一种基于递推平均滤波的汽车列车铰接角测量方法与流程

1.本发明属于测量技术领域，特别是涉及一种基于递推平均滤波的汽车列车铰接角测量方法。


背景技术：

2.近年来，城市轨道交通系统趋于成熟，并逐渐向智能化方向发展。电子导向胶轮车作为一种新出现的交通制式，是一种智能化的导向式胶轮系统。它与传统机械导向的城市轨道交通系统如地铁、轻轨在车辆结构、配置与路轨结构等方面均存在区别，电子导向胶轮车需要依靠自身完成导向与走行，智能化程度较高。由于电子导向胶轮车由可编组的胶轮车辆组成，各胶轮车辆之间通过机械铰接结构相连。铰接角是相邻编组车辆轴向的轴线形成的夹角。在电子导向胶轮车行驶的过程中，铰接角的变化情况与数值大小可以反映车辆的横向稳定性，同时铰接角也是电子导向胶轮车自动驾驶过程中的重要输入参数。
3.现有的测量铰接角的设备有接触式传感器与非接触式传感器。接触式传感器需要安装在铰接点的位置，但是电子导向胶轮车在行驶的过程中铰接点的位置存在较大的振动，同时伴有泥沙的侵蚀，容易造成传感器损坏。这种直接接触测量的方法对传感器的防护要求过高，对于不同形式的铰接车辆还需要定制传感器的大小与尺寸，增加了测量的成本，实用性差。非接触式传感器则不需要直接安装在铰接点的位置，在多个物体直接通过相机、测距仪或通过机械结构对铰接角进行转换间接测量铰接角。这种方法的测量装置价格较高，导致测量的局限性较大，难以进行实际应用。
4.专利cn110208784a公开了一种根据毫米波雷达进行铰接角测量的方法，通过设置基准面测量相邻车厢的不同位置距离基准面的距离，根据这些距离利用几何关系推算出相邻车厢的铰接角。专利cn106274907a公开了一种根据卡尔曼滤波的铰接角视觉测量方法。主要利用方向盘的转角信号修正利用视觉系统测量的铰接角数值，保证铰接角的测量精度。这些方法对于铰接角的测量都有较好的效果，但是使用的仪器成本过高并且这些方法铰接式车辆行驶过程中的外界干扰等因素都没有考虑进测量方法中，影响铰接角测量的精度。针对这些问题，本发明设计了一种基于递推平均滤波的汽车列车的铰接角测量方法，它基于递推平均滤波法能够有效避免外界环境的干扰。同时，它的测量设备价格较低，最后通过几何关系得到的铰接角精度较高，能够满足工程的实际需求。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于解决现有汽车列车铰接角测量方法与技术容易受外界干扰、测量成本高、精度有所欠缺的问题。
6.为了实现本发明目的，本发明公开了一种基于递推平均滤波的汽车列车铰接角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、数据采集模块采集前车构架固定参照点与后车构架固定参照点之间的位移变化量，将采集到的原始数据发送至滤波模块；
步骤2、滤波模块接收到数据采集模块采集到的位移变化量后，采用递推平均滤波法对数据进行滤波处理，并将滤波后的数据传输到计算模块；步骤3、计算模块结合前车构架固定参照点、后车构架固定参照点与车辆铰接点的位置，对滤波模块滤波后的数据进行计算，求得车辆的铰接角。
7.进一步地，数据采集模块采集前车构架固定参照点与后车构架固定参照点之间的位移变化量，车辆铰接点为前车铰接盘和后车铰接盘支架交点，固定参照点为车辆上预设的固定点位；位移传感器设置于前车构架固定参照点与后车构架固定参照点之间。
8.进一步地，滤波模块用于对数据采集模块采集到的数据进行滤波，递推平均滤波法具体包括以下步骤：步骤2-1、通过数据采集模块采集n次前车构架固定参照点与后车构架固定参照点的位移变化量，将采集到的n个数据作为初始数据组；步骤2-2、当数据采集模块采集到新的位移变化量时，将采集到新数据放入原初始数据组的末尾，并去除原初始数据组的第一个数据，得到一个新数据组；步骤2-3、将新数据组的数据进行算数平均计算，获得先前采集到的新数据的滤波结果。
