基于GPS/航跡推算組合導(dǎo)航的列車防撞系統(tǒng)設(shè)計
摘要:針對同一軌道上列車防撞預(yù)警,采用GPS衛(wèi)星定位和航跡推算實現(xiàn)組合定位,通過無線數(shù)傳技術(shù),可用于復(fù)雜軌道地理環(huán)境(隧道、森林、丘陵等)下的局域鐵路網(wǎng)行車安全管理。實驗測試表明系統(tǒng)能夠滿足應(yīng)用要求。
0 引言
碰撞避免問題是現(xiàn)代交通運輸領(lǐng)域的重要研究問題,與人們的生活息息相關(guān),在航空、航海、道路以及軌道交通領(lǐng)域均有很多的研究。如航空領(lǐng)域中的交通預(yù)警和避撞系統(tǒng)/自決策監(jiān)督廣播系統(tǒng)TCAS/ADS—B;航海領(lǐng)域中的船舶自動識別系統(tǒng)AIS;道路交通領(lǐng)域的車-車避撞系統(tǒng)C2C等。
道路交通、航空以及航海等領(lǐng)域都已經(jīng)有了較為成熟的防撞預(yù)警系統(tǒng),相比之下,軌道交通領(lǐng)域的防撞預(yù)警系統(tǒng)研究起步較晚,開發(fā)實際難度也較大。本文主要針對低速運行的貨運列車在復(fù)雜的軌道地理條件(隧道、森林、丘陵等)下運行,合理使用單片機技術(shù)、GPS衛(wèi)星定位技術(shù)和航跡推算導(dǎo)航算法,設(shè)計出低成本的鐵路列車防撞系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)總體介紹
列車防撞預(yù)警系統(tǒng)由定位系統(tǒng)、無線通信機制、決策系統(tǒng)以及報警裝置等部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
系統(tǒng)啟動后,首先將自身信息(實時位置、實時速度等)廣播到附近區(qū)域,同時接收所在區(qū)域中的其他裝有該系統(tǒng)的廣播信息。列車通過這些從其他列車接收到的信息,可以全面了解目前附近的交通狀況,若存在發(fā)生危險的可能則立即向列車員提供警告和建議,從而避免碰撞事故的發(fā)生。因此,該防撞預(yù)警系統(tǒng)主要有三個功能:①位置、速度等相關(guān)信息的獲取;②廣播并接收這些相關(guān)信息;③對這些信息進行處理并檢測是否存在碰撞危險,若存在則發(fā)出報警信號。
2 組合導(dǎo)航系統(tǒng)
組合導(dǎo)航系統(tǒng)主要是為列車防撞預(yù)警系統(tǒng)提供可靠的位置信息、列車的實時定位信息對列車控制與系統(tǒng)進行碰撞檢測有至關(guān)重要的作用。
2. 1 GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)
GPS(Global Position System,全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù),采用空間距離交匯原理,確定待測點的位置。鐵路上已開發(fā)成熟的自動閉塞系統(tǒng)證實了GPS適用于列車定位,GPS定位不依賴于其他軌旁設(shè)備,只需一部高精度GPS終端接收機便能實現(xiàn)常規(guī)定位。但是GPS存在動態(tài)響應(yīng)能力差、易受電子干擾、信號容易被遮擋等缺點。如果GPS信號長時間不能得到及時恢復(fù),系統(tǒng)的誤差就不可避免隨時問而積累。當(dāng)列車行駛在GPS信號不好的隧道、森林中時,純粹的衛(wèi)星定位將不能滿足系統(tǒng)要求。
2.2 DR航跡推算定位系統(tǒng)
DR(Dead Reckoning,航跡推算系統(tǒng))是利用已知的載體初始位置,根據(jù)運動載體在該點的航向、航速和航行時間,實時推算下一時刻的坐標(biāo)位置的一種導(dǎo)航定位方法。它是一種自主式定位,其定位精度不會受到如電磁干擾、遮擋等外界因素的影響。但是,航跡推算系統(tǒng)不具有長期的穩(wěn)定性,必須每隔一段時間進行誤差校正。本系統(tǒng)所使用的航跡推算系統(tǒng)類似于車載里程儀,其構(gòu)造和原理也大致相同,都是由一個磁電傳感器和一組貼在車輪上的磁片構(gòu)成,車輪每旋轉(zhuǎn)一圈,磁電傳感器便產(chǎn)生一定數(shù)量的脈沖,通過對這些脈沖的計數(shù),便知列車在這段時間的行程,在時刻的列車運行行程為
式中,n(t)為t時刻輸出的脈沖數(shù):n(t)-n(t-1)即為本周期內(nèi)的輸出脈沖數(shù);M為車輪每轉(zhuǎn)一圈應(yīng)該輸出的脈沖數(shù);D為車輪直徑。
根據(jù)在t時刻的列車運行行程,可得列車的運行速度為
式中,τ為計數(shù)周期,當(dāng)計數(shù)周期較小時,該速度可近似描述列車的瞬時速度。
2. 3 組合導(dǎo)航算法
當(dāng)列車運行在隧道等衛(wèi)星信號不好的情況下時,系統(tǒng)會自動記錄下最后一個GPS輸出的有效坐標(biāo),同時,DR系統(tǒng)以該點為坐標(biāo)原點的地理坐標(biāo)系(一般取東、北、天坐標(biāo)系,滿足右手定則)作為航跡推算的參考坐標(biāo)系,并取該點為其推算位置的起點,利用航向傳感器和DR系統(tǒng)可確定每一時刻車輛的位置:
式中,x(t),y(t)是t時刻列車在參考坐標(biāo)系下的位置;x(t-1),y(t-1)是t-1時刻列車在參考坐標(biāo)系下的位置;θ是測向速度與參考坐標(biāo)系北向的夾角。在此,我們將隧道做一個合理地簡化,在一般情況下我們認(rèn)為隧道為直隧道。于是,可根據(jù)系統(tǒng)記錄下的最后一個GPS輸出的有效坐標(biāo)結(jié)合列車的實時位置進行航跡推算:
式中,λ(t)、L(t)分別為航跡推算過程中列車的實時經(jīng)度和緯度;λ0、L0分別為起點經(jīng)緯度。
