基于速度傳感器和加速度傳感器的測速算法應用研究

張靜軒

（國家能源投資集團有限責任公司，北京100010）

軌道交通運輸具有運載量大、運行速度高、安全可靠、舒適度好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，在城市公共交通、城際客運、貨運等行業(yè)占據(jù)重要地位。而測速測距功能對列車安全運行具有非常重要的作用，在列車運行控制系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位。

既有列車測速系統(tǒng)中常使用輪軸傳感器進行測速定位，輪軸式速度傳感器可通過檢測其所在車輪的轉動圈數(shù)來精確計算出車輪的速度，具有測速穩(wěn)定性高，無累計測距誤差等優(yōu)點，但是輪軸傳感器直接與車輪相連，存在車輪空轉或滑行時，測速測距與真實值偏差很大，不能滿足精度要求[1-3]。

為解決空轉滑行對輪軸傳感器測速的影響，常使用加速度計或雷達來輔助監(jiān)督車輪的空轉和打滑情況，并測量列車在空轉和打滑后的真實速度。雷達傳感器基于多普勒效應進行測速，通過向列車運行時所在軌面發(fā)射多普勒波并接收單位時間內(nèi)由地面反射回來的多普勒波來計算列車運行速度[4-5]。該傳感器通常安裝在列車底部，工作環(huán)境比較惡劣，容易受到雨雪天氣影響。又因為其測速機理是檢測波的反射，因此也容易受到軌面積水、碎石道床和整體道床轉換等影響；測速雷達在發(fā)生故障后的更換流程也較為繁瑣，設備可維護性較低[6-9]。

加速度計設備安裝在車廂內(nèi)部，通過與車體剛性連接來接收列車在運行過程中的實時加速度，該傳感器在測量列車加速度時不依賴列車的運行環(huán)境，不會受到天氣或路面情況的影響，更有利于推廣應用到城軌市軌道交通線路中。但加速度計在測量加速度時會受到列車車身所在坡度的影響。在城軌列控系統(tǒng)中，列車普遍通過獲取車身定位和車載電子地圖結合的方式來獲取列車所在位置的實時坡度，并用該坡度來修正加速度計輸出的列車實時加速度值。原理上，在列車有車身定位時，可通過加速度計來監(jiān)督速傳的空滑情況。但在列車無車身定位時，加速度計就會因為無法得到坡度補償而無法準確判斷速傳是否發(fā)生空轉和打滑。

本文使用3 個加速度計和2 個輪軸速度傳感器進行組合測速，提出使用沖擊率判斷空轉和滑行的檢測方法，并在判斷有空轉滑行時使用加速度計進行測速補償，最終得到較為精確的測速結果。

1 系統(tǒng)組成

本文所描述的基于速傳和加速度計融合的列車運行速度測量系統(tǒng)主要由5 個部分組成，包括：3個加速度計、2 個速度傳感器、A/D 采集電路、嵌入式處理器、速傳加速度計融合算法，如圖1所示。

圖1 基于速傳和加速度計融合的列車運行速度測量系統(tǒng)構架圖Fig.1 Frame diagram of train speed measurement system based on fusion of speed transmission and accelerometer

其中，2 個速傳實現(xiàn)冗余功能，單速傳故障時可繼續(xù)使用另一速傳進行測速。3 個加速度計組成三取二架構，保證測試系統(tǒng)的安全性和可用性。加速度計在安裝時需與車體剛性連接，確保加速度計的運動狀態(tài)與真實的列車車體運動狀態(tài)一致。測速系統(tǒng)工作時，嵌入式處理器驅動A/D 采集電路來實時采集2 個速傳的測速信息和3 個加速度計的加速度測量值，再將這些測量值輸入至速傳加速度計融合算法中，由融合算法來判斷列車的空滑/打滑狀態(tài)并給出列車的真實運行速度。

2 速傳加速度計融合測速算法

基于速傳和加速度計融合的列車運行速度測量系統(tǒng)共包含3 個加速度計，三路加速度計構成三取二結構。在使用加速度計輸出的加速度值前，系統(tǒng)先將3 個加速度計進行兩兩組合，得到3 種組合配對方式，并對每種組合進行表決，根據(jù)表決結果計算融合后的加速度值。

2.1 加速度計加權融合策略

2.1.1 加速度計零位和坡度補償

1）加速度計在測量列車加速度時，會受到重力加速度在坡度上的分量的影響，如圖2所示。加速度計測量數(shù)據(jù)處理如下：

圖2 加速度計在坡道上測加速度時的受力情況Fig.2 Force condition of accelerometer when measuring acceleration on ramp

為消除噪聲和其它干擾，首先對加速度測量值進行低通濾波。式（1）中，An為加速度計測量值；A為濾波處理后的加速度值；n為測速周期；p1為濾波系數(shù)，取值為8。

