基于陀螺儀和LKJ2000 的機車前大燈隨動控制系統(tǒng)

鞏友飛，周玉雙

（陜西鐵路工程職業(yè)技術學院，陜西渭南 714000）

0 引言

近年來，隨著鐵路運輸不斷向高速化發(fā)展，鐵路行車安全問題備受關注。傳統(tǒng)的機車大燈照射采用固定方式，當列車行進在曲線鐵路或彎道線路上時，其前大燈光束會延彎道切線方向向外射出，光束無法完全聚焦到安全距離范圍內的鐵軌中心線上，在曲線內側形成照明盲區(qū)，機車司機無法觀察到安全距離范圍內的狀況，存在較大的安全隱患[1]。因此，對機車前大燈的照明方法加以完善是非常必要的。

目前，國內許多學者從不同角度提出了多種鐵路機車前大燈智能轉向系統(tǒng)。如文獻［2］中提出一種基于GPS 的機車頭燈自動循跡系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數據采集、數據處理和車載控制器3個子系統(tǒng)構成，其中GPS 數據采集裝置必須對鐵路線路進行單獨測量，這不僅工作量較大，而且在偏遠山區(qū)及隧道內GPS 信號接收較差，直接影響測繪結果。文獻［3］中給出了基于線路曲線半徑探測器的機車前大燈隨動控制系統(tǒng)，其前照燈的實時位置信息通過角位移傳感器進行采集，從而形成對機車前照燈轉向機構的閉環(huán)控制，不過由于這種方法只有在機車到達彎道時方可動作，在機車行駛至彎道之前的一段直線上必然會存在轉彎盲區(qū)。文獻［4］中提出一種基于列車運行圖的機車大燈智能轉向控制系統(tǒng)，利用機車LKJ（列車運行監(jiān)控記錄裝置）中存儲的列車運行圖，通過提前分析計算彎道對應的機車大燈轉角數據，使大燈系統(tǒng)在機車進入彎道前的某個恰當位置，剛好轉到需要的角度，以使大燈光束始終照射在前方軌道的中心位置，這種方法雖然解決了在彎道起始處存在彎道盲區(qū)的問題，但不適用于由于歷史原因遺留的一些復雜曲線問題，如復曲線等。

針對鐵路上機車前大燈存在的照明問題和上述解決方案的不足，提出一種具體的解決方法：通過列車運行監(jiān)控記錄裝置LKJ-2000 和陀螺儀提供的轉角數據庫，以單片機控制為核心，以舵機為執(zhí)行機構，實現(xiàn)對機車駛入曲線線路前后大燈轉向角度的提前預測和實時控制，使其一直照在軌道中心線上。該方法可以適應不同的鐵路線路，具有實用價值。

1 鐵路線路分析

鐵路線路一般有3 種類型，即直線線路、圓曲線線路和緩和曲線線路（圖1）。其中緩和曲線線路的主要功能是連接直線線路與圓曲線線路，使線路在直線與圓曲線之間平緩過渡，當火車經過彎道時可以有效緩解離心力的突變，其曲率半徑會在連接的直線與圓曲線的曲率半徑之間變化。為改善旅客乘坐的舒適度，往往會在兩條相鄰的曲線線路之間設置一條夾直線線路。曲線線路半徑與列車最高設計速度相關。在鐵路線路建設中，為了方便設計、施工和養(yǎng)護，曲線線路的半徑應遵循50 m 或100 m整數倍原則，并優(yōu)先選用國標規(guī)定序列值；在測設或施工困難的路段，曲線半徑可以按10 m 的整數倍選取[5]。

圖1 鐵路線路類型

將鐵路線路中的彎道排序為直線—曲線—直線，其中曲線部分稱為彎道，根據機車大燈在彎道起始點偏轉后照射情況，可以將鐵路線路分為2種：第1 種的彎道長度較短，大燈照射的中心點離開彎道；第2種的彎道長度較長，照射的中心點仍處在彎道之中。

