高速列車運(yùn)行姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

杭 超, 李 剛,2,3

1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究所 蘭州 730070 2.甘肅省物流及運(yùn)輸裝備信息化工程技術(shù)研究中心 蘭州 730070 3.甘肅省物流與運(yùn)輸裝備行業(yè)技術(shù)中心 蘭州 730070

1 設(shè)計(jì)背景

隨著運(yùn)行速度不斷提升,車體實(shí)現(xiàn)輕量化,在大風(fēng)環(huán)境下,列車的氣動(dòng)特性會(huì)發(fā)生顯著變化,可能產(chǎn)生橫風(fēng)效應(yīng)[1]。在大風(fēng)載荷下,高速列車的運(yùn)行姿態(tài)會(huì)發(fā)生劇烈變化,對(duì)于途經(jīng)大風(fēng)區(qū)域的高速列車,運(yùn)行安全有更高的要求。檢測(cè)列車運(yùn)行姿態(tài),能夠?yàn)楦咚倭熊囋诖箫L(fēng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持[2]。技術(shù)人員對(duì)列車姿態(tài)的檢測(cè)方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用微慣性傳感器進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)信號(hào)處理與軟件解算來(lái)獲取列車姿態(tài)。文獻(xiàn)[4]利用北斗姿態(tài)測(cè)量技術(shù),對(duì)動(dòng)車組車體進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量試驗(yàn)。文獻(xiàn)[5]提出一種基于線陣電荷耦合器件的姿態(tài)測(cè)量技術(shù),對(duì)高速列車運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量。文獻(xiàn)[6]采用數(shù)值模擬的方法,通過(guò)軟件分析得到不同因素對(duì)列車氣動(dòng)載荷的影響。筆者設(shè)計(jì)了一種高速列車運(yùn)行姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng),基于蜂舞協(xié)議,以微機(jī)電系統(tǒng)慣性傳感器為測(cè)量元件,對(duì)高速列車運(yùn)行姿態(tài)實(shí)現(xiàn)全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),為后期制定高速列車在大風(fēng)環(huán)境中的安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)支持。

2 總體設(shè)計(jì)

將國(guó)內(nèi)某CRH型八編組高速列車作為研究對(duì)象,采用蜂舞協(xié)議和通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸方式[7-9],將多個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)慣性傳感器作為測(cè)量元件,分別安裝在每節(jié)車的車體上。蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)每節(jié)車車體運(yùn)行姿態(tài)的采集和傳輸,基于網(wǎng)關(guān)單元將所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)。這一系統(tǒng)采用分層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),能夠分別獲取每節(jié)車車體的運(yùn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)。高速列車運(yùn)行姿態(tài)測(cè)量的整體框圖如圖1所示,這一系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高速列車運(yùn)行姿態(tài)的無(wú)線監(jiān)測(cè)。

圖1 高速列車運(yùn)行姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)整體框圖

3 車體運(yùn)行姿態(tài)定義

在大風(fēng)環(huán)境中,列車運(yùn)行時(shí)會(huì)受到振動(dòng)、輪軌間作用力和大風(fēng)的作用力,車體會(huì)產(chǎn)生不同的姿態(tài)。由于鐵道車輛的特殊性,其運(yùn)行姿態(tài)也有特殊的定義,X軸正方向指向列車前進(jìn)的方向,Y軸正方向垂直于軌道中心線指向鋼軌一側(cè),Z軸垂直于軌道平面;車體繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為側(cè)滾,縱向運(yùn)動(dòng)稱為伸縮;車體繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為點(diǎn)頭,橫向運(yùn)動(dòng)稱為橫擺;車體繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為搖頭,垂向運(yùn)動(dòng)稱為浮沉。車體運(yùn)行姿態(tài)如圖2所示。

圖2 車體運(yùn)行姿態(tài)

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡(luò)

蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)采集每節(jié)車廂運(yùn)行姿態(tài)的數(shù)據(jù),由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊組成,如圖3所示。

圖3 蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集模塊中,MPU6050微機(jī)電系統(tǒng)慣性傳感器體積小,功耗低,性價(jià)比高,在低成本測(cè)量系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用[10]。MPU6050接線如圖4所示。

