葛鎖良, 汪 晗

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

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基于雷達(dá)和加速度傳感器的動車測速系統(tǒng)

葛鎖良, 汪 晗

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

在動車運行過程中,速度和位置是保障其安全的重要數(shù)據(jù)。文章根據(jù)動車測速的要求,設(shè)計了一種雷達(dá)測速和加速度傳感器測速協(xié)同工作的系統(tǒng),雷達(dá)測速依據(jù)多普勒原理直接計算得到動車相對于地面的速度,加速度傳感器可以監(jiān)測雷達(dá)是否正常,在雷達(dá)測速的盲區(qū),利用加速度傳感器測得動車的加速度數(shù)據(jù),通過加速度的積分得到速度值,雷達(dá)測速和加速度傳感器測速相互補充。利用數(shù)字信號處理(digital signal processing,DSP)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,通過通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous reciver/transmitter,UART)將更可靠的速度值發(fā)往上位機。實驗證明,該測速方式在復(fù)雜的鐵路環(huán)境中能長期穩(wěn)定地運行,滿足全天候、實時性要求,在保障動車安全運行方面發(fā)揮重要作用。

多普勒雷達(dá);加速度傳感器;動車測速;數(shù)字信號處理

隨著動車速度的不斷提高,對動車安全運行的要求越來越高。在動車運行過程中,必須實時掌握動車車速和位置,才能正確控制動車的啟動、加速、減速和停止,做出及時有效的決策,盡量避免可能發(fā)生的事故,以保障動車安全運行。

按照動車測速的原理,動車測速裝置可分為轉(zhuǎn)動測速裝置、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)定位測速裝置和雷達(dá)測速裝置。轉(zhuǎn)動測速是測量車輪的轉(zhuǎn)速,間接得到動車的運行速度,測量方式簡單易行,但是精度不高,而且在動車不可避免地空轉(zhuǎn)打滑時得不到正確的速度值;衛(wèi)星定位裝置是一種基于GPS的直接測量方式,精度高、實時性好、設(shè)備簡單,不可避免地是在山區(qū)、隧道等區(qū)域無法接收GPS信號而產(chǎn)生信號盲區(qū),而且GPS是間接測速;多普勒雷達(dá)測速是依據(jù)多普勒原理,直接計算動車相對于地面的速度值[1],基本能滿足全天候、實時性要求。但是由于某種原因(如軌道積水、表面覆冰)接收不到回波信號[2],在短時間內(nèi)失去速度值。這時利用加速度傳感器就可以在原來速度測量的基礎(chǔ)上繼續(xù)顯示速度值并保證精度。本文采用多傳感器信息融合技術(shù)[3],使用雷達(dá)測速裝置和加速度傳感器相互補充的方式測量車速,滿足高精度實時采集動車速度信號的要求,保障動車安全運行。

1 測速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在實際的動車測速中,測速系統(tǒng)放置在車底,其工作溫度范圍為-20～+50 ℃,動車加速度絕對值不大于5 m/s2,對測速系統(tǒng)的要求是速度范圍為0～350 km/h,速度值精確到1 km/h,1 s內(nèi)輸出50個速度值。依據(jù)多普勒效應(yīng),電磁波的接收者與電磁波的發(fā)出者之間存在相對運動時,接收到的頻率與原發(fā)射頻率不相等,且頻率差與相對運動的速度保持一定的關(guān)系,計算公式為:

fd=2vf0/c

其中,c為光速,即3×108m/s;v為目標(biāo)運動速度;f0為發(fā)射波頻率;fd為多普勒頻率。上述為多普勒雷達(dá)測速系統(tǒng)的基本原理[4]。

加速傳感器以較高的頻率輸出被測對象的加速度信息,在被測對象的初速度已知的情況下,通過對加速度的積分可得實際速度值,因為這種積分是將離散數(shù)據(jù)連續(xù)化,不可避免地帶來誤差,且誤差隨著積分時間變長而變大,不能長時間單獨使用。所以數(shù)字信號處理(digital signal processing,DSP)對接收的雷達(dá)信號和加速度信號處理后將更加可靠的速度值發(fā)往上位機。

雷達(dá)持續(xù)向地面發(fā)射恒定頻率的電磁波,并接收經(jīng)地面反射后的回波,經(jīng)雷達(dá)計算得到速度值,將速度值以頻率信號輸入DSP的通用輸入/輸出(general purposeinput output,GPIO)。測速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

DSP通過I2C協(xié)議訪問加速度傳感器得到加速度,加速度在時間上的積分即為該時間段內(nèi)的速度差。DSP對得到的多個速度信息經(jīng)過判斷后通過通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)發(fā)送到上位機[5]。

