CN101934806B - 中低速磁浮列车的高精度测速定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种中低速磁浮列车的高精度测速定位方法及系统，该方法为：首先在列车行驶的轨道上铺设金属齿槽条，并在车体上安装两个以上测速定位传感器；列车行驶时，测速定位传感器与金属齿槽条接近时配合产生检测信号，根据所述检测信号判断车体的速度、相对位置以及方向。该系统包括固定于轨道上的金属齿槽条、安装于车体上的两个以上测速定位传感器以及信号处理单元，测速定位传感器与金属齿槽条接近时配合产生周期性正弦信号以及周期性通断信号并输至信号处理单元，信号处理单元根据接收到的正弦信号和通断信号判断车体的速度和位置。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、测量精度高、安装方便、抗干扰能力强等优点。

Description

中低速磁浮列车的高精度测速定位方法及系统

技术领域

本发明主要涉及到磁浮列车领域，特指一种适用于中低速磁浮列车的测速定位方法及系统。 

背景技术

测速定位系统是中低速磁浮列车运行控制的重要组成部分。目前国内外在中低速磁浮列车的研究中主要采用的方法有感应回线法和轨枕计数法等。感应回线测速定位方法利用轨道上铺设的感应回线与车载天线线圈的电磁感应进行定位，其定位精度受到感应回线布线的限制，通常为厘米量级。轨枕计数法采用传感器对运行经过的轨枕进行计数来达到定位测速的目的，由于受到轨枕距离的约束，其精度较低。另外轨枕之间的距离也是不均匀的，这导致了累积误差，对测速定位精度也有不利影响。 

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、测量精度高、安装方便、抗干扰能力强的中低速磁浮列车的高精度测速定位方法及系统。 

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案： 

一种中低速磁浮列车的高精度测速定位方法，其特征在于：首先在列车行驶的轨道上铺设金属齿槽条，并在车体上装设两个以上测速定位传感器；列车行驶时，测速定位传感器与金属齿槽条接近时配合产生检测信号，根据所述检测信号判断车体的速度、相对位置以及方向。 

作为本发明的进一步改进： 

所述测速定位传感器的感应面上布置有尺寸完全相同且沿轨道的铺设方向依次排成一列的第一线圈、第二线圈、第三线圈以及第四线圈，所述第一线圈与第二线圈为一组，所述第三线圈与第四线圈为一组，所述同组中两个线圈之间沿轨道铺设方向的间距L为1/2个齿槽周期T，每个线圈的宽度L₁比1/2个齿槽周期T略小，每个线圈的长度l₂约为线圈宽度L₁的两倍，相邻两组线圈之间的沿轨道铺设方向的间距L₄为1+1/4个齿槽周期T；列车行驶时，由所述四个线圈各可得到一路幅值变化信号H、I、J、K，求幅值信号H与幅值信号I的差分得到待采样信号A，待采样信号A同样反映了线圈与齿槽的相对位置；将待采样信号A通过比较电路得到方波信号B；同时，由幅值信号J与幅值信号K可得到待采样信号C以及方波信号D，待采样信号A与C，方波信号B与D分别相差1/4周期。 

当进行相对位置检测时，由于相对位置L₅与待采样信号A与C在当前位置的采样值数据对O、P有一一对应的关系，首先在间隙恒定的情况下，建立相对位置L₅与采样数据对O、P的对应关系表，在列车运行时，根据实时采样得到的数据对O、P对照该表即可查得此时的相对位置L₅，其中在行驶经过整数个齿槽周期T之后继续运行的一段小于齿槽周期T长度的距离，称为相对位置L₅；当进行速度检测时，将一个齿槽周期T的长度除以最近两次齿槽计数的时间即可得到列车的当前速度。 

