（交通信息工程及控制专业论文）多传感器信息融合的列车测速定位实验平台的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 本文首先简述了列车测速定位技术及其发展，多传感器信息融合的优势，并介 绍了国外基于多传感器融合的列车测速定位的研究情况。在此基础上，利用虚拟 仪器开发工具l a b v 匝w ，自行设计和实现了多传感器信息融合研究的列车测速定 位软硬件实验平台，并通过试验证明了该平台具有良好的性能。 基于硬件和信息冗余的原则，本文提出了采用惯性测量单元、电子罗盘、陀 螺仪、g p s 卫星接收机以及里程计作为列车测速定位实验平台的传感器组合。根 据传感器的体积和接口等特性，选用了适当的便携式机箱和工控机，完成了机箱 内传感器的合理布局和接口设计。在硬件的实现过程中，采用了两套电源的供电 模式，并考虑了硬件抗干扰的问题。 根据试验需要，本文利用虚拟仪器设计软件l 抽v 正w 等实现了该测速定位 实验平台的软件功能。利用【矗b v m w 的优势，设计了良好的人机操作界面。为 给多传感器融合的列车测速定位研究提供必要的可靠数据，本文利用l a b v w 的相关技术实现了软件实验平台的数据预处理功能，包括数据的实时采集、同步 显示、完整存储等。在数据存储设计中，为便于后续研究对数据的比较分析，我 们定义了统一的数据记录格式，并设计了时间戳标识。最后基于m a 邛，a b 进行 数据处理和l a b w 设计人机界面的两大优势，利用l 如v 正w 与m a t l b 的 接口，实现了数据后处理模块设计以及卡尔曼滤波融合的简单研究。 在完成测速定位软硬件平台的基础上，本文针对实验平台的性能以及传感器 工作状况进行了大量的试验，改进并提高了软硬件平台的性能。文中通过长时间 定点的试验说明了测速定位平台的稳定性以及数据采样的连续性和可靠性，并通 过对铁路现场所得试验数据的分析，说明了所用的传感器工作正常，且传感器获 得的数据具有较好的可比性，为下一步传感器融合研究奠定了可靠的基础。 关键词：多传感器融合；列车定位；l a b v i e w ；数据处理 多传感器信息融合的列车测速定位实验平台的研究 a b s t l 鼍c t f i r s to fa l l ，t h et e c h n o l o 西e sa 1 1 dd e v e l o p m 肌to f t r a j i l 印e e dm e a s u r c n l e n ta n d 1 0 c a l i z 撕o na r ed e s 砸b e di i lt l l i sp a p e r ，a 1 1 dm ea d v a n t a g e so f m u l t i s e l l s o r 如s i o na r ea l s o p r c s e m e d t h e n ，m es t l l d yo f 订a i ns p e e dm e a s u r e m e n ta n d1 0 c a l i z a n o nb a s e do nm u l t i s 印s o rm s i o na r ei n 们d u c e d 1 1 1 es o 胁a r ea n d h 耵d w a r cp l a 仃。册，w 协c hw j l lb eu s e df o r 山es 锄es m d y ，a r ed e s i 弘e da i l dr e a l i z e db yu s i n gv i n l 叫i n s 仇l m e ms o f 【w a r el 曲v w ， a n dt i l ep 舶a n c e so f t l l ep i a t a r ev 甜f i c d 衄肌曲t e s t s b a s e do nt l ：l cp 血c i p l e so f h a r d w a r ea 1 1 di 1 1 f 研m a t i o nr e d u n d a i l c y ，t 1 1 eh l e r t i a l m e a s u r c m e n tu m t ，t h ee l e c h _ 0 一c o m p a s s ，m eg y r o s c o p e ，t 1 1 eg p sr e c c i v 目a r i dm e o d o m c l 盯a r es d e c t c da s1 1 1 e m b i l l a l i 伽o f s e n s o r sf d rm ep 】a t f - 0 r n l a c c o f d 抽gt 01 1 1 e c h a r a c 谢s t i c so f s e n s o r s ，s u c ha sc u b a g ea n di n t e r f h c ee t c ，ap o n a b l e m p u t e ra n da s l l i t d b l eu n i ta r es e l e c t e d ，锄dm e 猢g e m 肌to f s e n s o r sa i l dt 1 1 ed e s i g no f i n t e r f k ea r c a