姿态检测系统、方法、计算机设备及存储介质

技术领域

本发明属于中低速磁浮列车技术领域，尤其涉及一种磁浮列车悬浮电磁铁姿态检测系统、方法、计算机设备及存储介质。

背景技术

磁浮列车采用电磁力实现支撑与导向，并配置直线电机实现驱动，车辆与轨道间无机械接触，因此具有运行速度高、噪声小、振动低、起动及制动速度快、转弯半径小、爬坡能力强、安全舒适及维护少等显著优点，是未来高速、绿色交通的发展方向之一。

为了简化系统结构，降低整车成本，现有中低速磁浮列车的悬浮系统只在垂直方向施加悬浮间隙的主动闭环控制，横向位移是利用悬浮电磁铁的横向分力实现被动控制，因此现有的悬浮传感器也只需获取悬浮电磁铁的垂向位移和垂向加速度信息。

然而为了深入分析中低速磁浮列车悬浮系统的特性，对车轨关系进行全方位的系统分析和评估，进一步完善中低速磁浮列车技术平台，在设计初期进行车辆动力学分析时，除现有的垂向位移和垂向加速度信息外，还需获取悬浮电磁铁的横向位移、横向加速度、沿线路运动速度以及沿线路实时位置等综合姿态信息。

传统的方法是：(1)通过CAN网获取垂向位移和垂向加速度信息；(2)在中低速磁浮列车悬浮架的适当位置加装传感器，获取横向位移和横向加速度信息；(3)从列车测速定位系统获取列车速度和位置信息；(4)将所有数据汇总合并处理，获取综合姿态信息。

传统方法的不足之处在于：(1)由于车载CAN网连接设备较多，数据量大，采样频率较低(目前仅为10Hz)，不能满足分析需求；(2)受结构限制，横向位移检测和垂向位移检测不在同一位置，综合分析时，还需要将数据近似折算到悬浮电磁铁上的同一位置，因此误差较大；(3)由于各数据获得渠道不同，不在同一时间轴，综合分析时各数据相位存在较大误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁浮列车悬浮电磁铁姿态检测系统、方法、计算机设备及存储介质，可在同一时间轴、同一位置、同时测量悬浮电磁铁垂向位移、垂向加速度、横向位移和横向加速度，并计算沿线路运动速度和及沿线路实时位置，降低因数据近似折算产生的误差，并降低各数据相位误差，提高设计初期车辆动力学分析的准确度，且具有采样频率高、精度高等优点。

本发明独立权利要求的技术方案解决了上述发明目的中的一个或多个。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种磁浮列车悬浮电磁铁姿态检测系统，包括信号采集组件、信号调理与传输模块以及上位机；所述信号采集组件设于待检悬浮电磁铁端部，信号采集组件包括壳体，以及设于所述壳体内的第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第一加速度传感器、第二加速度传感器和信号处理模块；所述第一位移传感器、第二位移传感器分别设于所述壳体上表面的不同纵向位置，且第一位移传感器和第二位移传感器的检测方向均设置在垂向；所述第三位移传感器设于所述壳体的横向侧面，且第三位移传感器的检测方向设置在横向；所述第一加速度传感器的检测方向设置在垂向；所述第二加速度传感器的检测方向设置在横向；以列车运行方向为纵向，以垂直于地面的方向为垂向，以平行于地面且垂直于运行方向的方向为横向；

所述第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第一加速度传感器以及第二加速度传感器分别与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块分别与悬浮控制器、信号调理与传输模块连接，所述信号调理与传输模块与所述上位机连接。

本发明中，所述第一位移传感器、第二位移传感器均用于检测悬浮电磁铁的垂向位移；所述第三位移传感器用于检测悬浮电磁铁的横向位移；所述第一加速度传感器用于检测悬浮电磁铁的垂向加速度；所述第二加速度传感器用于检测悬浮电磁铁的横向加速度；所述信号处理模块用于取第一位移传感器和第二位移传感器检测数据中的最小值作为信号采集组件垂向位移输出，以及用于对各传感器的检测数据进行调理和滤波后输出；所述信号调理与传输模块用于对各传感器的检测数据进行调理并传输给上位机；所述上位机用于对横向位移进行修正，根据第一位移传感器与第二位移传感器的纵向间距、通过轨道接缝时的时间计算沿线路运动速度，根据通过轨道接缝时的速度和时间、以及轨道接缝到线路始端的距离计算沿线路实时位置，以及用于存储线路所有轨道接缝编号以及每个轨道接缝到线路始端的距离。

