基于多普勒傳感器的一種列車測距測速方法

臧朋波

（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島266111）

列車測距測速系統(tǒng)方法研究主要針對目前城軌車輛在進(jìn)行例行動調(diào)試驗(yàn)時，如何獲取列車初始速度、制動減速度和制動距離等信息進(jìn)行研究。研究內(nèi)容包括：列車制動時的初始速度、制動距離、平均減速度、瞬時減速度、手柄狀態(tài)（牽引、惰行或制動）、運(yùn)行方向、牽引距離和牽引加速度。通過對上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對城軌車輛動態(tài)調(diào)試的深入研究，以期能較為準(zhǔn)確地獲得車輛動調(diào)時的信息。

本文介紹的方法實(shí)現(xiàn)了對列車實(shí)際移動速度的準(zhǔn)確測量和列車啟停運(yùn)行測試記錄和分析，解決了傳統(tǒng)車軸傳感器在車輪打滑和滑動時因速度誤差造成的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確問題。

1 目前測量手段及弊端

目前生產(chǎn)的多數(shù)城軌車輛在公司環(huán)線動態(tài)調(diào)試時，無論制動距離、瞬時速度以及加速度和減速度都通過車軸上的傳感器脈沖輸出計(jì)算得出，可以在TMS或者TCMS中讀出，在軌道處于良好狀態(tài)時，得到的結(jié)果較為準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是車輛動態(tài)調(diào)試時制動減速度是平均減速度，沒有瞬時減速度的直接反映，速度也只是記錄制動時的初始速度，在制動過程中的速度情況無法記錄，也得不到車輛的沖擊情況，這樣，車輛動態(tài)調(diào)試時的情況無法再現(xiàn)，給車輛性能分析以及故障分析帶來很大困難。另外，在雨雪天氣下車輛動調(diào)時，車輛出現(xiàn)滑行后，初始速度、制動距離和平均減速度與真實(shí)情況相差較遠(yuǎn)，所得到的數(shù)據(jù)參考意義不大。

另外，這種測量方法依賴于TMS軟件的狀態(tài)。若軟件狀態(tài)良好，在樣車調(diào)試時可以直接使用；若軟件一直在修改或完善，則通常得不到列車的制動距離、減速度、初始速度等重要信息。成都地鐵一號線在調(diào)試時由于東洋電機(jī)的TCMS沒有調(diào)好，到目前為止，回送出去的車輛在廠內(nèi)都無法對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行測量。

有些城軌車輛的TMS中沒有提供這種功能，在Knorr軟件中通過制動速度傳感器的脈沖輸出得到車輛的速度曲線。在沒有出現(xiàn)滑動時，根據(jù)曲線可以得出從列車開始制動到停止的時間t，初始速度v1可以直接通過曲線的最高點(diǎn)得出，將速度降低曲線看作一條直線，可以得出平均減速度a(v1=at)，制動距離S可以由v12=2aS得出。可以看出，所得到的制動距離以及減速度都是近似值，在出現(xiàn)速度曲線波動較大或者出現(xiàn)防滑條件時，理論計(jì)算值與實(shí)際值相差就更大。

綜上，依靠安裝在車軸上的速度傳感器來獲得瞬時速度存在很大的缺陷，瞬時加速度、減速度和制動距離等都不是原始數(shù)據(jù)，而是通過理論計(jì)算得出，與實(shí)際有出入，另外控制手柄的具體狀態(tài)無法獲知，對理論分析車輛的性能帶來很大問題。

2 信號的測量方法

2.1 車輛狀態(tài)信號的獲取

對列車速度運(yùn)行狀態(tài)與司控器狀態(tài)同步進(jìn)行分析更具現(xiàn)實(shí)意義。車輛在運(yùn)行過程中涉及的狀態(tài)有：牽引位、惰行位、制動位、快速制動位、緊急制動位以及緊急制動（松開警惕手柄），這些信息對于車輛性能分析以及數(shù)據(jù)再現(xiàn)有重要意義，它們都為DC 110 V的信號，在數(shù)據(jù)采集和分析時可以當(dāng)成開關(guān)量數(shù)字信號，可通過光電隔離實(shí)現(xiàn)信號采集，如圖1所示。

城軌車輛在牽引或制動時需要具體知道牽引或制動的檔位是多少，這需要一個信號采集系統(tǒng)來獲得，現(xiàn)行列車司控器可以分為有級司控器和無級司控器，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，兩者都可以通過硬線以及司控器滑動變阻器中間觸點(diǎn)的電壓值 （百分比）來獲得城軌車輛所處的狀態(tài)?；瑒幼冏杵鞯妮敵鰹镈C 0 V～DC 10 V的信號，而單片機(jī)的信號輸入范圍為 DC 0 V～DC 5 V，因此需要電壓的轉(zhuǎn)換。本方案主要通過電阻的分壓來實(shí)現(xiàn)，而后采用線性光耦HCNR200來實(shí)現(xiàn)模擬信號的隔離和傳輸，如圖2所示。

2.2 車輛速度和距離的獲取

利用多普勒效應(yīng)對列車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行研究，多普勒效應(yīng)為：當(dāng)聲音、光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度v相對運(yùn)動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發(fā)出的頻率有所不同，由多普勒效應(yīng)所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對速度v成正比，與振動的頻率成反比。