l s oc o m p l e t c d d 响gt 1 1 er c a l j z 砒i o no f h a i d w a r et w o _ s e tp o w e rs u p p l i e sa r ed e s i g n e d a i l dm ep r o b l e m so f h a r d w a r ea i 巧a 1 1 【1 1 1 1 i i l ga r ec o 璐i d e r c d a c c o r d i r 培t om er e q l l i r e m e n t so f t e s t s ，m eb a s i cf i l n c d o 璐o f s o f h v a wp 】a t f 0 珊a r e r e a l i z e db yu s i n gs o 胁a r el a b v w w i mt l l ea d v a n t a g e so f l a b v m w ，m e9 0 0 dm 扑 m a c l l i n ei n t e r f 砬e sa r ed e s 国。d h lo r d e rt op r o v i d er e l i a b l ed a t af b rm er e s e a r c h ，t h e d a t ap r e p i d c c s s i i l gf i l n c t i 0 1 l s ，s u c ha st h e a c q i l i s i 石o n ，t l l ed a 士ad i s p l a ya 1 1 dl h ed a t a s t o r a g e ，a r e 他a l i z e d 谢mm ec o e l a t i v et e c l l i l i q u e s d u i i n gm er e a l i z a t i o no f d a f a s t o r a g e ，au 耐矗e dd a t ar o c 0 i d 加g 南玎n a ta r l daf i m e 如m l a ta r e 蛐d ，a t 】a s t ，b yu s i n g m ei n t 柏c eb 帆e c nh b wa 1 1 dm a t u 出，t h ed a 诅p o s l p r o c c s s i l l gm o d u l ei s r e a h z e d ，a i l d m e t l i l l a l lf i 蛐i s 咖d i c d t ov e r i 黟m ep e r f o m 瑚c e so f p l a t f a i l d 吐1 e0 p e r a t i o ns 诅m so f s e i l s o r s ，s o m e t e s t sh a v eb e i n l p l e r n c r 删hi l l i sp 印e r ，1 es 曲i l 时o f p l a t f 豳a n dc o n t i n u 毋o f d a t as a l l l p l 洒ga r ep r o v e dt l l r o u g hm e1 0 r 培i i m et e s t ，a n d 埘mm ec o m p a r eo f m a ld a 诅i n r a i l w a vn e l d sm ew d ls t a t u so f s 吼s o r sh a sb e e nt e 嘶f i e d t h e r e f o r e ，w i m1 1 1 ee f r e c t i v e d a t a 址l e r ew o u l db ear e h a b l ef o u n d 撕o nf o rm es n l d yo f 面ns p e e dm e a s u r e m e n ta n d l o c a l i z 拍叽b a s e do nm u m s c n s o rm s i o nmm en e x ts t e p k e y w o r d s ：m u l t i - s e n s o rf u s i o n ；1 r a i l ll o c a l i z 撕o n ；l a b v 砸w ；d a c a p m c e s s m g 一一 北京交通大学硕士学位论文 1 1 选题的背景和意义 列车狈8 速定位是列车运行控制系统“1 的重要组成部分。传感器融合技术“1 的广 泛应用使我们能够采用多种传感器的组合方式，利用不同传感器的优势，取长补 短为系统提供更可靠、更精确的信息，而这正是我们采用多传感器融合方式实现 列车测速定位的重要原因。本文搭建的列车测速定位实验平台将为基于多传感器 融合方式的列车定位研究提供基础环境。 1 1 1 列车测速定位简介 速度和位置信息是列车运行控制系统正常工作，列车安全运行的重要参数。 由于被控对象列车处于动态过程中，只有了解到所有列车的位置，速度等信息， 才能控制列车的行进、停车、加速和缓行等，从而有效控制列车，获得行车效率 和保证行车安全。 1 1 1 1 列车测速定位发展趋势 列车测速定位技术的发展是与列车运行控制系统的发展相适应的。