傳感器課程設(shè)計(jì)列車測速測距系統(tǒng)

1、列車測速測距系統(tǒng)小組分工組員：組員：雷達(dá)部分；雷達(dá)部分；修正系統(tǒng)修正系統(tǒng)傳感器的選型傳感器的選型供電供電,傳輸方式，傳輸方式，PPT制作制作光電轉(zhuǎn)速傳感器光電轉(zhuǎn)速傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)word版研究報(bào)告制作版研究報(bào)告制作摘要n 隨著鐵路大提速，列車運(yùn)行速隨著鐵路大提速，列車運(yùn)行速度越來越快，傳統(tǒng)的測速方法度越來越快，傳統(tǒng)的測速方法存在一些不足之處。為此本文存在一些不足之處。為此本文提出了一種適合列車運(yùn)行中實(shí)提出了一種適合列車運(yùn)行中實(shí)時(shí)監(jiān)測的多傳感器融合的測速時(shí)監(jiān)測的多傳感器融合的測速測距系統(tǒng)。論文重點(diǎn)研究了多測距系統(tǒng)。論文重點(diǎn)研究了多傳感器的優(yōu)劣以及信息融合在傳感器的優(yōu)劣以及信息融合在城市

2、軌道交通列車測速定位的城市軌道交通列車測速定位的應(yīng)用。以信息融合技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用。以信息融合技術(shù)為基礎(chǔ)，研究以速度傳感器為核心的多研究以速度傳感器為核心的多傳感器融合列車測速定位系統(tǒng)，傳感器融合列車測速定位系統(tǒng)，并且有效地防止空轉(zhuǎn)等故障現(xiàn)并且有效地防止空轉(zhuǎn)等故障現(xiàn)象的發(fā)生。象的發(fā)生。各種檢測方式與比較各種檢測方式與比較nGPS不足：不足：n 當(dāng)線路平行股道十分接近當(dāng)線路平行股道十分接近或有多個(gè)列車進(jìn)出站時(shí)或有多個(gè)列車進(jìn)出站時(shí), 難以難以識別列車占用的是哪一股道識別列車占用的是哪一股道; n 在地形復(fù)雜地段在地形復(fù)雜地段, 例如在山例如在山區(qū)和隧道內(nèi)區(qū)和隧道內(nèi), 由于無線電波傳由于無線電波傳播特

3、性的影響會產(chǎn)生信號盲播特性的影響會產(chǎn)生信號盲區(qū)。區(qū)。n測速電機(jī)測速電機(jī)n 從應(yīng)用情況看從應(yīng)用情況看, 測速電機(jī)方式雖測速電機(jī)方式雖然比較簡單然比較簡單, 但在低速時(shí)感生電動但在低速時(shí)感生電動勢較低勢較低, 造成測量精度降低造成測量精度降低, 車速低車速低于一定值時(shí)甚至不能推動測速單元于一定值時(shí)甚至不能推動測速單元工作工作, 并且系統(tǒng)可靠性較差。并且系統(tǒng)可靠性較差。 各種檢測方式與比較n光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器n 由于車軸的轉(zhuǎn)動直接反映列車的由于車軸的轉(zhuǎn)動直接反映列車的運(yùn)動運(yùn)動, 因此可以利用車軸轉(zhuǎn)動信息因此可以利用車軸轉(zhuǎn)動信息獲得列車的運(yùn)行速度獲得列車的運(yùn)行速度,所以我們可所以我們可以

4、采用光電式轉(zhuǎn)速傳感器。不足：以采用光電式轉(zhuǎn)速傳感器。不足：由于利用輪軸旋轉(zhuǎn)信息進(jìn)行測速測由于利用輪軸旋轉(zhuǎn)信息進(jìn)行測速測距距, 不可避免地受到車輪走行狀態(tài)不可避免地受到車輪走行狀態(tài)的影響。的影響。各種檢測方式與比較n航位推算系統(tǒng)航位推算系統(tǒng)n 受到傳感器本身溫漂、受到傳感器本身溫漂、敏感度等的影響，航位推敏感度等的影響，航位推算系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)測量具算系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)測量具有較高的精度，但長時(shí)間有較高的精度，但長時(shí)間使用會導(dǎo)致較大的累積誤使用會導(dǎo)致較大的累積誤差，因此在使用航位推算差，因此在使用航位推算系統(tǒng)進(jìn)行列車測速定位時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行列車測速定位時(shí)，需要解決累積誤差的補(bǔ)償需要解決累積誤差的補(bǔ)償問題。

