CN114852133A - 一种用于高速飞行列车的组合式定位测速系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种用于高速飞行列车的组合式定位测速系统及方法，所述系统包括轮轴速度传感器、无速度传感器、悬浮线圈计数器、绝对定位装置和控制单元；在低速阶段，利用轮轴速度传感器和绝对定位装置进行定位测速，同时利用悬浮线圈计数器对相对位置信息进行修正，提高了低速阶段的定位精度，在高速阶段，利用无速度传感器和绝对定位装置进行定位测速，能够满足牵引控制系统和运行控制系统对于全线路全速域高精度定位测速的需求。本发明与传统的单一地面定位测速方法相比，不需要沿线路在地面铺设相关设备，在成本和维护性上具有极大的优势。
Description
技术领域
本发明涉及磁浮轨道交通定位测速技术领域，尤其涉及一种用于高速飞行列车的组合式定位测速系统及方法。
背景技术
目前，磁悬浮列车技术正在高速发展。高速飞行列车采用超导电动悬浮(EDS悬浮)制式，第一阶段的目标速度为1000km/h，要求定位测速系统需要采用无接触的方式，获取高速飞行列车的实时位置和速度信息，一方面传给地面牵引控制系统，完成牵引的闭环控制和分段供电；另一方面传给地面运行控制系统，实现安全防护、集中控制和调度。其中，牵引控制系统对定位测速的精度指标要求较高，为了避免牵引推力损失过大，通常要求定位精度高于定子极距的五十分之一，理论上牵引效率能达到99.8％。
牵引控制系统和运行控制系统均布局在地面，因此，定位测速信息最终需要传输至地面。现有的定位测速方案包括地面定位测速和车载定位测速两类。地面定位测速常采用交叉感应环线等地面定位测速技术，以满足定位精度要求。由于该方案需要沿线路全线铺设感应环线设备，成本较高且不便于维护。车载定位测速则是采用车上接收和解析的方式，通过车地无线通信将位置和速度信息传给地面的牵引和运控系统，相比于地面定位测速，车载定位测速方式不用沿线路全线铺设设备，具有成本上的显著优势，且方便维护。但是，在车载设备获取到定位测速信息后，需要通过车地无线通信传输至地面牵引和运控系统，信息传输有一定的时延(约5～25ms)，在高速下无法满足牵引系统对定位测速信息的时延指标要求(约100μs)。所以车载定位测速系统只适用于低速段的定位测速，无法完成全速域(0～1000km/h)下的定位测速功能。
因此，现有的定位测速方案无法在低成本和便于维护的前提下满足高速飞行列车全速域的定位测速需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于高速飞行列车的组合式定位测速系统及方法，能够解决现有的定位测速方案无法在低成本和便于维护的前提下满足高速飞行列车全速域的定位测速需求的技术问题。
根据本发明的一方面，提供了一种用于高速飞行列车的组合式定位测速系统，所述系统包括轮轴速度传感器、无速度传感器、悬浮线圈计数器、绝对定位装置和控制单元；
所述绝对定位装置用于获取列车的第一绝对位置信息，并发送至所述控制单元；
所述轮轴速度传感器用于输出支撑轮转角位置脉冲信号，并发送至所述控制单元；
所述控制单元用于根据接收的支撑轮转角位置脉冲信号判断列车当前时刻的速度是否小于预设速度；
在列车当前时刻的速度小于预设速度的情况下，所述控制单元还用于根据支撑轮转角位置脉冲信号获取列车的第一相对位置信息和第一速度信息，同时，所述悬浮线圈计数器用于输出计数脉冲信号并发送至所述轮轴速度传感器和所述控制单元；
所述控制单元还用于判断当前时刻是否为计数脉冲信号上升沿的起始时刻，在当前时刻是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，所述控制单元还用于对第一相对位置信息进行修正，得到修正后的第一相对位置信息，并将修正后的第一相对位置信息和第一速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第一速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制，在当前时刻不是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，所述控制单元还用于不对第一相对位置信息进行修正，并将未修正的第一相对位置信息和第一速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第一速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制；
在列车当前时刻的速度大于或等于预设速度的情况下，所述无速度传感器用于生成反电势，同时，所述悬浮线圈计数器还用于输出计数脉冲信号并发送至所述无速度传感器和所述控制单元；
所述无速度传感器还用于根据生成的反电势判断自身是否失效；