圖1 測速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)選用德國DRS05高精度多普勒雷達(dá)直接測量速度,該雷達(dá)以其測速范圍大，精度、靈敏度和可靠性高的優(yōu)點在測速方面得到廣泛應(yīng)用。DRS05采用雙天線設(shè)計,能有效提高雷達(dá)對信號的采集能力;其使用溫度為-30 ～+70 ℃,滿足動車從南到北的使用;測速最高可達(dá)600 km/h,囊括了動車行駛的全部速度范圍;速度誤差小于0.4 km/h;脈沖輸出更新時間為1 ms。選用ADI公司的ADXL345加速度傳感器采集加速度信號。ADXL345是一款高精度、超低功耗的數(shù)字加速度計,可選的測量范圍為±2g、±4g、±8g、±16g,在3軸上分辨率都高達(dá)3.9 mg/LSB,最大輸出速率3 200 b/s,可以通過串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)或I2C訪問;工作溫度范圍為-40～+85 ℃,抗沖擊能力達(dá)到10 000g[6]。

ADXL345測量范圍大,精度高,工作溫區(qū)廣,能夠滿足系統(tǒng)測量加速度的要求。加速度傳感器的接線如圖2所示,加速度使傳感器內(nèi)部慣性質(zhì)量偏轉(zhuǎn)、差分電容失衡而輸出與加速度成正比的幅度。DSP通過Pin13、Pin14以I2C協(xié)議訪問加速度傳感器,獲取加速度值。

圖2 加速度傳感器原理

DSP作為整個測速系統(tǒng)的核心,需要對雷達(dá)和加速度傳感器的數(shù)據(jù)采集以及將最后的結(jié)果發(fā)往上位機。選用Analog Device公司的Blackfin(BF)系列的ADSP-BF506F DSP,采用了新結(jié)構(gòu)的MSA,允許同時進(jìn)行算法處理和實施復(fù)雜的控制方案;采用類精簡指令集的寄存器和指令模式,且具有豐富的外設(shè)資源。BF506F高達(dá)400 MHz內(nèi)核頻率和最高100 MHz的系統(tǒng)頻率使其在程序運行方面表現(xiàn)優(yōu)異;包含2個高達(dá)2 MSPS 的12位ADC,每個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital,ADC)有6個通道,并加入一種新的外設(shè)ADC控制模塊(ACM),使ADC采樣在低開銷的同時精確度與外部事件同步;8個32位計時器,計時精度為10 ns時,單次最長計時時間超過40 s;也包含2個UART,1個I2C控制,35個可復(fù)用GPIO端口[7]。

3 軟件設(shè)計

Visual DSP++5.0 是ADI針對ADSP處理器的開發(fā)提供的軟件工具,根據(jù)其DSP特點,可以選擇對生成的匯編代碼進(jìn)行優(yōu)化,調(diào)整后的指令集適于高密度編碼,占用存儲空間小[8]。VDK(visual DSP kernel)是ADI公司為更合理使用其DSP硬件而開發(fā)的實時操作系統(tǒng)(real time operating system,RTOS)內(nèi)核。開發(fā)人員使用VDK的系統(tǒng)服務(wù)可以簡單地與內(nèi)核進(jìn)行多種方式的交互[9]。在Visual DSP++5.0的集成開發(fā)環(huán)境中可以同時查看編輯窗口、輸出窗口、反匯編窗口、跟蹤變量、堆棧等,還提供了高級的圖畫功能,可實現(xiàn)觀察數(shù)據(jù)結(jié)果的可視化[10]。DRS05雷達(dá)持續(xù)輸出頻率信號,速度每增加1 km/h，頻率增加69.44 Hz。根據(jù)測速系統(tǒng)要求,DSP需要測量頻率范圍為0.001～25 kHz,只需將雷達(dá)輸出的頻率信號準(zhǔn)確測量,即可算出由雷達(dá)測得的速度值。

DSP每20 ms就要刷新一次頻率值。為保證測量精度,在輸入頻率較低(如100 Hz)時,采用測量每次邊沿跳變的時間間隔為半個周期,在頻率較高(如10 kHz)時,直接檢測20 ms內(nèi)波形的雙邊沿跳變次數(shù)為周期數(shù)的2倍。經(jīng)過實驗證明,這種方式在低頻時誤差為0.5 Hz,高頻時誤差為3 Hz,滿足測速精度要求。

在系統(tǒng)上電初始化完成后,DSP一直接收雷達(dá)的頻率信號和加速度傳感器采集到的信號,定時器每20 ms產(chǎn)生一次中斷。中斷子程序如圖3所示,在中斷中讀取雷達(dá)最新的速度值和加速度傳感器在過去20 ms的所有值,以上一次輸出速度值為初值，通過積分換算為速度值,以加速度傳感器的速度值檢驗雷達(dá)速度值是否可信，2種方式得到的速度之差是否在可接受范圍內(nèi)；若可信,則通過UART輸出雷達(dá)測得的速度值并保存此速度值,供下次計算;若不可信,則輸出通過加速度傳感器得到的速度值,顯示雷達(dá)工作異常,也保存此速度值。