5、所以單獨(dú)使用航位問題。所以單獨(dú)使用航位推算系統(tǒng)是不可行的。推算系統(tǒng)是不可行的。各種檢測方式與比較n雷達(dá)測速雷達(dá)測速n 雷達(dá)測速是一種直接測量速雷達(dá)測速是一種直接測量速度的方法，可以直接得到列車度的方法，可以直接得到列車實(shí)際的運(yùn)行速度，不需要通過實(shí)際的運(yùn)行速度，不需要通過車輪轉(zhuǎn)動的信息來間接測量。車輪轉(zhuǎn)動的信息來間接測量。在機(jī)車上安裝雷達(dá)在機(jī)車上安裝雷達(dá), 始終向軌面始終向軌面發(fā)射電磁波發(fā)射電磁波, 由于機(jī)車和軌面之由于機(jī)車和軌面之間有相對運(yùn)動間有相對運(yùn)動, 根據(jù)根據(jù)多普勒頻移效應(yīng)原理原理, 在發(fā)射波和反射波之在發(fā)射波和反射波之間產(chǎn)生頻差間產(chǎn)生頻差,通過測量頻差可以通過測量頻差可以計(jì)算出機(jī)車的運(yùn)

6、行速度計(jì)算出機(jī)車的運(yùn)行速度, 并累積并累積求出走行距離。有效地防止空求出走行距離。有效地防止空轉(zhuǎn)、滑行外轉(zhuǎn)、滑行外, 也推動了定位停車也推動了定位停車裝置的開發(fā)。不足：由于信號裝置的開發(fā)。不足：由于信號傳輸波段有時(shí)會受到干擾。傳輸波段有時(shí)會受到干擾。各種檢測方式與比較選型未來的發(fā)展方向：未來的發(fā)展方向：n綜合化；綜合化；n采用智能化、數(shù)采用智能化、數(shù)字化的處理方法；字化的處理方法；n各種方法如何提各種方法如何提升測量精度；整升測量精度；整合化系統(tǒng)。合化系統(tǒng)。各種檢測方式與比較n 光電轉(zhuǎn)速傳感器光電轉(zhuǎn)速傳感器 此檢測裝置根據(jù)實(shí)際安裝情此檢測裝置根據(jù)實(shí)際安裝情況位置進(jìn)行安裝。如右圖，將信號況位置進(jìn)

7、行安裝。如右圖，將信號盤固定在車輪轉(zhuǎn)軸上，光電轉(zhuǎn)速傳盤固定在車輪轉(zhuǎn)軸上，光電轉(zhuǎn)速傳感器正對著信號盤。感器正對著信號盤。n 雷達(dá)雷達(dá)如圖如圖傳感器的安裝方式光電式轉(zhuǎn)速傳感器n光電式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，再通過光電式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，再通過光電器件把光信號的變化轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。傳感器的輸出光電器件把光信號的變化轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。傳感器的輸出信號易于數(shù)字化處理，滿足列車運(yùn)行控制系統(tǒng)智能化、小型化的發(fā)展信號易于數(shù)字化處理，滿足列車運(yùn)行控制系統(tǒng)智能化、小型化的發(fā)展趨勢。另外，它具有頻譜寬、不易受電磁干擾的影響、非接觸式測量、趨勢。另外，它具有