新的安全 可靠的歹车澳4 速定位技术的应用会促进列车运行控制系统的发展和完善。反之， 列车测速定技术的落后可能滞后列车运行控制系统的前进步伐。 目前，列车运行控制系统的发展趋势是由基于轨道电路的列车运行控制系统 ( t b t c t m c kc i r c u i tb a s e dt r 由c o n 们1 ) 向基于通信的列车运行控制系统 ( c b t c c 0 m m l l l l i c 越o nb a s e dt r a i nc o n 怕i ) 嘲发展。 在基于轨道电路的列车运行控制系统阶段，由于受制于所采用的通信方法， 位于车上的列车运行控制系统无法与地面控制中心进行实时的双向通信，地面控 制中心只能通过轨道电路等手段获得列车占用的轨道，并通过轨道电路向列车单 向发送允许的速度信息，从而保证追踪运行列车的安全间隔。在这种情况下，列 车测速定位方法是通过安装于机车车轮上的速度传感器( 即里程计) 来获得列车 气一 多传感器信息融合的列车测速定位实验平台的研究 的速度和运行的里程信息。然而，由于轮轨间的相对运动( 如空转“、打滑” 等) 的存在，将使得里程的误差会随着时间而增长。于是，人们采用在铁路沿线 安装间隔一定距离的查询应答器作为列车绝对位置的识别，从而减小累积误差。 可见，基于查询倥答器和速度传感器的列车测速定位方法与基于轨道电路的列车 运行控制系统是相适应的。 在基于通信的列车运行控制系统阶段，随着g s m - r ”1 等车地通信手段的完 善，地面控制中心与列车运行控制系统可以进行实时的双向通信，这样地面控制 中心可以实时获得列车的速度和位置等信息，而列车运行控制系统也可以从地面 控制中心实时地得到列车的速度和位置信息。在这种情况下，轨道电路的通信功 能已经被g s m - r 等通信手段所取代。在欧洲列车运行控制系统( e t c s e u m p e a n t r a i l lc o n 仃0 1s y s t 锄) “1 标准的最高等级第三级中，轨道电路将被取消。因此研究 与未来的列车运行控制系统相适应的列车测速定位方法是非常有意义的。多传感 器信息融合的列车测速定位方式正是适应未来基于通信的列车运行控制系统的。 1 1 ，l | 2 列车测速定位技术介绍 目前，在实际工程中已经应用的列车测速和定位技术。3 主要有如下几种：查 询位答器、机车轮轴转速测定法( 速度传感器) “1 、多普勒雷达测速法、卫星定 位法等。这些技术在不同地区的应用情况是不同的，如查询，应答器在欧洲、北美 和亚洲的应用比例都是最大的，卫星的狈0 速定位方法主要在北美应用“。而速度 传感器是国内普遍的测速定位方式。对以上单一的列车测速定位技术及其不足“1 的分析如下。 查询，应答器法 查t 眇应答器由查询器和应答器两部分组成，一殷蝴j 中在地面道床上铺设应 答器，在列车上安装查询器。对于无源查询应答器，当列车经过地面应答器时， 向地面无源应答器发射能源后，通过短程无线电波，立即从应答器反馈获得数 据，包括里程标数据。因此列车可以获得自身精确定位数值。如在路轨道床上按 给定距离铺设多个应答器，则列车可以连续定点地从它们获得信息，在这些信息 4 北京交通大学硕士学位论文 中有相应定位信息。此外，从获得两个信息的间歇时间长短经过处理后，也可进 一步判断求得列车实际运行速度。 采样此方法要获得精确定位，就得铺设大量查询应答器，而铺设查询位答 器的增多必将导致铁路建设成本的提高，而且查询应答器之间的无线电波传输距 离虽然不大，但同样会受到各种可能干扰。 机车轮轴转速测定法 机车轮轴转速测定法使用速度传感器，即里程计。通常是将光电脉冲速度传 感器安装在某个机车动轮上，机车运行时车轮转动，传感器产生一个和速度成比 例的脉冲序列，然后对该脉冲序列处理即可得到列车的速度和里程信息。即当车 轮旋转一周，产生脉冲的个数是固定的，通过对脉冲的计数，得到车轮的转动周 数。再通过已知的轮径，则可得到运行距离，再除以计数时间就可得到运行速 度。 用这种方式计算列车位置信息的不足是：一是因车轮的磨损导致利用车轮直 径获得列车里程的误差增大。二是还应该考虑列车运行过程中的空转和打滑等影 响。这些误差是线性累积的，随着行驶里程的增加其绝对误差也会越来越大。 可以采用信标、轨道电路分界点、电缆环线等手段传送给列车绝对位置标 识，这些标识的位置在线路中是固定不变的，是经过精确测量的网。车载定位设 备接收到这些标识信息后，将不断校正其位置信息。 多普勒雷达测速法 多普勒雷达测速原理是：雷达定时向地面发送微波，并根据反射微波和入射 微波的夹角、入射时间和反射时间以及雷达距地面的距离计算出列车的运行速 度。 这种方法直接测量列车相对于雷达波反射面的速度，这样就避免了车轮滑 行、空转和由于磨损导致轮径改变而带来的误差。但是反射面的表面特性会对雷 达的性能产生影响。列车加速和制动导致的雷达波与反射面夹角的改变会影响定 位的精度。该方法对环境要求比较严格，如不允许有遮挡物，空气中不允许存在 5 一 多传感器信息融合的列车测速定位实验平台的研究 烟雾杂物等，此外列车的振动也会带来误差咖。所以在一般铁路运行线路上应用 此法比较困难。 卫星定位法 卫星定位法主要是指利用g p s 的导航定位，此外可利用俄罗斯的 g l o n a s s ，欧洲的e g n o s ，美国的w a a s 等及其组合的定位方法。 