【正文】 位方法的多傳感器信息融合結(jié)構(gòu)。安全位置Ls SSSiii RRRadar}}} Gyrooo DDDBBB在該多傳感器信息融合結(jié)構(gòu)中，N。，{i二1，2，…，11偽融合節(jié)點(diǎn)。其中，可以采用的傳感器有多普勒測(cè)速雷達(dá) (Radar)、加速度計(jì)(Acc)、速度傳感器(odo)、陀螺(G卿)、全球定位系統(tǒng)(GPs)、查詢應(yīng)答器 (Balise)和線路數(shù)據(jù)庫(kù)(DB)。該結(jié)構(gòu)還有擴(kuò)展的能力，可以融合其他信息源(si)，如軌道電路絕緣節(jié)信息、渦流傳感器和圖像傳感器。S:N:{Odo，Aec，Radar， GPS}D:從{Odo，Rad魷GPS}C:N3{Odo，Gyro}Se:從{Radar，N一}LM:NS{DB，N3}。v:N6{N:，N4}V:N7{Odo，NZ，N4}CL:NS{Odo，Gyro，Balise，DB，GPS，NS}L:Ng{Odo，NZ，從，N:}。L:Nl。{從，N:}Ls:NI，{Ng，Nl。}N，融合節(jié)點(diǎn)用于測(cè)速輪對(duì)的空轉(zhuǎn)和滑行檢測(cè)，本文中簡(jiǎn)稱空滑檢測(cè)，用S表示。空轉(zhuǎn)和滑行(簡(jiǎn)稱空滑)是由輪軌間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的。其相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以在位移、速度和加速度三個(gè)方面體現(xiàn)，因此檢測(cè)方法可以針對(duì)其中一種或幾種的融2腸l)基于位移的方法:△l=10一l甲二l+氣一l一氣=氣一“ ()l為測(cè)速輪對(duì)的滾動(dòng)的距離的真值。l二為速度傳感器測(cè)量的距離。氣為空滑引起的距離誤差。l。為其他傳感器測(cè)量的距離。氣為其他傳感器的距離誤差。氣是空滑檢測(cè)的對(duì)象，假設(shè)氣服從高斯分布，通過(guò)對(duì)△l的檢測(cè)，就能間接的檢測(cè)氣，采用的傳感器組為{odo，GpS}O2)基于速度的方法:△v二vo一v甲一=v十氣。一v一凡，=evo一氣()，為測(cè)速輪對(duì)的滾動(dòng)的速度的真值。v，為速度傳感器測(cè)量的速度。S、為空滑引起的速度誤差。v。為其他傳感器測(cè)量的速度。svo為其他傳感器的速度誤差。凡，是空滑檢測(cè)的對(duì)象，假設(shè):、服從高斯分布，通過(guò)對(duì)△v的檢測(cè)，就能間接的檢測(cè)凡，采用的傳感器組為毛Odo，Radar}。3)基于加速度的方法:△a=ao一a甘=a+凡。一a一凡，=凡。一凡， ()。為測(cè)速輪對(duì)的滾動(dòng)的加速度的真值。a，為速度傳感器測(cè)量的加速度。凡，為空滑引起的加速度誤差。a。為其他傳感器測(cè)量的加速度。凡。為其他傳感器的加速度誤差凡，是空滑檢測(cè)的對(duì)象，假設(shè)氣。服從高斯分布，通過(guò)對(duì)△“的檢測(cè)，就能間接地檢測(cè)凡，采用的傳感器為{Od”，Acc}oN:融合節(jié)點(diǎn)用于測(cè)速輪對(duì)的輪徑D估計(jì)。在輪軌交通系統(tǒng)，輪對(duì)的踏面通常是錐形或磨耗形，輪對(duì)在縱向進(jìn)行滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，在橫向進(jìn)行橫擺運(yùn)動(dòng)，在垂向進(jìn)行搖頭運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致輪對(duì)踏面與軌面的接觸點(diǎn)也在橫向上變化，因此測(cè)速輪對(duì)的輪徑是一個(gè)時(shí)變量。