在所述无速度传感器有效的情况下，所述无速度传感器还用于根据反电势获取电机转角信息，并发送至所述控制单元，所述控制单元还用于根据电机转角信息获取列车的第二相对位置信息和第二速度信息，并将第二相对位置信息和第二速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第二速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制。
优选的，在所述无速度传感器失效的情况下，所述控制单元还用于根据计数脉冲信号获取列车的第三相对位置信息，对获取的所有第三相对位置信息进行累加得到列车的第二绝对位置信息，并将第二绝对位置信息发送至车载运行控制系统，车载运行控制系统根据第二绝对位置信息指导列车紧急停车。
优选的，所述悬浮线圈计数器包括激励电路、功率放大电路、激磁线圈、检测线圈、线圈检测电路和过零比较电路，所述激励电路生成激励电信号并输出至所述功率放大电路；所述功率放大电路对接收的激励电信号进行放大，并将放大后的激励电信号输出至所述激磁线圈；所述激磁线圈根据放大后的激励电信号生成激磁电磁波信号；所述悬浮线圈基于接收的激磁电磁波信号产生耦合交变磁场；所述检测线圈检测到耦合交变磁场后生成感应电压信号，并输出至所述线圈检测电路；所述线圈检测电路生成检测后的感应电压信号，并将检测后的感应电压信号输出至所述过零比较电路；所述过零比较电路根据检测后的感应电压信号输出计数脉冲信号。
优选的，所述无速度传感器包括滑模观测器、第一减法器、第二减法器、符号函数单元、低通滤波器和转速估算器；所述滑模观测器根据静止坐标系下α轴上的电机输入电压uα、静止坐标系下β轴上的电机输入电压uβ、静止坐标系下α轴上的反电势vα和静止坐标系下β轴上的反电势vβ获取静止坐标系下α轴上的观测器输出电流Iα和静止坐标系下β轴上的观测器输出电流Iβ，并将静止坐标系下α轴上的观测器输出电流Iα输出至所述第一减法器，将静止坐标系下β轴上的观测器输出电流Iβ输出至所述第二减法器；所述第一减法器对静止坐标系下α轴上的观测器输出电流和静止坐标系下α轴上的电机实测电流iα作差，得到静止坐标系下α轴上的观测器输出电流Iα和电机实测电流iα的差值，并输出至所述符号函数单元；所述第二减法器对静止坐标系下β轴上的观测器输出电流Iβ和静止坐标系下β轴上的电机实测电流iβ作差，得到静止坐标系下β轴上的观测器输出电流Iβ和电机实测电流iβ的差值，并输出至所述符号函数单元；所述符号函数单元分别对静止坐标系下α轴上的观测器输出电流Iα和电机实测电流iα的差值与静止坐标系下β轴上的观测器输出电流Iβ和电机实测电流iβ的差值进行符号函数运算，得到静止坐标系下α轴上的反电势vα和静止坐标系下β轴上的反电势vβ，并将静止坐标系下α轴上的反电势vα和静止坐标系下β轴上的反电势vβ分别输出至所述滑模观测器和所述低通滤波器；所述低通滤波器分别对静止坐标系下α轴上的反电势vα和静止坐标系下β轴上的反电势vβ进行低通滤波，得到静止坐标系下α轴上滤波后的反电势vα和静止坐标系下β轴上滤波后的反电势vβ，并将静止坐标系下α轴上滤波后的反电势vα和静止坐标系下β轴上滤波后的反电势vβ输出至所述转速估算器；所述转速估算器根据静止坐标系下α轴上滤波后的反电势vα和静止坐标系下β轴上滤波后的反电势vβ获取电机转角信息θ。
优选的，所述绝对定位装置为毫米波定位装置。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于高速飞行列车的组合式定位测速方法，所述方法包括：
绝对定位装置获取列车的第一绝对位置信息，并发送至控制单元；
轮轴速度传感器输出支撑轮转角位置脉冲信号，并发送至控制单元；
控制单元根据接收的支撑轮转角位置脉冲信号判断列车当前时刻的速度是否小于预设速度；
在列车当前时刻的速度小于预设速度的情况下，控制单元根据支撑轮转角位置脉冲信号获取列车的第一相对位置信息和第一速度信息，同时，悬浮线圈计数器输出计数脉冲信号并发送至轮轴速度传感器和控制单元；
控制单元判断当前时刻是否为计数脉冲信号上升沿的起始时刻，在当前时刻是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，控制单元对第一相对位置信息进行修正，得到修正后的第一相对位置信息，并将修正后的第一相对位置信息和第一速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第一速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制，在当前时刻不是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，控制单元不对第一相对位置信息进行修正，并将未修正的第一相对位置信息和第一速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第一速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制；