8、頻譜寬、不易受電磁干擾的影響、非接觸式測量、響應(yīng)快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。響應(yīng)快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。n 選用的傳感器型號為選用的傳感器型號為SZGB-3光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器nSZGB-3, 20電源電壓為電源電壓為12V DC nSZGB-3型傳感器主要性能介紹如下：型傳感器主要性能介紹如下：n1)供單向計(jì)數(shù)器使用，測量轉(zhuǎn)速和線速度供單向計(jì)數(shù)器使用，測量轉(zhuǎn)速和線速度.n2)采用密封結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定采用密封結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定.n3）光源用紅外發(fā)光管，功耗小，壽命長）光源用紅外發(fā)光管，功耗小，壽命長.n4) SZGB-3, 20電源電壓為電源電壓為12V DCn SZGB-3型傳感器主要性能介紹如下：型

9、傳感器主要性能介紹如下：nSZGB-3.型光電轉(zhuǎn)速傳感器，使用時(shí)通過連軸節(jié)與被測轉(zhuǎn)軸連接，當(dāng)轉(zhuǎn)型光電轉(zhuǎn)速傳感器，使用時(shí)通過連軸節(jié)與被測轉(zhuǎn)軸連接，當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，將轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，供二次儀表計(jì)數(shù)使用。軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，將轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，供二次儀表計(jì)數(shù)使用。n(1)輸出脈沖數(shù)：輸出脈沖數(shù)：60脈沖（每一轉(zhuǎn)）脈沖（每一轉(zhuǎn)）n(2)輸出信號幅值：輸出信號幅值：50r/min時(shí)時(shí)30mVn(3)測速范圍測速范圍:50-5000r/minn(4)使用時(shí)間使用時(shí)間:可連續(xù)使用可連續(xù)使用,使用中勿需加潤滑油使用中勿需加潤滑油n5)工作環(huán)境工作環(huán)境:溫度溫度-1040,相對濕度相對濕度85%無腐蝕性氣

10、體無腐蝕性氣體n 因?yàn)橐驗(yàn)镾ZGB-3型傳感器型傳感器50r/min時(shí)時(shí)30mV，單片，單片機(jī)輸入電壓機(jī)輸入電壓05伏左右，伏左右，調(diào)理電路放大倍數(shù)在調(diào)理電路放大倍數(shù)在100倍左右。倍左右。n 采用兩級放大電路，每一采用兩級放大電路，每一級都采用反響比例運(yùn)算電級都采用反響比例運(yùn)算電路如圖路如圖4.4.設(shè)計(jì)的電壓放設(shè)計(jì)的電壓放大倍數(shù)為大倍數(shù)為100倍。其中第倍。其中第一級放大倍數(shù)為一級放大倍數(shù)為10，第，第二級放大倍數(shù)為二級放大倍數(shù)為10.放大放大后電壓變化范圍為后電壓變化范圍為04.8V。光電式轉(zhuǎn)速傳感器的調(diào)理電路LM134光電式轉(zhuǎn)速傳感器的調(diào)理電路光電式轉(zhuǎn)速傳感器的調(diào)理電路n 整形電路設(shè)計(jì)的

11、是一種滯回電壓比較器，它具有慣性，起到抗干擾的整形電路設(shè)計(jì)的是一種滯回電壓比較器，它具有慣性，起到抗干擾的作用。從而向輸入端輸入的滯回比較器。在整形電路的輸入端接一個(gè)作用。從而向輸入端輸入的滯回比較器。在整形電路的輸入端接一個(gè)電容電容C5（103），起到的作用是阻止其他信號的干擾，并且將放大的），起到的作用是阻止其他信號的干擾，并且將放大的信號進(jìn)行濾波，解耦。信號進(jìn)行濾波，解耦。n 形后的信號基本上為形后的信號基本上為5V的電平的脈沖信號，在脈沖計(jì)數(shù)時(shí)，常用的電平的脈沖信號，在脈沖計(jì)數(shù)時(shí)，常用的是的是+5V的脈沖信號。如果直接采用的脈沖信號。如果直接采用-5V的脈沖計(jì)數(shù)，會增加電路的的脈沖計(jì)數(shù)

