基于多傳感器數據融合的列車閉塞與姿態監測方法技術

本發明專利技術型公開了一種基于多傳感器數據融合的列車閉塞與姿態監測方法。針對目前列車移動閉塞方法的成本高昂問題，采用基于多傳感器數據融合得到的衛星導航-DR組合導航與姿態監測系統，結合現有列控設施(列控中心、調度中心)即可實現列車移動閉塞。另外，通過多傳感器數據融合得到的列車姿態數據可以同時實現列控中心與調度中心對列車的姿態監測，進一步降低了列車閉塞與姿態監測的成本。該方法可靠性高、成本低，可用于軌道交通領域。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術型涉及組合導航、多傳感器數據融合及軌道交通領域。通過多傳感器數據融合，同時實現列車閉塞與姿態監測。
技術介紹
隨著軌道交通的快速發展，列車行車安全及乘車舒適度受到了極大的關注，列車閉塞方法及姿態監測得到了不少的研究。由于傳感器技術的成熟、北斗系統的逐漸完善以及GPS的廣泛應用，使之在高速列車導航及姿態監測中具有重要的研究價值和應用前景。目前，世界各國普遍采用的閉塞系統正在從固定閉塞向移動閉塞過渡。相對于固定閉塞在軌道區間設置固定的閉塞分區和相應防護信號，移動閉塞雖然也有防護列車運行安全的閉塞分區，但是其閉塞分區是移動的，不再設置固定的信號機，它隨后續列和前方列車的實際行車速度、位置、載重量、制動能力、區間的坡道、彎道等列車狀態參數和路線參數的具體情況不同而不同。由于目前的列車移動閉塞方法都需要在鐵路沿線及列車上配置大量的設備致使成本高昂，同時用于列車姿態監測的系統獨立于列車閉塞系統，進一步的提高了列車閉塞與姿態監測的成本。本專利技術型針對上述問題，提出一種。利用基于衛星導航接收機(如GPS、北斗、加洛納斯、伽利略單系統或采用它們組合而成的多系統接收機)、單軸陀螺儀、三軸加速度計、雙軸傾角傳感器等多傳感器數據融合得到的衛星導航-DR組合導航與姿態監測系統，結合現有列控設施(列控中心、調度中心)實現列車閉塞，同時，通過融合得到的列車的姿態數據(包括速度、航向、加速度、轉速、俯仰角、傾斜度以及震動等)實現列控中心與調度中心對列車的姿態監測。專利技術型內容鑒于現有技術的以上不足，本專利技術型旨在提供一種低沉本的實現列車閉塞與姿態監測的方法。本專利技術的這一目的通過如下手段來實現。一種，由加速度計、陀螺儀與傾角傳感器共同組成多傳感器航位推算子系統DR (Dead Reckoning),該系統所得航位推算數據與衛星導航系統數據通過數據融合處理得到列車的高精度置信息，從而實現衛星-航位推算組合導航；同時，所述航位推算子系統DR與其它冗余傳感器進行數據融合得到列車姿態數據信息，從而實現列車的姿態監測；高精度的列車位置信息與列車姿態數據通過列控設施實現列車閉塞和姿態監測。本專利技術，由衛星導航接收機(如GPS、北斗、加洛納斯、伽利略單系統或采用它們組合而成的多系統接收機)、單軸陀螺儀、三軸加速度計、雙軸傾角傳感器、AD采樣模塊、通信接口模塊、主控模塊組成的設備上，采用如下方式實現列車閉塞與姿態監測:加速度計、陀螺儀與傾角傳感器共同組成航位推算子系統，其中傾角傳感器對航位推算方案進行傾角補償，該子系統與衛星導航系統通過聯合卡爾曼濾波算法進行數據融合后得到衛星-DR組合導航系統，組合導航系統采用插值法提高數據更新率進而提高導航精度滿足高速環境對數據更新率的要求，安裝有該設備的處于運行狀態的列車可以將自身的狀態信息(包括位置、速度、方向等)通過列控中心發送至調度中心，調度中心根據相鄰列車的上述信息計算出各列車的閉塞區間及限制速度等信息后將其反饋至相應列控中心，列車列控中心接收后作出相應動作完成列車閉塞；基于上述用于組合導航系統的傳感器，并結合其它冗余傳感器進行數據融合得到姿態監測系統，計算出列車姿態信息(包括速度、航向、加速度、轉速、俯仰角、傾斜度以及震動等)，并通過列控中心發送至調度中心，同時實現列控中心及調度中心對列車姿態的監測，保證乘車舒適度。實現本專利技術任務的裝置可采用，由衛星導航接收機、陀螺儀、三軸加速度計、雙軸傾角傳感器、AD采樣模塊、通信接口模塊、主控模塊、數字模擬電源模塊組成。所述衛星導航接收機可為GPS、北斗、加洛納斯、伽利略等單系統接收機，也可為其中任何單導航系統組成的多系統接收機；所述AD采樣模塊有ARM芯片、多通道高精度AD芯片、高精度參考電壓芯片及放大器組合來實現，ARM控制AD芯片實現對不同傳感器的數據進行采集；通信接口模塊由ARM芯片內置接口來實現；ARM芯片為裝置的主控芯片。本專利技術的措施能同時實現列車閉塞與姿態監測，有效降低了列車閉塞與姿態監測的成本。其中航位推算子系統中傾角修正模型能夠彌補列車行進過程中因仰俯角的存在而帶來的誤差，數據融合得到的列車震動參數可以用來糾正因列車震動而帶來傳感器數據誤差，有助于提聞導航精度。