在列车当前时刻的速度大于或等于预设速度的情况下，无速度传感器生成反电势，同时，悬浮线圈计数器输出计数脉冲信号并发送至无速度传感器和控制单元；
无速度传感器根据生成的反电势判断自身是否失效；
在无速度传感器有效的情况下，无速度传感器根据反电势获取电机转角信息，并发送至控制单元，控制单元根据电机转角信息获取列车的第二相对位置信息和第二速度信息，并将第二相对位置信息和第二速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第二速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制。
优选的，在当前时刻是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，控制单元对第一相对位置信息进行修正，得到修正后的第一相对位置信息包括：
在当前时刻是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，控制单元获取上一个计数脉冲信号上升沿的起始时刻对应的列车的第三相对位置信息；
控制单元获取上一个计数脉冲信号上升沿的起始时刻对应的列车的第三相对位置信息和相邻两个悬浮线圈计数器之间的间距获取修正后的第一相对位置信息。
优选的，控制单元获取上一个计数脉冲信号上升沿的起始时刻对应的列车的第三相对位置信息和相邻两个悬浮线圈计数器之间的间距获取修正后的第一相对位置信息包括：控制单元将上一个计数脉冲信号上升沿的起始时刻对应的列车的第三相对位置信息与相邻两个悬浮线圈计数器之间的间距之和作为修正后的第一相对位置信息。
优选的，所述方法还包括：在无速度传感器失效的情况下，控制单元根据计数脉冲信号获取列车的第三相对位置信息，对获取的所有第三相对位置信息进行累加得到列车的第二绝对位置信息，并将第二绝对位置信息发送至车载运行控制系统，车载运行控制系统根据第二绝对位置信息指导列车紧急停车。
应用本发明的技术方案，在低速阶段，利用轮轴速度传感器和绝对定位装置进行定位测速，同时利用悬浮线圈计数器对相对位置信息进行修正，提高了低速阶段的定位精度，在高速阶段，利用无速度传感器和绝对定位装置进行定位测速，能够满足牵引控制系统和运行控制系统对于全线路全速域高精度定位测速的需求。本发明与传统的单一地面定位测速方法相比，不需要沿线路在地面铺设相关设备，在成本和维护性上具有极大的优势。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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的附图。
图1示出了根据本发明一种实施例提供的用于高速飞行列车的组合式定位测速系统的结构示意图；
图2示出了图1中悬浮线圈计数器的原理图；
图3示出了图1中无速度传感器的原理图；
图4示出了图1中毫米波定位装置的原理图；
图5示出了根据本发明一种实施例提供的不同定位测速方法适用速度范围的示意图；
图6示出了根据本发明一种实施例提供的用于高速飞行列车的组合式定位测速方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图1示出了根据本发明一种实施例提供的用于高速飞行列车的组合式定位测速系统的结构示意图。如图1所示，本发明提供了一种用于高速飞行列车的组合式定位测速系统，所述系统包括轮轴速度传感器、无速度传感器、悬浮线圈计数器、绝对定位装置和控制单元；
所述绝对定位装置用于获取列车的第一绝对位置信息，并发送至所述控制单元；
所述轮轴速度传感器用于输出支撑轮转角位置脉冲信号，并发送至所述控制单元；
所述控制单元用于根据接收的支撑轮转角位置脉冲信号判断列车当前时刻的速度是否小于预设速度；
在列车当前时刻的速度小于预设速度的情况下，所述控制单元还用于根据支撑轮转角位置脉冲信号获取列车的第一相对位置信息和第一速度信息，同时，所述悬浮线圈计数器用于输出计数脉冲信号并发送至所述轮轴速度传感器和所述控制单元；
所述控制单元还用于判断当前时刻是否为计数脉冲信号上升沿的起始时刻，在当前时刻是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，所述控制单元还用于对第一相对位置信息进行修正，得到修正后的第一相对位置信息，并将修正后的第一相对位置信息和第一速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第一速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制，在当前时刻不是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，所述控制单元还用于不对第一相对位置信息进行修正，并将未修正的第一相对位置信息和第一速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第一速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制；