当进行方向判断时，在方波信号B的下降沿读取方波信号D的电平值，若此时方波信号D为低电平，则可判定此时线圈运行的方向向右；若此时方波信号D为高电平，则可判定此时线圈运行的方向向左；在方波信号B的上升沿读取方波信号D的电平值，若此时方波信号D为高电平，则可判定此时线圈运行的方向向右；若此时方波信号D为低电平，则可判定此时线圈运行的方向向左；在方波信号D的下降沿读取方波信号B的电平值，若此时方波信号B为高电平，则可判定此时线圈运行的方向向右；若此时方波信号B为低电平，则可判定此时线圈运行的方向向左；在方波信号D的上升沿读取方波信号B的电平值，若此时方波信号B为低电平，则可判定此时线圈运行的方向向右；若此时方波信号B为高电平，则可判定此时线圈运行的方向向左。 

在进行速度、相对位置以及方向判断时，对线圈感应面与被检测面之间间隙M的波动进行补偿，补偿的步骤为： 

①建立一个齿槽周期T内各相对位置L₅与一个标准间隙下读取的数据对O、P的对应关系表； 

②在方波信号B的每个跳变沿时刻，读取待采样信号C的值，可得到待采样信号C的峰值和谷值，由峰值减去谷值得到待采样信号C当前的幅值； 

③根据当前幅值与标准间隙下的幅值之比，将当前间隙M下的采样数据P转化为标准间隙下的值，然后再进行查表，抵消掉间隙波动的影响。 

本发明进一步提供一种中低速磁浮列车的高精度测速定位系统，其特征在于：包括固定于轨道上的一段以上的金属齿槽条、安装于车体上的两个以上测速定位传感器以及信号处理单元，所述测速定位传感器与金属齿槽条接近时配合产生周期性通断信号并输至信号处理单元，所述信号处理单元根据接收到的通断信号判断车体的速度和位置；所述测速定位传感器的感应面上布置有四个完全相同的“8”字型线圈，每个“8”字型线圈均由两个完全一样的矩形线圈串联而成，两矩形线圈绕线方向相反；所述四个线圈沿轨道的铺设方向依次排成一列并依次分为两组，每组包括两个线圈，相邻两组线圈之间的沿轨道铺设方向的间距L₄为1+1/4个齿槽周期T。 