2 可行性分析

LKJ-2000 是中國國產新一代自主研發(fā)的以保障列車運行安全為主要目的的列車速度控制設備，其屏幕顯示器可以顯示公里數、曲線半徑、當前運行速度、坡道、縱斷面、橋梁隧道和限制速度等實時信息。該設備在進行安全速度管理的同時，還收集記錄與列車安全運行有關的各種機車運行狀態(tài)信息，提高了機車運行管理的智能化，有效保障了旅客列車的安全平穩(wěn)運行。可以根據LKJ-2000 監(jiān)控裝置主機中已經提前儲備的列車實時信息，控制機車前大燈的智能轉向。

陀螺儀在任何環(huán)境下均具備自主導航能力，可以將陀螺儀運用在鐵路機車前照燈隨動控制系統(tǒng)，利用陀螺儀測得轉向架與車體的相對轉角，判斷列車是否進入曲線線路。列車駛入曲線后，通過測得的相對轉角得到一定安全距離范圍內機車大燈的相對偏轉角，從而實現(xiàn)機車大燈隨曲線變化的偏轉，減小曲線內側盲區(qū)。

為此，以LKJ-2000 和陀螺儀提供的線路數據為基礎，以單片機控制為核心，以電子舵機裝置為執(zhí)行機構，實現(xiàn)了對機車前大燈的智能隨動控制，主要控制方法，分為3 步：①機車駛入曲線線路前，以LKJ-2000 主機提供的機車行駛信息和道路數據庫為依據，分析鐵路線路類型，建立彎道曲線數學模型，提前生成直線段大燈轉角數據庫；②機車駛入曲線線路后，陀螺儀X軸檢測到機車轉向架與車體的相對轉角和轉動加速度，實時生成曲線段大燈轉角數據庫；③依據生成的大燈轉角數據庫，結合列車行駛速度，通過舵機帶動前大燈沿曲線方向旋轉，使其燈光始終聚集在彎道中心線上。

3 大燈偏轉角數據庫生成

3.1 直線段偏轉角生成

機車在駛入曲線段起始點之前，大燈會逐漸地發(fā)生偏轉，通過角度—線路模型，可以計算出直線段偏轉角與線路位置之間的關系[6]。為方便單片機處理，需要對角度—線路的函數關系進行插值或擬合。

常見的曲線插值方法有拉格朗日插值法、牛頓插值法和三次樣條插值法等，都是利用多項式建立插值函數的主要方法：①拉格朗日插值法雖然在理論分析中很方便，但是隨著插值節(jié)點的增加、減少或其位置變化時全部插值函數均要發(fā)生變化，從而使插值公式的多項式結構也會發(fā)生變化，這在計算時非常不利；②牛頓插值法雖然克服了拉格朗日插值法的缺點，但是牛頓插值法插值多項式函數在插值條件較多的情況下，插值曲線的階數會越高，這會使插值曲線振蕩的可能性明顯增加，在實際工程中使用較少；③三次樣條插值法計算簡單，穩(wěn)定性好，收斂性有保證，但是計算量太大，不具有實用意義。

由于文獻［6］中角度—線路模型為線性函數，所以本文選用最小二乘法曲線擬合，通過最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配，并簡便地求得未知數據，使這些求得的數據與實際數據之間誤差的平方和為最小，該方法能給出相對最優(yōu)的參數擬合結果。通過最小二乘法曲線擬合，最終得到公里標、曲線半徑和大燈轉角間的關系，提前生成直線段大燈轉角數據庫。

3.2 曲線段偏轉角生成

機車在駛入曲線線路后，陀螺儀X軸檢測到機車轉向架與車體的相對轉角，可以直接得到公里標、相對轉角和大燈轉角間的關系，實時生成曲線段大燈轉角數據庫。

4 系統(tǒng)工作原理

4.1 系統(tǒng)方案

機車前大燈隨動控制系統(tǒng)包括2 片AVR 單片機組成的MCU 微控制器模塊外，還包括LKJ-2000 光電隔離接口、陀螺儀、舵機和大燈限位開關等外圍硬件模塊（圖2）。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