g p s 系统由导航卫星、地面检测站和用户接收机组成。g p s 定位是基于到达 时间测距原理。从已知位置的卫星发射信号到达卫星接收机所需时间间隔乘以信 号传播速度，即可得到卫星到接收机的距离。接收机从多个已知位置的卫星接收 多个信号用于确定接收机的位置。使用差分定位方法( d g p s ) ，并引入一个已 知位置的误差信息后，可将定位误差减小到3 m 之内“。 在列车上安装g p s 接收机和差分误差信息接收器，即可通过导航卫星实现列 车的精确定位。这种方法的优点是只需在机车上安装接收机即可，维护方便。缺 点有：在周围阻挡物多的地方，例如树林、山区、隧道等地，列车的定位精度受 到影响，甚至无法定位，因此需要在这些增加地面辅助设备，如回线、查询应答 器等；由于差分接收机和发射台之间的距离不宜太远，否则会影响定位精度，所 以要有差分台接续措施；d g p s 对卫星的故障十分敏感，一旦一颗卫星出现失 效，就会出现d g p s 性能恶化，所以不能单一地将d g p s 定位信息作为列控防护 子系统的位置参数。 1 1 2 多传感器组合与列车测速定位 针对列车测速定位技术发展的特点，以及前面对目前列车测速定位技术的介 绍，我们认为，可采用多传感器组合的方式，实现实时的精确可靠的列车测速定 位。 1 1 2 1 多传感器信息融台简述 多传感器信息融合的研究始于2 0 世纪8 0 年代军事领域，迅速扩展到非军事 的各个应用领域。多传感器信息融合的基本原理也就像人脑综合处理信息一样， 充分利用多个传感器资源，通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用， 。6 一 北京交通大学硕士学位论文 得到描述同一环境特征的冗余或互补信息，再运用一定的算法进行分析、综合和 平衡，最后取得环境特征较为准确可靠的描述信息“”。 融合方法“。是多传感器融台的一个非常重要的研究内容，适宜的融合方法才 能发挥出多传感器融合技术的优势。针对具体的应用情况，有简单滤波法、加权 平均法、贝叶斯估计法、卡尔曼滤波法、统计决策理论法、模糊逻辑推理法和人 工神经网络方法等。 采用多个传感器的方式是因为单个传感器在环境描述方面存在着无法克服的 缺陷“”：首先单个传感器无法获得关于环境描述的全面信息，而且观测值会存在 不确定或偶然错误的情况；其次单个传感器缺乏鲁捧性，一旦传感器失效会导致 整个系统的瘫痪；最后单个传感器无法对不同环境下的不同任务都做出正确的描 述。基于以上的原因，可采用多传感器融合技术来弥补以上的问题。通过多传感 器融合，不仅可以得到描述同一环境特征的冗余信息，而且可以描述不同的环境 特征多个传感器的使用还可以使信息采集和处理过程并行化，从而提高整个系统 的性能。 此外，计算机技术和传感器技术的发展，在硬件和软件两个方面为多传感器 集成与融合技术的发展奠定了基础。和单个传感器系统相比，通过多传感器的集 成与融合不仅可以得到更全面、更准确的信息，而且化费的成本和时间有所减 少。综上所述，多传感器集成与融合的特点可以简单地归纳为冗余性、互补性、 及时性和低成本性。 1 1 2 _ 2 测速定位的传感器组合 除了前文列车测速定位技术介绍中的查询应答器、速度传感器、多普勒雷达 和卫星等传感器外，测速定位中可以应用的传感器还包括：陀螺仪，电子罗盘， 惯性测量单元( 玳s ) 等。 利用陀螺仪可测量角速度，再通过对角速度的采样、积分获得运行方向的角 度变化。标度因子和漂移( 偏移和位移) 是表征陀螺精度的主要参数。可通过建 立一个补偿模型动态地对陀螺进行校准。对于标度因子的校准可通过使用其它传 7 多传感器信息融合的列车测速定位实验平台的研究 感器敏感角速率并修改标定因子：还可通过基于数字地图或其它传感器，在发生 拐弯指令时校准标度因子“。校准漂移的一种方法是列车静止时校准预先确定的 或制造商给定的值；另一种方法是随其它传感器或地图匹配算法“”而定，当车辆 不拐弯时修正原来的值。 在定位系统中使用罗盘可测量所附属物体( 如车辆) 的取向，取向测量相对 于磁场北极。电子罗盘因其轻便性、高振动耐固性和快速响应等特点，优于传统 的罗盘。磁通量闸门罗盘是电子罗盘中最流行的一种。磁通量闸门罗盘测量结果 通常有两种类型误差：由附近的电力线、钢结构建筑物、钢筋混凝土和桥梁所造 成的偏差是典型的短期磁偏差情况；而不准确的校正、电或磁噪声等都是长期磁 偏差的起因。 惯性测量单元的优点“”是：不需要任何外来信息也不向外辐射任何信息，可 在任何介质和任何环境条件下实现导航，输出数据平稳，短期稳定性好。其固有 的缺点是：导航精度随时间发散，即长期稳定性差。 通过分析，可见利用单一传感器的列车测速定位技术存在着各自的不足，单 一的传感器也存在各自的缺陷，而通过多传感器的组合及应用适当的传感器融合 算法来实现列车的测速定位，其优势在于能通过冗余、互补和更多种的信息为测 速定位系统提供更可靠、更精确的信息。 目前在列车测速定位中，可考虑g p s 固r ( d e a dr 。蛐g ) 组合、d r 愿a l i s e 组 合、d 刚g p s ，b a l i s e 组合、多普勒雷达 g p s 组合、g p s ，n s 多普勒雷达速度传感 器组合等。 