专利名称：基于多传感器数据融合的列车闭塞与姿态监测方法
技术领域：
本发明型涉及组合导航、多传感器数据融合及轨道交通领域。通过多传感器数据融合，同时实现列车闭塞与姿态监测。
背景技术：
随着轨道交通的快速发展，列车行车安全及乘车舒适度受到了极大的关注，列车闭塞方法及姿态监测得到了不少的研究。由于传感器技术的成熟、北斗系统的逐渐完善以及GPS的广泛应用，使之在高速列车导航及姿态监测中具有重要的研究价值和应用前景。目前，世界各国普遍采用的闭塞系统正在从固定闭塞向移动闭塞过渡。相对于固定闭塞在轨道区间设置固定的闭塞分区和相应防护信号，移动闭塞虽然也有防护列车运行安全的闭塞分区，但是其闭塞分区是移动的，不再设置固定的信号机，它随后续列和前方列车的实际行车速度、位置、载重量、制动能力、区间的坡道、弯道等列车状态参数和路线参数的具体情况不同而不同。由于目前的列车移动闭塞方法都需要在铁路沿线及列车上配置大量的设备致使成本高昂，同时用于列车姿态监测的系统独立于列车闭塞系统，进一步的提高了列车闭塞与姿态监测的成本。本发明型针对上述问题，提出一种基于多传感器数据融合的列车闭塞与姿态监测方法。利用基于卫星导航接收机(如GPS、北斗、加洛纳斯、伽利略单系统或采用它们组合而成的多系统接收机)、单轴陀螺仪、三轴加速度计、双轴倾角传感器等多传感器数据融合得到的卫星导航-DR组合导航与姿态监测系统，结合现有列控设施(列控中心、调度中心)实现列车闭塞，同时，通过融合得到的列车的姿态数据(包括速度、航向、加速度、转速、俯仰角、倾斜度以及震动等)实现列控中心与调度中心对列车的姿态监测。发明型内容鉴于现有技术的以上不足，本发明型旨在提供一种低沉本的实现列车闭塞与姿态监测的方法。本发明的这一目的通过如下手段来实现。一种基于多传感器数据融合的列车闭塞与姿态监测方法，由加速度计、陀螺仪与倾角传感器共同组成多传感器航位推算子系统DR (Dead Reckoning),该系统所得航位推算数据与卫星导航系统数据通过数据融合处理得到列车的高精度置信息，从而实现卫星-航位推算组合导航；同时，所述航位推算子系统DR与其它冗余传感器进行数据融合得到列车姿态数据信息，从而实现列车的姿态监测；高精度的列车位置信息与列车姿态数据通过列控设施实现列车闭塞和姿态监测。本发明基于多传感器数据融合的列车闭塞与姿态监测方法，由卫星导航接收机(如GPS、北斗、加洛纳斯、伽利略单系统或采用它们组合而成的多系统接收机)、单轴陀螺仪、三轴加速度计、双轴倾角传感器、AD采样模块、通信接口模块、主控模块组成的设备上，采用如下方式实现列车闭塞与姿态监测:加速度计、陀螺仪与倾角传感器共同组成航位推算子系统，其中倾角传感器对航位推算方案进行倾角补偿，该子系统与卫星导航系统通过联合卡尔曼滤波算法进行数据融合后得到卫星-DR组合导航系统，组合导航系统采用插值法提高数据更新率进而提高导航精度满足高速环境对数据更新率的要求，安装有该设备的处于运行状态的列车可以将自身的状态信息(包括位置、速度、方向等)通过列控中心发送至调度中心，调度中心根据相邻列车的上述信息计算出各列车的闭塞区间及限制速度等信息后将其反馈至相应列控中心，列车列控中心接收后作出相应动作完成列车闭塞；基于上述用于组合导航系统的传感器，并结合其它冗余传感器进行数据融合得到姿态监测系统，计算出列车姿态信息(包括速度、航向、加速度、转速、俯仰角、倾斜度以及震动等)，并通过列控中心发送至调度中心，同时实现列控中心及调度中心对列车姿态的监测，保证乘车舒适度。实现本发明任务的装置可采用，由卫星导航接收机、陀螺仪、三轴加速度计、双轴倾角传感器、AD采样模块、通信接口模块、主控模块、数字模拟电源模块组成。所述卫星导航接收机可为GPS、北斗、加洛纳斯、伽利略等单系统接收机，也可为其中任何单导航系统组成的多系统接收机；所述AD采样模块有ARM芯片、多通道高精度AD芯片、高精度参考电压芯片及放大器组合来实现，ARM控制AD芯片实现对不同传感器的数据进行采集；通信接口模块由ARM芯片内置接口来实现；ARM芯片为装置的主控芯片。本发明的措施能同时实现列车闭塞与姿态监测，有效降低了列车闭塞与姿态监测的成本。其中航位推算子系统中倾角修正模型能够弥补列车行进过程中因仰俯角的存在而带来的误差，数据融合得到的列车震动参数可以用来纠正因列车震动而带来传感器数据误差，有助于提闻导航精度。
