CN108168918B - 用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制系统及方法，该系统包括主时基模块、同步模块、同步校验与补偿模块以及控制及协议模块；主时基模块用于根据GPS系统输出的1pps信号，驯服本地恒温晶振，获得本地时钟基准；同步模块用于对主时基模块输出的时钟基准信号进行分频处理，驱动多个传感器进行同步数据采集工作；同步校验与补偿模块用于对同步模块的同步触发脉冲信号进行补偿，确保各个传感器采集到的数据处于一个同步的时刻点；控制及协议模块用于完成各传感器初始化、各传感器指令发送和各传感器数据解析工作。本发明可以真正达到检测小车的自动化和提高小车的测量效率。

Description

用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及轨道检测的技术领域，尤其涉及一种用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制系统及方法。

背景技术

2008年8月，时速达350km的京津城际客运专线的建成通车，标志着中国铁路已经跻身世界高速铁路发达行列，实现了铁路运输设备现代化、控制与管理科学化、检测与故障诊断智能化等安全保障技术的重大突破。高速铁路轨道安全检测技术成为实现高速铁路运输安全的基础。

我国对轨道几何状态的测量研究，最初是为解决普通铁路的轨道形位病害，采用的是相对测量方式的轨检仪，测量效率虽高，却不易解决测量精度和可靠性问题，其测量精度不能满足高速铁路轨道平顺性的要求。因此京津、武广、郑西等最初建设的高速铁路，主要依靠进口设备，采用绝对测量模式进行轨道儿何状态的测量。随着我国高速铁路建设的大规模实施，国内开始生产轨道几何状态检测小车并在高速铁路建设中应用。

现有技术中，轨道测量小车集成的传感器较少，未实现对多个传感器进行自动化控制和同步化数据采集，进行人工测定数据后，再进行后期处理和数据拟合工作，这样的工作方式效率低，精度差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制系统及方法，旨在用于解决现有的轨道测量车未实现对多个传感器进行自动化控制和同步化数据采集的问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制系统，包括主时基模块、同步模块、同步校验与补偿模块以及控制及协议模块；

所述主时基模块用于根据GPS系统输出的1pps信号，驯服本地恒温晶振，获得高精度和高稳定性的本地时钟基准；

所述同步模块用于对所述主时基模块输出的时钟基准信号进行分频处理，驱动多个传感器进行同步数据采集工作；

所述同步校验与补偿模块用于对所述同步模块的同步触发脉冲信号进行补偿，确保各个传感器采集到的数据处于一个同步的时刻点；

所述控制及协议模块用于完成各传感器初始化、各传感器指令发送和各传感器数据解析工作，同时还用于将多个同步传感器数据进行打包和加注时间戳。

本发明还提供一种用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制方法，包括以下步骤：

S1，主时基模块基于GPS系统输出的1pps信号，驯服本地恒温晶振，获得高精度和高稳定性的本地时钟基准；

S2，同步模块对所述主时基模块输出的时钟基准信号进行分频处理，驱动多个传感器进行同步数据采集工作；

S3，同步校验与补偿模块对所述同步模块的同步触发脉冲信号进行补偿，确保各个传感器采集到的数据处于一个同步的时刻点。

进一步地，所述步骤S1具体包括：GPS系统输出1pps脉冲信号，经过电信号接收和调理电路，输入给FPGA中，与恒温晶振的分频信号一起，被送入DPD数字鉴相器中；同时，FPGA工作时钟驱动DCM模块和10MHz信号进行分频操作，生成FPGA工作时钟与恒温晶振时钟的相位锁定工作；根据对1pps的脉冲上升沿触发、脉冲保持时间和触发间距，结合数字鉴相器结果，计算出恒温晶振的微调频率值；然后通过控制DAC模块或控制DCP模块进行恒温晶振的REF端和CTRL端的电压值变化，从而形成一个闭环时钟驯服系统。

进一步地，所述步骤S2具体包括：

同步模块对所述主时基模块输出的时钟基准信号进行分频处理，分频得到用于驱动轨距传感器的200Hz同步信号、用于驱动IMU系统的1Hz同步信号、用于驱动倾角传感器的5Hz同步信号、用于驱动里程传感器的20Hz同步信号以及用于驱动激光测距传感器和双摄图像传感器的协议控制同步信号，各分频信号驱动相应的传感器进行同步数据采集工作。