列車運(yùn)動時的瞬時速度可以通過多普勒效應(yīng)得出。當(dāng)列車靜止不動時，多普勒頻移為0；當(dāng)列車惰行，即以恒定的速度運(yùn)行時，多普勒頻移為固定值；當(dāng)列車加速或者減速運(yùn)行時，多普勒頻移時刻發(fā)生變化，從而得到列車的瞬時速度。

多普勒雷達(dá)傳感器（DRS05a）正是利用多普勒效應(yīng)獲得列車的瞬時速度和距離。瞬時速度和距離的輸出有兩種方式：一種為通過RS485總線按照固定的協(xié)議向外輸出，傳輸率最小為10 ms；另一種為通過 DRS05a的脈沖輸出，由脈沖計(jì)數(shù)和單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)來獲得距離和瞬時速度，速度的精度為每km/h對應(yīng)69.444 Hz，每個脈沖代表 4 mm(69.444×4×3600=999 993.6 mm)，600 km/h對應(yīng)的脈沖頻率為41.666 kHz。

利用多普勒傳感器獲得列車的瞬時速度和行車距離，完全脫離列車的軸速和輪對的旋轉(zhuǎn)，即使列車出現(xiàn)防滑動作，仍然可以獲得列車的真實(shí)速度、行車距離以及列車的平均減速度，通過對獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以獲得列車的瞬時減速度。

3 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖3所示，列車狀態(tài)包括開關(guān)量和模擬量信號均經(jīng)過車輛信息采集終端處理，信息采集終端由信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號記錄處理電路、通訊電路等組成。上位機(jī)通過USB口與車輛信息采集終端實(shí)時交換數(shù)據(jù)。

本項(xiàng)目中多普勒傳感器具有脈沖輸出和RS485總線速度數(shù)據(jù)輸出兩種模式，脈沖輸出送車輛信息采集終端運(yùn)算后連同車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式輸出，RS485總線速度數(shù)據(jù)輸出經(jīng)RS485/USB轉(zhuǎn)換器直接進(jìn)入上位機(jī)，一方面作為速度信息的冗余，另一方面也是對脈沖統(tǒng)計(jì)算法的參照。

4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.1 車輛狀態(tài)

信號采集系統(tǒng)的參數(shù)如下：

(1)電源：AC 220 V；

(2)開關(guān)量信號輸入范圍：DC 0～110 V；

(3)開關(guān)量信號采集數(shù)：8路；

(4)滑動變阻器（司控器手柄）輸出范圍：DC 0～10 V或 DC 0～15 V；

(5)可識別的滑動變阻器變化量最小為：3 mV。

信號采集系統(tǒng)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)格式和通訊協(xié)議如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)格式和通訊協(xié)議

4.2 列車速度和距離

多普勒雷達(dá)傳感器獲取數(shù)據(jù)的參數(shù)如下：

(1)能測量的最小速度為：0.009 155 km/h；

(2)能測量的最大速度為：600 km/h；

(3)短距離測量的最小分辨率為：0.1 m；

(4)短距離測量的最長距離為：999.9 m；

(5)長距離測量的最小分辨率為：0.1 km；

(6)長距離測量的最長距離為：999.9 km；

(7)可識別車輛的運(yùn)行狀態(tài)；

(8)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)可以識別傳感器的工作狀態(tài)。

表2所示為多普勒傳感器的數(shù)據(jù)格式和通訊協(xié)議。

5 軟件實(shí)現(xiàn)與結(jié)果驗(yàn)證

依據(jù)上述思路編制的軟件主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1)建立操作者的數(shù)據(jù)庫；

(2)自動保存用戶的登錄記錄；

(3)能檢驗(yàn)通訊線路的狀態(tài)；

(4)自動保存?zhèn)鞲衅靼l(fā)送過來的所有數(shù)據(jù)；

(5)自動保存信號采集系統(tǒng)發(fā)送過來的車輛狀態(tài)；

(6)用不同顏色的曲線實(shí)時顯示接收到的數(shù)據(jù)；

(7)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)自動識別車輛的運(yùn)行方向；

(8)對不合格試驗(yàn)項(xiàng)進(jìn)行報警提示；

(9)對合格的試驗(yàn)項(xiàng)彈出對話框提醒，同時抓圖進(jìn)行保存，便于數(shù)據(jù)的查詢和驗(yàn)證；

(10)自動診斷傳感器的運(yùn)行狀態(tài)，在出現(xiàn)故障時自動報警；

(11)根據(jù)歷史保存的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行曲線再現(xiàn)。

圖4所示為進(jìn)行P4牽引(牽引四級，即為最大牽引)，60 km/h，惰性3 s，按下緊急按鈕，施加緊急制動下的記錄曲線，上框內(nèi)為速度變化曲線，中框?yàn)榧铀俣茸兓€，下框?yàn)樗究仄鳡顟B(tài)。

列車測距測速系統(tǒng)在運(yùn)行時完全脫離列車車軸的旋轉(zhuǎn)，所得的距離和速度等信息是對地的絕對值，同時記錄下車輛在運(yùn)行過程中的信息，為故障分析和車輛性能分析提供足夠的數(shù)據(jù)，通過該方法可以在做型式試驗(yàn)時不用依靠廠家而自己做出性能分析，優(yōu)勢明顯。

表2 多普勒傳感器的數(shù)據(jù)格式和通訊協(xié)議

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