CN104571106B - 一种用于果园单轨车的紧急避险装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于果园单轨车的紧急避险装置及控制方法，装置包括车载子系统、轨道子系统与监测服务端；轨道子系统由多个轨道节点组成，轨道节点用于将轨道信息发回给单轨车；车载子系统由信息处理单元和车载节点组成；监测服务端接收轨道节点上传的数据，并通过Internet发送到远程计算机进行分析处理。方法是：获取当前多个轨道节点所采集到的轨道数据、车载节点采集的车轮数据和信息处理单元所采集的车身数据。通过计算所采集的数据，判断单轨车是否处于危险状态，如果处于危险状态，采取紧急制动避免危险，并将当前的单轨车的状态发送给轨道节点。本发明可以实现根据果园单轨车在轨道运行的状况，最大限度提高果园单轨车在轨道上运行的安全率。

Description

一种用于果园单轨车的紧急避险装置及控制方法

技术领域

本发明涉及果园单轨车的研究领域，特别涉及一种用于果园单轨车的紧急避险装置及控制方法。

背景技术

果园单轨车运行过程中是单轨车容易出现事故的环节，因此对于单轨车的紧急避险尤为关键。果园单轨车在运行过程中会遇到由于速度过大，或者轨道的承受能力有限，使单轨车出现脱轨或者所载水果翻出车厢的危险情况。

目前，在果园单轨车中的避险装置为人工触发式，需要操控人员自行判定需要避险时发出制动指令，使单轨车制动，但是对于面积庞大的果园和轨道距离很长的轨道而言，操控人员很难及时发现与控制单轨车制动，人工操控具有很大的局限性，很难使整个运输过程变得快捷高效，因此需要寻找一种能够应用在果园单轨车的紧急避险装置及控制方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于果园单轨车的紧急避险装置，该装置由车载子系统、轨道子系统与监测服务端组成紧急避险控制系统，提高果园单轨车运行的安全率，具有结构简单、成本低廉重量轻等特点。

本发明的另一个目的在于，提供一种用于果园单轨车的紧急避险控制方法。

为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于果园单轨车的紧急避险装置，包括轨道子系统、车载子系统以及监测服务端；

所述轨道子系统包括多个相同的轨道节点，所述轨道节点包括轨道通信单元、轨道监测单元、微处理器模块以及轨道子系统电源管理模块，所述微处理器模块分别与轨道通信单元、轨道监测单元以及轨道子系统电源管理模块连接；所述轨道节点安装在单轨车轨道的下面，直接与轨道接触，所述轨道节点全部可挂接闪速存储器，不组网仍可以作为数据采集器加以应用；

所述车载子系统包括车载节点和信息处理单元，车载子系统接收轨道子系统的信息，并向轨道子系统发送信息；所述车载节点包括微波发送单元、车轮监测单元、车载节点电源管理模块，所述车载节点电源管理模块与微波发送单元、车轮监测单元相连，所述车载节点可挂接闪速存储器，存储监测数据；

所述监测服务端包括数据接收单元、Internet接入单元、显示模块和监测服务端电源管理模块，所述监测服务端电源管理模块分别与数据接收单元、Internet接入单元、显示模块连接，所述数据接收单元还分别与Internet接入单元及显示模块连接；监测服务端接收轨道端点处所置轨道节点通过组网所传递的数据，并且具有Internet接入功能，可与远程计算机通信。

优选的，所述轨道通信单元以AD_HOC的形式组成mesh网络，数据包以协作通信的机制投递。

优选的，所述轨道监测单元包括轨腰振动测量单元和轨头应力测量单元，所述轨腰振动测量单元用于检测轨道轨腰振动的加速度、速度和位移，所述轨头应力测量单元用于检测轨道轨头与单轨车车轮轮缘接触部分的切应力和形变量，所述轨腰振动测量单元包括三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴地磁传感器。

优选的，所述信息处理单元包括微波处理平台、车身监测单元、微处理器单元、控制子单元、电源管理子模块；所述电源管理子模块与微波处理模块、微处理器单元、控制子单元连接；所述微波处理平台与车载节点微波发送模块和轨道节点轨道通信模块形成应答系统，进行数据传输，所述微波处理平台接受微处理器单元控制，发送和接收数据，所述微处理器单元控制微波处理平台进行数据的采集和发送，发送指令于控制子单元，使其产生相应的动作，使单轨车制动或者解除制动状态。

