王繼超， 冷育明， 王喜剛

(31696部隊技術室， 遼寧 錦州， 121000)

當前，軍用裝備遠距離輸送主要依靠鐵路平板，由于履帶裝備寬度都超過現有鐵路平板的標準寬度，指揮員在指揮履帶裝備上鐵路平板時，難于判斷準確的寬度，導致定位慢、定位難。白天裝載時定位難、安全風險高，夜間基本無法完成定位和鐵路裝載。這一問題大大制約了部隊戰(zhàn)斗力的生成，嚴重影響了實戰(zhàn)化訓練。

隨著傳感器技術和人工智能的發(fā)展，車輛智能行駛和精確定位成為了重要的研究課題[1]。筆者借鑒智能車按軌跡行駛的控制策略，通過讀取傳感器檢測到的車輛偏差值，顯示在平板電腦上，輔助駕駛員判斷讀取車輛偏差量，從而修正方向。

1 系統(tǒng)原理與結構

鐵路平板中心線布設一條導線，車頭和車尾安裝電磁傳感器；通過電磁傳感器檢測通有交流信號的導線周圍產生的穩(wěn)定電磁信號，并通過LC選頻電路進行濾波放大[2]，選取有用信號，濾除多余信號，使得單片機的內部AD能夠直接識別該信號并將模擬信號轉換成數字信號。通過計算，單片機通過串口轉Wifi模塊將解算得到的偏差量以無線方式發(fā)送到Android軟件客戶端顯示并報警[3]。以信號檢測與傳輸延遲量小，位置檢測偏差度不超過10 mm。軟件客戶端設計直觀形象，以及結構簡單，運行可靠，易于維護的系統(tǒng)設計原則。

1.1 電磁感應原理

根據畢奧-薩伐爾定律可知， 在長直導線中通以穩(wěn)定的直流電，導線周圍會感生出電磁場，其分布特點是以導線穿過圓心的一系列同心圓。磁場強度隨著圓的半徑增大而減小。

當鐵路平板中心的導線通入按正弦規(guī)律變化的交流電時，導線周圍就會產生變化的磁場[4]。在車頭和車尾分別安裝一組電磁傳感線圈，根據電磁感應原理，線圈中會感應出與距離相對應的感應電動勢[5]。感應線圈中的感應電動勢ε與它距離導線的不同水平距離x之間的關系如圖1所示。

圖1 感應電動勢ε與距離x之間的關系Fig. 1 Relationship between electromotive force ε and distance x

根據麥克斯韋電磁場理論，鐵路平板中心線通過的交變電流會在導線在周圍感生出交變的電磁場。將線圈放置于該交變電磁場中，就能在線圈中感應出感應電動勢。

根據法拉第電磁感應定律，感應電動勢

(1)

式中：n——線圈匝數；

Φ——磁通量；

t——時間。

文中選擇了電感為10 mH，電容為6.8 nF的LC選頻電路，將傳感器放置于車頭前方10 cm處，距離導線的高度可以調節(jié)，調節(jié)范圍為5～15 cm，則感應電動勢為

(2)

式中：l——傳感器與導線水平距離；

θ——傳感器與導線的夾角；

h——傳感器與導線高度。

1.2 偏差測量原理

車輛行進過程中偏離中心導線的值，可通過式(2)反推出來。為了提高測量精度，判斷出車輛偏差的方向，在實際運用中，采用了多個電磁傳感器組成陣列，不同位置的傳感器，感應出的電動勢大小和方向也不同。

車輛與鐵路平板中心線的位置關系如圖2所示。車頭前方為傳感器陣列。每兩個電感為一組相互垂直，共五組，一字排列。

圖2 車輛與鐵路平板中心線的位置關系Fig. 2 Indication of position relationship between rolling stock and center line of railway flat plate

假設車體偏移中心導線的夾角為α，水平偏離中心線的值為d。設每組線圈中，前端線圈的感應電動勢εq，后端線圈的感應電動勢為εh，車體偏移中心導線的夾角為α，可由1號線圈所感應的電動勢計算得出

(3)

在排列上，2和3號線圈同導線成45°夾角，用以判斷α值的正負，即車頭偏離的方向。哪個線圈感應到的電動勢大，就以哪個線圈作為判斷方向的依據。以2號大于3號為例，當εq/εh>1時，α處于第二象限，車頭偏左；當εq/εh<1時，α處于第一象限，車頭偏右。3 號線圈的判斷方法與2號線圈相反。

車頭偏離導線的水平距離，可由1號線圈的感應電動勢計算得

(4)

4號和5號線圈用來判斷d值符號，左負右正。

1.3 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)控制器模塊采用AVR單片機，它能夠定時采集分布在車頭和車尾的電磁傳感器陣列檢測到的位置誤差信號，利用自身的A/D轉換功能，將模擬信號轉化為數字信號進行運算處理[6]。系統(tǒng)電源模塊將車輛電瓶電壓調整到系統(tǒng)需要的電壓，供各個模塊使用。通信模塊采用串口轉Wifi模塊實現無線通訊。人機交互模塊采用Andriod客戶端接收單片機發(fā)來的信號并顯示。系統(tǒng)結構如圖3所示。為實現精確定位，在車頭和車尾分別布設4組電磁傳感器，傳感器成一字型對稱分布在導線兩側。