輪徑參數(shù)在基于速度傳感器的列車(chē)定位方法中非常重要，屬于比例因子。其誤差屬于比例因子誤差會(huì)影響位移、速度和加速度這三種物理量的測(cè)量，因此輪徑估計(jì)可以針對(duì)其中一種或幾種的融合。l)基于位移的方法:d=d，xl/(Nx萬(wàn)xd，)=d二xl/今一d二一局，/份=d二+(△l一場(chǎng)，)/份(29)d為測(cè)速輪對(duì)輪徑的真值。d二為測(cè)速輪對(duì)的名義輪徑的參考值，為定值。N為測(cè)速輪對(duì)運(yùn)行中，速度傳感器輸出的脈沖數(shù)。當(dāng)測(cè)速輪對(duì)未發(fā)生空滑時(shí)，假設(shè)△l服從高斯分布。在未發(fā)生空滑情況下的份較大時(shí)，可以對(duì)測(cè)速輪對(duì)的輪徑進(jìn)行估計(jì)，采用的傳感器組為{odo，Gps}。2)基于速度的方法:d=d二xv/(fx二xd二)二d甲Xv/場(chǎng)=d甲一凡，/場(chǎng)=d，+(△v一凡，)/場(chǎng)(210)f為測(cè)速輪對(duì)運(yùn)行中，速度傳感器輸出的脈沖頻率。當(dāng)測(cè)速輪對(duì)未發(fā)生空滑時(shí)，假設(shè)△v服從高斯分布。在未發(fā)生空滑情況下的場(chǎng)較大時(shí)，可以對(duì)測(cè)速輪對(duì)的輪徑進(jìn)行估計(jì)，采用的傳感器組為{Odo，Redar}。3)基于加速度的方法:d二心xa/(f從二x心)=d甲xa/a甲=d甲一氣，/即=心+(加一凡，)/a，(211)f’為測(cè)速輪對(duì)運(yùn)行中，速度傳感器輸出的脈沖頻率的微分。當(dāng)測(cè)速輪對(duì)未發(fā)生空滑時(shí)，假設(shè)△a服從高斯分布。在未發(fā)生空滑情況下的場(chǎng)較大時(shí)，可以對(duì)測(cè)速輪對(duì)的輪徑進(jìn)行估計(jì)，采用的傳感器組為{Odo，Acc}。N3融合節(jié)點(diǎn)用于線路曲率信息C檢測(cè)。軌道線路的曲直變化是固定的，通過(guò)線路曲率信息的檢測(cè)，可以為匹配定位提供信息。采用的傳感器組為{Odo，Gyro}。N。融合節(jié)點(diǎn)用于空轉(zhuǎn)和滑行補(bǔ)償，本文中簡(jiǎn)稱為空滑補(bǔ)償，用sc表示。測(cè)速雷達(dá)不受空滑影響，可以提供速度信息經(jīng)過(guò)積分，進(jìn)行空滑補(bǔ)償，因此采用的信息組為{Radar，N，}。NS融合節(jié)點(diǎn)用于基于線路曲率信息的匹配定位LM。通過(guò)將線路曲率信息與線路數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配，獲得曲線區(qū)段在軌道坐標(biāo)中的位置。采用的信息組為{DB，N3}。N6融合節(jié)點(diǎn)用于速度誤差即估計(jì)。根據(jù)速度信息的不同來(lái)源，估計(jì)速度誤差。采用的信息組為{N:，從}。N:融合節(jié)點(diǎn)用于速度v估計(jì)。采用的信息組為{Odo，NZ，N4}。N:融合節(jié)點(diǎn)用于位置修正的可信度CL分析。用于位置修正的信息，無(wú)論信息來(lái)源，均應(yīng)進(jìn)行可信度分析。對(duì)于基于線路曲率信息的匹配定位，需要分析是否誤匹配。對(duì)于基于查詢應(yīng)答器的位置修正，需要判斷查詢應(yīng)答器是否滿足正確的鏈接關(guān)系。對(duì)于基于GPS的位置修正，需要判斷軌道是否會(huì)被誤識(shí)別和定位解是否可用等問(wèn)題。采用的信息組為{odo，o卿，Balise，DB，Gps，Ns}。Ng融合節(jié)點(diǎn)用于位置L估計(jì)。