一种基于多传感器信息融合的列车定位装置的制作方法

本实用新型涉及一种多传感器信息融合的列车定位装置，属于轨道列车定位领域。

背景技术：

对于高速行驶的列车，需要对列车在线路上运行的位置进行精确测定，以便给列车提供正确的控制信息。然而在现实中，外部干扰是无可避免的，由于工业技术的限制，测量的精度和可靠性也有限，而且传感器出现故障，整个系统就会瘫痪，所以单独使用一个传感器进行列车定位很难达到需求的精度和可靠度。因此，如何给高速列车提供精确、可靠的位置信息，已经成为列车定位优先考虑的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种连续性、精确性及可靠度都比较强，受干扰性小的列车定位装置。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供一种基于多传感器信息融合的列车定位装置，用以通过对多个传感器测量信息的相互配合实现对列车的快速精确定位。在低速段时轮轴速度传感器测量精度高，多普勒雷达传感器由于多普勒效应不明显而测量精度偏低；在高速段时多普勒雷达传感器测量精度高而轮轴传感器由于列车空转滑行较低速时更加频繁从而误差较大。因此轮轴传感器和多普勒雷达在不同的速度段具有不同的精确度，具有很好的互补性。

基于多传感器信息融合的列车定位装置，该装置包括数据采集单元、逻辑控制单元、数据融合单元和数据检查单元四大模块；所述的数据采集单元包括轮轴速度传感器、加速度计、多普勒雷达和应答器，其中轮轴速度传感器、加速度计、多普勒雷达和应答器相互独立；逻辑控制单元包括故障诊断模块与判决控制部；数据融合单元包括数据处理部、轮轴速度传感器轮径矫正部与多普勒雷达角度矫正部；数据检查单元包括矫正模块与数据输送模块。

其中，数据采集单元采用多路采集接口采集多个传感器的数据，对其进行信息解析的预处理，并将该信息发送给逻辑控制单元。

逻辑控制层包括故障诊断单元与判决控制部，故障诊断单元接收数据采集单元的数据信息，并依据所采集的信息对各个传感器的工作状态进行是否发生故障进行判定；判决控制部将通过故障诊断单元的数据分为三组，判决控制部通过逻辑判定选择符合条件组合数据送达数据融合单元。

所述的逻辑控制单元还包括接收数据融合单元的反馈信息的轮径矫正单元与发射角度矫正单元，对轮轴速度传感器的轮径进行矫正、对多普勒雷达的发射角进行矫正计算。

所述的数据融合单元利用计算机采用卡尔曼滤波法对多个传感器测得的数据分别进行滤波与融合处理，以完成速度v、加速度a的检测，将融合后的速度值进行积分计算，得到列车的行走距离s，以此实现列车定位并将融合结果送达数据检查单元。

所述的数据检查单元用于校正与检查数据，以地面点式应答器获取的线路信息和绝对位置信息作为参考标准，对融合后的测量值每隔一定距离进行一次校正，以提高定位信息的可信度，并将校正结果反馈至数据融合单元，最终输出列车的定位信息，包括速度v、加速度a、路程s和对应的线路信息。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1）数据采集单元的多个传感器独立进行测量，可以减少信息错误、信息冗余，互相进行补充，使测量结果的可信度更高。

2）逻辑控制单元中故障诊断单元首先检查传感器的好坏，并将结果分为三组交由判决控制中心进行逻辑控制，对故障传感器进行隔离，保证系统定位的有效性和数据的可靠性。

3）数据融合单元采用卡尔曼滤波算法融合测量信息，对干扰信号进行假设，建立干扰信号的数学模型，消除测量误差和系统随机误差，提高了系统定精度，保证连续、可靠、稳定地进行列车定位。

4）数据检查单元将融合结果进行数据矫正和完整性检查，有效保证了定位精度，提升了系统的可靠性和容错性，减少了测量误差，提高了定位系统可靠性和定位精度。

附图说明

图1为列车定位系统结构示意图

图2为本实用新型系统框图。

其中：1为列车计算机控制系统；2为列车；3为轮轴加速度传感器；4为加速度计传感器；5为多普勒雷达传感器；6为点式应答器传感器n（i）、n（i+j）；7为轨枕。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明：