3 硬件設(shè)計
3.1 組合導(dǎo)航模塊
GPS定位具有長期的穩(wěn)定性,但定位不連續(xù),航跡推算系統(tǒng)恰恰具有良好的短期穩(wěn)定性,但必須每隔一段時間進行定位誤差校正??梢奊PS定位和DR具有很強的互補性,本系統(tǒng)就是采用了GPS/DR組合定位系統(tǒng),通過DR定位誤差補償,確保了列車在GPS信號丟失時仍能有效地確定列車的實時位置。組合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
3.2 無線通信模塊
通信機制完成系統(tǒng)中各模塊間的通信功能,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。列車之間的互相通信是將實時的位置信息傳遞給臨近的列車,通過計算與相鄰列車的距離,并判斷是否存在碰撞的可能,根據(jù)判斷結(jié)果給出相應(yīng)的警告信號,以實現(xiàn)列車的安全預(yù)警。
無線數(shù)據(jù)傳輸是利用無線電波作為傳輸?shù)拿浇?,將?shù)據(jù)信息進行編碼調(diào)制到載波頻率上,送到射頻前端,通過天線發(fā)射出去或?qū)⒔邮盏降碾姴ㄐ盘栠M行解碼調(diào)制還原出原始數(shù)據(jù)的過程。無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有不用預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施及自主組網(wǎng)等特點,主要用于解決一些不易架設(shè)線纜,但又需要進行數(shù)據(jù)采集并傳輸?shù)男⌒蜔o線網(wǎng)絡(luò)的通信問題。由于鐵路沿線架設(shè)通訊線路不方便,而且架線工作量比較大,選擇無線數(shù)據(jù)傳輸作為各個列車防撞系統(tǒng)之間的通信方式,比較合理。
由于列車的慣性較大,所以其制動距離較長,可能達到幾千米,因此對列車之間的通信范圍有要求,本項目規(guī)定的最低要求是400m,但從安全系數(shù)上考慮,至少1km的安全距離比較合適。
通過綜合比較,系統(tǒng)通信模塊選擇YL-5001W中功率無線數(shù)傳模塊。YL-5001W是一款高穩(wěn)定性,低功耗,高性價比的采用GFSK調(diào)制方式的無線透明數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。該模塊相對其他通信模塊具有尺寸小,靈敏度高,傳輸距離遠(yuǎn),通訊數(shù)率高,內(nèi)部自動完成通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)收發(fā)控制等特點。能在不改變用戶的任何數(shù)據(jù)和協(xié)議,完成無線傳輸數(shù)據(jù)功能。工作頻率433MHz,串口波特率9.6kpbs,能滿足系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的通信要求。
3.3 控制器及其他電路
主控芯片選擇ST(意法半導(dǎo)體)公司的STM32系列ARM芯片,該系列芯片采用Cortex—M3內(nèi)核,采用8M晶振,通過鎖相環(huán)倍頻后時鐘頻率最高可達到72MHz。本系統(tǒng)選擇的32位的STM32F103RCT6是低功耗高速單片機,外設(shè)資源豐富,芯片集成了SPI,I2C,USB和A/D等硬件接。
本系統(tǒng)各模塊間采用串口通信,主要用了單片機的四個串口,串口一用來下載程序,串口二與導(dǎo)航系統(tǒng)通信獲取列車的定位信息,串口三與無線通信模塊交換數(shù)據(jù),串口四與觸摸顯示屏相連,將需要的信息顯示在觸摸屏上。
4 軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件采用編程環(huán)境Keil設(shè)計,主要用C語言編寫。由主程序main()、軌跡推算處理子程序GuiJi—Calcaulate()、觸摸屏顯示子程序Show()、中斷處理子程序、通信子程序Communication()、誤差處理子程序Error-Processing()等組成。軟件各部分均按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想進行編程,易于調(diào)試和維護。主程序流圖如圖3所示。
5 系統(tǒng)測試
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案,完成硬件各模塊連接,組裝好樣機。實驗中,我們采用電動摩托車來模擬低速運行的列車,通過拆除GPS天線來模擬列車進入隧道、森林等GPS失鎖的情況,并讓兩樣機相距約500m的距離進行了實驗。系統(tǒng)界面如圖4所示。實驗結(jié)果表明,當(dāng)GPS信號良好時,誤差小于等于10m,衛(wèi)星失鎖時,誤差不超過30m。
經(jīng)綜合分析,本系統(tǒng)達到項目要求,可以滿足列車實際運行。
6 結(jié)束語
本系統(tǒng)合理利用了GPS衛(wèi)星定位技術(shù)以及航跡推算導(dǎo)航算法,實現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠的低成本組合導(dǎo)航。采用大功率無線電臺,使無線數(shù)據(jù)傳輸距離大幅度提升,安全預(yù)警距離更大。觸摸屏顯示界面友好,能直接獲取列車實時位置、導(dǎo)航信息來源、航向、定位誤差等信息。實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,在鐵路系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用前景與參考價值。