g p s 仍r 组合 利用g p s 仍r 技术实现列车定位是一种非常普遍的组合方式，在公路交通领 域中已得到广泛应用。由惯性传感器构成的航位推算系统，其高频特性较好、低 频特性较差，而g p s 与之相反。如果综合利用两者的优点构成组合定位系统，则 整个系统的精度、性能和可靠性都较单一的系统有大的改善”1 。 d r ，b a l i s e 妇合 8 北京交通大学硕士学位论文 d 嘞b a l i s e 的组合中，b a l i s e 由应答器和查询器两部分组成。在导航应用中， b a l i s e 位置信息作为d r 系统的校准使用，具有很高的置信度。在b a l i s e 数据可 用时( 如到达b a l i s e 位置时) ，应用该组合；在应答器之间区域运行时，就只用 d r 得到导航结果。在估计算法中，通过使用应答器的位置信息加上方向角信息 可以显著提高精确度。当然，一些参数，如应答器间隔距离、列车速度和应答器 安装位置可能会影响d r b a 】j s e 组合的性能”1 。 d 刚g p s 仍a l i s e 组合 对于d 剐g p s b a l i s e 组合，当列车运行于b a l i s e 之间线路时，系统将工作在 d 刚g p s 方式下；而当b a l i s e 数据可用时，系统将工作在d 瞄p s 肥a h s e 方式 下，就可估计g p s 和d r 误差。因为g p s 信息并不总是可用，在此组合中， b a l i s e 通过增加精确的位置信息，来提高导航的可靠性和可用性。考虑到线路上 b a l i s e 丢失的情况，或由于系统机械或电子问题导致的d r 数据不足，可利用 g p s 数据补充”1 。 多普勒雷达与g p s 组合 多普勒雷达与g p s 组合，可以用g p s 的数据来修正雷达的误差，在g p s 不 可用时系统可以继续工作嗍。 g p s ，蹦s 多普勒雷谢速度传感器组合 g p s 烈s ，多普勒雷遨速度传感器的组合方式由于既有互补，又有冗余。明显 具有较高的可靠性，当其中一个故障时，系统可以降级使用“。但只有采用合理 的融合算法与融合结构才能获得好的结果。 1 2 多传感器融合的列车定位研究现状 基于以上的背景，实现多传感器融合的列车测速定位方式具有很好的前景。 国外关于多传感器组合在列车测速定位中的研究已经取得了一定的进展。 一9 一 多传感器信息融合的列车测速定位实验平台的研究 1 2 1 英国谢菲尔德大学的列车导航系统研究”1 在多传感器融合的列车导航系统研究中，英国谢菲尔德大学的学者认为可以 构建基于g p s 、多普勒雷达、陀螺仪、转速计、数字地图和应答器等传感器的导 航系统。通过对这些传感器的组合，应用数据融合技术( 主要是卡尔曼滤波算 法) 以较低的成本获得相当的或更高的数据精确度和可靠性。 他们通过使用g p s 、多普勒雷达、光纤陀螺、列车转速计等传感器，采用 p v 口o s i d o n ，v e l o c i 叻与p v a 伊o s i 曲n ，v e l o c i t y ，a c c e l e r a 0 1 1 ) 的模型，利用k a h n a n 滤波进行了传感器数据的融合。最后针对g p s 仍r 、g p s d r b a l i s e 、b a l i s e 仍r 等不同组合方法在s h e 伍e l ds u p e 由a n l 线上进行了试验，并将结果与仅用d r 系统 的定位方式作了比较，试验结论表明系统的定位性能得到了显著提高。 1 2 2 t e g ra ，“7 “”1 项目中的测速定位研究 由欧洲宇航局( e s a ) 资助的矾t e g r a ，项目是为了论证和演示e g n o s ( e u r o p e a n g e o s t a 缸o n a r y n a v i g a t i o n o v e r l a y i l l g s y s t 锄) 在铁路管理和控制中的应 用。通过应用卫星导航技术获得列车位置和速度，并结合传统的传感器数据信 息，以提高现有的基于速度传感器的列车速度和定位测试系统。 肌e g r a 的实验平台是由多个部件组成的一个便携式箱子( 称作“移动 单元”) 。该移动单元被安放在用于测试的机车上，并且可能够通过g s m 命 令，与控制中心通信。移动单元包括g p s 忸g n o s 卫星导航接收机，与列车电源 和里程计的标准接口，卫星被遮挡情况下使用的加速度计，陀螺，数字轨道数据 库，通信单元，处理单元和专用的传感器融合软件。 该试验平台应用融合算法。对接收到的g n s s 数据，里程计加速度计数据， 陀螺数据，在线路数据库和轨道识别的基础上，完成数据的融合，并将结果数据 输出到g s m 模块和记录模块。 一1 0 一 北京交通大学硕士学何论文 1 2 r 3r 叽旺“”项目中的测速定位研究 该项目主要目标之一就是提供自治的定位系统，使之能够通过惯性测量单元 和g p s 厄g n o s 的组合，提高列车定位和速度估计。 因此，r in 姬项目利用多个辅助的传感器的位置融合以提高或达到相当的精 度。通过多普勒雷达的数据和应答器的数据作参考，来比较所得速度、位置数据 的精确性；利用e g n o s w a a s 和信息冗余( 多传感器，虚拟应答器匹配) 以减 少物理应答器和轨旁设备等。 