作为本发明的进一步改进： 

所述金属齿槽条沿着轨道铺设的方向布置并位于轨道的上方，所述测速定位传感器的感应面朝向金属齿槽条并与轨道的铺设面平行。 

所述金属齿槽条沿着轨道铺设的方向布置并位于轨道的侧面，所述测速定位传感器的感应面朝向金属齿槽条并与轨道的铺设面垂直。 

所述金属齿槽条由一个以上的齿和槽组成，所述齿和槽呈间隔布置。 

所述相邻两段金属齿槽条之间留出一个槽的距离。 

与现有技术相比，本发明的优点在于： 

1、本发明可以得到中低速磁浮列车的高精度位置和速度信息； 

2、本发明采用“8”字型线圈提高了线圈对外部电磁辐射干扰的抗干扰能力；采用两组幅值信号进行差分，抵消掉温漂等共模干扰的影响； 

3、本发明中，采用两个线圈组在沿轨道方向距离1+1/4个齿槽周期的方法解决了方向判断问题以及间隙波动影响的问题； 

4、本发明基于金属的电涡流效应进行测速定位，测量无接触、无机械磨损，受天气和地形影响小； 

5、本发明采用金属齿槽条，易于实现，成本较低； 

6、本发明中测速定位传感器采用三模冗余配置，按照3取2原则选取最终采信的位置，速度和方向信息，提高了系统的可靠性。 

附图说明

图1是本发明在应用实例中的主视结构示意图； 

图2是本发明在应用实例中的俯视结构示意图； 

图3是第一实例中金属齿槽条的安装示意图； 

图4是第二实例中金属齿槽条的安装示意图； 

图5是在第一实例中两段金属齿槽条的连接示意图； 

图6是在第二实例中两段金属齿槽条的连接示意图； 

图7是测速定位传感器中线圈的布置示意图； 

图8是本发明基于电涡流效应进行测速定位的原理示意图； 

图9是模拟信号处理原理示意图； 

图10是本发明进行相对位置检测的原理示意图； 

图11是本发明进行齿槽计数、速度计算、方向判断以及间隙波动补偿原理的示意图； 

图12是具体实施例中测速定位传感器结构框架示意图； 

图13是数字处理电路对信号进行处理的流程示意图。 

图例说明： 

2、测速定位传感器；3、金属齿槽条；4、齿；5、槽；6、轨道；7、车体；8、上位机；21、第一线圈；22、第二线圈；23、第三线圈；24、第四线圈；25、模拟电路；26、数字电路。 

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。 

如图1和图2所示，本发明中低速磁浮列车的高精度测速定位方法及系统，包括固定于轨道6上的金属齿槽条3、安装于车体7上的一个以上的测速定位传感器2以及信号处理单元，信号处理单元采用上位机，测速定位传感器2与金属齿槽条3接近时配合产生周期性通断信号并输至信号处理单元，信号处理单元根据接收到的通断信号判断车体7的速度和位置。测速定位传感器2的具体安装数量要根据具体的测量精度要求以及金属齿槽条3上齿槽周期T的长度而定。金属齿槽条3包括齿4和槽5，齿4与槽5同宽，一对齿4和槽5称为一个齿槽周期T。两个以上的测速定位传感器2按照三模冗余配置安装于磁浮列车车体7的底部。相邻测速定位传感器2之间的间距L₃为整数个齿槽周期T。每个测速定位传感器2测得的位置，速度和方向信息都发送到上位机8，上位机按照3取2原则决定最终采信的位置、速度和方向信号。 

参见图3，在一种实施例中，金属齿槽条3沿着轨道6铺设的方向布置并位于轨道6的上方，测速定位传感器2的感应面朝向金属齿槽条3并与轨道6的铺设面平行。金属齿槽条3可采用沿轨道6铺设方向布置的具有齿槽结构的工字钢或槽钢，可由热轧普通工字钢经过精确地齿槽切割而成。 

参见图4，在另一种实施例中，金属齿槽条3沿着轨道6铺设的方向布置并位于轨道6的侧面，测速定位传感器2的感应面朝向金属齿槽条3并与轨道6的铺设面垂直。金属齿槽条3可采用沿轨道6铺设方向布置的具有齿槽结构的等边或不等边的角钢，角钢的边厚度要根据传感器本身的检测特性而定，可由热轧不等边角钢经过精确地齿槽切割而成，通常适合在测速定位传感器2的检测距离较小、同时列车左右抖动不剧烈的情况下使用。 

参见图5和图6分别为两个实施例中两段金属齿槽条3拼接处的示意图。金属齿槽条3的端部为完整的齿结构，相邻两段金属齿槽条3之间留出一个槽5的距离，这样同时也考虑到了热胀冷缩的影响。 

本实施例中，参见图7所示，测速定位传感器2的感应面上布置有四个尺寸完全相同的“8”字型线圈，分别为第一线圈21、第二线圈22、第三线圈23以及第四线圈24，每个“8”字型线 圈可看作两个完全一样的矩形线圈串联而成，两矩形线圈绕线方向相反。采用“8”字形线圈是为了抵消掉磁浮列车运行条件下各种电力电子设备产生的复杂电磁辐射干扰。四个线圈沿轨道的铺设方向依次排成一列，并分为两组，第一线圈21与第二线圈22为一组，第三线圈23与第四线圈24为一组。同组中的两个线圈之间沿轨道铺设方向的间距L为1/2个齿槽周期T，每个线圈的宽度L₁比1/2个齿槽周期T略小，每个线圈的长度l₂约为线圈宽度L₁的两倍。相邻两组线圈之间的沿轨道铺设方向的间距L₄为1+1/4个齿槽周期T。 