9.进一步地，计算模块用于对滤波模块滤波后的数据进行计算，具体包括以下步骤：步骤3-1、导入车辆铰接点与前车构架固定参照点之间的距离a，车辆铰接点与后车构架固定参照点之间的距离b，前车构架固定参照点与后车构架固定参照点之间的初始距离c；其中，a、b为已知的预设数值，且在车辆行驶中不会发生变化；步骤3-2、导入车辆铰接点与前车构架固定参照点连线、车辆铰接点与后车构架固定参照点之间的初始夹角θ，θ为已知的预设数值；步骤3-3、根据前车构架固定参照点与后车构架固定参照点之间的初始距离c和滤波模块导入的前车构架固定参照点与后车构架固定参照点之间的位移变化量，求得前车构架固定参照点与后车构架固定参照点之间的新距离c’；步骤3-4、根据余弦公式，求得车辆铰接点与前车构架固定参照点连线、车辆铰接点与后车构架固定参照点之间的新夹角θ’，具体公式为：步骤3-5、根据夹角θ和新夹角θ’计算出车辆行驶的铰接角。
10.进一步地，步骤3-5中，铰接角的计算方法为：步骤3-5-1、对铰接角变化量的正值方向进行定义，车辆左转时铰接角为正，车辆右转时铰接角为负；步骤 3-5-2、根据定义的铰接角变化量的正值方向，求得铰接角φ，φ等于θ-θ’或θ
’‑
θ。
11.进一步地，步骤4中，计算模块求得车辆的铰接角后，将得到的结果作为车辆控制系统的输入，控制整辆车辆的行驶。
12.进一步地，位移传感器包括各种位移传感器，如滑动变阻器，通过电压的差值换算得到长度的变化值；如非接触式位移传感器，通过磁场的差值换算得到长度的变化值；所述位移传感器通过铰链连接在前车构架固定参照点与后车构架固定参照点之间。
13.进一步地，步骤2-1中，数据采集模块的采集次数n根据车辆行使工况进行预设，n的范围为5~60次。
14.进一步地，前车构架固定参照点与后车构架固定参照点所固定位置为刚体，不受外界压力变形。
15.进一步地，步骤1中，数据采集模块分别将采集到的原始数据发送给数据滤波模块和计算模块；计算模块得到原始数据和滤波数据后，将原始数据和滤波数据进行对比，分析滤波模块滤波效果。
16.与现有技术相比，本发明的显著进步在于：1）本技术使用的位移传感器成本较低并且精度较高，能够充分满足工程上的需求与应用；2）本技术的滤波模块利用递推平均滤波算法能够有效降低外界环境对测量值的干扰，使得输出的测量值平滑度高；3）本技术采用的间接测量方式简单、累计误差小，根据几何关系计算的数值稳定准确，能够满足实际工程中对于铰接角数值精度的要求。
17.为更清楚说明本发明的功能特性以及结构参数，下面结合附图及具体实施方式进一步说明。
附图说明
18.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是本发明整体工作流程示意图；图2为位移传感器实际位置示意图；图3为本发明整体结构示意图；图4为实施例结构示意图；图5为实施例车辆连接示意图。
具体实施方式
19.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他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.如图1所示，一种基于递推平均滤波的汽车列车铰接角测量方法，包括以下步骤：步骤1、数据采集模块采集前车构架固定参照点与后车构架固定参照点之间的位移变化量，将采集到的原始数据发送至滤波模块；步骤2、滤波模块接收到数据采集模块采集到的位移变化量后，采用递推平均滤波法对数据进行滤波处理，并将滤波后的数据传输到计算模块；步骤3、计算模块结合前车构架固定参照点、后车构架固定参照点与车辆铰接点的位置，对滤波模块滤波后的数据进行计算，求得车辆的铰接角。
21.具体地，在本实施例中，数据采集模块分别将采集到的原始数据发送给数据滤波模块和计算模块；计算模块得到原始数据和滤波数据后，将原始数据和滤波数据进行对比，分析滤波模块滤波效果。
22.如图2、图3所示，数据采集模块采集前车构架固定参照点与后车构架固定参照点之间的位移变化量，车辆铰接点为前车铰接盘和后车铰接盘支架交点，固定参照点为车辆上预设的固定点位；位移传感器通过铰链连接在前车构架固定参照点与后车构架固定参照点之间，位移传感器包括各种位移传感器，如滑动变阻器，通过电压的差值换算得到长度的变化值；如非接触式位移传感器，通过磁场的差值换算得到长度的变化值。
23.实施例1如图3、图4所示，数据采集模块利用位移传感器获取到采集数据，其中a点为车辆铰接点，b点为后车构架固定参照点，c点为前车构架固定参照点。位移传感器设置在b点c点之间采集位移数值，ab、ac、bc的初始长度已知分别为175、495.92、411.95，∠bac的初始角度已知为52