在列车当前时刻的速度大于或等于预设速度的情况下，所述无速度传感器用于生成反电势，同时，所述悬浮线圈计数器还用于输出计数脉冲信号并发送至所述无速度传感器和所述控制单元；
所述无速度传感器还用于根据生成的反电势判断自身是否失效；
在所述无速度传感器有效的情况下，所述无速度传感器还用于根据反电势获取电机转角信息，并发送至所述控制单元，所述控制单元还用于根据电机转角信息获取列车的第二相对位置信息和第二速度信息，并将第二相对位置信息和第二速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第二速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制。
本发明在低速阶段，利用轮轴速度传感器和绝对定位装置进行定位测速，同时利用悬浮线圈计数器对相对位置信息进行修正，提高了低速阶段的定位精度，在高速阶段，利用无速度传感器和绝对定位装置进行定位测速，能够满足牵引控制系统和运行控制系统对于全线路全速域高精度定位测速的需求。本发明与传统的单一地面定位测速方法相比，不需要沿线路在地面铺设相关设备，在成本和维护性上具有极大的优势。
牵引控制系统需要获取高速飞行列车全程的相对位置信息与速度信息，以实现对高速飞行列车的牵引控制。在低速阶段，高速飞行列车尚未悬浮，处于支撑状态，依靠支撑轮在地面滑动，轮轴速度传感器与高速飞行列车支撑轮同轴安装，每转多次收集支撑轮转角位置脉冲信号，并转化为相对位置信息与速度信息后，通过车地无线通信发送至牵引控制系统；在中高速阶段，高速飞行列车起浮后，无速度传感器基于高速飞行列车电机模型，利用传感器测得的电流估计误差进行反电势的重构，通过观测反电势估算出电机转角信息，进一步计算出高速飞行列车的相对位置信息与速度信息。地面运行控制系统需要获取高速飞行列车全程的绝对位置信息与速度信息，以实现对高速飞行列车的运行控制。通过轮轴速度传感器、无速度传感器和绝对定位装置能够完成全线路全速域的位置与速度检测。
为了保证乘客的舒适性，高速飞行列车的支撑轮通常为胶轮，在低速运行过程中存在空转、打滑、磨损等问题，会带来相对定位误差并且会随着运行里程累积，因此，轮轴速度传感器本身会有累积误差。本发明利用悬浮线圈计数器对轮轴速度传感器的相对位置信息果进行修正，以消除轮轴速度传感器带来的累积误差，提高了低速阶段的定位精度。
根据本发明的一种实施例，在所述无速度传感器失效的情况下，所述控制单元还用于根据计数脉冲信号获取列车的第三相对位置信息，对获取的所有第三相对位置信息进行累加得到列车的第二绝对位置信息，并将第二绝对位置信息发送至车载运行控制系统，车载运行控制系统根据第二绝对位置信息指导列车紧急停车。在本实施中，将悬浮线圈计数器作为无速度传感器的后备方案，在无速度传感器失效等紧急情况下，通过悬浮线圈计数器将绝对位置信息与速度信息发给车载运行控制系统，指导列车紧急停车。
在本发明中，轮轴速度传感器通过软性连接器同轴安装在支撑轮的轴箱盖上。当高速飞行列车处于支撑状态运行时，支撑轮带动轮轴速度传感器以同样的速度运动，通过光栅盘扫描的方式，轮轴速度传感器输出方波形式的支撑轮转角位置脉冲信号，对支撑轮转角位置脉冲信号进行计数可以得到高速飞行列车在支撑状态下的相对位置信息，精度约为10mm量级。
其中，通过下式得到列车的第一相对位置信息：
式中，s1表示列车的第一相对位置信息，D表示支撑轮的直径，N表示支撑轮旋转一周输出的支撑轮转角位置脉冲信号的数量，n表示当前输出的支撑轮转角位置脉冲信号的总数。
图2示出了图1中悬浮线圈计数器的原理图。如图2所示，根据本发明的一种实施例，所述悬浮线圈计数器包括激励电路、功率放大电路、激磁线圈、检测线圈、线圈检测电路和过零比较电路，所述激励电路生成激励电信号并输出至所述功率放大电路；所述功率放大电路对接收的激励电信号进行放大，并将放大后的激励电信号输出至所述激磁线圈；所述激磁线圈根据放大后的激励电信号生成激磁电磁波信号；所述悬浮线圈基于接收的激磁电磁波信号产生耦合交变磁场；所述检测线圈检测到耦合交变磁场后生成感应电压信号，并输出至所述线圈检测电路；所述线圈检测电路生成检测后的感应电压信号，并将检测后的感应电压信号输出至所述过零比较电路；所述过零比较电路根据检测后的感应电压信号输出计数脉冲信号。
为了保持高速飞行列车在中高速阶段的稳定悬浮，沿线路均匀分布悬浮线圈，因此，在高速飞行列车运行过程中，根据电涡流效应设计悬浮线圈计数器，每隔一定距离完成一次位置信息输出。当高速飞行列车支撑轮出现空转、打滑、磨损等工况时，轮轴速度传感器输出的相对位置信息与高速飞行列车真实位置会产生误差，且此误差会随着里程而积累，最终造成无法满足牵引和运控的定位精度要求。因此，本发明利用悬浮线圈计数器间隔输出准确的相对位置信息(精度约为10mm量级)对轮轴速度传感器的输出结果进行周期性校正，以消除累积误差。同时，悬浮线圈计数器也作为紧急情况下的后备方案，其输出的位置与速度提供给车载运行控制系统，用于指导列车紧急停车。