进一步地，所述步骤S3具体包括：对200Hz同步信号通过FPGA内部ADC保持器进行后处理；对1Hz同步信号通过IMU系统的内部同步采集系统完成同步时刻标记；对5Hz同步信号通过时间间隔补偿；对激光测距同步信号通过时间间隔补偿；双摄图像传感器采集到视频文件后通过同步触发脉冲进行单幅图像抓取。

进一步地，该方法还包括：控制及协议模块完成各传感器初始化、各传感器指令发送和各传感器数据解析工作，同时将多个同步传感器数据进行打包和加注时间戳。

进一步地，所述控制及协议模块控制完成的内容具体包括：指令控制模块完成帧头、数据、帧尾及校验的解析；DCP模块和DAC模块对恒温晶振进行同步校正及控制；轨距传感器ADC模块完成轨距数据计算；里程传感器通过四倍频计数完成里程数据计算；IMU协议解析和数据存储及传输模块对IMU系统数据进行处理；倾角传感器通过通讯接口UART完成倾角传感器初始姿态及过程静止姿态校正；协议解析及功能模块IP完成GPS数据采集；双摄像模块通过控制协议解析及外部采集触发信号控制数据采集；激光测距模块通过UART进行数据采集。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制系统及方法，可实现对多个外设传感器进行同步化数据采集；在对多个外设传感器进行自动化控制和同步化数据采集过程中，可以输出同步误差小于±50ns的同步脉冲信号，同时完成了200hz的数据采样率实验，并有望达到400hz，效率较高；可以减少数据的后期处理和拟合工作，在结合了GPS授时数据后，可以完成多个外设传感器的同步测量和数据采集，同步误差小于20us，精度较高；总之，可以真正达到检测小车的自动化和提高小车的测量效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制系统的方框图；

图2为本发明实施例提供的主时基模块框图；

图3为本发明实施例提供的同步模块框图；

图4为本发明实施例提供的同步校验与补偿模块框图；

图5为本发明实施例提供的控制及协议模块框图；

图6为本发明实施例提供的用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制方法的流程图。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例提供一种用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制系统，用于对轨道自动测量车的多个传感器进行同步自动控制，本实施例中轨道自动测量车上的传感器包括：GPS系统、IMU系统、轨距传感器、倾角传感器、里程传感器、激光测距传感器以及双摄图像传感器。该系统包括主时基模块、同步模块、同步校验与补偿模块以及控制及协议模块。

轨道自动测量车的多个传感器需要保持较高的时刻同步性和一致的授时时间戳，需要在本地生成一个精度和准确度较高的本地主时基。GPS系统可以输出1pps脉冲信号，但是1pps的时间分辨率，不能直接满足测量车的测量采集频率要求。

因此，所述主时基模块用于根据GPS系统输出的1pps信号，驯服本地恒温晶振（10MHz OCXO），从而获得高精度和高稳定性的本地时钟基准。

具体地，GPS系统输出1pps脉冲信号，经过电信号接收和调理电路，输入给FPGA中，与恒温晶振的分频信号一起，被送入DPD数字鉴相器中。同时，FPGA工作时钟驱动DCM模块和10MHz信号进行分频操作，生成FPGA工作时钟与恒温晶振时钟的相位锁定工作。根据对1pps的脉冲上升沿触发、脉冲保持时间和触发间距，结合数字鉴相器结果，可以计算出恒温晶振的微调频率值。然后通过控制DAC模块或控制DCP模块进行恒温晶振的REF端和CTRL端的电压值变化，从而形成一个闭环时钟驯服系统。

恒温晶振有着良好的短期稳定性，可以完全规避GPS 1pps信号的随机误差和1pps信号丢失的情况（时钟驯服保持），而GPS 1pps有着高同步性、无累积误差等特点。两者相结合，周期性的使用1pps来进行本地恒温晶振的同步纠正，就能获得一个准确可靠的本地时基。