°
，在车辆行驶中ab和ac固定的。车辆行驶时，铰接盘转动使得bc变化，bc变化量通过数据采集模块的位移传感器测出，随后数据采集模块将数据传输到数据滤波模块与计算模块。
24.由于数据采集模块的数据会受到外界环境的干扰，导致数据波动较快并且与实际测量值存在一定的偏差，所以数据采集模块将数据导入滤波模块进行滤波。滤波模块首先通过数据采集模块采集20次位移值，将这20个位移值看作初始数据组；随后将采集到新数据放入初始数据组的最后，并去除初始数据组的第一个数据，得到一个新数据组；将新数据组的数据进行算数平均计算，获得先前采集到的新数据的滤波结果，即bc的滤波后的位移值，并发送至计算模块。这种方式对于对环境的的干扰具有良好的抑制作用并且它的平滑度高。
25.计算模块在得到滤波后得到的数值后，利用几何关系间接计算铰接角。长度411.95的bc边，对应角度传感器的初始长度；∠bac=52
°
为铰接角为零时的角度零位，通过计算变化后的与角度零位的差即可得到实际铰接角φ。在车身之间发生相对转动时，位移传感器的长度发生变化。通过获取该长度，换算得到新的 ∠bac值，进而得到铰接角。新的 ∠bac值根据余弦公式计算
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，其中bc’为bc边与采集到的位移值计算后的新长度。定义铰接角φ方向以左转为正，右转为负，以图中传感器为例，当车辆左转时角bac变小，求得角bac的新值∠bac1，∠bac1＜ 52
°
，此时的铰接角φ为：1；当车辆右转时角bac变大，求得角bac的新值∠bac2，∠bac2＞52
°
，此时的铰接角φ的绝对值为：。
26.实施例2如图5所示，本实施例的汽车列车由3节车厢组成，分别为动车mc1、车体t、动车mc2；mc1、车体t、动车mc2之间分别通过第一铰接盘和第二铰接盘连接，其中φ
12
为mc1与t之间的铰接角，φ
23
为t与mc2之间的铰接角。
27.a点和a’点分别为第一车辆铰接点和第二车辆铰接点，b点和c点为车体t、动车mc1上的固定参照点，b’点和c’点为动车mc2、车体t上的固定参照点。两个位移传感器设置在b点c点，b’点c’点之间采集位移数值，∠bac的初始角度已知为θ， ∠b’a’c’的初始角度已知为 θ’。
28.新的∠bac 值和 ∠b’a’c’根据余弦公式计算，定义铰接角 φ方向以动车mc1左转为正，右转为负，以图中传感器为例：
当车头为mc1端时，mc1连接t的左边为位移传感器，在左转时，角bac变小，角b’a’c’变大；右转时，角bac变大，角b’a’c’变小，因此：当车头mc1左转时，求得角bac的新值∠bac3，∠bac3＜θ；角b’a’c’的新值∠b’a’c’3，∠b’a’c’3＞θ’；因此：铰接角φ
12
为： φ
12
=θ-∠bac3铰接角φ
23
的绝对值为：φ
23
=∠b’a’c’3-θ’当车头mc1右转时，求得角bac的新值∠bac4，∠bac4＞θ；角b’a’c’的新值∠b’a’c’4,∠b’a’c’4＜θ’；铰接角φ
12
的绝对值为：φ
12=
∠bac4-θ铰接角φ
23
为： φ
23
=θ
’‑
∠b’a’c’4当车头为mc2端，t连接mc2左边为位移传感器，在左转时，角bac变大，角b’a’c’变小；右转时，角bac变小，角b’a’c’变大，因此：当车头mc2左转时，求得角bac的新值∠bac5，∠bac5＞θ；角b’a’c’的新值∠b’a’c’5，∠b’a’c’5＜θ’；因此：铰接角φ
12
为：φ
12
=∠bac5-θ铰接角φ
23
的绝对值为：φ
23
=θ
’‑
∠b’a’c’5当车头mc2右转时，求得角bac的新值∠bac6，∠bac6＜θ；角b’a’c’的新值∠b’a’c’6，∠b’a’c’6＞θ’；铰接角φ
12
的绝对值为：φ
12
=θ-∠bac6铰接角φ
23
为：φ
23
=∠b’a’c’6-θ’需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
29.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。