优选的，所述微波发送单元用于向信息处理单元发送数据，所述微波处理模块控制微波发送模块发送数据，并且能够采集车轮监测单元的数据。

优选的，所述车身监测单元包括车身惯量测量单元，车身惯量测量单元检测单轨车车身的加速度、速度、位移；

所述控制子单元包括控制模块，控制模块与单轨车驱动电路相连，可直接控制单轨车驱动电路，达到控制单轨车运行的目的。

优选的，述车轮监测单元包括车轮振动测量单元和轮缘应力测量单元，车轮振动测量单元用于检测单轨车车轮轴向的加速度、速度和位移，轮缘应力测量单元用于检测单轨车车轮轮缘与轨道接触部分的正应力和形变，所述车轮振动测量单元包括三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴地磁传感器。

优选的，所述数据接收模块将所接收的数据传递给Internet接入单元；所述Internet接入单元能够接收数据处理模块的数据，并能够和远端服务器保持通信，所述显示模块可以显示轨道节点上传的数据并能产生报警信号。

为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案

一种用于果园单轨车的紧急避险装置的控制方法，包括下述步骤：

(1)果园单轨车运行前，各子系统自行测量内置锂电池电压，若电压过低则发出装置失效预警；

(2)果园单轨车运行前，校准轨道监测单元和车轮监测单元，消除初始零偏；

(3)果园单轨车运行后，单轨车信息处理单元的微处理器单元定时发送指令，采集轨道子系统的数据和车载节点的数据和车身测量单元的数据；

(4)对单轨车车身测量单元的数据进行处理，分别采用数字滤波和数据融合的方法，计算单轨车当前车身的速度、加速度、位移；

(5)对单轨车车载节点的数据进行处理，分别采用数字滤波和数据融合的方法，计算单轨车当前车轮轴向的速度、加速度、位移，以及轮缘与轨道轨头接触部分所产生的正应力；

(6)对轨道子系统的数据进行处理，分别采用数字滤波和数据融合的方法，计算轨道当前轨腰的速度、加速度、位移，以及轮缘与轨道轨头接触部分所产生的切应力；

(7)基于步骤(4)、步骤(5)、步骤(6)，对所计算出来的数据与安全运行的参数进行比对，分别判断单轨车身、车轮、轨道是否处于危险状态；

(8)如果某时刻单轨车身、车轮、轨道三者中任一者处于危险状态，则判定单轨车处于危险状态，并等待一段时间后再次判断是否仍处于危险状态；

(9)基于(8)如果仍处于危险状态，微处理器单元通过控制子单元使单轨车制动，并通过微波处理模块将数据发送到所处位置的轨道节点，由轨道节点组网将信息传递到监测服务端，工作人员可以根据监测服务端的显示信息或者远程计算机的处理结果进行紧急抢救；

(10)基于(8)如果危险状态自动解除，则判定单轨车为正常运行状态，微处理器单元通过控制子单元，解除单轨车制动状态。

优选的，所述步骤(4)、步骤(5)、步骤(6)中，数字滤波与数据融合的方法采用卡尔曼法或互补滤波法。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、针对目前用于果园单轨车的紧急避险的装置在果园单轨车安全运行中难以及时、有效的使单轨车避开危险的问题，本发明装置通过获取当前多个轨道节点所采集到的轨道数据、车载节点采集的车轮数据和信息处理单元所采集的车身数据。通过计算所采集的数据，判断单轨车是否处于危险状态，并采取及时的避险行为。提高单轨车安全运行的概率，提高了果园单轨车的环境适应能力。

2、本发明方法通过获取当前多个轨道节点所采集到的轨道数据、车载节点采集的车轮数据和信息处理单元所采集的车身数据。通过计算所采集的数据，判断单轨车是否处于危险状态，并采取及时的避险行为。提高单轨车安全运行的概率，提高了果园单轨车的环境适应能力。本装置具有较高的控制精度，适合在大型果园的大型快速果园单轨车运用，且可提高果园单轨车运输的安全性和有效性。

附图说明

图1是本发明装置的总体示意图。

图2是本发明装置的轨道节点电路连接关系示意图。

图3是本发明装置的车载子系统电路连接关系示意图。

图4是本发明装置的监测服务端电路连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

现有技术中，在果园单轨车中的避险装置为人工触发式，需要操控人员自行判定，需要避险时发出制动指令，使单轨车制动。但是对于果园面积很大的单轨车轨道，人工的控制方法的实效性和可操作性比较低。