然后進行坡度補償，如圖2所示，當列車車身處上坡區(qū)段時：

當列車車身處于下坡區(qū)段時：

2）加速度計設備存在安裝誤差，會導致加速度計存在一個固有的初始測量誤差azero。

綜上，在使用加速度計進行列車加速度測量時，需用坡度和零位誤差對其測量值進行補償，才能準確的計算出列車的真實加速度。

2.1.2 加速度計加權融合

三個加速度計輸出的加速度值進行三取二表決，根據(jù)表決結果進行加權計算，三路加速度計的表決原理如圖3所示。

圖3 加速度計表決原理圖Fig.3 Schematic diagram of accelerometer voting

加速度計在測量加速度時存在瞬時測量誤差，不同加速度之間也存在個體誤差，因此，在進行加速度值三取二表決時，需考慮一定的允許誤差。當2個加速度計輸出的加速度值之間的差值小于允許誤差時，則認為表決通過，否則認為表決失敗。表決結果將決定3 個加速度計輸出的加速度值在計算列車有效加速度值時的權重，權重計算方式如表1所示。

表1 加速度計三取二表決結果及加速度值權重對應表Tab.1 Accelerometer triple-to-two voting result and accelerometer weight correspondence table

將不同加速度計的加速度值乘上其對應的權重，可得到3 個權重值，再將3 個權重值加起來，則可得到最終有效的列車運行加速度值。

根據(jù)表1 中3 個加速度計的加權系數(shù)對3 路加速度數(shù)據(jù)加權融合：

式中：AccValue為融合后加速度值；Ai為其中一路加速度值；Wi為加權系數(shù)；N為加速度計數(shù)量，取值為3。

需要注意的是，當3 個表決結果均為表決失敗時，本次加速度計三取二表決結果失敗，表決值無效。

使用3 個加速度計可起到硬件冗余的效果。當1 個加速度計故障時，系統(tǒng)還可通過另外2 個加速度計來計算列車有效加速度，整個系統(tǒng)的可用性得到保障。

2.2 速傳空轉/打滑檢測

2.2.1 加速度差值判斷空轉滑行

若列車當前位置有效，根據(jù)列車位置查詢列車當前坡度為α，則當周期列車實際的加速度值可根據(jù)上文內(nèi)容計算得出，通過加速度計計算得出的列車實際加速度，與速度傳感器的加速度進行比較：

（1）當速度傳感器處于正常狀態(tài)時，若比較結果的絕對值大于空滑進入門限值時，則認為速度傳感器發(fā)生打滑，小于則認為速度傳感器發(fā)生空轉。

（2）當速度傳感器處于空轉或打滑狀態(tài)時，若比較結果的絕對值小于空滑退出門限值時，速度傳感器恢復正常狀態(tài)。

2.2.2 沖擊率判斷空轉滑行

由于加速度計測量的加速度信息受到列車所處位置的坡度影響，因此在列車無定位時無法獲取坡度信息，無法使用加速度計的加速度信息判斷輪軸傳感器速傳數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)空轉或滑行。

本文測速系統(tǒng)使用沖擊率進行列車空轉或滑行狀態(tài)判斷，測速過程中系統(tǒng)實時計算單個速傳的瞬時沖擊率，當檢測到瞬時沖擊率的絕對值大于等于速傳的空轉/打滑判斷門限時，則判定該速傳發(fā)生空轉/打滑。被判定出空滑后的速傳將被算法置為測速異常狀態(tài)。當兩個速傳均處于測速異常狀態(tài)時，測速算法將使用加速度計輸出的加速度和先前速傳未異常時的速度信息來計算得出當前的列車運行速度，如圖4所示。

圖4 基于速傳和加速度計融合的測速算法流程Fig.4 Velocity measurement algorithm flow chart based on fusion of velocity transmission and acceleromete

為了保證計算數(shù)據(jù)的平滑和穩(wěn)定性，防止噪聲導致誤差增大，消除由于機械振動或電磁串擾引起的傳感器信號失真，需要對速度傳感器和加速度計的測量數(shù)據(jù)進行濾波處理：

式中：n表示周期數(shù)；Vn為速度傳感器測量值；V為經(jīng)過一階低通濾波處理后的車輪速度；p1為濾波系數(shù)，取值為10。

測速系統(tǒng)每周期將分別計算2 個速傳在當周期的沖擊率，計算方法如下：

式中：n是測速系統(tǒng)運行的周期數(shù)；T是測速系統(tǒng)運行的周期長度，單位s；Vn是速傳每周期輸出的速度值，單位m/s；An是根據(jù)速傳速度計算出的加速度，單位m/s2；Jn是根據(jù)速傳速度計算出的沖擊率，單位m/s3。

