基于LDV、UWB、MEMS组合的列车定位方法

基于ldv、uwb、mems组合的列车定位方法
技术领域
1.本发明涉及轨道交通技术领域，具体是一种基于ldv、uwb、mems组合的列车定位方法。


背景技术：

2.目前轨道车辆定位主要依靠传统的惯性定位与卫星定位方式，前者高精度的成本较高，但高精度九轴惯导的配置对于轨道车辆过于冗余。后者易受环境因素干扰，在山区、隧道、车站等卫星信号较弱或被遮蔽情况下难以进行精准定位，往往需要与多种传感器组合使用，从而提升了设备维护成本。
3.同时，目前轨道车辆进站停车主要依靠驾驶员控制，或者通过ato系统通过利用列车实时运行状态下相应的牵引和制动指令信息来确保列车在最优的状态下运行，最终保证列车能够在进站给定的停车点进行平稳、精确地停车。但在实际停站过程中存在轨道车辆位置、速度信息获取精确度不足的问题，导致定位准确性不高，停车偏差时有发生，有时甚至会超过2米，为铁路运营造成了安全隐患。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中的缺陷和不足，本发明提供一种基于ldv、uwb、mems组合的列车定位方法，可有效地提高轨道车辆运行定位精度，降低定位成本。
5.为实现上述目的，本发明提供一种基于ldv、uwb、mems组合的列车定位方法，在车站内布设若干uwb基站，在列车上搭载有定位终端，所述定位终端上具有ldv测速系统、uwb通讯系统与mems系统；
6.所述列车定位方法包括：
7.当列车在车站区间运行且未处于所述uwb基站的覆盖范围时，采用基于ldv、mems与轨道节点的匹配方式进行区间定位；
8.当列车在车站区间运行且处于所述uwb基站的覆盖范围时，采用uwb与mems组合的方式进行站内定位；
9.在所述站内定位的基础上，基于ldv速度控制方式进行制动停靠。
10.在其中一个实施例，所述采用uwb与mems组合的方式进行站内定位，具体包括如下步骤：
11.步骤a1，对uwb通讯系统接收各uwb基站发出的uwb信息进行测量，得到列车当前时刻与各uwb基站的距离信息；
12.步骤a2，mems获取列车当前时刻与各uwb基站的距离信息，并根据车站的区域补偿信息对各距离信息进行修正，得到修正后的距离信息所构成的初始位置信息，并通过初始位置信息与轨道建设方案对比，得到列车的方向角信息；
13.步骤a3，设定门限阈值，将初始位置信息中的所有距离信息分别与门限阈值进行比较，筛选出高误差信息，并对其进行低权重赋值后，将初始位置信息中所有的距离信息进
行加权最小二乘法得到列车的精确定位信息。
14.在其中一个实施例，步骤a2中，所述车站的区域补偿信息的获取过程为：在车站布设uwb基站时，对每一uwb基站进行如下处理：
15.步骤a2.1，控制一列搭载有uwb通讯系统的列车在车轨上运行，基于各uwb基站对uwb通讯系统发出的uwb信息进行测量，得到列车当前时刻与各uwb基站的粗测距离信息，并实际测量得到列车当前时刻与各uwb基站的实测距离信息，将粗测距离信息与实测距离信息差分即得到该粗测距离信息对应的区域补偿信息；
16.步骤a2.2，在uwb信息的每个采样时刻进行步骤a2.1，即能得到粗测距离信息与区域补偿信息一一对应的区域补偿信息对照表。
17.在其中一个实施例，步骤a3中，所述将初始位置信息中的所有距离信息分别与门限阈值进行比较，筛选出高误差信息，并对其进行低权重赋值后，将初始位置信息中所有的距离信息进行加权最小二乘法得到列车的精确定位信息，具体为：
18.将初始位置信息中的所有距离信息分别与门限阈值进行比较，将大于或等于门限阈值的距离信息的权重设置为1，将小于门限阈值的距离信息的权重设置为0，并根据所设置的权重将初始位置信息中所有的距离信息进行加权最小二乘法得到列车的精确定位信息。
19.在其中一个实施例，所述采用基于ldv、mems与轨道节点的匹配方式进行区间定位，具体为：
20.步骤b1，在列车驶离车站的uwb基站覆盖区域时，通过步骤a1-a3得到列车的初始位置信息；
21.步骤b2，在步骤b1中获取的初始位置信息的基础上，基于ldv测速系统实时获取列车在轨道运行中沿轨道运行的距离信息，完成列车在区间运行过程中的区间定位；
