CN114383607B - 一种利用imu测试btm动态性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用IMU测试BTM动态性能的方法，包括：所述BTM主机接收IMU实时采集的BTM天线的运动参数；当所述BTM主机丢失应答器时，对BTM天线的运动参数进行分析，确定丢失应答器的原因。上述方法通过IMU可以采集BTM天线的动态参数，通过BTM主机可以利用BTM天线的动态参数对应答器丢失问题进行分析，确定应答器丢失原因，对高速列车BTM的应用推广有实际意义，可以为应答器丢失的难题提供解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种利用IMU测试BTM动态性能的方法。
背景技术
应答器传输模块(BTM)是列车运行控制系统(CTCS)中重要的组成部分，其运行的安全、稳定、可靠直接影响到铁路运输的安全与效率。BTM分为车载BTM主机与车载BTM天线，车载BTM主机安装在车厢内部，通过通信电缆与ATP相连接，其主要功能为对应答器上行链路信号进行滤波、解调与相应的信号处理，并最终将应答器用户报文传输至ATP。车载BTM天线安装在列车车厢底部，其通过无线接口(A接口)获取应答器上行链路信号，同时将应答器激活能量信号持续发送至地面。
目前BTM已大量运用于高速铁路与城市轨道交通领域，针对运用过程中偶尔出现的应答器丢失问题(该问题会导致列车紧急制动，影响运输效率)，BTM厂家已做了大量研究及优化工作，主要包括如下三种措施：1)通过修改BTM软件算法提高对应答器上行链路信号的解调及译码性能，提高BTM抗干扰能力；2)规范BTM设备安装条件，除了规定BTM天线距离轨平面高度指标之外，还规定了BTM天线的最大倾斜、偏转与俯仰角；3)规范BTM天线周围电磁环境，防止车辆产生的噪声影响BTM对应答器信号的处理。
以上措施1)通过修改软件来提高BTM对应答器上行链路信号的解调能力，降低接收过程中由于软件算法问题导致的误码率，但无法从源头上解决应答器丢失问题，措施2)虽然提出静态及动态指标，但目前还未发现动态情况下的测试案例，动态情况下由于车辆振动等原因，当BTM天线角度偏移过大时，也可能会导致应答器丢失，措施3)虽然在动态情况下可以测试，但采集到车辆噪声时，测试人员无法得知此时车辆的运行情况，故也就无法定位噪声源。此外，目前TB/T 3485-2017《应答器传输系统技术条件》中虽然提出了BTM设计厂家应给出BTM天线的动态偏移，但并未给出测量方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用IMU测试BTM动态性能的方法，通过动态测量BTM天线的运动情况，可以为应答器丢失的难题提供解决方案。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种利用IMU测试BTM动态性能的方法，包括：
BTM主机接收IMU实时采集的BTM天线的运动参数；
当所述BTM主机丢失应答器时，对BTM天线的运动参数进行分析，确定丢失应答器的原因。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过IMU可以采集BTM天线的动态参数，通过BTM主机可以利用BTM天线的动态参数对应答器丢失问题进行分析，确定应答器丢失原因，对高速列车BTM的应用推广有实际意义，可以为应答器丢失的难题提供解决方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明实施例提供的一种利用IMU测试BTM动态性能的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的硬件结构示意图；
图3为本发明实施例提供的多速率鲁棒卡尔曼滤波算法框图。
具体实施方式
下面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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