采用的信息組為{odo，NZ，N4，N對(duì)。NI。融合節(jié)點(diǎn)用于位置誤差。L估計(jì)。根據(jù)位置信息的不同來(lái)源和位置修正的情況，估計(jì)位置誤差。采用的信息組為{從，NS}。N::融合節(jié)點(diǎn)用于安全位置L:估計(jì)。安全位置是在位置估計(jì)的基礎(chǔ)上，考慮了位置誤差估計(jì)和一定的原則(變包絡(luò)長(zhǎng)度或安全位置不后退)的情況下得到的，用于列車(chē)的間隔控制，采用的信息組為毛Ng，N:。}?；诙鄠鞲衅餍畔⑷诤系南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)空轉(zhuǎn)與滑行問(wèn)題設(shè)置融合節(jié)點(diǎn)，可以方便的擴(kuò)展和融合更多種傳感器或信息源，如軌道電路絕緣節(jié)信息、渦流傳感器和圖像傳感器等信息源。法盡管在基于多傳感器信息融合的列車(chē)定位方法中，能夠融合多種傳感器的信息獲得列車(chē)的速度和位置信息，但是對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，所采用的傳感器的種類和數(shù)量并非多多益善。因此本章根據(jù)列車(chē)定位子系統(tǒng)的應(yīng)用背景，提出了一種以速度傳感器為核心傳感器的多傳感器信息融合列車(chē)定位方法。該方法主要針對(duì)兩個(gè)方面的問(wèn)題:l)提高空轉(zhuǎn)滑行的檢測(cè)能力，采用基于加速度計(jì)增強(qiáng)速度傳感器的定位方法，降低空轉(zhuǎn)和滑行帶來(lái)的定位誤差。2)利用線路的曲率信息進(jìn)行匹配定位，采用基于線路曲率信息的匹配定位方法，進(jìn)行類似查詢應(yīng)答器的位置修正。}列車(chē)位置}基于線路曲率信息的匹配定位方法基于加速度計(jì)增強(qiáng)速度傳感器的定位方法線路曲率信息數(shù)據(jù)庫(kù)陀螺速度傳感器加速度計(jì)盡管存在多種多樣的列車(chē)定位子系統(tǒng)，采用不同原理的多種列車(chē)定位方法，但是使用的最普遍的是基于查詢應(yīng)答器修正的速度傳感器定位方法?；诓樵儜?yīng)答器修正的速度傳感器定位方法是將速度傳感器和查詢應(yīng)答器進(jìn)行融合的方法。速度傳感器定位雖然定位誤差特性較差，會(huì)積累，但是測(cè)量頻率高可以獲得近似連續(xù)的速度和位置輸出。查詢應(yīng)答器定位誤差特性較好，不會(huì)積累，且精度較高，但是在時(shí)間上是離散的。將這兩種傳感器進(jìn)行融合，用查詢應(yīng)答器來(lái)修正速度傳感器的位置誤差，充分地利用了兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。從信息論的角度來(lái)看，列車(chē)定位是一維的觀測(cè)問(wèn)題，對(duì)于一維觀測(cè)值，通過(guò)速度傳感器的速度測(cè)量和位置計(jì)算，根據(jù)己有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，知道其定位的相對(duì)誤差的取值范圍為卜5%，5%]134】，當(dāng)經(jīng)過(guò)查詢應(yīng)答器校正之后，定位的相對(duì)誤差的取值范圍會(huì)縮小到卜占，們，占為查詢應(yīng)答器的相對(duì)誤差，這是由查詢應(yīng)答器提供的信息嫡，使得位置的不確定區(qū)間從卜5%，5%]縮短到卜占，占]。完全基于速度傳感器的空轉(zhuǎn)和滑行檢測(cè)算法，只有在發(fā)生嚴(yán)重的空轉(zhuǎn)和滑行時(shí)，才能區(qū)分輪軌間的空轉(zhuǎn)和滑行造成的測(cè)量加速度的改變和正常運(yùn)行時(shí)由于牽引或制動(dòng)造成的加速度的改變，而研究現(xiàn)狀也表明僅依靠速度傳感器124一26]，無(wú)法對(duì)空滑進(jìn)行精確檢測(cè)。