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組合導航定位技術在機車安全監控系統中的應用研究

2008-07-02
作者:韓國軍,梁輝

??? 摘 要: 針對目前火車機車監控系統" title="監控系統">監控系統中GPS定位精度" title="定位精度">定位精度低、抗遮蔽性差的問題,提出了一種基于GPS、ADXRS150微硅陀螺儀" title="微硅陀螺儀">微硅陀螺儀和機車速度傳感器的組合導航定位設計方案,建立了組合導航信息融合算法模型,給出了實驗結果數據。在實際應用中準確判斷了機車進站軌道,提高了定位精度,為機車的遠程監控提供了可靠的位置數據。
??? 關鍵詞: 全球定位系統? 微硅陀螺儀? 機車監控? 信息融合

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??? 從1997年至今我國鐵路實施了五次大提速,提速網絡基本覆蓋了全國主要地區,特快列車最高時速從120公里提高到了160~200公里。隨著機車運行速度的提高,對安全可靠性的要求也相應提高,這就需要對系統進行同步改造,加強監控措施,確保運行安全。行車安全監控是鐵路信息化總體規劃應用體系中的重要組成部分,是提高鐵路運輸安全保障能力的重要技術手段。組合導航定位技術在機車安全監控系統中的應用,可以解決單一GPS定位精度低、抗遮蔽性差的問題[1],實現機車運行軌跡的準確定位和進站軌道的準確判斷,為行車安全監控系統提供可靠的運行數據。
1 機車組合導航定位終端設計原理
??? 機車組合導航定位終端要求對GPS信息、陀螺儀信息、機車速度傳感信息" title="傳感信息">傳感信息進行融合處理,并將融合處理后的信息通過GPRS無線網絡傳輸到監控中心。同時,在本地采用大容量Flash存儲器,保存軌道線路的一些特征參數" title="特征參數">特征參數,該特征參數可以通過無線方式自動更新,確保軌道特征參數的實時性。終端通過對采集到的各種狀態信息進行融合處理,并和軌道特征參數進行比較,發出各種提示信號。終端原理圖如圖1所示。

??? 系統主控CPU為LPC2138,該CPU為ARM7內核[2],負責對各種信息的融合處理;GPS模塊采用GARMIN15 引擎板,在定位情況下,用于獲取機車所在位置的經度、緯度、海拔高度信息;ADXRS150微硅陀螺儀,用于獲取機車的角速度信息。AD574是12位A/D轉換芯片,用于對ADXRS150微硅陀螺儀輸出的模擬角速度信號進行采樣和量化;三星K9F5608 Flash用于存儲軌道的一些特征參數;電源管理模塊輸入為110V直流電源,輸出為12V、5V、3.3V電壓,為各模塊的正常工作提供穩定的電源。

2 組合定位信息的分析與處理
2.1 GPS定位信息
??? GARMIN15 GPS引擎板定位精度<15米(無干擾),輸出數據格式為NMEA0183。該格式包含多種語句,其中GPRMC是最常用的語句,該語句說明了所在位置的經度、緯度、時間、海拔高度以及目前的速度等信息。其具體語句格式為:$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>?鄢hh。GPS引擎板每隔1秒鐘通過串口輸出一次數據,其串口波特率為9600bps。GPS在定位的情況下能夠提供非常準確的時間信息。
2.2 機車速度傳感信息
??? 目前機車上所配備的安全行駛記錄儀,通過RS485總線,以28 800bps 的傳輸速率,每隔20~40ms輸出相關機車狀態信息,其中包括了機車速度信息。由于該信息傳輸非常頻繁,因此在設計過程中,采用了單獨的MCU來采集、處理該信息,主控CPU通過I2C總線定時獲取機車的速度狀態信息,從而大大減輕了主控CPU的工作負荷。應用機車速度傳感信息在短時間內計算機車運行里程比較準確,但在長時間內,由于累積誤差的存在,將會帶來很大的偏差。
2.3 ADXRS150微硅陀螺儀信息
??? ADXRS150是一款角速度范圍為150°/s的MEMS角速度傳感器,集成在一個微小的芯片上??商峁┚_的參考電壓和溫度輸出的補償技術,7mm×7mm×3mm微小體積的封裝[3]。在ADXRS150微硅陀螺儀的實際使用過程中,為了獲得穩定可靠的角速度信息,需要合理解決以下幾方面問題:
??? (1)濾波器
??? 在機車運行過程中,其角速度變化比較緩慢,因此可以把其低通濾波器的通帶截止頻率設置得低一些,這樣可以消除一些高頻分量的影響。低通濾波器的通帶截止頻率可由下式計算:

