基于色标传感器的高速磁浮列车相对位置定位方法与流程

本发明涉及高速磁浮列车的相对位置定位方法，尤其涉及一种针对搭载式高速磁浮轨道动态检测系统所用的基于色标传感器的高速磁浮列车相对位置定位方法。

背景技术：

高速磁浮列车，是一种新型交通工具，列车运行时，与轨道之间无机械接触，保持固定的间隙，即磁浮列车跟踪轨道运行，轨道的质量将影响到列车的稳定性、舒适性。

搭载式高速磁浮轨道动态检测系统是一种利用惯性基准原理实现轨道几何参数快速测量的装置，其中轨道几何参数测量实际上是测量轨道线型在空间的变化。为了实现有效的检测和维护，所测的轨道线型必须与轨道的里程紧密关联，因此，测试得到的轨道线型数据配套有相应的里程信号。高速磁浮列车采用长定子同步牵引技术实现高速运行，其中轨道相当于直线同步电机中的长定子。当牵引系统牵引列车运行时，通过列车牵引和运行控制的测速定位系统实时、精确地获得列车(转子)的位置信息，以确保长定子移动磁场和转子磁场同步。

因此，急需提出一种满足高速磁浮轨道动态检测系统要求的高速磁浮列车相对位置定位方法。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种基于色标传感器的高速磁浮列车相对位置定位方法，用于克服现有技术中的高速磁浮列车相对位置定位方法不能满足高速磁浮轨道动态检测系统要求等缺陷，通过充分利用高速磁浮列车轨道的齿槽结构特点，基于色标传感器，进行齿槽计数，实现高速磁浮列车的相对位置定位、测速以及运行方向判断。

一方面，提供了一种基于色标传感器的高速磁浮列车相对位置定位方法，包括：利用与所述高速磁浮列车位于同一刚体平台的色标传感器对高速磁浮列车轨道的齿和槽进行检测，得到对应所述色标传感器的检测信号；以及根据所述检测信号测算所述高速磁浮列车的运行距离、运行速度和运行方向。

在本发明的一个实施例中，在所述高速磁浮列车轨道方向上所述齿和所述槽的宽度相等。

在本发明的一个实施例中，所述色标传感器包括位于所述高速磁浮列车底部的第一色标传感器和第二色标传感器，所述第一色标传感器和所述第二色标传感器在所述高速磁浮列车轨道方向上相距1/2个齿的宽度或1/2个槽的宽度的距离，所述第一色标传感器和所述第二色标传感器在垂直于所述高速磁浮列车轨道方向上的距离使得所述第一色标传感器的所述检测信号和所述第二色标传感器的所述检测信号互不干涉。

在本发明的一个实施例中，所述齿的颜色比所述槽的颜色浅。

在本发明的一个实施例中，所述齿的颜色为白色，所述槽的颜色为黑色。

在本发明的一个实施例中，对应所述齿的所述检测信号的输出电平高于对应所述槽的所述检测信号的输出电平，所述检测信号整体呈现为方波信号。

在本发明的一个实施例中，根据所述检测信号测算所述高速磁浮列车的运行距离的步骤包括：当所述检测信号中出现上升沿时，运行距离增加一个槽在所述高速磁浮列车轨道方向上的宽度；以及当所述检测信号中出现下降沿时，运行距离增加一个齿在所述高速磁浮列车轨道方向上的宽度。

在本发明的一个实施例中，根据所述检测信号测算所述高速磁浮列车的运行距离的步骤包括：当所述检测信号中出现上升沿时，运行距离增加一个槽和一个齿在所述高速磁浮列车轨道方向上的宽度之和；或者当所述检测信号中出现下降沿时，运行距离增加一个槽和一个齿在所述高速磁浮列车轨道方向上的宽度之和。

在本发明的一个实施例中，根据所述检测信号测算所述高速磁浮列车的所述运行速度的步骤包括：计算所述检测信号中相邻两个上升沿之间的时间差；以及将一个槽和一个齿在所述高速磁浮列车轨道方向上的宽度之和除以所述时间差，得到所述运行速度。