如图1所示：一种基于多传感器信息融合的列车定位系统，用以通过对多个传感器测量信息的融合实现对列车的快速精确定位。该系统包括数据采集单元、逻辑控制单元、数据融合单元及数据检查单元四大模块。

数据采集单元包括轮轴速度传感器3、加速度计4、多普勒雷达5和点式应答器6，其中轮轴速度传感器3、加速度计4、多普勒雷达5和点式应答器6相互独立。数据采集单元通过多路采集接口完成多路数据的采集和解析等信息预处理工作，同时轮轴速度传感器3、加速度计4和多普勒雷达5将采集到的信息通过相应的通道发送给逻辑控制单元，点式应答器将采集到的信息直接送达数据检查单元。

其中：

轮轴速度传感器3测得的速度v1，其中，式中ｎ表示车轮每转一圈传感器所发出的脉冲个数；ｄ表示列车轮径；δｎ本周期脉冲测量值；ｔ表示测速周期。

加速度计4测得的加速度a0、速度v2，其中，式中a0表示加速度计的列车加速度测量值；表示测速周期；表示加速度计与地面的水平夹角。

多普勒雷达5测得的速度v3，其中，式中fr表示多普勒频移量；表示雷达发射波波长；θ表示雷达视线与地面夹角。

点式应答器6得到的线路信息和绝对位置信息，包括线路坡度、轨道区段、位置坐标、线路最大允许速度等。

逻辑控制单元通过故障诊断单元将得到的采集信息分为三组，即轮轴速度传感器3测得的速度v1和加速度计4测得的速度v2得到组合1;多普勒雷达5测得的速度v3和加速度计4测得的速度v2得到组合2；轮轴速度传感器3测得的速度v1和多普勒雷达5测得的速度v3得到组合3。

判决控制中心通过逻辑判定选择符合条件组合数据送达数据融合单元，设置一临界速度值v0，然后比较v1和v0的大小，若v0大于v1则列车运行在低速段（若v0小于v1则列车运行在高速段，即v3>v0），此时再判断v2=0&&a=0是否成立，若v2=0&&a=0成立则表示加速度计4故障，此时连通组合3，若v2=0&&a=0不成立则表示加速度计正常工作，此时连通组合1；同理，若v0小于v1则列车运行在高速段，即v3>v0，此时再判断v2=0&&a=0是否成立，若v2=0&&a=0成立则表示加速度计故障，此时连通组合3，若v2=0&&a=0不成立则表示加速度计正常工作，此时连通组合2。

逻辑控制单元还包括接收数据融合单元的反馈信息，其中反馈信息101对应于对轮轴速度传感器3的轮径进行矫正；反馈信息102对应于对多普勒雷达的发射角进行矫正计算，因为多普勒雷达测速不受轮对空转、滑行的影响，误差来源主要是雷达安装角度误差所造成的测速误差。

数据融合单元中利用计算机采用卡尔曼滤波法对多个传感器测得的数据分别进行滤波与融合处理，以完成速度v的测量；将融合后的速度v进行积分，得到列车的行走距离，其中、为列车行驶时间以此实现列车定位，并将融合结果送达数据检查单元。

数据检查单元的目的为实现数据的校正与检查，因为数据在传输过程中可能会有丢失或者误码。数据检查列车的速度v、加速度a及路程s是否存在缺失，如果缺失就反馈给数据融合单元进行相应的处理。同时为避免测量误差的累积，以地面点式应答器获取的线路信息和绝对位置信息（位置坐标）作为参考标准，对融合后的路程s每隔一定距离进行一次校正，若|s-s0|<（为允许误差范围）则输出列车位置信息，反之则以反馈信息103进行反馈，对轮轴速度传感器的轮径和多普勒雷达传感器的发射角进行校正以提高列车定位信息的可信度，最后输出列车的定位信息，包括速度v、加速度a、路程s和对应的线路信息。

以上对本申请所提供的一种基于多传感器信息融合的列车定位系统，进行了详细介绍，并不用以限制本实用新型，本实用新型所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本实用新型实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本实用新型的权利要求的保护范围。

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