参见图8所示，为本发明基于电涡流效应进行测速定位的原理示意图。以第一线圈21为例进行说明。第一线圈21与模拟电路内相应的电阻和电感组成谐振网络，采用高频正弦波信号激励该谐振网络，则线圈两端的电压也为相同频率的正弦波信号。当第一线圈21正对齿4时，受到铝板的涡流效应影响最大，导致其等效电感减小，进而导致其两端的高频正弦波幅值减小；当第一线圈21正对槽5时，受到铝板的涡流效应影响最小，导致其等效电感变大，进而导致其两端的高频正弦波幅值增大。因此第一线圈21两端的高频正弦型电压信号S的幅值大小由第一线圈21与齿4或槽5的相对位置所决定，即高频正弦型电压信号S的幅值大小反映了第一线圈21与齿4或槽之间的相对位置信息。对高频正弦型电压信号S进行解调即可得到其幅值变化信号H。 

参见图9，为模拟信号处理原理示意图。由四个线圈各可得到一路幅值变化信号H、I、J、K。由于第一线圈21与第二线圈22相距1/2个齿槽周期T，因此幅值信号H与I正好反相。求幅值信号H与幅值信号I的差分，得到增强的并已抵消掉共模干扰的待采样信号A，待采样信号A同样反映了线圈与齿槽的相对位置。将待采样信号A通过比较电路得到方波信号B。同理，由幅值信号J与幅值信号K可得到待采样信号C以及方波信号D。因为由第一线圈21与第二线圈22组成的线圈组与由第三线圈23与第四线圈24组成的线圈组沿铺设轨道方向距离1+1/4个齿槽周期T，因此待采样信号A与C，方波信号B与D分别相差1/4周期。 

参见图10，为相对位置检测原理示意图。在行驶经过整数个齿槽周期T之后继续运行的一段小于齿槽周期T长度的距离，简称为相对位置L₅。在间隙恒定的情况下，相对位置L₅与待采样信号A与C在当前位置的采样值数据对O、P有一一对应的关系。建立相对位置L₅与采样数据对O、P的对应关系表，在列车运行时，根据实时采样得到的数据对O、P对照该表即可查得此时的相对位置L₅。 

参见图11，为齿槽计数、速度计算、方向判断以及间隙波动补偿原理的示意图。如图所示，两路方波均有上升沿和下降沿两种跳变沿，当列车朝某方向行驶时，在其中一路方波的上升沿(或下降沿)时刻对齿槽数加1，当列车反向行驶时，在该路方波的下降沿(或上升沿)时刻对齿槽数减1，即得到列车已经过的齿槽数。列车已经经过的齿槽数乘以齿槽周期T 长度，再加上相对位置L₅即得到当前列车的高精度位置信息。一个齿槽周期T的长度除以最近两次齿槽计数的时间差得到列车的当前速度。 

方向判断方法：在方波信号B的下降沿读取方波信号D的电平值，若此时方波信号D为低电平，则可判定此时线圈运行的方向向右；若此时方波信号D为高电平，则可判定此时线圈运行的方向向左。在方波信号B的上升沿读取方波信号D的电平值，若此时方波信号D为高电平，则可判定此时线圈运行的方向向右；若此时方波信号D为低电平，则可判定此时线圈运行的方向向左。在方波信号D的下降沿读取方波信号B的电平值，若此时方波信号B为高电平，则可判定此时线圈运行的方向向右；若此时方波信号B为低电平，则可判定此时线圈运行的方向向左。在方波信号D的上升沿读取方波信号B的电平值，若此时方波信号B为低电平，则可判定此时线圈运行的方向向右；若此时方波信号B为高电平，则可判定此时线圈运行的方向向左。 