在本发明中，悬浮线圈计数器基于电涡流效应，检测线圈从开始与悬浮线圈相对重叠到完全离开，电压值近似正弦规律变化，其中，电压值变化率最大时刻发生在一部分进入和一部分出去时刻，电压值变化率最小时刻发生在完全重叠时刻。利用过零比较电路将正弦信号转换为方波信号，则可以实现位置信息的周期性输出。
图3示出了图1中无速度传感器的原理图。如图3所示，根据本发明的一种实施例，所述无速度传感器包括滑模观测器、第一减法器、第二减法器、符号函数单元、低通滤波器和转速估算器；所述滑模观测器根据静止坐标系下α轴上的电机输入电压uα、静止坐标系下β轴上的电机输入电压uβ、静止坐标系下α轴上的反电势vα和静止坐标系下β轴上的反电势vβ获取静止坐标系下α轴上的观测器输出电流Iα和静止坐标系下β轴上的观测器输出电流Iβ，并将静止坐标系下α轴上的观测器输出电流Iα输出至所述第一减法器，将静止坐标系下β轴上的观测器输出电流Iβ输出至所述第二减法器；所述第一减法器对静止坐标系下α轴上的观测器输出电流和静止坐标系下α轴上的电机实测电流iα作差，得到静止坐标系下α轴上的观测器输出电流Iα和电机实测电流iα的差值，并输出至所述符号函数单元；所述第二减法器对静止坐标系下β轴上的观测器输出电流Iβ和静止坐标系下β轴上的电机实测电流iβ作差，得到静止坐标系下β轴上的观测器输出电流Iβ和电机实测电流iβ的差值，并输出至所述符号函数单元；所述符号函数单元分别对静止坐标系下α轴上的观测器输出电流Iα和电机实测电流iα的差值与静止坐标系下β轴上的观测器输出电流Iβ和电机实测电流iβ的差值进行符号函数运算，得到静止坐标系下α轴上的反电势vα和静止坐标系下β轴上的反电势vβ，并将静止坐标系下α轴上的反电势vα和静止坐标系下β轴上的反电势vβ分别输出至所述滑模观测器和所述低通滤波器；所述低通滤波器分别对静止坐标系下α轴上的反电势vα和静止坐标系下β轴上的反电势vβ进行低通滤波，得到静止坐标系下α轴上滤波后的反电势vα和静止坐标系下β轴上滤波后的反电势vβ，并将静止坐标系下α轴上滤波后的反电势vα和静止坐标系下β轴上滤波后的反电势vβ输出至所述转速估算器；所述转速估算器根据静止坐标系下α轴上滤波后的反电势vα和静止坐标系下β轴上滤波后的反电势vβ获取电机转角信息θ。
在上述实施例中，无速度传感器中采用了具有反馈修正的闭环算法，提高了无速度传感器的鲁棒性和精度。该无速度传感器在中高速区段容易实现且精度较高，但是在低速区段反电势小，信号容易受到干扰，信噪比低下，位置和速度检测精度低，在零速工况下甚至无法正常使用。
其中，通过下式得到列车的第二相对位置信息：
式中，s2表示列车的第二相对位置信息，L表示超导磁体极距。
根据本发明的一种实施例，所述绝对定位装置为毫米波定位装置。毫米波定位装置用于为地面运行控制系统提供全线路全速域的绝对位置信息，其原理如图4所示。在每一分区内，布置三套地面位置检测装置，每一套地面位置检测装置和毫米波定位装置都配置有收发机、基带单元和位置检测单元，三套地面位置检测装置的发射频率分别为f1、f2和f3，并均以f0的接收频率接收来自车载毫米波定位装置的毫米波信号，再通过光纤链路将三路定位数据发送到中心站的处理器。处理器根据三路接收信号计算出三个距离信息，类似于卫星定位原理，利用三维坐标中的距离公式，可以解算出信号源(高速飞行列车)的绝对位置信息，从而实现定位，定位精度在米级。地面位置检测装置和中心站都配置有电光转换模块，实现电信号与光信号之间的转换。
在本发明中，将预设速度设置为150km/h，在列车的速度小于150km/h时为低速阶段，在列车的速度大于或等于150km/h时为中高速阶段。
图5示出了根据本发明一种实施例提供的不同定位测速方法适用速度范围的示意图。如图5所示，作为本发明的优选实施例，飞车采用EDS悬浮制式，在低速阶段(0～150km/h)高速飞行列车处于支撑状态，轮轴速度传感器通过采集支撑轮转角位置脉冲信号计算得到列车的相对位置信息，同时悬浮线圈计数器对轮轴速度传感器输出的相对位置信息进行修正。修正后的相对位置信息通过车地无线通信系统传给牵引控制系统，确保相对位置信息误差(10mm级)不超过牵引控制系统的闭环控车的要求。同时，毫米波定位装置检测到列车的绝对位置信息(精度在m级)，发送给地面运行控制系统，实现安全防护、集中控制和调度。
在中高速阶段(大于或等于150km/h)，高速飞行列车开始起浮并稳定悬浮，此时轮轴速度传感器失效，无速度传感器处于最佳工作区。无速度传感器通过测量反电势得到列车的相对位置信息，通过车地无线通信系统传给牵引控制系统。同时，毫米波定位装置检测到列车的绝对位置信息(精度在m级)，发送给地面运行控制系统，实现安全防护、集中控制和调度。