本实施例一种用于果园单轨车的紧急避险装置，包括轨道子系统、车载子系统以及监测服务端；通过获取当前多个轨道节点所采集到的轨道数据、车载节点采集的车轮数据和信息处理单元所采集的车身数据。通过计算所采集的数据，判断单轨车是否处于危险状态，并采取及时的避险行为。提高单轨车安全运行的概率，提高了果园单轨车的环境适应能力。

所述轨道子系统包括多个相同的轨道节点，所述轨道节点包括轨道通信单元、轨道监测单元、微处理器模块以及轨道子系统电源管理模块，所述微处理器模块分别与轨道通信单元、轨道监测单元以及轨道子系统电源管理模块连接；所述轨道节点安装在单轨车轨道的下面，直接与轨道接触，所述轨道节点全部可挂接闪速存储器，不组网仍可以作为数据采集器加以应用；

所述车载子系统包括车载节点和信息处理单元，车载子系统接收轨道子系统的信息，并向轨道子系统发送信息；所述车载节点包括微波发送单元、车轮监测单元、车载节点电源管理模块，所述车载节点电源管理模块与微波发送单元、车轮监测单元相连，所述车载节点可挂接闪速存储器，存储监测数据；

所述监测服务端包括数据接收单元、Internet接入单元、显示模块和监测服务端电源管理模块，所述监测服务端电源管理模块分别与数据接收单元、Internet接入单元、显示模块连接，所述数据接收单元还分别与Internet接入单元及显示模块连接；监测服务端接收轨道端点处所置轨道节点通过组网所传递的数据，并且具有Internet接入功能，可与远程计算机通信。

如图1所示，本实施例所述用于果园单轨车的紧急避险控制装置具体包括信息处理单元3、节点1、节点2、节点4、节点5、节点6、节点7等轨道节点。其中信息处理处理单元固定在单轨车底部；节点1(含内置锂电池)和节点2(含内置锂电池)固定在单轨车的底部靠近车轮的部位；节点4(含内置锂电池和太阳能电池板)、节点5(含内置锂电池和太阳能电池板)节点5(含内置锂电池和太阳能电池板)、节点6(含内置锂电池和太阳能电池板)、节点7(含内置锂电池和太阳能电池板)等轨道节点固定在轨道底部。

如图1所示，所述用于果园单轨车的紧急避险控制装置中，所述单轨车车载节点1和2在单轨车运行后，会定时发送数据，节点4、节点5、节点6与节点7等多数轨道节点，当单轨车进入其通信区域时会定时发送数据，信息处理单元3接收到信号后会产生接收应答，并对所接收的数据进行处理，判断单轨车是否处于危险状态，如果处于危险状态产生制动信号是单轨车制动。

如图2所示，所述轨道节点包括轨道子系统电源管理模块，该模块包括CN3722、MOS管与3.3V DC-DC模块，DC-DC模块输出两路稳压电源5V与3.3V，5V电源用于驱动微处理器模块和轨道监测单元；3.3V电源为轨道通信单元供电。

轨道通信单元可采用SMA--A-B-N(2.4GHz天线)、CC2530(集成微波发送模块、微波接收模块)。

所述微处理器模块采用STM32F4xxx系列单片机。

如图3所示，所述信息处理单元包括电源管理模块，该模块包括CN3722、MOS管与3.3V DC-DC模块，DC-DC模块输出两路稳压电源5V与3.3V，5V电源用于驱动车身监测单元和控制子单元；3.3V电源为微处理器单元和微波处理平台供电。

微波处理平台可采用SMA--A-B-N(2.4GHz天线)、CC2530(集成微波发送模块、微波接收模块)。

控制子单元采用由MOS管和继电器搭建而成的控制电路。

所述微处理器单元采用STM32F4xxx系列单片机。

如图4所示，所述车载节点包括电源管理模块，该模块包括CN3722、MOS管与3.3VDC-DC模块，DC-DC模块输出两路稳压电源5V与3.3V，5V电源用于车轮监测单元；3.3V电源为微波发送单元供电。

微波发送单元，可采用SMA--A-B-N(2.4GHz天线)、CC2530(集成微波发送模块、微波接收模块)。

所述监测服务端包括电源管理模块，该模块包括CN3722、MOS管与3.3V DC-DC模块，DC-DC模块输出两路稳压电源5V与3.3V，5V电源用于Internet接入单元；3.3V电源为数据接收单元供电。