下面对本发明所提供的一种利用IMU测试BTM动态性能的方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如图1所示，一种利用IMU测试BTM动态性能的方法，主要包括如下步骤：
步骤1、BTM主机接收IMU实时采集的BTM天线的运动参数。
本发明实施例中，所述BTM天线的运动参数包括：倾斜、偏转与俯仰角，以及3个方向速度与加速度；所述3个方向包括东向、北向与天向。
本领域技术人员可以理解，根据BTM的行业标准规定的天线单元安装及环境要求，天线单元安装允许的静态和动态偏移中有天线单元最大倾斜角、最大偏转角与最大俯仰角的要求，该角度可用本发明提供的方法进行测量。
步骤2、当所述BTM主机丢失应答器时，对BTM天线的运动参数进行分析，确定丢失应答器的原因。
本发明实施例中，BTM主机丢失应答器主要考虑如下两种情况：当所述BTM主机无法对应答器数据进行正确译码时，对所述BTM天线的运动参数进行分析，判断是否由于车辆运动超出BTM天线的动态参数范围导致；当所述BTM主机未收到任何应答器数据时，对所述BTM天线的运动参数进行分析，判断BTM天线的运动参数是否符合要求。
本发明实施例提供的上述方案，通过IMU可以采集BTM天线的动态参数，通过BTM主机可以利用BTM天线的动态参数对应答器丢失问题进行分析，确定应答器丢失原因，对高速列车BTM的应用推广有实际意义，可以为应答器丢失的难题提供解决方案。
为了便于理解，下面针对上述方法的原理以及相关的硬件结构分别进行介绍。
一、工作原理。
本发明实施例中，IMU安装于BTM天线上方，在列车动态运行情况下，IMU随BTM天线一起运行，实时测量BTM天线的运动参数(包括倾斜、偏转与俯仰角，3个方向速度与加速度)，将测量的参数发送至BTM主机进行融合处理。BTM主机统计经过每个应答器时，BTM天线的运动参数。
当BTM丢失应答器时，有以下两种情况：①BTM受到干扰信号导致无法对应答器数据进行正确译码，这时BTM主机将记录BTM天线的运动参数，便于后续对比分析，是否是由于车辆运动超出BTM的动态参数范围导致；②BTM未收到任何应答器信号，由于BTM主机会实时记录BTM天线的运行参数，故只需分析再该段时间内BTM天线的运动参数是否符合要求。
二、硬件结构。
1、BTM。
如图2所示，本发明实施例中，所述BTM包括：BTM主机与BTM天线。
1)BTM主机。
本发明实施例中，BTM主机设置在列车内，其主要包括：电源单元、功放单元、接收单元、通信单元及主控单元。
2)BTM天线。
本发明实施例中，BTM天线设置在列车车底，BTM主机与BTM天线之间通过同轴电缆连接。
本发明实施例中，所述电源单元、功放单元、接收单元、通信单元、BTM天线为BTM既有设备，主控单元为新增设备，若有其他需要可再增加其他单元。当然主控单元也可以为BTM主机中的既有设备，只需要在集有主控单元内部增加数据融合处理模块即可。
2、IMU(惯性测量单元)。
如图2所示，新增的IMU安装在车底BTM天线上方，在列车动态运行情况下，所述IMU随BTM天线一起运行。IMU与BTM主机之间通过串口或者其他总线连接。
为了便于安装与降低设备成本，IMU可采用微机械(MEMS)技术，其中内部含有加速度计、陀螺仪、磁力计和温度计。所述加速度计，用于采集速度与加速度；所述陀螺仪，用于采集角度信息；所述磁力计测量地球磁场，用于对IMU进行动态标定与补偿；所述温度计用于测量IMU周围的环境温度，在不同的温度下利用算法对IMU进行温度补偿，减小测量误差。
示例性的：1)加速度计性能要求为：量测：±10g以内；零偏：≤0.01mg；速度随机游走：(Hz表示频率)；2)陀螺仪性能要求为：输入范围：±450°/s；零偏稳定性：0.8°～1°/hr(hr表示小时)；陀螺角随机游走：/>
