的位置，以便于能够产生更大的电能；同时所述振动微发电模块设置于机车外部，因此在无需接入机车主电路的情况下，便能够将机车与轨道之间的振动机械能转化为电能，同时将电能利用超级电容进行存储，并向低功的无线定位单元供电，实现无线定位的功能。
所述振动能量收集单元与所述振动微发电模块电连接，以将所述振动微发电模块产生的电能进行收集；优选的，本实施例能够将由于机车运行中产生的微小振动而产生的微电能进行整流校正后存储在所述振动能量存储单元中，同时可向后端定位单元供电；具有便于安装的有点，不必安装于转向架、车轮附近等振动能量大的部位。
所述振动能量存储单元与所述振动能量收集单元电连接，以将收集到的电信号进行存储；具体的，因机车在运行时，遭受运行速度变化以及振动颠簸等，每个时刻在机车的安装振动微发电模块的部分产生的机械振动的大小与振幅均不同，因此通过所述振动微发电模块产生的电能也是不规则的，因此通过所述振动能量存储单元将收集到的不规则电信号进行存储。
所述输出控制单元与所述振动能量存储单元电连接，以与所述振动能量存储单元进行电信号的传输，并将所述电信号转换成恒定的电压输出；优选地，输出控制单元将前端设备高电压进行处理，输出后端定位单元所需的控制电压，以对所述振动能量存储单元收集到的电压等级进行处理，在本实施例中，输出所述定位单元所需的输入电压；
所述定位单元与所述输出控制单元电连接，以向所述定位单元提供电源；所述定位单元每间隔一定的时间向终端服务器传输数据。在机车不在轨道上运行时，存储在超级电容中的电能依旧可向定位单元供电，保障所述定位单元的正常的运行。
所述定位单元与终端服务器无线通信连接，以实现与所述终端服务器进行数据传输，将机车的位置信息传输到终端服务器。
本发明所述的定位单元的电能来源于所述振动微发电装置，不需要改动机车现有供电电路结构即能够实现。
优选的，所述振动能量收集单元是收集电路；所述收集电路采用的是LTC3588芯片，该芯片集成一个低损耗、全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器，以通过收集环振动能量，并将这种能量转换成恒定的电压输出，以为后续低功耗负载供电，附图3展示了LTC3588芯片的电路图。所述收集电路直接与所述振动微发电模块相连，以将其产生的电信号进行整流校正后以便存储在振动能量存储单元中。
优选的，所述振动能量存储单元采用超级电容作为储能器件，以将所述振动能量收集单元所收集到的整流校正后的电信号进行存储。由于采用超级电容作为储能装置，因此当机车没有在运行时，所述超级电容依然能够继续向所述定位单元进行供电。以确保无论机车处于什么样状态，均能将所述机车的位置上传至终端服务器。
本发明针对机车无线定位的应用，摆脱了需要布置大量定位标签和基站的缺点，利用机车振动产生的机械能进行供电，本发明不仅仅保证机车的安全运行，同时还有利于节能环保，具有很高的应用价值。
一种轨道车辆振动微发电的无线定位方法，包括如下步骤，如附图2所示：
S1：在机车外部设置振动微发电模块，以将机车运行过程中产生的机械能转换为电能；优选的，所述振动微发电模块设置于及车上振动剧烈的位置，以便能够将更多的机械能转化为电能，增加电能的收集率。
S2：将所述电能通过振动能量收集单元进行收集，并将收集到的电信号传入到振动能量存储单元，以将所述电能进行存储；以使得当机车停止运行时，仍然有存储的电能能够提供给定位单元，保证定位单元的正常工作，增强机车运行过程中的安全性。
S3：所述能量存储单元将电能传输至输出控制单元，以将所述能量存储单元的输出电压转换为定位单元所需的电压；同时也能确保所述定位单元的输入电压的稳定。
S4：所述定位单元将机车的位置信息无线传输至终端服务器，以将所述机车的位置信息传送出去，以确保机车运行安全。通过无线传输进行通信的方式，不仅无需在轨道旁设置基站，同时也避免的布线和供电的困难，节省人力、财力成本。
需要说明的是，采用本发明的能够收集轻微振动产生微电能，并将电信号进行存储，以为后端低功耗负载，如微控制器、传感器、数据转换器无线传输组件进行供电的发明思路，均属于本发明保护范围内。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种轨道车辆振动微发电的无线定位装置，其特征在于，包括：机车、振动微发电模块、振动能量收集单元、振动能量存储单元、输出控制单元、定位单元和终端服务器；
所述振动微发电模块固定设置于所述机车外部，以将机车运行过程中产生的机械能转换为电能；
所述振动能量收集单元与所述振动微发电模块电连接，以将所述振动微发电模块产生的电能进行收集；
所述振动能量存储单元与所述振动能量收集单元电连接，以将收集到的电信号进行存储；
所述输出控制单元与所述振动能量存储单元与电连接，以与所述振动能量存储单元进行电信号的传输，并将所述电信号转换成恒定的电压输出；
所述定位单元与所述输出控制单元电连接，以向所述定位单元提供电源；
所述定位单元与终端服务器无线通信连接，与所述终端服务器进行数据传输，将机车的位置信息传输到终端服务器。
2.根据权利要求1所述的一种轨道车辆振动微发电的无线定位装置，其特征在于，所述振动能量收集单元采用的是LTC3588芯片作为收集电路。
3.根据权利要求1所述的一种轨道车辆振动微发电的无线定位装置，其特征在于，所述振动能量存储单元采用超级电容作为储能器件。
4.一种轨道车辆振动微发电的无线定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在机车外部设置振动微发电模块，以将机车运行过程中产生的机械能转换为电能；
S2：将所述电能通过振动能量收集单元进行收集，并将收集到的电信号传入到振动能量存储单元，以将所述电能进行存储；
S3：所述能量存储单元将电能传输至输出控制单元，以将所述能量存储单元的输出电压转换为定位单元所需电压；
S4：所述定位单元将机车的位置信息无线传输至终端服务器，以将所述机车的位置信息传送出去，以确保机车运行安全。
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