因此必須要考慮引入與速度傳感器測(cè)量原理相異型的傳感器，才有可能完全檢測(cè)空轉(zhuǎn)和滑行。因此引入了加速度計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、可靠性高、抗沖擊強(qiáng)、價(jià)格便宜，適合在列車(chē)定位中應(yīng)用，由于其作用是用來(lái)觀測(cè)載體加速度的變化，而非進(jìn)行高精度和長(zhǎng)時(shí)間的航位推算，因此對(duì)精度要求較低。因此以速度傳感器為核心傳感器的多傳感器信息融合列車(chē)定位方法包括高頻連續(xù)相對(duì)定位和低頻非連續(xù)絕對(duì)定位。高頻連續(xù)相對(duì)定位中的空滑檢測(cè)采用融合加速度和速度傳感器信息的基于加速度的空滑檢測(cè)，空滑補(bǔ)償采用速度插值。在第三章中詳細(xì)研究了基于速度傳感器的定位方法的誤差模型和基于加速度計(jì)增強(qiáng)速度傳感器的列車(chē)定位方法。低頻非連續(xù)絕對(duì)定位采用基于線路曲率匹配的定位方法(類似于查詢應(yīng)答器)，通過(guò)陀螺和速度傳感器檢測(cè)線路的曲率，進(jìn)行匹配定位，用于對(duì)高頻連續(xù)的相對(duì)定位進(jìn)行修正。在第四章中詳細(xì)研究基于線路曲率匹配的定位方法。在第五章中詳細(xì)研究了基于線路曲率匹配定位方法的可信度分析。為了深入研究基于多傳感器信息融合列車(chē)定位方法，組建了基于多傳感器信息融合的列車(chē)定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由多傳感器信息融合列車(chē)定位儀、數(shù)據(jù)處理器和電源三部分組成。多多傳感器信 信信電源源 源 數(shù)據(jù)處理器 器息息融合列車(chē) 車(chē)車(chē)車(chē)車(chē)車(chē) 車(chē) PWS一 141gTPPP測(cè)測(cè)速定位儀儀儀儀 儀噩噩 }}} }}}CRS03333333}匡噩圈圈圈圈圈圈圈}}}AD‘L202}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}基于 LabVIEWWWWW !!!IMU7OO}}}}}}}}}RS4855555的數(shù)據(jù)采集 集集}}}N3‘5‘ 222222222222222222222222!}}}Ecor。‘ 00011111111 IIIIIMU7000000000000000000000000模模模模模模模模模模擬通道 道 道 NNNNN315111111111 EEEEEeore100000000000(MEMs)陀螺CRs0MEMS加速度計(jì)ADXL20慣性測(cè)量單元IMU700、GPS衛(wèi)星接收機(jī) Novatel3151和光纖陀螺Ecore100O等多個(gè)傳感器。目前多傳感器信息融合列車(chē)定位儀暫時(shí)還沒(méi)有數(shù)據(jù)的處理功能，數(shù)據(jù)處理由數(shù)據(jù)處理器離線完成，主要用于算法驗(yàn)證。如果增加數(shù)據(jù)處理單元，進(jìn)行在線處理。CRS03是一支速率陀螺，成本與精度較低，輸出為電壓，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，CRS03作為檢測(cè)線路曲率信息的傳感器之一。ADxL202是一支低成本的雙軸加速度傳感器，其測(cè)量范圍為士29，可以輸出電壓，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，ADXL202作為空滑檢測(cè)的傳感器之一，對(duì)其測(cè)量結(jié)果中的安裝誤差和重力加速度分量不進(jìn)行修正。