在本发明的一个实施例中，根据所述检测信号测算所述高速磁浮列车的所述运行方向的步骤包括：选择所述第一色标传感器的所述检测信号的任一跳变沿；读取所述第二色标传感器的所述检测信号的位于选择的所述任一跳变沿时刻的输出电平；以及根据选择的所述任一跳变沿和位于选择的所述任一跳变沿时刻的所述输出电平判断所述高速磁浮列车的所述运行方向。

本发明实施例具有如下优点或有益效果：通过充分利用高速磁浮列车轨道的齿槽结构特点，基于色标传感器，进行齿槽计数，实现高速磁浮列车的相对位置定位、测速以及运行方向判断，可以满足高速磁浮轨道动态检测系统要求。

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为高速磁浮轨道齿槽面示意图本发明一个实施例的一种基于色标传感器的高速磁浮列车相对位置定位方法的流程示意图；

图2为色标传感器布置示意图；

图3为两个色标传感器的信号波形；

图4为触发方波流程图。

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。

为了能够很好的解决上述问题，提供满足高速磁浮轨道动态检测系统要求的测速定位方法，通过分析了解高速磁浮列车轨道的齿槽结构特点，本发明实施例提供了一种基于色标传感器的高速磁浮列车相对位置定位方法。借助高速磁浮列车轨道齿槽结构特点，基于色标传感器，进行齿槽计数，实现高速磁浮列车的相对位置定位、测速以及运行方向判断。

本发明所要实现的相对位置定位、测速以及运行方向判断，是基于高速磁浮列车轨道的齿槽结构特点实现。高速磁浮列车轨道相当于直线同步电机中的长定子，具有齿槽结构，如图1所示。其中，齿为白色环氧树脂(老化后偏黄色)，槽内镶嵌黑色线缆，两者颜色差异较大，易于分辨。

本发明实施例利用轨道中齿面和槽内线缆两者的色差，利用色标传感器实现对齿槽的识别和计数。色标传感器的工作原理是基于物体反射光的特点，通过发出调制光，接收被测物体的反射光的方式，根据接收光信号的强弱来区分不同的颜色，进而判别物体的存在与否。其中，浅色区域反射光较强，色标传感器会输出高电平，深色区域反射光较弱，色标传感器会输出低电平。深浅区域交替即会产生高低电平变换，形成方波，可用于计数。

关于色标传感器的布置：如图2所示，使用两个色标传感器a、b纵向错位布置，间距21.5mm。其中，色标传感器a生成的齿槽方波信号可用于对齿槽计数，从而达到高速磁浮列车的相对位置定位和测速的目的。同时，该齿槽方波还可作为其他传感器的触发信号。色标传感器a与色标传感器b组合，生成的两路方波信号可用于高速磁浮列车运行方向的判断。

定位方法：高速磁浮轨道(长定子)的齿结构和槽结构有具体一致的尺寸，其中齿的宽度和槽的宽度相等，例如均为43mm。如此，有利于本发明实施例的定位方法，以及后续的测速方法和运行方向判断等过程的实施以及简化。定位方式有两种。其一，以单一齿和单一槽为单位，当检测到由齿到槽变化即颜色由浅到深变化，色标传感器会产生一个高电平到低电平的变化，称为下降沿，计数器加一，相应的，相对位置增加43mm；或者，当检测到由槽到齿变化即颜色由深到浅变化，色标传感器会产生一个低电平到高电平的变化，称为上升沿，计数器加一，相应的，相对位置增加43mm。其二，以一齿一槽为单位，当检测到上升沿时，也即由槽到齿，颜色由深到浅变化，色标传感器会产生一个上升沿；当检测到下降沿时，也即由槽到齿，颜色由深到浅变化，色标传感器会产生一个下降沿；以一齿一槽为单位，即仅以上升沿为触发，或仅以下降沿为触发；当仅以上升沿为触发时，每遇到一个上升沿，则计数器加一，相应的，相对位置增加86mm；或者，同理，仅以下降沿为触发时，每遇到一个下降沿，则计数器加一，相应的，相对位置增加86mm。通过齿槽计数方式，最终实现高速磁浮列车相对位置的定位。此处值得说明的是，前述定位方法均以同一个色标传感器输出的方波信号为统计对象，也即前述定位方法由色标传感器a或色标传感器b中的任何一个即可实现。当然，在其他一些实施例中，前述定位方法还可以适用于齿的宽度和槽的宽度不等的情形，相应地，前述定位方法中涉及相对位置增加多少的那部分内容的具体实现细节也将随齿的宽度和槽的宽度的变化而变化，齿的宽度和槽的宽度是否相等具体地取决于高速磁浮列车轨道自身的设计特征。