22.步骤b3，在列车进行区间定位的过程中，通过mems系统实时获取列车的姿态信息，当列车的姿态改变超过突变阈值时，将区间定位所获得的列车沿轨道运行的距离信息与轨道建设规划图拟合，确定姿态发生突变的位置，并以此对区间定位获得的位置信息进行修正，即将与轨道建设规划图匹配得到的位置信息传输至ldv测速系统，更新ldv测速系统的定位信息。
23.在其中一个实施例，步骤b2中，所述基于ldv测速系统实时获取列车在轨道运行中沿轨道运行的距离信息，具体为：
[0024][0025]
式中，s为列车在轨道运行中沿轨道运行的距离信息，vi为ldv测速系统测得的速度信息，t1～t2为列车在轨道运行中的时间间隔。
[0026]
在其中一个实施例，所述基于ldv速度控制方式进行制动停靠，具体为：
[0027]
步骤c1，在列车进行步骤b1-b3的区间定位的过程中，当列车与车站距离25～30km时，进行实验性制动，得到最大制动加速度；
[0028]
步骤c2，基于最大制动加速度确定模拟制动距离；
[0029]
步骤c3，当区间定位测得列车与车站之间的距离等于模拟制动距离+冗余滑行制动距离时，启动制动；
[0030]
步骤c4，在制动过程中，根据ldv测速系统的采样频率实时测量列车的加速度，并根据加速度得到实时制动距离，将实时制动距离与ldv测速系统测得的列车与车站的测量距离进行比对，当实时制动距离大于测量距离时解除制动，直至实时制动距离大于或等于测量距离时再次启动制动；
[0031]
步骤c5，当列车进入uwb基站的覆盖区域后，根据ldv测速系统的采样频率实时测量列车的加速度，并根据加速度得到实时制动距离，将实时制动距离与mems系统测得的列车与车站的测量距离进行比对，当实时制动距离大于测量距离时解除制动，直至实时制动距离大于或等于测量距离时再次启动制动；
[0032]
步骤c6，重复步骤c5直至列车完成停靠。
[0033]
在其中一个实施例，步骤c1中，所述进行实验性制动，得到最大制动加速度，具体为：
[0034]
对列车进行1秒的最大功率制动，通过ldv测速系统测得列车的速度变化曲线，并对速度变化曲线进行线性拟合从而获取列车的最大制动加速度。
[0035]
在其中一个实施例，步骤c2中，所述模拟制动距离为：
[0036]v2
＝2ax
[0037]
式中，v为ldv测速系统测得的列车瞬时速度，a为最大制动加速度，x为模拟制动距离。
[0038]
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
[0039]
1、本发明在车站、山区、隧道等常规卫导无法精准定位的环境下仍能提供轨道车辆的有效定位；
[0040]
2、本发明只需要在制动进站时接收外界信息，可靠性更高。
[0041]
3、本发明减少了差分基站的布设，有效地降低了定位成本。
[0042]
4、本发明实现了现有轨道车辆进站精准停车的无人化控制，提高了进站停车精准度。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。
[0044]
图1为本发明实施例中定位方法的流程图；
[0045]
图2为本发明实施例中站内定位的流程图；
[0046]
图3为本发明实施例中区间定位的流程图；
[0047]
图4为本发明实施例中站内停车的流程图。
[0048]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0049]
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的一部分实施例，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。
[0050]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0051]
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0052]