所述同步模块用于对所述主时基模块输出的10Mhz时钟基准信号进行分频处理，驱动多个传感器进行同步数据采集工作。

如图3所示，具体地，同步模块对所述主时基模块输出的时钟基准信号进行分频处理后得到用于驱动轨距传感器的200Hz同步信号、用于驱动IMU系统的1Hz同步信号、用于驱动倾角传感器的5Hz同步信号、用于驱动里程传感器的20Hz同步信号以及用于驱动激光测距传感器和双摄图像传感器的协议控制同步信号，各分频信号驱动相应的传感器进行同步数据采集工作。

所述同步模块输出了各个外围传感器和模块所需的同步触发脉冲信号，但是由于各个传感器和模块的工作模式和响应时间不同，故需要所述同步校验模块来保证各个传感器和模块采集到的数据处于同一个同步的时刻点。

所述同步校验与补偿模块用于对所述同步模块的同步触发脉冲信号进行补偿，确保各个传感器采集到的数据处于一个同步的时刻点。

如图4所示，补偿过程具体包括：对200Hz同步信号通过FPGA内部ADC保持器进行后处理；对1Hz同步信号通过IMU系统的内部同步采集系统完成同步时刻标记；对5Hz同步信号通过时间间隔补偿；对激光测距同步信号通过时间间隔补偿；双摄图像传感器采集到视频文件后通过同步触发脉冲进行单幅图像抓取。

所述控制及协议模块用于完成各个主要功能模块的控制及信号解析，包括各传感器初始化、各传感器指令发送和各传感器数据解析工作，同时还用于将多个同步传感器数据进行打包和加注时间戳。

如图5所示，所述控制及协议模块控制完成的内容具体包括：指令控制模块完成帧头、数据、帧尾及校验的解析；DCP模块和DAC模块对恒温晶振进行同步校正及控制；轨距传感器ADC模块完成轨距数据计算；里程传感器通过四倍频计数完成里程数据计算；IMU协议解析和数据存储及传输模块对IMU系统数据进行处理；倾角传感器通过通讯接口UART完成倾角传感器初始姿态及过程静止姿态校正；协议解析及功能模块IP完成GPS数据采集；双摄像模块通过控制协议解析及外部采集触发信号控制数据采集；激光测距模块通过UART进行数据采集。

实施例2：

如图6所示，本发明实施例还提供一种用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制方法，包括以下步骤：

S1，主时基模块基于GPS系统输出的1pps信号，驯服本地恒温晶振，获得高精度和高稳定性的本地时钟基准；

S2，同步模块对所述主时基模块输出的时钟基准信号进行分频处理，驱动多个传感器进行同步数据采集工作；

S3，同步校验与补偿模块对所述同步模块的同步触发脉冲信号进行补偿，确保各个传感器采集到的数据处于一个同步的时刻点。

如图2所示，进一步地，所述步骤S1具体包括：GPS系统输出1pps脉冲信号，经过电信号接收和调理电路，输入给FPGA中，与恒温晶振的分频信号一起，被送入DPD数字鉴相器中；同时，FPGA工作时钟驱动DCM模块和10MHz信号进行分频操作，生成FPGA工作时钟与恒温晶振时钟的相位锁定工作；根据对1pps的脉冲上升沿触发、脉冲保持时间和触发间距，结合数字鉴相器结果，计算出恒温晶振的微调频率值；然后通过控制DAC模块或控制DCP模块进行恒温晶振的REF端和CTRL端的电压值变化，从而形成一个闭环时钟驯服系统。

如图3所示，进一步地，所述步骤S2具体包括：同步模块对所述主时基模块输出的时钟基准信号进行分频处理，分频得到用于驱动轨距传感器的200Hz同步信号、用于驱动IMU系统的1Hz同步信号、用于驱动倾角传感器的5Hz同步信号、用于驱动里程传感器的20Hz同步信号以及用于驱动激光测距传感器和双摄图像传感器的协议控制同步信号，各分频信号驱动相应的传感器进行同步数据采集工作。