测速方法：色标传感器输出的方波信号的一个周期对应于一个齿槽的周期长度，即色标传感器输出的方波信号的相邻两次上升沿之间对应的高速磁浮列车运行的空间距离为86mm，相邻的上升沿和下降沿之间对应的高速磁浮列车运行的空间距离是43mm。通过采集卡中的时钟信息，计算色标传感器输出的方波信号的前后相邻的两次上升沿之间的时间差，获得高速磁浮列车的速度信息；或着计算前后相邻的上升沿和下降沿的时间差，获得高速磁浮列车的速度信息。此时的测速是基于空间也即高速磁浮列车的运行路程得到的，也即是标量。

运行方向判断：在高速磁浮轨道动态检测系统的同一个刚体平台上，前后布置俩个色标传感器a、b(如图2所示)，在轨道方向上距离1/4个齿槽距离，即86*1/4＝21.5mm，左右距离需保证两个色标传感器工作时两者之间相互不干涉，以防止干扰，并在高速磁浮列车运行的过程中始终同时处在高速磁浮列车的底部，从而可以保持对高速磁浮列车所经过的轨道的齿槽结构的准确检测，以防漏检。两个色标传感器在高速磁浮列车运行过程中随着高速磁浮列车一起运动，以检测轨道(长定子)齿槽结构的循环颜色变化，从而可以获取到如图3所示的方波信号。

a方波为色标传感器a获得；b方波为色标传感器b获得。由图3可以看出，a方波和b方波这两路信号存在90度的相位差，因此在一方波信号的任一跳变沿读取另一路方波的电平即可判断列车运行方向。如，在色标传感器a产生的方波信号的上升沿时刻(也即由槽到齿产生的颜色由深到浅进而导致输出的方波信号产生由低到高的变化)，若色标传感器b的方波信号为高电平(也即检测到的是齿)，高速磁浮列车此刻即是正向运行(在高速磁浮列车轨道方向上由色标传感器b往色标传感器a运行)；若色标传感器b的方波信号为低电平(也即检测到的是槽)，高速磁浮列车此刻即是反向运行(在高速磁浮列车轨道方向上由色标传感器a往色标传感器b运行)。

触发采样：色标传感器a生成的方波信号a可作为对搭载式高速磁浮轨道动态检测系统其它传感器的触发脉冲。如图4所示，以高速磁浮轨道高低不平顺检测为例说明：利用激光位移传感器采集高速磁浮轨道(定子)的数据存在明显的齿槽纹波效应。为了消除齿槽纹波效应导致的检测数据偏差和检测结果失真，垂向间隙的测量点必须位于高速磁浮轨道(长定子)的齿面和槽面。因此，正向运行检测时利用方波信号a的上升沿(由槽到齿)触发激光位移传感器对高速磁浮轨道(长定子)齿面采集，逆向运行检测时则利用方波信号a的下降沿(由齿到槽)触发激光位移传感器对齿面数据进行采集。当然，在对齿面信号进行采集时，首先需要利用方波信号a和b对高速磁浮列车的运行方向进行判断，从而确定使用方波信号的上升沿或是下降沿触发采样。

综上所述，本发明实施例通过以上技术方案能够带来如下有益效果：

(1)利用高速磁浮轨道齿槽结构中齿面为环氧树脂是白色(老化后偏黄色)，槽内线缆为黑色的特点，使用色标传感器进行齿槽计数，更加精确，避免了漏计、少计的情况。

(2)利用高速磁浮轨道齿槽结构进行速度测定，获得的速度信息更充足。

(3)基于空间距离，色标传感器可以提供给高速磁浮轨道动态检测系统触发采样方波，可以对每个齿面进行数据采样，能够保证对每个齿面进行检测，方便对检测信息进行相对位置定位。

(4)色标传感器的频响更高，能够满足更快的速度要求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。