r 1 玎咂项目中，由g n s s 接收机、惯性测量单元、车轮速度传感器等获得所 需数据，结合数据库( 虚拟应答器图( 包括应答器d 和轨道距离) 、轨旁信号 图、列车速度曲线) ，应用导航软件达到实时导航数据融合过滤，完成 m m i o d a nm a c l l i n ei n t e r e ) 界面显示，处理虚拟应答器图和向a t c 发送应答器 报文，并支持实时和后处理性能验证。 1 2 4 其它项目中的定位方式 除了以上项目关于传感器融合的测速定位研究外，在g a d e r o s 1 项目和 l o c 0 p r o l 。”。2 1 中也对列车定位方式进行了研究。 g a d e r o s 使用g n s s 定位器替代传统定位器，因此要求所提供的数据必须 是高安全完整性的，所计算的位置必须在可接受的误差范围内。该误差范围即为 安全限定标准。 为了达到所需的安全完整性等级，要求定位器发送的每一个位置与一个单独 决定的参考数据作比较。下图是在安全限定规则下对单线列车位置的确定方法。 图】g a d 】三r o s 简单定位原理 多传感器信息融合的列车测速定位实验平台的研究 如上图，对于每个位置点p i ，可在铁路线上确定一个映射点p ( t ) i 。该点 应该尽可能反映轨道上列车的位置。所运用的列车定位方法，应在与位置相关的 附加信息的帮助下，可定位位置不能确定的点，如上图位置点p ( h ) 2 。在这种情况 下，与位置相关的附加信息就是运行的方向，利用方向信息就可以进一步确定列 车位置。而在列车停车的情况下，将使用最近记录的运行方向作为附加信息来确 定列车的位置。 l c i c o p r o l 的定位方法中不需要卡尔曼滤波，这与传统的方法不同。 l o c o p r o l 使用几个卫星范围( 即为列车和卫星的距离而不是列车的坐标) 计 算置信间隔，这些信息经过处理而获得一个故障安全的定位。该算法基于列车的 一维线路。算法输出值提供一个故障安全的列车绝对位置。若轨道上有应答器， 那么基于卫星的数据还可以和同步接收到的应答器一起使用，提高定位的可靠性 和准确性。 通常，一对卫星范围可以确定一个双曲面，该双曲面与相应轨道段( 由轨道 数据库描述) 的交点，得到的列车位置是具有一定误差的。误差源于各种可能错 误的集合。因此，该方法得到的列车位置定义不是一个单点，而是轨道的一段， 而真实的列车位置是在该段之间。 图1 2 由不同的卫星范围确定的置信间隔 如同时使用不同来源的几对卫星范围( 通常为3 对) ，图1 2 中所示，由a 1 和a 2 ，b 1 和b 2 ，c 1 和c 2 三组卫星对的使用，可以达到要求的完整性等级。当 有卫星对不能使用时，可用别的卫星对，从而提高了安全完整性。 一1 2 一 北京交通大学硕士学位论文 通过以上介绍，可见国外这几个项目的侧重点不同，英国谢菲尔德大学的研 究、m e g r a 项目和r i n 溉项目是利用多个传感器组合以得到更精确的测速 定位信息；l o c o p r o l 项目和g a d e r o s 项目侧重于利用卫星获得定位信息的 研究。研究基于多传感器融合的列车测速定位系统是一个发展趋势。 1 3 论文的内容安排 本文的主要目的是搭建多传感器组合的列车测速定位实验平台，而对于具体 的测速定位方法和融合算法将不作深入研究。 通过前面介绍的国外多传感器融合的列车测速定位研究，本文将利用美国国 家仪器公司i o n a lb 咖l r n e n t s ，简称n d 的虚拟仪器开发工具l a b v 正w ”，设计 和搭建如下基本功能和结构的软硬件实验平台，如下图1 3 所示。 图1 3 实验平台总体结构 因此，本文从第二章开始，将根据实验平台的软硬件需求，设计和完成实验 平台，并在最后通过试验，对实验平台的性能进行分析，以表明该实验平台具有 良好的性能，并具备能够为测速定位研究提供必须的数据等功能。本文主要内容 如下： 1 3 多传感器信息融合的列车测速定位实验平台的研究 第一章介绍了列车测速定位发展趋势和主要技术以及多传感器融合技术的概 念和优势，给出了可应用于列车测速定位的传感器组合方式，并对国外多传感器 融合的列车测速定位研究状况做了介绍，说明了论文的背景和意义。 第二章主要介绍基于多传感器的列车测速定位硬件平台的结构和组成。在分 析列车测速定位硬件平台设计要求的基础上，选择了相应的传感器组成，机箱和 工控机，数据采集卡等硬件设备，搭建了多传感器的列车测速定位硬件实验平 台。 第三章重点描述了基于多传感器的列车测速定位软件平台的实现。介绍了主 要开发工具l a b w ，并根据试验需要给出了软件平台的主要功能。利用 【庙v 砸w 的相应技术，主要实现了数据处理等功能。在结合具体的传感器的基础 上，对软件的功能模块的实现做了具体描述。 第四章是针对该测速定位平台的试验和分析。利用该平台进行了测定系统稳 定性的定点试验以及在铁路现场的数据采集试验，通过对试验数据的对比和分 析，说明了实验平台的稳定性及传感器良好的工作状况。 第五章对全文的工作进行了总结，并对后续工作提出了建议和展望。 1 4 北京交通大学硕十学位论文 2 硬件实验平台的结构和实现 在分析国外多传感器组合的列车测速定位技术发展研究状况的基础上，自行 设计并实现了列车测速定位的硬件平台。