如下:图1为本发明型实现列车闭塞与姿态监测的原理图。图2为本发明型所采用的传感器的安装示意图。图3为本发明型用于航位推算的倾角修正模型。图4为本发明型用于组合导航系统的插值法原理图。图5为本发明型装置数据融合算法框图。图6为本发明型装置总体设计框图。图7为本发明型之装置软件架构图。图8为本发明型之组合导航系统总体性能测试图。图9为本发明型之组合导航系统高速状态测试效果图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。但是应该强调的是，下面的实施方式只是实例性的，而不是为了限制本发明型的范围及应用。图1是本发明型实现列车闭塞与姿态监测的原理图。安装于列车上的组合导航与姿态监测系统经列控中心将自身位置与姿态(速度、加速度、角速度、仰俯角、倾斜度、震动等)数据发送至调度中心，调度中心根据相邻列车的上述信息计算不同列车的闭塞区间并发送至相应列控中心，列控中心接收信息后作出相应动作实现列车闭塞。同时，列控中心与调度中心通过姿态数据实现对列车的姿态监测。
图2是本发明型所采用的传感器安装示意图。其中，X轴为列车行进方向，y轴垂直于列车行进方向(水平面上)，Z轴为竖直方向。陀螺仪水平安装于设备上，采集列车的角速度，X轴上，加速度传感器采集列车的行进加速度，倾角传感器采集设备的仰俯角；y轴上，加速度传感器采集列车的侧滑加速度，倾角传感器采集列车的倾斜度。此外，安装于X、y、z三轴上的加速度传感器所采集到的信息经过相关数据处理得到列车不同方向的震动参数。卫星导航接收机用于接收卫星导航报文。需要说明的是，本示意图仅画出部分传感器，可以根据需要添加其它姿态监测传感器。图3是用于航位推算的倾角修正模型。模型引入低成本倾角传感器采集列车行进过程中的仰俯角及装置水平安装误差，将二维车载导航模型中实际运动方向(V)与计算方向(Vx)进行误差修正，将实际运动方向的矢量投影至水平面上参与计算，可以实现对倾角的修正，提高导航精度。在本单陀螺仪单加速度计航位推算方案中，运动方向上的加速度为:a = anij _gX sin ( ct ),式中g为重力加速度，为倾角传感器的输出星。图4为本发明型用于组合导航系统的插值法原理图。即在普通卫星导航接收机原始的I秒钟的数据更新周期内通过DR系统均匀插入N个周期(也可以采用非线性插值法)，理论上定位精度将提高为原来的N倍，使系统在高速运动环境也有着良好的导航性能。本装置设计的最高数据更新率可达到40Hz。图5是本发明型之组合导航系统数据融合算法框图。局部滤波器I在接收机数据更新时完成卫星导航报文的解算，提取系统融合所需的参量并进行滤波处理；局部滤波器2完成DR子系统的数据采集、滤波与推算任务；全局滤波器在卫星导航子系统数据更新且定位有效时，利用联合卡尔曼滤波算法完成两个子系统的数据融合，并输出融合后的决策量。在卫星导航子系统无数据更新或定位无效时，全局滤波器与DR子系统输出相同。另外，在卫星导航系统有数据更新时，组合系统将全局滤波器的结果分别反馈至两个子系统进行误差补偿，以获得更加精确的导航参数。图6是本发明型装置总体设计框图。系统采用ARM芯片作为运算处理器，包括运算处理单元、惯性传感器采集单元、卫星导航接收机、通信接口单元以及模拟、数字电源等模块单元电路。运算处理单元负责控制惯性传感器采集单元、卫星导航接收机、通信接口单元电路的正常工作，通过软件编程完成数据的采集、接收、同步、推算、滤波、融合等任务，并将导航数据通过通信接口单元发送至终端设备；惯性传感器采集单元响应处理器的命令，负责采集陀螺仪、加速度计、倾角传感器等惯性传感器的数据；卫星导航接收机接收卫星导航信息并将导航报文发送至处理器，同时向处理器提供IPPS(秒脉冲)同步信号；通信接口单元完成运算处理单元与终端设备之间的通信。