本发明的悬浮电磁铁姿态检测系统，由于各传感器均集成在一个壳体内，因此垂向位移、垂向加速度、横向位移、横向加速度、沿线路运动速度以及沿线路实时位置均从壳体的安装位置处获取，使各检测数据来源于同一位置，无需将不同位置的检测数据近似折算到同一位置，避免了近似折算产生的误差；信号采集组件中各部件同时启动，且通过同一通道进行传输，保证了所有检测数据均在同一时间轴，避免了采用不同渠道获取数据，因时间轴不统一而导致动力学分析时出现较大相位误差的问题，提高了动力学分析时的准确性，且采用信号调理与传输模块进行数据传输，而不采用车载CAN网络传输，提高了采样频率和采样精度。该姿态检测系统通过不同纵向位置的第一位移传感器和第二位移传感器来检测悬浮电磁铁的垂向位移，克服了第一位移传感器或第二位移传感器通过轨道接缝时输出特性发生的变化，消除了轨道接缝对垂向位移的影响，提高了垂向位移的检测精度。

进一步地，所述第一位移传感器、第二位移传感器以及第三位移传感器均选用电涡流位移传感器，电涡流位移传感器利用电涡流效应，能够准确测量垂向位移和横向位移，具有长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响，更进一步地提高了检测的精度。

进一步地，所述第三位移传感器有两个，两个所述第三位移传感器分别设于所述壳体的横向两侧。考虑冗余设计，设置两个第三位移传感器，通过取两个横向位移的平均值作为信号采集组件横向位移的输出，提高了检测精度。

进一步地，所述上位机包括信息存储模块、横向位移误差修正模块、沿线路运动速度计算模块以及沿线路实时位置计算模块；

所述信息存储模块，用于存储线路所有轨道接缝的编号、每个轨道接缝到线路始端的距离、以及修正后的横向位移、垂向位移、横向加速度、垂向加速度、沿线路运动速度和沿线路实时位置；

所述横向位移误差修正模块，用于对实时检测的横向位移进行修正，修正后的横向位移的计算表达式为S

所述沿线路运动速度计算模块，用于根据第一位移传感器与第二位移传感器之间的纵向间距、通过轨道接缝时的时间计算沿线路运动速度，沿线路运动速度的计算表达式为

所述沿线路实时位置计算模块，用于根据通过轨道接缝时的速度和时间、以及轨道接缝到线路始端的距离计算沿线路实时位置，沿线路实时位置的计算表达式为

由于第一位移传感器、第二位移传感器处于不同纵向位置，沿列车的运行方向，第一位移传感器和第二位移传感器将先后通过轨道接缝，通过轨道接缝时位移传感器会出现垂向位移增大的“正弦状”波形，第一位移传感器和第二位移传感器在纵向上的间距只要不使两者同时出现“正弦状”波形，再对两者进行取最小值，即可消除轨道接缝对垂向位移的影响，获得平滑的准确的垂向位移；通过对横向位移修正避免了垂向位移变化对横向位移造成的影响，提高了横向位移的检测精度。