附圖說明如下:圖1為本專利技術型實現列車閉塞與姿態監測的原理圖。圖2為本專利技術型所采用的傳感器的安裝示意圖。圖3為本專利技術型用于航位推算的傾角修正模型。圖4為本專利技術型用于組合導航系統的插值法原理圖。圖5為本專利技術型裝置數據融合算法框圖。圖6為本專利技術型裝置總體設計框圖。圖7為本專利技術型之裝置軟件架構圖。圖8為本專利技術型之組合導航系統總體性能測試圖。圖9為本專利技術型之組合導航系統高速狀態測試效果圖。具體實施例方式下面結合附圖對本專利技術的實施作進一步的描述。但是應該強調的是，下面的實施方式只是實例性的，而不是為了限制本專利技術型的范圍及應用。圖1是本專利技術型實現列車閉塞與姿態監測的原理圖。安裝于列車上的組合導航與姿態監測系統經列控中心將自身位置與姿態(速度、加速度、角速度、仰俯角、傾斜度、震動等)數據發送至調度中心，調度中心根據相鄰列車的上述信息計算不同列車的閉塞區間并發送至相應列控中心，列控中心接收信息后作出相應動作實現列車閉塞。同時，列控中心與調度中心通過姿態數據實現對列車的姿態監測。圖2是本專利技術型所采用的傳感器安裝示意圖。其中，X軸為列車行進方向，y軸垂直于列車行進方向(水平面上)，Z軸為豎直方向。陀螺儀水平安裝于設備上，采集列車的角速度，X軸上，加速度傳感器采集列車的行進加速度，傾角傳感器采集設備的仰俯角；y軸上，加速度傳感器采集列車的側滑加速度，傾角傳感器采集列車的傾斜度。此外，安裝于X、y、z三軸上的加速度傳感器所采集到的信息經過相關數據處理得到列車不同方向的震動參數。衛星導航接收機用于接收衛星導航報文。需要說明的是，本示意圖僅畫出部分傳感器，可以根據需要添加其它姿態監測傳感器。圖3是用于航位推算的傾角修正模型。模型引入低成本傾角傳感器采集列車行進過程中的仰俯角及裝置水平安裝誤差，將二維車載導航模型中實際運動方向(V)與計算方向(Vx)進行誤差修正，將實際運動方向的矢量投影至水平面上參與計算，可以實現對傾角的修正，提高導航精度。在本單陀螺儀單加速度計航位推算方案中，運動方向上的加速度為:a = anij _gX sin ( ct ),式中g為重力加速度，為傾角傳感器的輸出星。圖4為本專利技術型用于組合導航系統的插值法原理圖。即在普通衛星導航接收機原始的I秒鐘的數據更新周期內通過DR系統均勻插入N個周期(也可以采用非線性插值法)，理論上定位精度將提高為原來的N倍，使系統在高速運動環境也有著良好的導航性能。本裝置設計的最高數據更新率可達到40Hz。圖5是本專利技術型之組合導航系統數據融合算法框圖。局部濾波器I在接收機數據更新時完成衛星導航報文的解算，提取系統融合所需的參量并進行濾波處理；局部濾波器2完成DR子系統的數據采集、濾波與推算任務；全局濾波器在衛星導航子系統數據更新且定位有效時，利用聯合卡爾曼濾波算法完成兩個子系統的數據融合，并輸出融合后的決策量。在衛星導航子系統無數據更新或定位無效時，全局濾波器與DR子系統輸出相同。另外，在衛星導航系統有數據更新時，組合系統將全局濾波器的結果分別反饋至兩個子系本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于多傳感器數據融合的列車閉塞與姿態監測方法，其特征在于，由加速度計、陀螺儀與傾角傳感器共同組成多傳感器航位推算子系統DR，該系統DR所得航位推算數據與衛星導航導航系統數據通過數據融合處理得到列車的高精度位置信息，從而實現衛星?航位推算組合導航；同時，所述航位推算子系統DR與其它冗余傳感器進行數據融合得到列車姿態數據信息，從而實現列車的姿態監測；高精度的列車位置信息與列車姿態數據通過列控設施實現列車閉塞和姿態監測。

【技術特征摘要】
1.一種基于多傳感器數據融合的列車閉塞與姿態監測方法，其特征在于，由加速度計、陀螺儀與傾角傳感器共同組成多傳感器航位推算子系統DR，該系統DR所得航位推算數據與衛星導航導航系統數據通過數據融合處理得到列車的高精度位置信息，從而實現衛星-航位推算組合導航；同時，所述航位推算子系統DR與其它冗余傳感器進行數據融合得到列車姿態數據信息，從而實現列車的姿態監測；高精度的列車位置信息與列車姿態數據通過列控設施實現列車閉塞和姿態監測。2.根據權利要求1所述之基于多傳感器數據融合的列車閉塞與姿態監測方法，其特征在于，所述衛星-航位推算組合導航中衛星導航與航位推算子系統DR所得航位推算據信息經聯合卡爾曼濾波算法進行數據融合，將插值法融入數據融合算法提高數據更新...

【專利技術屬性】
技術研發人員：閆連山，郭慶峰，肖辰彬，潘煒，郭進，羅斌，張志勇，鄒喜華，張程，
申請(專利權)人：西南交通大學，
類型：發明
國別省市：