圖4 MPU6050接線

MPU6050內(nèi)部整合集成三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀,與多組件方案相比,免除了組合陀螺儀和加速度器時(shí)間軸的安裝誤差,并且體積小,大幅提高了測(cè)量精度[11]。MPU6050內(nèi)部自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理功能能將加速度的分量和陀螺儀的分量融合,直接轉(zhuǎn)換為四元數(shù)輸出,并直接進(jìn)行三角運(yùn)算,將四元數(shù)解算為歐拉角,最終得到被測(cè)物體的姿態(tài)結(jié)果。數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)集成電路總線連接,如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)處理模塊接線

無(wú)線通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的主控芯片選用CC2530F256,該芯片具有極強(qiáng)的抗干擾性和接收靈敏性,只需極少的外接元件,就能夠形成一個(gè)蜂舞協(xié)議節(jié)點(diǎn),成本低廉。CC2530F256芯片結(jié)合領(lǐng)先的射頻收發(fā)器,內(nèi)部集成增強(qiáng)型8051微處理器,具備256 kByte閃存空間和8 kByte隨機(jī)存儲(chǔ)器[12]。

MPU6050分布廣泛,一般采用電池供電。為了減小節(jié)點(diǎn)的體積,選用紐扣電池。紐扣電池電壓為3 V,而數(shù)據(jù)處理模塊的工作電壓為2.7～3.3 V,數(shù)據(jù)采集模塊的工作電壓為3～5 V,為此設(shè)計(jì)了一個(gè)電源供電電路,用于保證數(shù)據(jù)處理模塊與數(shù)據(jù)采集模塊的正常工作,如圖6所示。

圖6 電源供電電路

4.2 網(wǎng)關(guān)單元

網(wǎng)關(guān)單元負(fù)責(zé)整個(gè)蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡(luò)與通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸,連接如圖7所示。MPU6050采集的數(shù)據(jù)通過(guò)蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡(luò)上傳至網(wǎng)關(guān)單元,經(jīng)過(guò)處理后再發(fā)送至通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò),最終發(fā)送至遠(yuǎn)程上位機(jī)。

圖7 網(wǎng)關(guān)單元連接

網(wǎng)關(guān)單元由無(wú)線通信模塊和數(shù)據(jù)處理控制模塊組成。無(wú)線通信模塊仍然采用CC2530F256芯片。處理器是數(shù)據(jù)處理控制模塊的核心,由于要處理整個(gè)蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù),因此要求微處理器具有較大的儲(chǔ)存空間和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。選用STM32F103RBT6處理器,具有專為高性能要求、低成本、低功耗嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核[13]。

4.3 通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)

通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)采用SIM900A芯片,可以實(shí)現(xiàn)低功耗語(yǔ)音、短信和數(shù)據(jù)等信息的傳輸,工作頻率為850 MHz、900 MHz、1 800 MHz、1 900 MHz,支持1.8 V和3.0 V兩種用戶識(shí)別模塊卡,支持傳輸控制協(xié)議、網(wǎng)際協(xié)議、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議、文件傳送協(xié)議、超文本傳送協(xié)議,工作電壓在3.2～4.8 V之間。通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)支持AT指令集,只需要十幾條AT指令即可完成對(duì)SIM900A芯片的控制和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸,尺寸結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性穩(wěn)定，性價(jià)比高。

5 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的采集、無(wú)線傳輸和儲(chǔ)存,最終將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。

5.1 慣性傳感器

MPU6050微機(jī)電系統(tǒng)慣性傳感器在工作前都要進(jìn)行系統(tǒng)初始化,接收到網(wǎng)關(guān)單元發(fā)出的命令,并反饋至網(wǎng)關(guān)單元,加入網(wǎng)絡(luò)。MPU6050程序設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 MPU6050程序設(shè)計(jì)流程

5.2 網(wǎng)關(guān)單元

在接收整個(gè)蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后,網(wǎng)關(guān)單元數(shù)據(jù)處理控制模塊中的STM32F103RBT6處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后通過(guò)通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)。網(wǎng)關(guān)單元程序設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

6 功能測(cè)試

在完成高速列車運(yùn)行姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)硬件搭建和軟件程序設(shè)計(jì)后,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試?；趯?shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件,進(jìn)行簡(jiǎn)單模擬測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖10所示,可見(jiàn)這一系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

圖9 網(wǎng)關(guān)單元程序設(shè)計(jì)流程

圖10 性能測(cè)試結(jié)果

7 結(jié)束語(yǔ)

筆者基于蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了高速列車運(yùn)行姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。這一系統(tǒng)具有抗干擾性強(qiáng)、功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等特點(diǎn),能夠準(zhǔn)確、及時(shí)測(cè)量出列車姿態(tài)的變化,為列車的安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。