根据虚拟仪器的特点和实验的需要，分 析了硬件平台的结构组成和设计原则，在硬件和信息冗余的基础上给出了本实验 平台的传感器组成等硬件设备，并在设计中考虑了硬件抗干扰的问题，最终完成 了硬件平台的搭建。该平台基于虚拟仪器开发平台l a b v 匝w ，主要由便携式工控 机和多传感器信息融合列车测速定位仪两部分组成。 2 1 硬件平台的结构组成 根据第一章中对实验平台总体结构的描述，我们将建立基于虚拟仪器开发工 具l a b v 砸w 的硬件实验平台。 2 1 1 虚拟仪器的概念和特点 所谓虚拟仪器，是指在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和 定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。 美国国家仪器公司于2 0 世纪8 0 年代中期首先提出基于计算机技术的虚拟仪 器的概念。把虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线 系统的虚拟仪器。 所谓虚拟仪器技术，就是用户在通用计算机平台上，根据测试任务的需要来 定义和设计仪器的测试功能，其实质是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功 能。虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和 软件工程方法，代表了测量仪器与自动测试系统未来的发展方向。 虚拟仪器由计算机、仪器硬件和应用软件组成。无论哪种虚拟仪器系统，都 是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式p c 或工作站等各种计算机平台( 甚至可以 是掌上电脑曲上应用软件而构成的。 一1 5 多传感器信息融合的列车测速定位实验平台的研究 虚拟仪器与传统仪器相比具有下表2 1 的特点 传统仪器虚拟仪器 关键是硬件 关键是软件 价格昂贵，开发和维护费用高 价格低，可重用性强，开发和维护费用低 技术更新时间长技术更新时间短 仪器厂商定义功能用户定义功能 系统封闭，功能固定系统开放，灵活 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分：计算机和l 接口设备。 计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算 机、嵌入式计算机等。的接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模数 转换。不同的总线有其相应的接口硬件设备，如利用p c 机总线的数据采集 卡( 简称数采卡，m 峋) ，g p 总线仪器、v ) 总线仪器模块、串口总线仪器等。 虚拟仪器的构成方式主要有5 种类型，如图2 1 所示。 叶j 夏卜 + ! 巫卜 l。 j = ：= ：一。 一 。i l 一 7 一 一l = ：= = = ：兰r 7 一 r 1 吐玉亟卜 至匦卜 图2 1 虚拟仪器构成方式示意图 无论上述哪种虚拟仪器方式，都通过应用软件将仪器硬件与计算机相结合。 本文将通过d a q 和串口的方式构成虚拟仪器。而应用的开发软件m w 将 在下一章做介绍。 一1 6 北京交通大学硕士学位论文 2 1 2 基于虚拟仪器的硬件平台 该硬件主要由两部分组成，即由多传感器组成的测速定位机箱( 称之为多传 感器信息融合列车测速定位仪) 以及完成数据预处理等功能的便携式工业控制计 算机组成。硬件平台结构图如下： 2 2 碾眸平台的设计要求 图2 2 硬件平台结构图 硬件实验平台主要由两部分组成，围绕这两部分考虑列车测速定位硬件设计 的要求。为了满足测速定位的稳定可靠性的要求，应该选择稳定性能好的工业控 制计算机，并应考虑到测速定位机箱体积等问题。此外，考虑实际的工作环境需 求，应采取相应的硬件抗干扰措施以提高系统可靠性。 关于工业控制计算机和多传感器信息融合列车测速定位仪两个方面基本的要 求归结如下。 关于工业控制计算机的选择。 一1 7 多传感器信息融合的列车测速定位实验平台的研究 首先，针对列车钡0 速定位可靠性的要求，处理器的选择上，选用高性能 的工控机。 其次，车载工控机还应该提供足够的接口，因为测速定位的传感器通常 都是串口接入的，该实验平台是基于多传感器的，因此应该考虑能够保 证使用的工控机可提供足够的串口资源。 最后，考虑到使用的实际环境，车载工控机应该保证便携性。 关于多传感器信息融合列车测速定位仪的组成和接口的考虑。 组成该定位仪的多传感器组合，应考虑传感器硬件上的冗余，即能够通 过不同传感器通过直接或间接的方式获得同一个信息的数据。 机箱的选择和布局。应考虑到机箱整体体积小、重量轻、平稳性好等要 求，并根据所使用的传感器数量和大小，对机箱内的传感器做合理布 局。即要考虑机箱内传感器的合理安放，数据线和电源线的布局，以及 p c b 板的安置等因素。 该定位仪应该提供如下基本接口；多串口的接口( 为多个传感器使 用) ，g p s 天线接口( 采用g p s 接收机时使用) ，数据采集卡接口( 采 用数据采集卡时使用) 和列车速度脉冲接口( 接入列车速度脉冲信号时 使用) 等。