（1）控制模塊。MCU 控制器模塊選用ATMega16，內部為雙核CPU。其中CPU1 與LKJ 通信時，主要采集機車進入曲線路段前的道路數據庫，并計算直線段大燈轉角；與陀螺儀通信時，主要采集機車駛入曲線線路時的線路數據庫，并計算曲線段大燈轉角。CPU2 則負責接收CPU1 的角度信息，完成對舵機的開環(huán)控制。

（2）光電隔離接口。LKJ-2000 光電隔離接口選用光耦芯片PC817，其輸入端屬于電流型工作的低阻元件，具備強大的共模抑制能力。在長線信息傳輸系統(tǒng)中充當終端隔離元件，能夠明顯增加信噪比；在系統(tǒng)數字通信和實時控制過程中充當信號隔離的連接器件，能夠可以大大增加控制系統(tǒng)管理工作的可靠性。

（3）陀螺儀。陀螺儀使用MPU6050 模塊，內部整合了三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器，既避免了組合陀螺儀與加速度傳感器軸間偏差的現(xiàn)象，也減少了安裝空間。當機車在曲線段行駛時，可以通過安裝的轉向架陀螺儀模塊檢測到X 軸方向變化和變化的快慢，進而生成大燈曲線段的轉角。

4.2 執(zhí)行機構

由于列車運行環(huán)境惡劣，常在雨雪、風沙、高溫和極寒等極端天氣中運行，車下空間狹小并伴有劇烈的振動和電磁干擾，轉彎時要求前大燈能隨曲線線路迅速響應并轉向。因此在選擇執(zhí)行機構時，需要其響應迅速、運行穩(wěn)定可靠、電磁干擾小，并有較大的能量轉換效率和較小的重量與體積。

舵機就非常適合成為該系統(tǒng)的執(zhí)行機構，其主要是由外殼、電路板、驅動電機、減速器與位置檢測元件等構成。與同功率的鐵芯電機相比其優(yōu)勢非常明顯：①響應速度極快，很多產品可以在10 ms 以內；②自適應能力強，運行非常穩(wěn)定，自身轉動的波速可以控制2%以內；③采用高品質電刷和換向結構，換向火花小，因此抗干擾能力強；④重量和體積大幅度減小，能量轉換率高，效率可達70%以上；⑤轉速—轉矩、轉速—電壓和轉矩—電流等對應參數呈線性關系。

本文選用的舵機模塊是MG996 模塊，其工作原理是由MCU 控制模塊發(fā)出訊號給舵機，經由電路板上的IC 驅動無核心馬達開始轉動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器送回訊號，判斷是否已經到達定位。其中位置檢測元件的核心為可變電阻，當舵機轉動時電阻值也會隨之改變，通過檢測可變電阻的電阻變化量即可計算出轉動的角度。該舵機帶有反饋環(huán)節(jié)的伺服電機，可以通過舵機進行機車大燈精確的位置控制，舵機輸出軸的位置經由內部電位計不斷地采樣測量，并與由MCU 控制模塊所計算的機車大燈偏轉目標位置進行對比，根據相應的偏差，系統(tǒng)就會自動調整舵機輸出軸的實際位置，使之與目標位置相符，并由此建立了閉環(huán)控制系統(tǒng)。

5 結語

本文利用目前機車上已廣泛安裝的LKJ 監(jiān)控系統(tǒng)外加陀螺儀定位監(jiān)測等設備，實現(xiàn)機車前大燈的隨動轉向控制，具有如下優(yōu)勢：①測控方法簡單、數據處理精準可靠，硬件性能穩(wěn)定；②針對路線實際特點，采用安全性和穩(wěn)定性較好的控制方法，使機車前大燈隨動控制，不受環(huán)境和線路條件的限制。