一般情况下，无速度传感器的失效会导致车地通信失效，此时，毫米波定位装置无法获取列车的绝对位置信息，通过悬浮线圈计数器获取的绝对位置信息发送给车载运行控制系统，指导列车紧急停车。
本发明根据不同定位测速方案的特点以及在不同速域的适用性，并充分利用高速飞行列车线路上的已有物体(悬浮线圈)，完成飞行列车的绝对位置、相对位置和速度的检测，与现有方案相比，具有更大的适用性，且极大地降低了定位测速系统的成本。
图6示出了根据本发明一种实施例提供的用于高速飞行列车的组合式定位测速方法的流程图。如图6所示，本发明提供了一种用于高速飞行列车的组合式定位测速方法，所述方法包括：
绝对定位装置获取列车的第一绝对位置信息，并发送至控制单元；
轮轴速度传感器输出支撑轮转角位置脉冲信号，并发送至控制单元；
控制单元根据接收的支撑轮转角位置脉冲信号判断列车当前时刻的速度是否小于预设速度；
在列车当前时刻的速度小于预设速度的情况下，控制单元根据支撑轮转角位置脉冲信号获取列车的第一相对位置信息和第一速度信息，同时，悬浮线圈计数器输出计数脉冲信号并发送至轮轴速度传感器和控制单元；
控制单元判断当前时刻是否为计数脉冲信号上升沿的起始时刻，在当前时刻是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，控制单元对第一相对位置信息进行修正，得到修正后的第一相对位置信息，并将修正后的第一相对位置信息和第一速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第一速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制，在当前时刻不是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，控制单元不对第一相对位置信息进行修正，并将未修正的第一相对位置信息和第一速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第一速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制；
在列车当前时刻的速度大于或等于预设速度的情况下，无速度传感器生成反电势，同时，悬浮线圈计数器输出计数脉冲信号并发送至无速度传感器和控制单元；
无速度传感器根据生成的反电势判断自身是否失效；
在无速度传感器有效的情况下，无速度传感器根据反电势获取电机转角信息，并发送至控制单元，控制单元根据电机转角信息获取列车的第二相对位置信息和第二速度信息，并将第二相对位置信息和第二速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第二速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制。
本发明在低速阶段，利用轮轴速度传感器和绝对定位装置进行定位测速，同时利用悬浮线圈计数器对相对位置信息进行修正，提高了低速阶段的定位精度，在高速阶段，利用无速度传感器和绝对定位装置进行定位测速，能够满足牵引控制系统和运行控制系统对于全线路全速域高精度定位测速的需求。本发明与传统的单一地面定位测速方法相比，不需要沿线路在地面铺设相关设备，在成本和维护性上具有极大的优势。
根据本发明的一种实施例，在当前时刻是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，控制单元对第一相对位置信息进行修正，得到修正后的第一相对位置信息包括：
在当前时刻是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，控制单元获取上一个计数脉冲信号上升沿的起始时刻对应的列车的第三相对位置信息；
控制单元获取上一个计数脉冲信号上升沿的起始时刻对应的列车的第三相对位置信息和相邻两个悬浮线圈计数器之间的间距获取修正后的第一相对位置信息。
根据本发明的一种实施例，控制单元获取上一个计数脉冲信号上升沿的起始时刻对应的列车的第三相对位置信息和相邻两个悬浮线圈计数器之间的间距获取修正后的第一相对位置信息包括：控制单元将上一个计数脉冲信号上升沿的起始时刻对应的列车的第三相对位置信息与相邻两个悬浮线圈计数器之间的间距之和作为修正后的第一相对位置信息。
通过上述设置，消除了轮轴速度传感器带来的累积误差，提高了轮轴速度传感器的定位精度。
根据本发明的一种实施例，所述方法还包括：在无速度传感器失效的情况下，控制单元根据计数脉冲信号获取列车的第三相对位置信息，对获取的所有第三相对位置信息进行累加得到列车的第二绝对位置信息，并将第二绝对位置信息发送至车载运行控制系统，车载运行控制系统根据第二绝对位置信息指导列车紧急停车。在本实施中，将悬浮线圈计数器作为无速度传感器的后备方案，在无速度传感器失效等紧急情况下，通过悬浮线圈计数器将绝对位置信息与速度信息发给车载运行控制系统，指导列车紧急停车。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于高速飞行列车的组合式定位测速系统，其特征在于，所述系统包括轮轴速度传感器、无速度传感器、悬浮线圈计数器、绝对相对位置信息和控制单元；