Internet接入单元，采用传输速率为300Mbps的无线路由器。

数据接收单元，可采用SMA--A-B-N(2.4GHz天线)、CC2530(集成微波发送模块、微波接收模块)。

一种用于果园单轨车的紧急避险控制方法，该方法是：获取当前多个轨道节点所采集到的轨道数据、车载节点采集的车轮数据和信息处理单元所采集的车身数据。通过计算所采集的数据，判断单轨车是否处于危险状态，如果处于危险状态，采取紧急制动避免危险，并将当前的单轨车的状态发送给轨道节点。轨道节点以组网形式将信息传送到监测服务端，监测服务端上传到远程计算机，工作人员可以根据监测服务端的显示信息或者远程计算机的处理结果进行紧急抢救。最大限度提高果园单轨车运行的安全率。具体包括以下步骤：

(1)果园单轨车运行前，各子系统自行测量内置锂电池电压，若电压过低则发出装置失效预警；

(2)果园单轨车运行前，校准轨道监测单元和车轮监测单元，消除初始零偏；

(3)果园单轨车运行后，单轨车信息处理单元的微处理器单元定时发送指令，采集轨道子系统的数据和车载节点的数据和车身测量单元的数据；

(4)对单轨车车身测量单元的数据进行处理，分别采用数字滤波和数据融合的方法，计算单轨车当前车身的速度、加速度、位移；

(5)对单轨车车载节点的数据进行处理，分别采用数字滤波和数据融合的方法，计算单轨车当前车轮轴向的速度、加速度、位移，以及轮缘与轨道轨头接触部分所产生的正应力；

(6)对轨道子系统的数据进行处理，分别采用数字滤波和数据融合的方法，计算轨道当前轨腰的速度、加速度、位移，以及轮缘与轨道轨头接触部分所产生的切应力；

(7)基于步骤(4)、步骤(5)、步骤(6)，对所计算出来的数据与安全运行的参数进行比对，分别判断单轨车身、车轮、轨道是否处于危险状态。

(8)如果某时刻单轨车身、车轮、轨道三者中任一者处于危险状态，则判定单轨车处于危险状态，并等待一段时间(用户可修改)后再次判断是否仍处于危险状态；

(9)基于(8)如果仍处于危险状态，微处理器单元通过控制子单元使单轨车制动，并通过微波处理模块将数据发送到所处位置的轨道节点内，由轨道节点组网将信息传递到监测服务端，工作人员可以根据监测服务端的显示信息或者远程计算机的处理结果进行紧急抢救；

(10)基于(8)如果危险状态自动解除，则判定单轨车为正常运行状态，微处理器单元通过控制子单元，解除单轨车制动状态。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于果园单轨车的紧急避险装置，其特征在于，包括轨道子系统、车载子系统以及监测服务端；

所述轨道子系统包括多个相同的轨道节点，所述轨道节点包括轨道通信单元、轨道监测单元、微处理器模块以及轨道子系统电源管理模块，所述微处理器模块分别与轨道通信单元、轨道监测单元以及轨道子系统电源管理模块连接；所述轨道节点安装在单轨车轨道的下面，直接与轨道接触，所述轨道节点全部挂接闪速存储器，即使在不组网的情况下，所述轨道节点仍然能够作为数据采集器使用；

所述车载子系统包括车载节点和信息处理单元，车载子系统接收轨道子系统的信息，并向轨道子系统发送信息；所述车载节点包括微波发送单元、车轮监测单元、车载节点电源管理模块，所述车载节点电源管理模块与微波发送单元、车轮监测单元相连，所述车载节点挂接闪速存储器，以存储监测数据；

所述信息处理单元接收来自微波发送单元处理后的数据；

所述监测服务端包括数据接收单元、Internet接入单元、显示模块和监测服务端电源管理模块，所述监测服务端电源管理模块分别与数据接收单元、Internet接入单元、显示模块连接，所述数据接收单元还分别与Internet接入单元及显示模块连接；监测服务端接收轨道端点处所安装的轨道节点通过组网所传递的数据，并且具有Internet接入功能，可与远程计算机通信。

2.根据权利要求1所述的用于果园单轨车的紧急避险装置，其特征在于，所述轨道通信单元以Ad-Hoc的形式组成mesh网络，数据包以协作通信的机制投递。

3.根据权利要求1所述的用于果园单轨车的紧急避险装置，其特征在于，所述轨道监测单元包括轨腰振动测量单元和轨头应力测量单元，所述轨腰振动测量单元用于检测轨道轨腰振动的加速度、速度和位移，所述轨头应力测量单元用于检测轨道轨头与单轨车车轮轮缘接触部分的切应力和形变量，所述轨腰振动测量单元包括三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴地磁传感器。