IMU700是一個(gè)六自由度的慣性測(cè)量設(shè)備，可以較精確地測(cè)量三軸的加速度、三軸的角速率、橫滾和俯仰姿態(tài)，具有數(shù)字和模擬兩種形式接口，使用時(shí)不需校準(zhǔn)。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，采用RS一232接口，將IMU70O的輸出作為參考信息。 Novatel3151是雙系統(tǒng)接收機(jī)，能接收GPS和GLONASS衛(wèi)星的Ll信號(hào)。將其工作于DGPS方式，為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供較精確的位置參考信息。采用RS一232接口。ECore100O是一支光纖陀螺，“/S和帶寬IOOHz條件下，測(cè)量1000/s的角速率，漂移穩(wěn)定性保持在3。爪。采用RS一2犯接口。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，Ecore1000作為與CRS03比較的對(duì)象，評(píng)價(jià)傳感器的精度對(duì)相關(guān)算法的影響。多傳感器信息融合列車(chē)定位儀設(shè)置了脈沖輸入接口，用于測(cè)量速度傳感器輸出的脈沖。數(shù)據(jù)處理器采用PWS一 141gTP便攜計(jì)算機(jī)，符合MIL一STD一 81OE軍用計(jì)算機(jī)規(guī)范，適合于車(chē)載環(huán)境下使用。安裝有兩塊PcL一746+4多串口卡、PCI一6014數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)處理器通過(guò)不同串口和模擬通道實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的采集，在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，根據(jù)統(tǒng)一的時(shí)鐘，將數(shù)據(jù)與時(shí)間戳進(jìn)行綁定，用于離線的數(shù)據(jù)處理。目前的試驗(yàn)都是通過(guò)這種采集數(shù)據(jù)和離線處理的方式來(lái)進(jìn)行的。本章研究了基于多傳感器信息融合的列車(chē)定位方法，提出了基于多傳感器信息融合的列車(chē)定位方法的融合結(jié)構(gòu)，著重分析了當(dāng)前最廣泛采用的查詢應(yīng)答器輔助速度傳感器的列車(chē)定位方法。提出了與其結(jié)構(gòu)相似的以速度傳感器為核心傳感器的多傳感器信息融合列車(chē)定位方法，等效于在線路的曲線區(qū)段上增加了虛擬的查詢應(yīng)答器，能夠減少用于列車(chē)位置校正的查詢應(yīng)答器的使用數(shù)量。3基于加速度計(jì)增強(qiáng)的速度傳感器定位方法研究基于速度傳感器的定位方法是最常用的列車(chē)定位方法。在基于輪軌的交通中輪軌間的空轉(zhuǎn)和滑行是無(wú)法避免的。速度傳感器由于受機(jī)車(chē)輪對(duì)可能發(fā)生空轉(zhuǎn)和滑行的影響，將直接影響測(cè)量精度卜8]。在車(chē)輪滑行情況下，一次滑行誤差將達(dá)到10m，因此，對(duì)于滑行誤差需要有防范措施[9l。如何克服空轉(zhuǎn)和滑行等因素造成的精度降低，是這種方法要解決的關(guān)鍵問(wèn)題【’“，川?；谒俣葌鞲衅鞯牧熊?chē)定位方法中存在兩個(gè)問(wèn)題:一個(gè)是空轉(zhuǎn)和滑行的檢測(cè)。另一個(gè)是空滑誤差的補(bǔ)償。本章研究了空滑檢測(cè)與空滑