如图4所示，进一步地，所述步骤S3具体包括：对200Hz同步信号通过FPGA内部ADC保持器进行后处理；对1Hz同步信号通过IMU系统的内部同步采集系统完成同步时刻标记；对5Hz同步信号通过时间间隔补偿；对激光测距同步信号通过时间间隔补偿；双摄图像传感器采集到视频文件后通过同步触发脉冲进行单幅图像抓取。

如图5所示，进一步地，该方法还包括：控制及协议模块完成各传感器初始化、各传感器指令发送和各传感器数据解析工作，同时将多个同步传感器数据进行打包和加注时间戳。

进一步地，所述控制及协议模块控制完成的内容具体包括：指令控制模块完成帧头、数据、帧尾及校验的解析；DCP模块和DAC模块对恒温晶振进行同步校正及控制；轨距传感器ADC模块完成轨距数据计算；里程传感器通过四倍频计数完成里程数据计算；IMU协议解析和数据存储及传输模块对IMU系统数据进行处理；倾角传感器通过通讯接口UART完成倾角传感器初始姿态及过程静止姿态校正；协议解析及功能模块IP完成GPS数据采集；双摄像模块通过控制协议解析及外部采集触发信号控制数据采集；激光测距模块通过UART进行数据采集。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (5)

1.一种用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，主时基模块基于GPS系统输出的1pps信号，驯服本地恒温晶振，获得高精度和高稳定性的本地时钟基准；

S2，同步模块对所述主时基模块输出的时钟基准信号进行分频处理，驱动多个传感器进行同步数据采集工作；

S3，同步校验与补偿模块对所述同步模块的同步触发脉冲信号进行补偿，确保各个传感器采集到的数据处于一个同步的时刻点；

所述步骤S1具体包括：GPS系统输出1pps脉冲信号，经过电信号接收和调理电路，输入给FPGA中，与恒温晶振的分频信号一起，被送入DPD数字鉴相器中；同时，FPGA工作时钟驱动DCM模块和10MHz信号进行分频操作，生成FPGA工作时钟与恒温晶振时钟的相位锁定工作；根据对1pps的脉冲上升沿触发、脉冲保持时间和触发间距，结合数字鉴相器结果，计算出恒温晶振的微调频率值；然后通过控制DAC模块或控制DCP模块进行恒温晶振的REF端和CTRL端的电压值变化，从而形成一个闭环时钟驯服系统。

2.如权利要求1所述的用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括：同步模块对所述主时基模块输出的时钟基准信号进行分频处理，分频得到用于驱动轨距传感器的200Hz同步信号、用于驱动IMU系统的1Hz同步信号、用于驱动倾角传感器的5Hz同步信号、用于驱动里程传感器的20Hz同步信号以及用于驱动激光测距传感器和双摄图像传感器的协议控制同步信号，各分频信号驱动相应的传感器进行同步数据采集工作。

3.如权利要求1所述的用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：对200Hz同步信号通过FPGA内部ADC保持器进行后处理；对1Hz同步信号通过IMU系统的内部同步采集系统完成同步时刻标记；对5Hz同步信号通过时间间隔补偿；对激光测距同步信号通过时间间隔补偿；双摄图像传感器采集到视频文件后通过同步触发脉冲进行单幅图像抓取。

4.如权利要求1所述的用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制方法，其特征在于：该方法还包括：控制及协议模块完成各传感器初始化、各传感器指令发送和各传感器数据解析工作，同时将多个同步传感器数据进行打包和加注时间戳。

5.如权利要求4所述的用于轨道自动测量车同步测量的同步自动控制方法，其特征在于：所述控制及协议模块控制完成的内容具体包括：指令控制模块完成帧头、数据、帧尾及校验的解析；DCP模块和DAC模块对恒温晶振进行同步校正及控制；轨距传感器ADC模块完成轨距数据计算；里程传感器通过四倍频计数完成里程数据计算；IMU协议解析和数据存储及传输模块对IMU系统数据进行处理；倾角传感器通过通讯接口UART完成倾角传感器初始姿态及过程静止姿态校正；协议解析及功能模块IP完成GPS数据采集；双摄像模块通过控制协议解析及外部采集触发信号控制数据采集；激光测距模块通过UART进行数据采集。