4.根据权利要求1所述的用于果园单轨车的紧急避险装置，其特征在于，所述信息处理单元包括微波处理平台、车身监测单元、微处理器单元、控制子单元、电源管理子模块；所述电源管理子模块与微波处理平台、微处理器单元、控制子单元连接；所述微波处理平台与车载节点的微波发送单元和轨道节点的轨道通信单元形成应答系统，以便进行数据传输，所述微波处理平台接受微处理器单元控制，发送和接收数据，所述微处理器单元控制微波处理平台进行数据的采集和发送，发送指令于控制子单元，使其产生相应的动作，使单轨车制动或者解除制动状态。

5.根据权利要求4所述的用于果园单轨车的紧急避险装置，其特征在于，所述微波处理平台控制微波发送单元发送数据，并且能够采集车轮监测单元的数据。

6.根据权利要求4所述的用于果园单轨车的紧急避险装置，其特征在于，所述车身监测单元包括车身惯量测量单元，车身惯量测量单元检测单轨车车身的加速度、速度和位移；

所述控制子单元包括控制模块，控制模块与单轨车驱动电路相连，可直接控制单轨车驱动电路，达到控制单轨车运行的目的。

7.根据权利要求1所述的用于果园单轨车的紧急避险装置，其特征在于，所述车轮监测单元包括车轮振动测量单元和轮缘应力测量单元，车轮振动测量单元用于检测单轨车车轮轴向的加速度、速度和位移，轮缘应力测量单元用于检测单轨车车轮轮缘与轨道接触部分的正应力和形变，所述车轮振动测量单元包括三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴地磁传感器。

8.根据权利要求1所述的用于果园单轨车的紧急避险装置，其特征在于，所述数据接收单元将所接收的数据传递给Internet接入单元；所述Internet接入单元能够接收监测服务端接收轨道端点处所安装的轨道节点通过组网所传递的数据，可与远程计算机通信，所述显示模块可以显示轨道节点上传的数据并能产生报警信号。

9.根据权利要求1所述的用于果园单轨车的紧急避险装置的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)果园单轨车运行前，各子系统自行测量内置锂电池电压，若电压过低则发出装置失效预警；

(2)果园单轨车运行前，校准轨道监测单元和车轮监测单元，消除初始零偏；

(3)果园单轨车运行后，单轨车信息处理单元的微处理器单元定时发送指令，采集轨道子系统的数据和车载节点的数据和车身监测单元的数据；

(4)对单轨车车身监测单元的数据进行处理，分别采用数字滤波和数据融合的方法，计算单轨车当前车身的速度、加速度和位移；

(5)对单轨车车载节点的数据进行处理，分别采用数字滤波和数据融合的方法，计算单轨车当前车轮轴向的速度、加速度和位移，以及轮缘与轨道轨头接触部分所产生的正应力；

(6)对轨道子系统的数据进行处理，分别采用数字滤波和数据融合的方法，计算轨道当前轨腰的速度、加速度和位移，以及轮缘与轨道轨头接触部分所产生的切应力；

(7)基于步骤(4)、步骤(5)、步骤(6)，对所计算出来的数据与安全运行的参数进行比对，分别判断单轨车身、车轮、轨道是否处于危险状态；

(8)如果某时刻单轨车身、车轮、轨道三者中任一者处于危险状态，则判定单轨车处于危险状态，微处理器单元通过控制子单元使单轨车制动，并等待一段时间后再次判断是否仍处于危险状态；

(9)基于上述步骤(8)，如果仍处于危险状态，微处理器单元通过控制子单元使单轨车继续制动，并通过微波处理平台将数据发送到所处位置的轨道节点，由轨道节点组网将信息传递到监测服务端，工作人员可以根据监测服务端的显示信息或者远程计算机的处理结果进行紧急抢救；

(10)基于上述步骤(8)，如果危险状态自动解除，则判定单轨车为正常运行状态，微处理器单元通过控制子单元，解除单轨车制动状态。

10.根据权利要求9所述的用于果园单轨车的紧急避险装置的控制方法，其特征在于，所述步骤(4)、步骤(5)、步骤(6)中，数字滤波与数据融合的方法采用卡尔曼滤波法或互补滤波法。