惯性传感器采集单元选用多通道高精度高速A/D转换器。采用ARM内置的重复中断计时器(RIT)设计等间隔采样，在每一个采样周期内按照一定顺序对不同传感器进行多次采样并进行滤波后作为最终计算值。图7是本发明装置的软件架构图。在主流程中，系统响应每一个IPPS信号的边沿触发ARM外部中断，同时卫星导航接收机通过UART3向ARM发送导航报文，触发其接收中断。UART3完成卫星导航数据接收后，系统进入RIT进行DR数据采集、卫星导航数据提取完成数据同步，同时进行运算处理操作，然后将决策数据按照一定频率经UARTO发送至终端设备，这样完成一次导航任务。为保证同步，系统每秒进行一次同步操作，在卫星导航系统无数据更新或者数据无效时则不进行同步。图8是本发明型之组合导航系统总体性能测试图。为成都市实地测试轨迹，测试路线包含有隧道、高楼、立交、高速公路等交通环境。由图可见导航轨迹与谷歌地图路线基本重合，而且卫星导航-DR组合导航的轨迹(浅色细线)比卫星单独导航(深色粗线)的轨迹更光滑稳定，取得了较好的导航效果。图9为本发明型之组合导航系统高速状态测试效果图。采用插值法将组合系统数据更新率设置为5Hz，在高速公路进行跑车测试，截取部分数据(车速在120km/h左右)所绘制轨迹。可知，组合导航系统5Hz的数据更新率有效地弥补了普通卫星导航接收机在高速运动环境中应用的缺陷。经计算，在载体速度为120km/h时，组合导航将卫星导航导航的精度从33.3m提高到了 7m以内。且数据更新率可以按照需要进行设置，可见导航精度可满足高速列车对位置精度的要求。
权利要求
1.一种基于多传感器数据融合的列车闭塞与姿态监测方法，其特征在于，由加速度计、陀螺仪与倾角传感器共同组成多传感器航位推算子系统DR，该系统DR所得航位推算数据与卫星导航导航系统数据通过数据融合处理得到列车的高精度位置信息，从而实现卫星-航位推算组合导航；同时，所述航位推算子系统DR与其它冗余传感器进行数据融合得到列车姿态数据信息，从而实现列车的姿态监测；高精度的列车位置信息与列车姿态数据通过列控设施实现列车闭塞和姿态监测。
2.根据权利要求1所述之基于多传感器数据融合的列车闭塞与姿态监测方法，其特征在于，所述卫星-航位推算组合导航中卫星导航与航位推算子系统DR所得航位推算据信息经联合卡尔曼滤波算法进行数据融合，将插值法融入数据融合算法提高数据更新率，同时，利用倾角传感器及计算得到震动参数对航位推算系统做误差修正，弥补行车过程中因倾角和震动的存在而带来的误差。
3.根据权利要求1和2所述之基于多传感器数据融合的列车闭塞与姿态监测方法，其特征在于，经数据融合得到本列车高精度的列车位置信息和列车姿态数据信息，经列控中心发送至调度中心，调度中心结合相邻列车的上述信息，计算出各列车的闭塞区间及限制速度等信息后将信息发送至相应的列控中心，列控中心接收信息后作出相应动作，实现列车闭塞。
4.根据权利要求1所述之基于多传感器数据融合的列车闭塞与姿态监测方法，其特征在于，所述组合导航与姿态监测系统通过多传感器数据融合得到列车姿态信息，并通过列控中心发送至调度中心 ，同时实现列控中心与调度中心对列车姿态的监测。
全文摘要
本发明型公开了一种基于多传感器数据融合的列车闭塞与姿态监测方法。针对目前列车移动闭塞方法的成本高昂问题，采用基于多传感器数据融合得到的卫星导航-DR组合导航与姿态监测系统，结合现有列控设施(列控中心、调度中心)即可实现列车移动闭塞。另外，通过多传感器数据融合得到的列车姿态数据可以同时实现列控中心与调度中心对列车的姿态监测，进一步降低了列车闭塞与姿态监测的成本。该方法可靠性高、成本低，可用于轨道交通领域。
文档编号G01S19/49GK103213605SQ20131010398
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月28日 优先权日2013年3月28日
发明者闫连山, 郭庆峰, 肖辰彬, 潘炜, 郭进, 罗斌, 张志勇, 邹喜华, 张程 申请人:西南交通大学