间隙波动影响的补偿：线圈感应面与被检测面之间的距离，称为间隙M。列车运行过程中间隙M会发生波动，波动范围在±15毫米之间。在间隙M不同的情况下，待采样信号A、C的幅值会发生变化，导致即使在同一相对位置L₅，其对应的采样数据对O、P也会随间隙M的不同而不同。为消除间隙M波动的影响，进行如下操作：建立一个齿槽周期T内各相对位置L₅与某标准间隙(可取间隙M为3厘米为标准间隙)下读取的数据对O、P的对应关系表。在方波信号B的每个跳变沿时刻，读取待采样信号C的值，可得到待采样信号C的峰值和谷值，由峰值减去谷值得到待采样信号C当前的幅值。根据当前幅值与标准间隙下的幅值之比，将当前间隙M下的采样数据P转化为标准间隙下的值，然后再进行查表，从而抵消掉间隙波动的影响。同理，在方波信号D的每个跳变沿时刻，读取待采样信号A的值，可得到待采样信号A的峰值和谷值，由峰值减去谷值得到待采样信号A当前的幅值。根据当前幅值与标准间隙下的幅值之比，将当前间隙M下的采样数据O转化为标准间隙下的值，然后再进行查表，从而抵消掉间隙波动的影响。 

参见图12，为测速定位传感器2结构框架示意图。模拟电路25对线圈两端幅值随齿槽变化的高频信号进行幅值解调，并进行差分和比较等操作得到两路待采样信号和两路方波信号输出至数字电路26。数字电路26对待采样信号进行采样，根据采样信号和方波信号计算出列车的高精度位置信息、速度以及方向信号，并发送至上位机8进行后续处理。 

参见图13，为数字电路26的处理流程示意图。 

①：对电路进行初始化； 

②：判断用于计数的跳变沿是否出现，若未出现则执行③；若出现则对齿槽数进行加减计数，计算速度，判断行驶方向并对间隙波动进行补偿； 

③：判断是否有其他类型的跳变沿出现，若未出现则执行④；若出现则进行方向判断和间隙波动补偿； 

④：根据当前两路待采样信号的采样值查表得到相对位置； 

⑤：齿槽数乘以一个齿槽周期T的长度，再加上相对位置，即得到当前的高精度位置信息； 

⑥：执行②。 

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。 

Claims (9)

1.一种中低速磁浮列车的高精度测速定位方法，其特征在于：首先在列车行驶的轨道（6）上铺设金属齿槽条（3），并在车体（7）上装设两个以上的测速定位传感器（2）；列车行驶时，测速定位传感器（2）与金属齿槽条（3）接近时配合产生检测信号，根据所述检测信号判断车体（7）的速度、相对位置以及方向；所述测速定位传感器（2）的感应面上布置有尺寸完全相同且沿轨道的铺设方向依次排成一列的第一线圈（21）、第二线圈（22）、第三线圈（23）以及第四线圈（24），所述第一线圈（21）与第二线圈（22）为一组，所述第三线圈（23）与第四线圈（24）为一组，所述同组中两个线圈之间沿轨道铺设方向的间距L为1/2个齿槽周期T，即T/2，每个线圈的宽度L₁比1/2个齿槽周期T略小，每个线圈的长度l₂约为线圈宽度L₁的两倍，相邻两组线圈之间的沿轨道铺设方向的间距L₄为5/4个齿槽周期T，即5T/4；列车行驶时，由所述四个线圈各可得到一路幅值变化信号H、I、J、K，求幅值信号H与幅值信号I的差分得到待采样信号A，待采样信号A同样反映了线圈与齿槽的相对位置；将待采样信号A通过比较电路得到方波信号B；同时，由幅值信号J与幅值信号K得到待采样信号C以及方波信号D，待采样信号A与C，方波信号B与D分别相差1/4周期。

2.根据权利要求1所述的中低速磁浮列车的高精度测速定位方法，其特征在于：当进行相对位置检测时，由于相对位置L₅与待采样信号A与C在当前位置的采样值数据对O、P有一一对应的关系，首先在间隙恒定的情况下，建立相对位置L₅与采样数据对O、P的对应关系表，在列车运行时，根据实时采样得到的数据对O、P对照该表即可查得此时的相对位置L₅，其中在行驶经过整数个齿槽周期T之后继续运行的一段小于齿槽周期T长度的距离，称为相对位置L₅；当进行速度检测时，将一个齿槽周期T的长度除以最近两次齿槽计数的时间即可得到列车的当前速度。