所述绝对定位装置用于获取列车的第一绝对位置信息，并发送至所述控制单元；
所述轮轴速度传感器用于输出支撑轮转角位置脉冲信号，并发送至所述控制单元；
所述控制单元用于根据接收的支撑轮转角位置脉冲信号判断列车当前时刻的速度是否小于预设速度；
在列车当前时刻的速度小于预设速度的情况下，所述控制单元还用于根据支撑轮转角位置脉冲信号获取列车的第一相对位置信息和第一速度信息，同时，所述悬浮线圈计数器用于输出计数脉冲信号并发送至所述轮轴速度传感器和所述控制单元；
所述控制单元还用于判断当前时刻是否为计数脉冲信号上升沿的起始时刻，在当前时刻是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，所述控制单元还用于对第一相对位置信息进行修正，得到修正后的第一相对位置信息，并将修正后的第一相对位置信息和第一速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第一速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制，在当前时刻不是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，所述控制单元还用于不对第一相对位置信息进行修正，并将未修正的第一相对位置信息和第一速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第一速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制；
在列车当前时刻的速度大于或等于预设速度的情况下，所述无速度传感器用于生成反电势，同时，所述悬浮线圈计数器还用于输出计数脉冲信号并发送至所述无速度传感器和所述控制单元；
所述无速度传感器还用于根据生成的反电势判断自身是否失效；
在所述无速度传感器有效的情况下，所述无速度传感器还用于根据反电势获取电机转角信息，并发送至所述控制单元，所述控制单元还用于根据电机转角信息获取列车的第二相对位置信息和第二速度信息，并将第二相对位置信息和第二速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第二速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述无速度传感器失效的情况下，所述控制单元还用于根据计数脉冲信号获取列车的第三相对位置信息，对获取的所有第三相对位置信息进行累加得到列车的第二绝对位置信息，并将第二绝对位置信息发送至车载运行控制系统，车载运行控制系统根据第二绝对位置信息指导列车紧急停车。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述悬浮线圈计数器包括激励电路、功率放大电路、激磁线圈、检测线圈、线圈检测电路和过零比较电路，所述激励电路生成激励电信号并输出至所述功率放大电路；所述功率放大电路对接收的激励电信号进行放大，并将放大后的激励电信号输出至所述激磁线圈；所述激磁线圈根据放大后的激励电信号生成激磁电磁波信号；所述悬浮线圈基于接收的激磁电磁波信号产生耦合交变磁场；所述检测线圈检测到耦合交变磁场后生成感应电压信号，并输出至所述线圈检测电路；所述线圈检测电路生成检测后的感应电压信号，并将检测后的感应电压信号输出至所述过零比较电路；所述过零比较电路根据检测后的感应电压信号输出计数脉冲信号。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无速度传感器包括滑模观测器、第一减法器、第二减法器、符号函数单元、低通滤波器和转速估算器；所述滑模观测器根据静止坐标系下α轴上的电机输入电压uα、静止坐标系下β轴上的电机输入电压uβ、静止坐标系下α轴上的反电势vα和静止坐标系下β轴上的反电势vβ获取静止坐标系下α轴上的观测器输出电流Iα和静止坐标系下β轴上的观测器输出电流Iβ，并将静止坐标系下α轴上的观测器输出电流Iα输出至所述第一减法器，将静止坐标系下β轴上的观测器输出电流Iβ输出至所述第二减法器；所述第一减法器对静止坐标系下α轴上的观测器输出电流和静止坐标系下α轴上的电机实测电流iα作差，得到静止坐标系下α轴上的观测器输出电流Iα和电机实测电流iα的差值，并输出至所述符号函数单元；所述第二减法器对静止坐标系下β轴上的观测器输出电流Iβ和静止坐标系下β轴上的电机实测电流iβ作差，得到静止坐标系下β轴上的观测器输出电流Iβ和电机实测电流iβ的差值，并输出至所述符号函数单元；所述符号函数单元分别对静止坐标