杭 超, 李 剛,2,3

1.蘭州交通大學 機電技術研究所 蘭州 730070 2.甘肅省物流及運輸裝備信息化工程技術研究中心 蘭州 730070 3.甘肅省物流與運輸裝備行業(yè)技術中心 蘭州 730070

1 設計背景

隨著運行速度不斷提升,車體實現(xiàn)輕量化,在大風環(huán)境下,列車的氣動特性會發(fā)生顯著變化,可能產(chǎn)生橫風效應[1]。在大風載荷下,高速列車的運行姿態(tài)會發(fā)生劇烈變化,對于途經(jīng)大風區(qū)域的高速列車,運行安全有更高的要求。檢測列車運行姿態(tài),能夠為高速列車在大風環(huán)境中實現(xiàn)安全運行提供數(shù)據(jù)支持[2]。技術人員對列車姿態(tài)的檢測方法進行了研究。文獻[3]運用微慣性傳感器進行測量,通過信號處理與軟件解算來獲取列車姿態(tài)。文獻[4]利用北斗姿態(tài)測量技術,對動車組車體進行姿態(tài)測量試驗。文獻[5]提出一種基于線陣電荷耦合器件的姿態(tài)測量技術,對高速列車運行姿態(tài)進行測量。文獻[6]采用數(shù)值模擬的方法,通過軟件分析得到不同因素對列車氣動載荷的影響。筆者設計了一種高速列車運行姿態(tài)測量系統(tǒng),基于蜂舞協(xié)議,以微機電系統(tǒng)慣性傳感器為測量元件,對高速列車運行姿態(tài)實現(xiàn)全面實時監(jiān)測,為后期制定高速列車在大風環(huán)境中的安全運行標準提供數(shù)據(jù)支持。

2 總體設計

將國內(nèi)某CRH型八編組高速列車作為研究對象,采用蜂舞協(xié)議和通用分組無線業(yè)務網(wǎng)絡相結合的數(shù)據(jù)傳輸方式[7-9],將多個微機電系統(tǒng)慣性傳感器作為測量元件,分別安裝在每節(jié)車的車體上。蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡負責每節(jié)車車體運行姿態(tài)的采集和傳輸,基于網(wǎng)關單元將所采集的數(shù)據(jù)通過通用分組無線業(yè)務網(wǎng)絡發(fā)送至上位機。這一系統(tǒng)采用分層網(wǎng)絡拓撲結構,能夠分別獲取每節(jié)車車體的運行姿態(tài)數(shù)據(jù)。高速列車運行姿態(tài)測量的整體框圖如圖1所示,這一系統(tǒng)可以實現(xiàn)高速列車運行姿態(tài)的無線監(jiān)測。

圖1 高速列車運行姿態(tài)測量系統(tǒng)整體框圖

3 車體運行姿態(tài)定義

在大風環(huán)境中,列車運行時會受到振動、輪軌間作用力和大風的作用力,車體會產(chǎn)生不同的姿態(tài)。由于鐵道車輛的特殊性,其運行姿態(tài)也有特殊的定義,X軸正方向指向列車前進的方向,Y軸正方向垂直于軌道中心線指向鋼軌一側,Z軸垂直于軌道平面;車體繞X軸轉動稱為側滾,縱向運動稱為伸縮;車體繞Y軸轉動稱為點頭,橫向運動稱為橫擺;車體繞Z軸轉動稱為搖頭,垂向運動稱為浮沉。車體運行姿態(tài)如圖2所示。

圖2 車體運行姿態(tài)

4 硬件設計

4.1 蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡

蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡負責采集每節(jié)車廂運行姿態(tài)的數(shù)據(jù),由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和電源模塊組成,如圖3所示。

圖3 蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡結構

數(shù)據(jù)采集模塊中,MPU6050微機電系統(tǒng)慣性傳感器體積小,功耗低,性價比高,在低成本測量系統(tǒng)中廣泛應用[10]。MPU6050接線如圖4所示。

圖4 MPU6050接線

MPU6050內(nèi)部整合集成三軸加速度計和三軸陀螺儀,與多組件方案相比,免除了組合陀螺儀和加速度器時間軸的安裝誤差,并且體積小,大幅提高了測量精度[11]。MPU6050內(nèi)部自帶的數(shù)字運動處理功能能將加速度的分量和陀螺儀的分量融合,直接轉換為四元數(shù)輸出,并直接進行三角運算,將四元數(shù)解算為歐拉角,最終得到被測物體的姿態(tài)結果。數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)處理模塊通過集成電路總線連接,如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)處理模塊接線