本发明还提供一种磁浮列车悬浮电磁铁姿态检测方法，利用如上所述的磁浮列车悬浮电磁铁姿态检测系统，包括：

获取悬浮电磁铁的第一垂向位移、第二垂向位移、横向位移、垂向加速度以及横向加速度；

取第一垂向位移和第二垂向位移中的最小值作为信号采集组件输出的垂向位移；

根据所述垂向位移对所述横向位移进行修正，得到修正后的横向位移；

根据第一位移传感器与第二位移传感器之间的纵向间距、通过轨道接缝时的时间计算沿线路运动速度；

根据通过轨道接缝时的速度和时间、以及轨道接缝到线路始端的距离计算沿线路实时位置；

将所述垂向位移、修正后的横向位移、垂向加速度、横向加速度、沿线路运动速度以及沿线路实时位置与轨道接缝对应，并保存。

本发明所述检测方法，通过取第一垂向位移和第二垂向位移中的最小值来消除因通过轨道接缝时垂向位移增大的“正弦状”波形对垂向位移检测的影响，提高了垂向位移实时检测的准确性，通过对横向位移修正避免了垂向位移变化对横向位移造成的影响，提高了横向位移的检测精度；垂向位移、垂向加速度、横向位移、横向加速度、沿线路运动速度以及沿线路实时位置均从壳体的安装位置处获取，使各检测数据在同一位置处采集(即数据来源于同一位置)，无需将不同位置的检测数据近似折算到同一位置，避免了近似折算产生的误差；各传感器采用同一电源供电，且同时启动，再通过同一通道传输给上位机，保证了所有检测数据均在同一时间轴，避免了采用不同渠道获取数据，因时间轴不统一而导致动力学分析时出现较大相位误差的问题，提高了动力学分析时的准确性。

进一步地，所述修正后的横向位移的计算表达式为：

S

其中，S

进一步地，所述沿线路运动速度的计算表达式为：

其中，D

进一步地，所述沿线路实时位置的计算表达式为：

其中，L

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述磁浮列车悬浮电磁铁姿态检测方法。

本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述磁浮列车悬浮电磁铁姿态检测方法。

有益效果

与现有技术相比，本发明所提供的一种姿态检测系统、方法、计算机设备及存储介质，垂向位移、垂向加速度、横向位移、横向加速度、沿线路运动速度以及沿线路实时位置均从壳体的安装位置处获取，使各检测数据来源于同一位置，无需将不同位置的检测数据近似折算到同一位置，避免了近似折算产生的误差；信号采集组件中各部件同时启动，且通过同一通道进行传输，保证了所有检测数据均在同一时间轴，避免了采用不同渠道获取数据，因时间轴不统一而导致动力学分析时出现较大相位误差的问题，提高了动力学分析时的准确性；且采用信号调理与传输模块进行数据传输，而不采用车载CAN网络，提高了采样频率和采样精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中一种磁浮列车悬浮电磁铁姿态检测系统的结构框图；

图2是本发明实施例中信号采集组件的结构示意图；

图3是本发明实施例中信号采集组件在悬浮电磁铁上的安装示意图；

图4是本发明实施例中第一位移传感器或第二位移传感器通过轨道接缝时的输出特性曲线；

图5是本发明实施例中信号采集组件位于F型导轨处的示意图；

其中，1-信号采集组件，101-壳体，102-第一位移传感器，103-第二位移传感器，104-第一加速度传感器，105-第三位移传感器，106-第二加速度传感器，107-信号处理模块，1071-垂向位移逻辑单元，2-信号调理与传输模块，3-上位机，301-信息存储模块，302-横向位移误差修正模块，303-沿线路运动速度计算模块，304-沿线路实时位置计算模块，4-F型导轨，5-悬浮电磁铁。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～3所示，本实施例所提供的一种磁浮列车悬浮电磁铁姿态检测系统，包括信号采集组件1、信号调理与传输模块2以及上位机3；信号采集组件1设于待检悬浮电磁铁5端部，信号采集组件1包括壳体101，以及设于壳体101内的第一位移传感器102、第二位移传感器103、第三位移传感器105、第一加速度传感器104、第二加速度传感器106和信号处理模块107；第一位移传感器102、第二位移传感器103分别设于壳体101上表面的不同纵向位置，且第一位移传感器102和第二位移传感器103的检测方向均设置在垂向；第三位移传感器105设于所述壳体101的横向侧面，且第三位移传感器105的检测方向设置在横向；第一加速度传感器104的检测方向设置在垂向；第二加速度传感器106的检测方向设置在横向；以列车运行方向为纵向，以垂直于地面的方向为垂向，以平行于地面且垂直于运行方向的方向为横向。