圖3 20 ms中斷流程

4 實驗結(jié)果

雷達(dá)正常工作時輸出的速度值可以認(rèn)為是實際車速。在確保雷達(dá)正常工作時,以雷達(dá)輸出速度為準(zhǔn)確值,檢驗在初速度已知的情況下加速度傳感器輸出的速度值是否能在較長時間內(nèi)保持相對雷達(dá)測速的較好精度。選擇整體路況較好的鄭州至武漢鐵路線,以某和諧號動車組為實驗對象,實驗當(dāng)天天氣晴朗,室外氣溫為10～20 ℃。在實驗中,選擇一段平直無橋路段以保證雷達(dá)一直正常工作,某一時刻給出速度值后,各自獨立工作。車速較低時,各自獨立輸出速度值如圖4所示,車速較高時,各自獨立輸出速度值如圖5所示。加速度傳感器均已知起始時刻速度。

圖4 低速測量

由圖4、圖5可以看出,加速度傳感器測得的速度值與雷達(dá)測得的速度值最大差值不超過0.6 km/h,加速度傳感器可獨立工作超過300 s,滿足雷達(dá)盲區(qū)的時間要求。

圖5 高速測量

5 結(jié) 論

本文提出了的基于雷達(dá)測速和加速度傳感器測速的動車測速系統(tǒng)。實驗證明,該測量裝置性能穩(wěn)定,能適應(yīng)復(fù)雜的路段和天氣,有力地保障動車的安全,必將取得更加廣泛的應(yīng)用。

[1] 楊蓉.多普勒雷達(dá)測速系統(tǒng)設(shè)計及信號處理方法研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2012.

[2] 孫超.脈沖多普勒雷達(dá)測速關(guān)鍵問題研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2014.

[3] 何友,王國宏,彭應(yīng)寧,等.多傳感器信息融合及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010:1-5.

[4] 任慧麟.基于DSP與FPGA的雷達(dá)測速系統(tǒng)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2012.

[5] 陸晶晶,張為公,周耀群.基于GPS和加速度計的車速測量系統(tǒng)的開發(fā)與研制[J].測控技術(shù),2007,26(8):15-16,18.

[6] Analog Devices Inc.3-axis digital accelerometer ADXL345 data sheet[EB/OL].[2015-03-06].http://www.analog.com/en/products/mems/accelerometers/adxl345.html#product-overview.12,2014.

[7] Analog Device Inc.ADSP-BF506F datashee and product info[EB/OL].[2015-03-06].http://www.analog.com/media/ cn/technical-documentation/data-sheets/ADSP_BF504_BF506_BF506F.pdf.3,2015.

[8] Analog Devices Inc.Visual DSP++ 5.0 assembler and preprocessor manual[EB/OL].[2015-03-06].http:// www.analog.com/media/en/dsp-documentation/software-manuals/50_asm_mn_rev_3.4.pdf 5,2010.

[9] Analog Devices Inc.Visual DSP++ 5.0 device drivers and system services manual for Blackfin processors[EB/OL].[2015-03-06].http://www.analog.com/ media/en/dsp-documentation/software-manuals/50_ddss_mn_rev_4.3.pdf.11,2011.

[10] 劉書明,羅軍輝.ADSP SHARC系列DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003:297-299.

(責(zé)任編輯 張 镅)

Velocity measurement system based on radar and acceleration sensor for EMU

GE Suoliang, WANG Han

(School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In Electric Multiple Unit(EMU) running process, velocity and position data are important to ensure its security. According to the requirements for EMU velocity measurement, a kind of velocity measurement system based on Doppler radar and acceleration sensor is developed. The radar can obtain the velocity of EMU relative to ground directly with Doppler principle. The acceleration sensor can monitor the working state of the radar. In radar dead zone, the value of velocity can be obtained by integrating the acceleration values measured by the acceleration sensor. The radar and acceleration sensor can complement each other. The data is processed by the digital signal processing(DSP) and more reliable velocity value is sent to the host computer through the universal asynchronous receiver/transmitter(UART). The experimental results show that this system can run stably for a long time in the complex railway environment, meeting the full-time and real-time requirements. It can play an important role in guaranteeing the EMU security.

Doppler radar; acceleration sensor; Electric Multiple Unit(EMU) velocity measurement; digital signal processing(DSP)

2015-04-25；

2015-06-25

葛鎖良(1964-),男,江蘇丹陽人,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.012

TP212.9

A

1003-5060(2016)11-1498-04