無線通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的主控芯片選用CC2530F256,該芯片具有極強的抗干擾性和接收靈敏性,只需極少的外接元件,就能夠形成一個蜂舞協(xié)議節(jié)點,成本低廉。CC2530F256芯片結合領先的射頻收發(fā)器,內(nèi)部集成增強型8051微處理器,具備256 kByte閃存空間和8 kByte隨機存儲器[12]。

MPU6050分布廣泛,一般采用電池供電。為了減小節(jié)點的體積,選用紐扣電池。紐扣電池電壓為3 V,而數(shù)據(jù)處理模塊的工作電壓為2.7～3.3 V,數(shù)據(jù)采集模塊的工作電壓為3～5 V,為此設計了一個電源供電電路,用于保證數(shù)據(jù)處理模塊與數(shù)據(jù)采集模塊的正常工作,如圖6所示。

圖6 電源供電電路

4.2 網(wǎng)關單元

網(wǎng)關單元負責整個蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡與通用分組無線業(yè)務網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)傳輸,連接如圖7所示。MPU6050采集的數(shù)據(jù)通過蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡上傳至網(wǎng)關單元,經(jīng)過處理后再發(fā)送至通用分組無線業(yè)務網(wǎng)絡,最終發(fā)送至遠程上位機。

圖7 網(wǎng)關單元連接

網(wǎng)關單元由無線通信模塊和數(shù)據(jù)處理控制模塊組成。無線通信模塊仍然采用CC2530F256芯片。處理器是數(shù)據(jù)處理控制模塊的核心,由于要處理整個蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡上傳的數(shù)據(jù),因此要求微處理器具有較大的儲存空間和強大的數(shù)據(jù)處理能力。選用STM32F103RBT6處理器,具有專為高性能要求、低成本、低功耗嵌入式應用設計的ARM Cortex-M3內(nèi)核[13]。

4.3 通用分組無線業(yè)務網(wǎng)絡

通用分組無線業(yè)務網(wǎng)絡采用SIM900A芯片,可以實現(xiàn)低功耗語音、短信和數(shù)據(jù)等信息的傳輸,工作頻率為850 MHz、900 MHz、1 800 MHz、1 900 MHz,支持1.8 V和3.0 V兩種用戶識別模塊卡,支持傳輸控制協(xié)議、網(wǎng)際協(xié)議、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議、文件傳送協(xié)議、超文本傳送協(xié)議,工作電壓在3.2～4.8 V之間。通用分組無線業(yè)務網(wǎng)絡支持AT指令集,只需要十幾條AT指令即可完成對SIM900A芯片的控制和數(shù)據(jù)遠程傳輸,尺寸結構緊湊，可靠性穩(wěn)定，性價比高。

5 軟件設計

軟件設計主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的采集、無線傳輸和儲存,最終將數(shù)據(jù)上傳至上位機。

5.1 慣性傳感器

MPU6050微機電系統(tǒng)慣性傳感器在工作前都要進行系統(tǒng)初始化,接收到網(wǎng)關單元發(fā)出的命令,并反饋至網(wǎng)關單元,加入網(wǎng)絡。MPU6050程序設計流程如圖8所示。

圖8 MPU6050程序設計流程

5.2 網(wǎng)關單元

在接收整個蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡數(shù)據(jù)后,網(wǎng)關單元數(shù)據(jù)處理控制模塊中的STM32F103RBT6處理器對數(shù)據(jù)進行處理,然后通過通用分組無線業(yè)務網(wǎng)絡發(fā)送至上位機。網(wǎng)關單元程序設計流程如圖9所示。

6 功能測試

在完成高速列車運行姿態(tài)測量系統(tǒng)硬件搭建和軟件程序設計后,對系統(tǒng)進行功能測試?；趯嶒炇椰F(xiàn)有條件,進行簡單模擬測試。測試結果如圖10所示,可見這一系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性。

圖9 網(wǎng)關單元程序設計流程

圖10 性能測試結果

7 結束語

筆者基于蜂舞協(xié)議網(wǎng)絡設計了高速列車運行姿態(tài)測量系統(tǒng)。這一系統(tǒng)具有抗干擾性強、功耗低、結構緊湊、成本低等特點,能夠準確、及時測量出列車姿態(tài)的變化,為列車的安全運行提供數(shù)據(jù)支持。