优选的，由于BTM动态性能测试的关键是利用IMU进行BTM天运动参数的采集，但是，IMU在长期使用中会产生累计误差，故需要隔一段时间进行校准，消除长时间运行产生的累计误差，提高采集BTM天线运动参数的可靠性与准确性。校准方式包括：将从ATP获取的列车轮速信息、BTM的采集信息与IMU采集的BTM天线的运动参数进行信息融合(通过前述主控单元或者主控单元内部的数据融合处理模块实施)，融合结果即为校准后的BTM天线的运动参数。。
在信息融合中，由于所述BTM主机向IMU发送的列车轮速信息的频率与IMU采集数据的频率不同，因此，采用多速率鲁棒卡尔曼滤波算法进行滤波提高信息融合的适应性与鲁棒性，融合算法框图如图3所示。融合方法采用间接法滤波，即以其他传感器(包括列车轮速传感器与BTM)的误差量作为估计对象，滤波时，以IMU采集的BTM天线的运动参数作为主要参数，其他传感器的参数为辅助参数，对IMU的误差进行估计滤波，得到目前最优的状态估计，也即校准后的BTM天线的运动参数。
本发明实施例上述方案对高速列车BTM的应用推广有实际意义，通过动态测量BTM天线的运动情况，可以为应答器丢失的难题提供解决方案，主要获得如下有益效果：
1)仅需在车底BTM天线上方安装IMU，操作简单方便，且不会对车辆本身造成任何影响；
2)兼容性强，适用于目前所有装有BTM设备的车型；
3)融合算法采用一种多速率鲁棒卡尔曼滤波算法，该方法考虑了不同传感器采集数据频率不同，并在此基础上进行融合估计，有很强的自适应与稳定性。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种利用IMU测试BTM动态性能的方法，其特征在于，包括：
BTM主机接收IMU实时采集的BTM天线的运动参数；
当所述BTM主机丢失应答器时，对BTM天线的运动参数进行分析，确定丢失应答器的原因；
所述BTM天线的运动参数包括：倾斜、偏转与俯仰角，以及3个方向速度与加速度；所述3个方向包括东向、北向与天向；
所述IMU安装在所述BTM天线上方，在列车动态运行情况下，所述IMU随BTM天线一起运行；
所述当所述BTM主机丢失应答器时，对所述BTM天线的运动参数进行分析，确定丢失应答器的原因包括：当所述BTM主机无法对应答器数据进行正确译码时，对所述BTM天线的运动参数进行分析，判断是否由于车辆运动超出BTM天线的动态参数范围导致；当所述BTM主机未收到任何应答器数据时，对所述BTM天线的运动参数进行分析，判断BTM天线的运动参数是否符合要求。
2.根据权利要求1所述的一种利用IMU测试BTM动态性能的方法，其特征在于，所述IMU内部设有加速度计、陀螺仪、磁力计和温度计；
所述加速度计，用于采集速度与加速度；所述陀螺仪，用于采集角度信息；
所述磁力计测量地球磁场，用于对IMU进行动态标定与补偿；所述温度计用于测量IMU周围的环境温度，在不同的温度下利用算法对IMU进行温度补偿。
3.根据权利要求1所述的一种利用IMU测试BTM动态性能的方法，其特征在于，所述BTM主机与BTM天线之间通过同轴电缆连接，IMU与BTM主机之间通过串口或者其他总线连接。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种利用IMU测试BTM动态性能的方法，其特征在于，该方法还包括：定期对所述IMU采集的BTM天线的运动参数进行校准，校准方式包括：将从ATP获取的列车轮速信息、BTM的采集信息与IMU采集的BTM天线的运动参数进行信息融合，融合结果即为校准后的BTM天线的运动参数。
5.根据权利要求4所述的一种利用IMU测试BTM动态性能的方法，其特征在于，在信息融合过程中，当所述BTM主机向IMU发送的列车轮速信息的频率与IMU采集数据的频率不同时，采用多速率鲁棒卡尔曼滤波算法进行滤波，以IMU采集的BTM天线的运动参数作为主要参数，其他传感器的参数为辅助参数，对IMU的误差进行估计滤波，得到目前最优的状态估计，也即校准后的BTM天线的运动参数；所述其他传感器包括：列车轮速传感器与BTM。
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