當速傳的瞬時沖擊率的絕對值大于等于空滑判斷門限時，則系統(tǒng)判定該速傳發(fā)生空滑；當速傳的瞬時沖擊率的絕對值小于空滑判斷門限時，則系統(tǒng)判定該速傳退出空滑。當兩路速傳都檢測出現(xiàn)空轉或滑行現(xiàn)象且加速度計狀態(tài)正常時，應使用加速度計測量數(shù)據(jù)積分獲得列車實時運行速度。

3 試驗驗證

3.1 試驗概況

在國內(nèi)某地鐵線進行了列車空滑測試試驗，試驗內(nèi)容如表2所示。

表2 地鐵列車空滑測試試驗項說明Tab.2 Explanation of test items for skip test of metro train

其中：“P”表示“列車牽引力”；“B”表示“列車電制動力”；百分比表示牽引力/電制動力的大小；“快速制動”表示“列車最大常用制動”；“EB”表示“列車緊急制動”；“惰性”表示“列車不牽引不制動”；“-＞”表示列車工況轉換。

試驗過程中，試驗人員在試驗軌道上提前灑好肥皂水，為列車車輪空滑制造條件。

3.2 試驗數(shù)據(jù)及分析

列車空滑試驗項一（0 km/h-＞100%P-＞60 km/h-＞快速制動），速度傳感器在空滑試驗時輸出的速度值曲線如圖5所示。

圖5 速度傳感器在空滑試驗時輸出的速度值曲線Fig.5 Output velocity curve of speed sensor during air sliding test

圖5 中，橫軸表示測速系統(tǒng)的周期（單位：0.2 s），縱軸表示速度 （單位：cm/s），sdu_out_spd表示測速系統(tǒng)輸出的有效速度，ODO1_SPD和ODO2_SPD表示列車車頭的2 個速傳輸出的速度，ODO3_SPD和ODO4_SPD表示列車車尾的2 個速傳輸出的速度。當司機在車頭駕駛室控車時，測速系統(tǒng)取用的速傳速度為ODO1_SPD和ODO2_SPD；當司機在車尾駕駛室控車時，測速系統(tǒng)取用的速傳速度為ODO3_SPD和ODO4_SPD。

由圖5 可看出，4 個速傳在本次空滑實驗中均出現(xiàn)了不同程度的打滑。根據(jù)速傳速度計算出的沖擊率值曲線如圖6所示。

圖6 根據(jù)速傳速度計算出的沖擊率值曲線Fig.6 Impact rate curve calculated according to the speed of transmission

圖6 中，橫軸表示測速系統(tǒng)的周期（單位：0.2 s），縱軸表示沖擊率（單位：m/s3），ODO1_imp，ODO2_imp，ODO3_imp，ODO4_imp分別表示的是4 個速傳的沖擊率。

分析本次試驗數(shù)據(jù)可知，在使用該試驗線路和試驗車輛的背景下，選取沖擊率的空滑判斷門限為5 m/s3時，本測速算法判斷速傳空滑的準確性可達到100%。

列車空滑試驗項二（100%P-＞45 km/h-＞90%B），如圖7～圖9所示。

圖7 列車空滑時的速傳速度和利用加速度計補充的積分速度曲線Fig.7 Velocity-transmitting speed and integral velocity curve supplemented by accelerometer during skipping

圖8 列車空滑時的速傳速度和利用加速度計補充的積分速度曲線Fig.8 Velocity-transmitting speed and integral velocity curve supplemented by accelerometer during skipping

圖9 使用加速度計來累積距離所產(chǎn)生的測距誤差Fig.9 Ranging error caused by accumulating distances with an accelerometer

分析測速系統(tǒng)的測距誤差可知，從速傳1 發(fā)生滑行時開始對加速度計的加速度進行積分來算速度，6 s 后的加速度計累計測距與速傳累計測距誤差范圍為［0.5414%，4.45%］；10 s 加速度計累計測距與速傳累計測距誤差范圍為［0.9816%，5.96%］；15 s加速度計累計測距與速傳累計測距誤差范圍為［1.6379%，9.0352%］。

綜上，雙速傳均發(fā)生故障時，選擇合適的加速度計使用時間便可將測速系統(tǒng)所輸出的測速測距誤差控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

4 結語

本文提出一種基于速傳和加速度計融合的列車運行速度測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過選擇合適的速傳沖擊率判斷門限，可準確檢測出列車的車輪發(fā)生的空滑情況。系統(tǒng)再結合經(jīng)過坡度補償后的加速度計輸出的加速度值，可準確計算出列車的真實速度。系統(tǒng)采用了兩速傳和三加速度計的硬件架構，使得整個系統(tǒng)的可用性和安全性得到提升，有利于推廣應用到所有使用速傳測速的城市軌道交通列控系統(tǒng)中。