此外，应该考虑：g p s 差分输入接口( 可与g p s 数据做比 较) ，提供一定的串口后备资源( 可根据试验的需要而增加传感器) 。 电源的考虑。可选择交流2 2 0 v 和直流1 2 v 供电方式，采用隔离电源供 电。在试验环境下，若机车不提供2 2 0 v 交流电，则使用蓄电池和电源 转换器来供电。在测速定位仪内部设计电源板，利用适当的电压转换器 为传感器提供相应的工作电压。 硬件抗干扰的考虑。测控系统的工作环境往往比较恶劣，有非常多的因 素干扰系统的正常运行，如来自系统内部和外部的各种电气干扰，系统 本身的结构设计、元器件的选择以及系统安装，外部的环境条件等。在 该硬件平台的设计中，应设计增强硬件的抗干扰性能。 1 8 北京交通大学硕士学位论文 2 3 硬件平台设备的选型 根据以上对硬件平台结构组成和设计要求的分析，我们选择了多个传感器， 配置了适当的工控机和机箱。对于工控机和多传感器信息融合列车测速定位仪之 间的数据传输，我们采用了相应的串口通信来获得部分传感器的数据，同时使用 美国国家仪器公司的p a6 0 1 4 数据采集卡获得其它传感器的数据信息。此外，考 虑到工作现场如果没有提供电源的情况，我们还配置了蓄电池和电压转换器。 2 3 1 传感器的组成 多传感器信息融合列车测运定位仪中，首先应根据传感器的性能、成本以及 所测量信息的冗余性来确定传感器及其组成。本硬件实验平台所采用的传感器有 e - c o r el 0 0 0 光纤陀螺，删7 0 0 惯性测量单元、卸旧玛0 0 0 电子罗盘、c r s 0 3 微 硅陀螺、q r s l 4 微机械陀螺、v g 9 4 1 3 a m 光纤陀螺、g 舭n i n 2 5 卫星接收机、 g p s + g io n a s s 双系统卫星接收机，主要特性如下所述。 e c o r e l o o o 光纤陀螺 e c o r c1 0 0 0 由美国k _ v h 公司生产，是机械陀螺的理想替代品，特别适合诸 如天线稳定性、航行、定位和检测仪表的应用。它的高分辨率、抗冲击和震动相 结合，满足广泛的系统需要。e c o r c1 0 0 0 能以0 0 5 0 s e c 的分辨率及1 0 0 h z 的高 带宽测量1 0 0 0 s e c 的角速率，启动时间1 秒，它还提供了数字的r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 的接口，以及模拟的接口，为数据采集提供了方便。而且由于没有分立的机械陀 螺的组成部件，e c o r c1 0 0 0 噪音的幅度范围很小，再加上不使用移动部件，因此 它可以持续使用更长时间、发挥更充分的功能。 c r s 0 3 微硅陀螺 s i l i c o ns e 璐i 1 1 9s y 吼锄的c r s 0 3 角速度传感器，又称微硅陀螺仪。其主要 技术参数如下：测量角速率范围为1 0 0 。s e c ，启动时间o 5 秒， 输入电压 4 7 5 5 2 5 v d c ，带宽为1 0 k ，重量2 5 克。 0 r s l 4 微机械陀螺 1 9 多传感器信息融合的列车测速定位实验平台的研究 b e is e n s o r s & s y s t e r n sc o m p a n y 的q r s l 4 角j 速度传感器，又称微机械陀 螺，其主要技术参数：角速度范围可为5 0 ，1 0 0 ，2 0 0 ，5 0 0 1 0 0 0 0 s e c ，启动时间小 于1 os e c ，输入电压9 1 8v d c ，使用寿命可达1 0 年，带宽大于5 0 k ，重量小于 等于5 0 克。 v g 9 4 1 3 p m 光纤陀螺 俄罗斯的v g 9 4 1 3 a m 光纤陀螺其主要技术参数如下：角速度范围为 5 0 0 0 s e c ，启动时间o 1s e c ，输入电压+ 5 v d c ，角速度分辨率0 0 0 1 5 。s c c ，带宽 o 5 0 0 & ，重量为8 0 克。 m n j 7 0 0 惯性测量单元 m u7 0 0 具有光纤陀螺特有的稳定性和可靠性，通过r s 2 3 2 接口提供稳定的 横滚、俯仰角度输出，以及经充分修正的角速度和线性加速度输出。其主要技术 参数如下。姿态范围：横滚1 8 0 。，俯仰9 0 。，分辨率小于o 1 0 ：角速度范围 ( 包括横滚、俯仰、航向) ：2 0 0 。s e c ，偏差：小于o 0 3 0 s c c ，分辨率小于 o 0 2 5 0 ，s c c ，带宽大于l o oh z ；加速度( x ，y ，z 三轴) ：1 0 9 ，偏差：8 5 m g ， 分辨率：0 2 5 m g ；功耗小于1 5 瓦。 跏b o o o 电子罗盘 h o n e e l l 的舢0 0 0 电子罗盘，采用n m e a 格式，通过 r s 2 3 2 r s 4 8 5 串口提供航向输出( 横滚、俯仰、偏航) 。王u o o o 具有o 1s e c 的快速响应时间，航向精度为1 0 ，分辨率为o 1 。它体积小，功耗小于2 5 m a ， 可长时间电池供电，由于使用了固态磁传感器而提高了响应速度，其倾斜角度为 4 5 0 ，适合于广泛、要求精确的应用场所。而且嘲0 0 0 通过对因环境中存在 铁磁性金