3.根据权利要求1所述的中低速磁浮列车的高精度测速定位方法，其特征在于：当进行方向判断时，在方波信号B的下降沿读取方波信号D的电平值，若此时方波信号D为低电平，则可判定此时线圈运行的方向向右；若此时方波信号D为高电平，则可判定此时线圈运行的方向向左；在方波信号B的上升沿读取方波信号D的电平值，若此时方波信号D为高电平，则可判定此时线圈运行的方向向右；若此时方波信号D为低电平，则可判定此时线圈运行的方向向左；在方波信号D的下降沿读取方波信号B的电平值，若此时方波信号B为高电平，则可判定此时线圈运行的方向向右；若此时方波信号B为低电平，则可判定此时线圈运行的方向向左；在方波信号D的上升沿读取方波信号B的电平值，若此时方波信号B为低电平，则可判定此时线圈运行的方向向右；若此时方波信号B为高电平，则可判定此时线圈运行的方向向左。

4.根据权利要求2或3所述的中低速磁浮列车的高精度测速定位方法，其特征在于在进行速度、相对位置以及方向判断时，对线圈感应面与被检测面之间间隙M的波动进行补偿，补偿的步骤为：

① 建立一个齿槽周期T内各相对位置L₅与一个标准间隙下读取的数据对O、P的对应关系表；

② 在方波信号B的每个跳变沿时刻，读取待采样信号C的值，得到待采样信号C的峰值和谷值，由峰值减去谷值得到待采样信号C当前的幅值；

③  根据当前幅值与标准间隙下的幅值之比，将当前间隙M下的采样数据P转化为标准间隙下的值，然后再进行查表，抵消掉间隙波动的影响。

5.一种中低速磁浮列车的高精度测速定位系统，其特征在于：包括固定于轨道（6）上的一段以上的金属齿槽条（3）、安装于车体（7）上的两个以上测速定位传感器（2）以及信号处理单元，所述测速定位传感器（2）与金属齿槽条（3）接近时配合产生检测信号并输至信号处理单元，所述信号处理单元根据接收到的检测信号判断车体（7）的速度和位置；所述测速定位传感器（2）的感应面上布置有四个完全相同的“8”字型线圈，每个“8”字型线圈均由两个完全一样的矩形线圈串联而成，两矩形线圈绕线方向相反；所述四个线圈沿轨道的铺设方向依次排成一列并依次分为两组，每组包括两个线圈，相邻两组线圈之间的沿轨道铺设方向的间距L₄为5/4个齿槽周期T，即5T/4。

6.根据权利要求5所述的中低速磁浮列车的高精度测速定位系统，其特征在于：所述金属齿槽条（3）沿着轨道（6）铺设的方向布置并位于轨道（6）的上方，所述测速定位传感器（2）的感应面朝向金属齿槽条（3）并与轨道（6）的铺设面平行。

7.根据权利要求5所述的中低速磁浮列车的高精度测速定位系统，其特征在于：所述金属齿槽条（3）沿着轨道（6）铺设的方向布置并位于轨道（6）的侧面，所述测速定位传感器（2）的感应面朝向金属齿槽条（3）并与轨道（6）的铺设面垂直。

8.根据权利要求5或6或7所述的中低速磁浮列车的高精度测速定位系统，其特征在于：所述金属齿槽条（3）由一个以上的齿（4）和槽（5）组成，所述齿（4）和槽（5）呈间隔布置。

9.根据权利要求8所述的中低速磁浮列车的高精度测速定位系统，其特征在于：所述金属齿槽条（3）的端部为完整的齿（4）结构，所述相邻两段金属齿槽条（3）之间留出一个槽（5）的距离。

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