12、，會增加電路的復(fù)雜性，故一般不直接使用，而是先進(jìn)行二次整形。復(fù)雜性，故一般不直接使用，而是先進(jìn)行二次整形。仿真程序模塊設(shè)計(jì)n軟件部分由數(shù)據(jù)處理程序、按鍵程序設(shè)計(jì)、中斷服務(wù)子程序、軟件部分由數(shù)據(jù)處理程序、按鍵程序設(shè)計(jì)、中斷服務(wù)子程序、LED顯示程序等幾個(gè)部分組成。顯示程序等幾個(gè)部分組成。n數(shù)據(jù)處理完成對各種測量數(shù)據(jù)的處理，如各種數(shù)據(jù)的計(jì)算、數(shù)數(shù)據(jù)處理完成對各種測量數(shù)據(jù)的處理，如各種數(shù)據(jù)的計(jì)算、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等。據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等。n按鍵程序包括按鍵防抖動處理、判鍵及修改項(xiàng)目等。定時(shí)器按鍵程序包括按鍵防抖動處理、判鍵及修改項(xiàng)目等。定時(shí)器1完完成定時(shí)功能，定時(shí)成定時(shí)功能，定時(shí)2Oms，并每隔，并每隔20

13、ms進(jìn)行一次顯示，每隔進(jìn)行一次顯示，每隔1秒讀一秒讀一次計(jì)數(shù)結(jié)果。單片機(jī)對在次計(jì)數(shù)結(jié)果。單片機(jī)對在1秒內(nèi)計(jì)數(shù)的值進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成每分鐘的秒內(nèi)計(jì)數(shù)的值進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成每分鐘的速度送顯存以便顯示。速度送顯存以便顯示。軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖主程序流程圖子程序流程圖子程序流程圖定時(shí)計(jì)數(shù)子程序流程圖定時(shí)計(jì)數(shù)子程序流程圖動態(tài)顯示仿真雷達(dá)測速原理及安裝測速公式:雷達(dá)測速頻段:3MHZ300MHZfo為發(fā)射波段，選用24.15GHZ喇叭天線n 為了使機(jī)車測速的探測距離達(dá)到為了使機(jī)車測速的探測距離達(dá)到510米，需要外加喇叭天線。米，需要外加喇叭天線。雷達(dá)部分系統(tǒng)框圖雷達(dá)微波部分信號調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換列車監(jiān)控系統(tǒng)單

14、片機(jī)數(shù)據(jù)處理核心（進(jìn)行數(shù)據(jù)處理運(yùn)算）機(jī)車移動環(huán)節(jié)選型1.雷達(dá)微波部分：選用雷達(dá)微波部分：選用NJR4211的微波模塊，發(fā)射頻率為的微波模塊，發(fā)射頻率為24.15GHz，輸，輸出功率為出功率為4mW。2.信號處理電路：放大濾波信號處理電路：放大濾波3.A/D轉(zhuǎn)換電路：選擇轉(zhuǎn)換電路：選擇ADI公司的公司的AD644?？奢敵鰩?。可輸出帶寬250MHz。4.單片機(jī)：選擇單片機(jī)：選擇AT89C51，與光電轉(zhuǎn)速傳感器頻率輸出接口兼容。，與光電轉(zhuǎn)速傳感器頻率輸出接口兼容。修正部分一一.定位技術(shù)背景定位技術(shù)背景1) 脈沖轉(zhuǎn)速傳感器是通過列車車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生數(shù)字脈沖，輸出脈沖信號通脈沖轉(zhuǎn)速傳感器是通過列車車輪轉(zhuǎn)動

15、產(chǎn)生數(shù)字脈沖，輸出脈沖信號通過信號處理后，可直接輸入微處理器進(jìn)行計(jì)算，得到高測量精度的速過信號處理后，可直接輸入微處理器進(jìn)行計(jì)算，得到高測量精度的速度、距離信息。度、距離信息。2) 多普勒雷達(dá)依靠雷達(dá)向地面發(fā)射信號，檢查雷達(dá)回波頻率與發(fā)射信號多普勒雷達(dá)依靠雷達(dá)向地面發(fā)射信號，檢查雷達(dá)回波頻率與發(fā)射信號頻率的不同，根據(jù)多普勒效應(yīng)計(jì)算列車的運(yùn)行方向和速度，再對列車頻率的不同，根據(jù)多普勒效應(yīng)計(jì)算列車的運(yùn)行方向和速度，再對列車的速度進(jìn)行積分，得到列車的運(yùn)行距離。的速度進(jìn)行積分，得到列車的運(yùn)行距離。 3) 航位推算系統(tǒng)一般使用慣性傳感器作為航向傳感器和位移傳感器，具航位推算系統(tǒng)一般使用慣性傳感器作為航向