系下α轴上的观测器输出电流Iα和电机实测电流iα的差值与静止坐标系下β轴上的观测器输出电流Iβ和电机实测电流iβ的差值进行符号函数运算，得到静止坐标系下α轴上的反电势vα和静止坐标系下β轴上的反电势vβ，并将静止坐标系下α轴上的反电势vα和静止坐标系下β轴上的反电势vβ分别输出至所述滑模观测器和所述低通滤波器；所述低通滤波器分别对静止坐标系下α轴上的反电势vα和静止坐标系下β轴上的反电势vβ进行低通滤波，得到静止坐标系下α轴上滤波后的反电势vα和静止坐标系下β轴上滤波后的反电势vβ，并将静止坐标系下α轴上滤波后的反电势vα和静止坐标系下β轴上滤波后的反电势vβ输出至所述转速估算器；所述转速估算器根据静止坐标系下α轴上滤波后的反电势vα和静止坐标系下β轴上滤波后的反电势vβ获取电机转角信息θ。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述绝对定位装置为毫米波定位装置。
6.一种用于高速飞行列车的组合式定位测速方法，其特征在于，所述方法包括：
绝对定位装置获取列车的第一绝对位置信息，并发送至控制单元；
轮轴速度传感器输出支撑轮转角位置脉冲信号，并发送至控制单元；
控制单元根据接收的支撑轮转角位置脉冲信号判断列车当前时刻的速度是否小于预设速度；
在列车当前时刻的速度小于预设速度的情况下，控制单元根据支撑轮转角位置脉冲信号获取列车的第一相对位置信息和第一速度信息，同时，悬浮线圈计数器输出计数脉冲信号并发送至轮轴速度传感器和控制单元；
控制单元判断当前时刻是否为计数脉冲信号上升沿的起始时刻，在当前时刻是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，控制单元对第一相对位置信息进行修正，得到修正后的第一相对位置信息，并将修正后的第一相对位置信息和第一速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第一速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制，在当前时刻不是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，控制单元不对第一相对位置信息进行修正，并将未修正的第一相对位置信息和第一速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第一速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制；
在列车当前时刻的速度大于或等于预设速度的情况下，无速度传感器生成反电势，同时，悬浮线圈计数器输出计数脉冲信号并发送至无速度传感器和控制单元；
无速度传感器根据生成的反电势判断自身是否失效；
在无速度传感器有效的情况下，无速度传感器根据反电势获取电机转角信息，并发送至控制单元，控制单元根据电机转角信息获取列车的第二相对位置信息和第二速度信息，并将第二相对位置信息和第二速度信息发送至牵引控制系统对列车进行牵引控制，同时将第一绝对位置信息和第二速度信息发送至地面运行控制系统对列车进行运行控制。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在当前时刻是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，控制单元对第一相对位置信息进行修正，得到修正后的第一相对位置信息包括：
在当前时刻是计数脉冲信号上升沿的起始时刻的情况下，控制单元获取上一个计数脉冲信号上升沿的起始时刻对应的列车的第三相对位置信息；
控制单元获取上一个计数脉冲信号上升沿的起始时刻对应的列车的第三相对位置信息和相邻两个悬浮线圈计数器之间的间距获取修正后的第一相对位置信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，控制单元获取上一个计数脉冲信号上升沿的起始时刻对应的列车的第三相对位置信息和相邻两个悬浮线圈计数器之间的间距获取修正后的第一相对位置信息包括：控制单元将上一个计数脉冲信号上升沿的起始时刻对应的列车的第三相对位置信息与相邻两个悬浮线圈计数器之间的间距之和作为修正后的第一相对位置信息。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在无速度传感器失效的情况下，控制单元根据计数脉冲信号获取列车的第三相对位置信息，对获取的所有第三相对位置信息进行累加得到列车的第二绝对位置信息，并将第二绝对位置信息发送至车载运行控制系统，车载运行控制系统根据第二绝对位置信息指导列车紧急停车。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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