如图1所示，第一位移传感器102、第二位移传感器103、第三位移传感器105、第一加速度传感器104以及第二加速度传感器106分别与信号处理模块107连接，信号处理模块107分别与悬浮控制器、信号调理与传输模块2连接，信号调理与传输模块2与所述上位机3连接。各传感器的检测数据(即第一位移传感器102、第二位移传感器103、第三位移传感器105、第一加速度传感器104以及第二加速度传感器106的检测数据)经信号处理模块107进行信号处理后，其中一通道将正常悬浮所需的垂向位移和垂向加速度传输给悬浮控制器，另一通道与信号调理与传输模块2相连，信号调理与传输模块2再与上位机3相连，传输实时采集的垂向位移、垂向加速度、横向位移、横向加速度，并在上位机3软件中通过修正和计算同步获取修正后的横向位移、沿线路运动速度以及沿线路实时位置，从而同步获取车辆动力学分析所需的垂向位移、垂向加速度、横向位移、横向加速度、沿线路运动速度以及沿线路实时位置等综合姿态信息。

如图2所示，第一位移传感器102、第二位移传感器103分别设于壳体101上表面的不同纵向位置，通过不同纵向位置的第一位移传感器102和第二位移传感器103来检测悬浮电磁铁的垂向位移。由于位移传感器在通过轨道接缝时，其输出特性会发生变化，如图4所示，会出现垂向位移增大的“正弦状”波形，如果仅采用一个位移传感器来检测垂向位移，将导致轨道接缝处垂向位移存在误差，因此本实施例中采用第一位移传感器102和第二位移传感器103来检测垂向位移，取第一位移传感器102和第二位移传感器103检测数据中的最小值作为实时垂向位移，保证了得到的实时垂向位移不受轨道接缝“正弦状”波形的影响，获得了平滑的准确的垂向位移。第一位移传感器102和第二位移传感器103之间的纵向间距根据轨道接缝来设置，轨道接缝越大，两者之间的纵向间距越大，例如轨道接缝最大值为40mm时，两者之间的纵向间距要求不小于90mm，轨道接缝最大值为60mm时，两者之间的纵向间距要求不小于110mm，该纵向间距只要保证第一位移传感器102和第二位移传感器103不同时出现“正弦状”波形，即可消除轨道接缝对垂向位移的影响。

第三位移传感器105设于壳体101的横向侧面，用于检测悬浮电磁铁的横向位移。考虑冗余设计，在壳体101的横向两侧分别设置一个第三位移传感器105，即两个第三位移传感器105(如图2和5所示，有两个105)，通过取两个横向位移的平均值作为信号采集组件1横向位移的输出，提高了检测精度。

信号处理模块107用于取第一位移传感器102和第二位移传感器103检测数据中的最小值作为信号采集组件1垂向位移输出，以及用于对各传感器的检测数据进行调理和滤波后输出。信号处理模块107包括垂向位移逻辑单元1071，通过垂向位移逻辑单元1071来实现取第一位移传感器102和第二位移传感器103检测数据中的最小值的逻辑。

信号调理与传输模块2用于对各传感器的检测数据进行调理并传输给上位机3，采用专用的同一通道进行数据传输，而不采用车载CAN网络，提高了采样频率和采样精度，采样频率高达≥1000Hz。

上位机3用于对横向位移进行修正，根据第一位移传感器102与第二位移传感器103的纵向间距、通过轨道接缝时的时间计算沿线路运动速度，根据通过轨道接缝时的速度和时间、以及轨道接缝到线路始端的距离计算沿线路实时位置，以及用于存储线路所有轨道接缝编号以及每个轨道接缝到线路始端的距离。具体的，上位机3包括信息存储模块301、横向位移误差修正模块302、沿线路运动速度计算模块303以及沿线路实时位置计算模块304。

信息存储模块301，用于存储线路所有轨道接缝的编号、每个轨道接缝到线路始端的距离、以及修正后的横向位移、垂向位移、横向加速度、垂向加速度、沿线路运动速度和沿线路实时位置。磁浮线路建设完成后，所有轨道接缝到线路始端的距离已确定，并对所有接缝从线路始端进行逐个编号，将轨道接缝编号和每个轨道接缝到线路始端的距离信息预存在信息存储模块301中。当通过横向位移误差修正模块302得到修正后的横向位移、通过沿线路运动速度计算模块303得到沿线路运动速度、通过沿线路实时位置计算模块304得到沿线路实时位置后，将时间t、垂向位移S