16、傳感器和位移傳感器，具有不與外界發(fā)生光電聯(lián)系和不受氣候條件限制的特點(diǎn)。有不與外界發(fā)生光電聯(lián)系和不受氣候條件限制的特點(diǎn)。問題1.以車輪轉(zhuǎn)動作為采集對象間接獲取列車速度：車輪磨損產(chǎn)生的輪徑變以車輪轉(zhuǎn)動作為采集對象間接獲取列車速度：車輪磨損產(chǎn)生的輪徑變化、運(yùn)行過程中的空轉(zhuǎn)和滑行會產(chǎn)生較大的誤差?；?、運(yùn)行過程中的空轉(zhuǎn)和滑行會產(chǎn)生較大的誤差。2.雷達(dá)和航位推算系統(tǒng)是直接測量列車速度和距離的方式，不存在車輪雷達(dá)和航位推算系統(tǒng)是直接測量列車速度和距離的方式，不存在車輪磨損、空轉(zhuǎn)、滑行等造成的誤差。但是，多普勒雷達(dá)測速方法比較復(fù)磨損、空轉(zhuǎn)、滑行等造成的誤差。但是，多普勒雷達(dá)測速方法比較復(fù)雜，需要考慮雷達(dá)校正、

17、不同地面反射系數(shù)等問題雜，需要考慮雷達(dá)校正、不同地面反射系數(shù)等問題3.航位推算系統(tǒng)受到傳感器本身溫漂、敏感度等的影響，在短時(shí)間內(nèi)測航位推算系統(tǒng)受到傳感器本身溫漂、敏感度等的影響，在短時(shí)間內(nèi)測量具有較高的精度，但長時(shí)間使用會導(dǎo)致較大的累積誤差。量具有較高的精度，但長時(shí)間使用會導(dǎo)致較大的累積誤差。多傳感器融合測速方法列車定位過程1.當(dāng)遇到信標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)先檢查信標(biāo)的位置坐標(biāo)是否在當(dāng)前計(jì)算的列車位置誤差范圍之內(nèi)。2.系統(tǒng)根據(jù)上一個(gè)信標(biāo)的位置，不斷計(jì)算從上一個(gè)信標(biāo)開始的位移和位置誤差，并以此來計(jì)算列車當(dāng)前位置(包括列車前端和后端的位置誤差)。列車打滑實(shí)驗(yàn)的傳感器速度曲線實(shí)驗(yàn)室，手持設(shè)備等終端(讀，存數(shù)據(jù))

18、GPRS/GSM無線網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)采集數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸流程數(shù)據(jù)的傳輸流程快捷方便、快捷方便、本、異地本、異地實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集無線傳輸無線傳輸DTP_S05C DTP_S05CiDTP_S05C DTP_S05Ci傳輸模塊傳輸模塊 針對針對GPRSGPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù), , 嵌入了嵌入了TCP/IPTCP/IP協(xié)議棧協(xié)議棧 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)RS-232RS-232串口，簡單的串口，簡單的AT+iAT+i指令操作指令操作 SerialNet SerialNet透明模式，簡化了二次開發(fā)過程透明模式，簡化了二次開發(fā)過程 支持域名解析，可以不用固定支持域名解析，可以不用固定IPIP 提供單片機(jī)和計(jì)算機(jī)編程源代碼提供單片機(jī)和計(jì)算機(jī)編程源代碼 頻段為雙頻頻段為雙頻900MHz900MHz和和1800MHz1800MHz 最大發(fā)射功率：最大發(fā)射功率：2W2W 工作溫度：工作溫度：-25 -25 +60 +60 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，能工作于各種惡劣環(huán)境工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)