如图1所示为本实施例公开的一种基于ldv、uwb、mems组合的列车定位方法，该定位方案的前提则是在车站内布设若干uwb基站，各uwb基站呈阵列分布在车站内，且定义uwb基站在车站这一复杂环境下的有效覆盖范围为其开阔条件下的0.75倍，保障需要定位的区域均被有效覆盖，且各uwb基站位置信息与车站内的停车标的位置信息均已进行标定。另外，还需在列车上搭载定位终端，该定位终端上具有ldv(laser doppler velocimetry，激光多普勒测速仪)测速系统、uwb(ultrawide band，超管带无线载波通信)通讯系统与mems系统(micro-electro-mechanical system，微机电系统)，其中，mems系统为六轴mems-imu惯导。
[0053]
本实施例中的定位方法分为两种工作模式，分布为运行模式与制动进站模式。区间运行模式仅包括区间定位，制动进站模式则包括站内定位与制动停靠。其中，区间定位指的是列车在车站间行驶且未处于uwb基站的覆盖范围时的定位，站内定位指的是列车在车站间行驶且处于uwb基站的覆盖范围时的定位。参考图1，本实施例中的定位方法具体包括如下过程：
[0054]
当列车在车站区间运行且未处于uwb基站的覆盖范围时，采用基于ldv、mems与轨道节点的匹配方式进行区间定位，着重解决卫星定位拒止条件下的轨道车辆精准定位问题；
[0055]
当列车在车站区间运行且处于所述uwb基站的覆盖范围时，采用uwb与mems组合的方式进行站内定位，着重解决轨道车辆进站后卫星定位精度不足以支撑其精准停车的问题；
[0056]
在站内定位的基础上，基于ldv速度控制方式进行制动停靠，进而完成轨道车辆精准进站。
[0057]
参考图2，本实施例中采用uwb与mems组合的方式进行站内定位具体包括如下步骤：
[0058]
步骤a1，基于tof(time offlight，飞行时间法)对各uwb基站发送至uwb通讯系统发出的uwb信息进行测量，根据uwb信息的采样频率，得到列车在各个时刻下与各uwb基站的距离信息；
[0059]
步骤a2，mems系统获取列车各个时刻下与各uwb基站的距离信息后，并根据车站的区域补偿信息对各距离信息进行修正，即将tof法测得的距离信息与标定好的区域补偿信息做差分，得到修正后的距离信息，进而得到由若干修正后的距离信息所构成的初始位置
信息，并通过初始位置信息与轨道建设方案对比，得到列车的方向角信息(即姿态信息)，其中，车站的区域补偿信息的标定过程为：在车站布设uwb基站时，对每一uwb基站进行如下处理：
[0060]
步骤a2.1，控制一列搭载有uwb通讯系统的列车在车轨上运行，基于各uwb基站对uwb通讯系统发出的uwb信息进行测量，得到列车当前时刻与各uwb基站的粗测距离信息，并实际测量得到列车当前时刻与各uwb基站的实测距离信息，将粗测距离信息与实测距离信息差分即得到该粗测距离信息对应的区域补偿信息；
[0061]
步骤a2.2，在uwb信息的每个采样时刻进行步骤a2.1，即能得到粗测距离信息与区域补偿信息一一对应的区域补偿信息对照表。
[0062]
步骤a3，设定门限阈值，将初始位置信息中的所有距离信息分别与门限阈值进行比较，筛选出高误差信息，并对其进行低权重赋值后，将初始位置信息中所有的距离信息进行加权最小二乘法得到列车的精确定位信息，即通过滤波优化系统定位精度，将常规的定位精度优化到10cm以内，用以完成轨道车辆精准停靠。具体地：
[0063]
首先可以根据tof法的测量值建立双曲线模型，为：
[0064][0065]
式中，ri为tof法测得的距离信息，(x，y)为列车的位置信息，(xi，yi)为第i个uwb基站的位置信息，ei为误差矩阵，即步骤a2中的区域补偿信息；
[0066]
对双曲线模型进行线性化处理，可以得到线性方程，为：
[0067]
y＝a
·
x+ei[0068]
式中，y为由tof法测得的所有距离信息所组成的观测向量，x为未知向量，a为系数矩阵，其中：
[0069][0070][0071][0072][0073]
式中，为tof法测得的列车与第n个uwb基站之间的距离信息，为第n个uwb基站的位置矢量，为列车的位置矢量，为列车位置初值与第n个uwb基站之间的单位矢量，c为光速，δtk为钟差，为tof法测得的列车与第n个uwb基站之间的距离信息对应的区