横向位移误差修正模块302，用于对实时检测的横向位移进行修正，修正后的横向位移的计算表达式为：

S

其中，S

如图5所示，F型导轨4内侧侧面与垂向的夹角为α，由几何关系知，当垂向位移变化ΔS

沿线路运动速度计算模块303，用于根据第一位移传感器102与第二位移传感器103之间的纵向间距、通过轨道接缝时的时间计算沿线路运动速度，沿线路运动速度的计算表达式为：

其中，D

沿线路实时位置计算模块304，用于根据通过轨道接缝时的速度和时间、以及轨道接缝到线路始端的距离计算沿线路实时位置，沿线路实时位置的计算表达式为：

其中，L

横向位移误差修正模块302、沿线路运动速度计算模块303以及沿线路实时位置计算模块304进行处理的数据均来源于信号采集组件1(同一位置)，且同一时间采集，经专用通道(即信号调理与传输模块2)传输至上位机3，因此，最后获得的综合姿态(即修正后的横向位移、垂向位移、横向加速度、垂向加速度、沿线路运动速度和沿线路实时位置)来源于同一位置，同一时间轴，无需因位置不同进行近似折算，避免了近似折算产生的误差，消除了综合分析时各数据相位存在的误差，大大提高了设计初期车辆动力学分析的准确度。

本实施例中，第一位移传感器102、第二位移传感器103以及第三位移传感器105均选用电涡流位移传感器，电涡流位移传感器利用电涡流效应，能够准确测量垂向位移和横向位移，具有长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响，更进一步地提高了检测的精度。

本实施例还提供一种磁浮列车悬浮电磁铁姿态检测方法，利用如上所述的磁浮列车悬浮电磁铁姿态检测系统，包括以下步骤：

1、通过第一位移传感器102获取悬浮电磁铁的第一垂向位移，通过第二位移传感器103获取悬浮电磁铁的第二垂向位移，通过第三位移传感器105获取悬浮电磁铁的横向位移，通过第一加速度传感器104获取悬浮电磁铁的垂向加速度以及通过第二加速度传感器106获取悬浮电磁铁的横向加速度。垂向位移、横向位移、垂向加速度和横向加速度均来自于信号采集组件1，信号采集组件1采用同一电源供电，同时启动，且通过同一通道传输，因此可保证所有数据均在同一时间轴，避免了传统方法采用不同渠道获取数据，时间轴不统一，导致综合分析时会出现较大相位误差的问题；也保证了所有数据来源于同一位置，避免了近似折算产生的误差。

2、采用信号处理模块107中的垂向位移逻辑单元1071提取第一垂向位移和第二垂向位移中的最小值作为信号采集组件1输出的垂向位移，消除了通过轨道接缝时第一位移传感器102和第二位移传感器103“正弦状”波形对垂向位移检测的影响，提高了垂向位移的检测精度；信号处理模块107还对各传感器的检测数据进行调理和滤波处理，再通过专用传输通道-信号调理与传输模块2传输给上位机3。

3、在上位机3中，根据垂向位移对横向位移进行修正，得到修正后的横向位移，修正后的横向位移的计算表达式如式(1)所示。

根据第一位移传感器102与第二位移传感器103之间的纵向间距、通过轨道接缝时的时间计算沿线路运动速度，沿线路运动速度的计算表达式如式(2)所示。

根据通过轨道接缝时的速度和时间、以及轨道接缝到线路始端的距离计算沿线路实时位置，沿线路实时位置的计算表达式如式(3)所示。

4、将垂向位移、修正后的横向位移、垂向加速度、横向加速度、沿线路运动速度以及沿线路实时位置与轨道接缝对应，并保存。

当通过横向位移误差修正模块302得到修正后的横向位移、通过沿线路运动速度计算模块303得到沿线路运动速度、通过沿线路实时位置计算模块304得到沿线路实时位置后，将时间t、垂向位移S

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。