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??? 其中:Rout=180kλ,已經集成在ADXRS150微硅陀螺儀內部,結合機車運行實際狀況[4],外接Cout=47nF。

??? (2)零點漂移
??? ADXRS150微硅陀螺儀在運行過程中,中心零點會隨著時間變換而發生漂移,因此需要對零點進行準確校正[5]。通過判斷GPS信息和機車速度傳感信息,可以確定機車是否處于靜止狀態。一旦機車處于靜止狀態,則啟動零點校正程序,確定零點模擬電壓,在實際運行過程中,就可以消除零位偏差。

2.4 數據融合處理
??? (1)定位數據包結構
??? #UTPM,<時間>,<經度>,<緯度>,,<機車速度>,<陀螺儀角速度>,<慣性導航時間>,<狀態與判決條件>,
??? (2)GPS定位情況下位置信息處理
??? 根據狀態與判決條件,可以判斷目前GPS是否定位,在確認GPS定位的情況下,數據包中的經度、緯度信息有效。
??? (3)GPS未定位情況下位置信息處理
??? 在GPS未定位的情況下,將啟動慣性導航,應用機車速度傳感信息計算運行里程。設機車速度信息采樣時間間隔為Tavr,i時刻的運行速度為vi,則運行里程為:

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??? 慣性導航起點位置用經度和緯度標注,由于在本地保存了軌道經度和緯度信息,結合鐵路公里標,S可以直接轉化為經度和緯度信息。同時,監控中心結合軌道電子地圖,也可以對該數據進行處理和顯示。
??? (4)軌道判斷
??? 在機車進站時,GPS信號可能會收到遮蔽影響,即使GPS正常工作,但由于軌道間距比較小,要判斷機車所在軌道還是有難度,因此,需要通過陀螺儀來獲取軌道弧度數據。根據弧度和角速度之間的關系:

???

??? 在t1到t2時間段內,總的弧度計算公式為:

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??? 設陀螺儀的采樣間隔為T,則使用分段線性化來計算該積分:

???

??? 其中n為t2時刻的角速度,m為t1時刻的角速度。(m-n)T為求和時間長度,該求和時間長度依據軌道參數進行智能調整。在該終端的Flash中,已經保存了軌道線路參數(包括道岔處的弧度信息),將計算所得的θ1道岔處的弧度信息做比較,就可以判斷出機車進入的具體軌道。

3 測試數據及結果分析
??? ADXRS150微硅陀螺儀輸出角速度信號經過A/D轉換后,再轉換為弧度。其前面的正號代表順時針轉動,負號表示逆時針旋轉。結合目前所在位置的軌道參數,對機車所在軌道進行判斷,并與GPS方位角進行了對照分析。
??? 測試位置為:北緯22度57分4728秒,東經108度21分0413秒,當前機車速度為49.5km/h,對機車穿越道岔時段時數據進行了分析,如圖2、圖3所示。

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??? 該測試數據說明,機車在該位置順時針方向轉動行駛,通過查詢本地Flash中的數據,準確判斷了機車在道岔處所選擇的軌道。
??? 基于GPS、陀螺儀、機車速度傳感器的組合定位技術,解決了單一GPS定位的缺陷,提高了定位精度,結合中心電子地圖,準確判斷了機車進站軌道。在測試和試運行中,取得了明顯的效果,為機車的實時監控和安全預警提供了可靠的軌道位置數據。
參考文獻
[1] 張超,柳健,田金.GPS/INS在火車安全告警系統中的應用.華中科技大學學報(自然科學版),2005,33(7):29-31.
[2] Philips semiconductors.LPC213X User Manual.2005,6.
[3] Analog Devices.±150deg/s Single chip yaw rate gyro with?signal conditioning datasheet.2002,10.
[4] 曾慶華,張為華.iMEMS速率陀螺芯片在MAV飛行控制系統中應用研究.測控技術,2004,23(2):68-70.
[5] 潘金艷,徐苛杰,蔣軍彪等.一種微硅陀螺的動態校零方法.壓電與聲光,2006,28(1):123-126.

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