域补偿信息；
[0074]
由于系数矩阵a已知，误差矩阵ei可标定获取，而本实施例设置了门限阈值，从而有：
[0075]
x＝(a
twt
a)-1atwty[0076]
式中，w为赋予各基站的伪距加权矩阵，即：
[0077][0078]
式中，ωi为基于所获得的门限阈值与补偿后tof信息作对比而得出，超出门限的权重设为0，阈值内设为1；
[0079][0080]
式中，∑
x
为uwb观测数据系统方差，为uwb观测数据系统方差的中间参数；
[0081]
可以得到：
[0082][0083]
通过迭代获取精确地位置信息。
[0084]
参考图3，本实施例中采用基于ldv、mems与轨道节点的匹配方式进行区间定位具体包括如下步骤：
[0085]
步骤b1，在列车驶离车站的uwb基站覆盖区域时，通过步骤a1-a3得到列车的初始位置信息；
[0086]
步骤b2，在步骤b1中获取的初始位置信息的基础上，基于ldv测速系统实时获取列车在轨道运行中沿轨道运行的距离信息，完成列车在区间运行过程中的区间定位，其中，基于ldv测速系统实时获取列车在轨道运行中沿轨道运行的距离信息的具体实施方式为：
[0087][0088]
式中，s为列车在轨道运行中沿轨道运行的距离信息，vi为ldv测速系统测得的速度信息，t1～t2为列车在轨道运行中的时间间隔；
[0089]
步骤b3，在列车进行区间定位的过程中，通过mems系统实时获取列车的姿态信息，当列车的姿态改变超过突变阈值时，将区间定位所获得的列车沿轨道运行的距离信息与轨道建设规划图拟合，确定姿态发生突变的位置，并以此对区间定位获得的位置信息进行修正，即将与轨道建设规划图匹配得到的位置信息传输至ldv测速系统，更新ldv测速系统的定位信息。
[0090]
参考图4，本实施例中基于ldv速度控制方式进行制动停靠具体包括如下步骤：
[0091]
步骤c1，在列车进行步骤b1-b3的区间定位的过程中，当列车与车站距离25～30km时，进行实验性制动，得到最大制动加速度，其具体实施过程为：
[0092]
对列车进行1秒的最大功率制动，通过ldv测速系统测得列车的速度变化曲线，并对速度变化曲线进行线性拟合从而获取列车的最大制动加速度a；
[0093]
步骤c2，基于最大制动加速度确定模拟制动距离，为：
[0094]v2
＝2ax
[0095]
式中，v为ldv测速系统测得的列车瞬时速度，a为最大制动加速度，x为模拟制动距离；
[0096]
步骤c3，当区间定位测得列车与车站之间的距离等于模拟制动距离+冗余滑行制动距离时，启动制动，本实施例中，将冗余滑行制动距离设置为3km，即当区间定位测得列车与车站之间的距离为x+3km时启动制动；
[0097]
步骤c4，在制动过程中，根据ldv测速系统的采样频率实时测量列车的加速度，并根据加速度得到实时制动距离，将实时制动距离与ldv测速系统测得的列车与车站的测量距离进行比对，当实时制动距离大于测量距离时解除制动，直至实时制动距离大于或等于测量距离时再次启动制动；
[0098]
步骤c5，当列车进入uwb基站的覆盖区域后，根据ldv测速系统的采样频率实时测量列车的加速度，并根据加速度得到实时制动距离，将实时制动距离与mems系统测得的列车与车站的测量距离进行比对，当实时制动距离大于测量距离时解除制动，直至实时制动距离大于或等于测量距离时再次启动制动；
[0099]
步骤c6，重复步骤c5直至列车完成停靠。
[0100]
在步骤c4与步骤c5中，列车的加速度可通过对ldv测速系统测得的速度进行微分得到。
[0101]
综上所述，通过循环和/或叠加进行驱动定位、站内定位与制动停靠三个操作中的一个或两个，不仅能在车站、山区、隧道等常规卫导无法精准定位的环境下仍能提供轨道车辆的有效定位，而且减少了差分基站的布设，有效地降低了定位成本，同时只需要在制动进站时接收外界信息，可靠性更高，实现了现有轨道车辆进站精准停车的无人化控制，有效地提高轨道车辆运行定位精度，降低定位成本。
[0102]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。