圖3 系統(tǒng)整體結構原理Fig. 3 Principle of overall structure of system

2 硬件設計

2.1 濾波放大器模塊

電磁傳感器模塊共由三部分組成，LC選頻電路、信號放大電路以及濾波電路，如圖4所示。由于鐵路平板中心線架設的導線中通過的是20 kHz的變化電壓，經過計算，選擇10 mH工字電感和6.8 HF的校正電容作為LC選頻電路的器件。文中選擇了0PA2350作為放大電路的運放芯片，對LC選頻網絡的輸出電壓信號進行放大。0PA2350具有38 MHz的通頻帶寬，軌到軋的輸入輸出特性，低電壓偏移特性，完全能夠滿足系統(tǒng)信號處理中的小信號放大應用。

圖4 濾波放大電路Fig. 4 Filter amplifier circuit

2.2 控制器模塊

系統(tǒng)控制器采用ATmega16 單片機。AVR單片機擁有八路A/D轉換接口，能夠同時采集八路信號進行模數轉換[7]。采用外部晶振時鐘，確保通信的實時性。ATmega16具有豐富的I/O接口，驅動能力強。與串口轉WiFi模塊相連可以實現無線數傳，也可以直接通過串口同其他設備相連進行通信。其核心電路如圖5所示。文中綜合考慮了通信的實時性和設備布線安裝的便捷性，采用了串口轉WiFi模塊與安卓客戶端實現通訊[8]。

圖5 單片機最小系統(tǒng)Fig. 5 Minimum system of single chip microcomputer

2.3 電源模塊

電源模塊采用車輛裝備自身的電瓶來供電，通過降壓得到7.2 V的電壓輸出，如圖6所示。根據不同的模塊供電需求，主控板上還需要3.3 V電源和5.0 V電源[9]，其中單片機和傳感器對供電電壓的要求較高，因此，采用了低壓差線性穩(wěn)壓器件TPS7333作為單片機和傳感器的供電電源。其他電路采用AMS1117為各模塊提供所需的3.3 V和5.0 V電源[10]。

圖6 電源模塊Fig. 6 Power module

2.4 人機交互模塊

通過開發(fā)基于Android系統(tǒng)的APP安裝在平板電腦上，能夠實時接收單片機串口轉WiFi發(fā)送來的數據并顯示出來[11]。APP的設計上既有圖形的表示，也有數據的顯示，同時提供偏差量過大報警，能夠直觀顯示出車輛裝備的車頭和車尾的偏差量。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 單片機程序設計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。加電后主程序初始化I/O端口，初始化串口、定時器、AD轉化。而后打開串口接收中斷使能，判斷檢查各路電磁傳感器傳來的數據并進行AD轉換和相應的計算[12]。最后將計算出來的四路偏差值通過串口轉WiFi發(fā)送到Android軟件客戶端顯示。

圖7 單片機主程序流程Fig. 7 SCM main program flow

3.2 卡爾曼濾波器

經濾波放大電路出來的電壓信號，被送入單片機AD轉換通道，電壓信號已被硬件電路濾波，仍然存在一些紋波。信號進入單片機AD轉換通道后轉變?yōu)?～4 095的數值，數據波動較大，需要加入軟件濾波及歸一化處理。

卡爾曼濾波算法能夠對輸入的有噪聲的測量數據進行處理，求取真實信號[13]。

采用定時器來對數據進行周期性的采集，每進一次中斷采集一次數據，并進行卡爾曼濾波。具體的C程序實現如下：

for( num=0; num<6;num++)

{

Ap[num] = Last AP[num] + AQ[num];

AK[num] = App[num]/(App[num]+AR[num]);

Kalman ACC[num]=

LastACC[num]+AK[num]*(ADValue[num]-Last ACC[num]);

Last ACC[num] = Kalman ACC[num];

Last AP[num] = (1-AK[num])*App[num];

LastAK[num]=AK[num];

}

六個通道各自的五組數據，采用冒泡排序的方法，取中間的三組算得平均值，作為一個數據。調用周期為1 ms。具體實現:

for(j=0;j<5;j++)///采樣五次

{

Kalman_Filter();

for(i=0;i<6;i++)

{

ADValue_temp[i][j] = KalmanACC[i];

}

}

for(i=0;i<6;i++) ////冒泡排序

{

for(j=0;j<4;j++)

{

for(k=0;k<4-k;k++)

{

if(ADValue_temp[i][k]>ADValue_temp[i][k+1])

{

temp = ADValue _temp[i][k];

ADValue_temp[i]k]=ADValue_temp[i][k+1];

ADValue _temp[i][k+1]=temp;

}

}

}

}

for(i=0;i<6;i++)

{

ADSum[i]=ADValue_temp[i][2]+ADValue_temp[i][3]+ ADValue_temp[i][4];

ADtemp[i]= ADSum[i]/3;

}

3.3 Android客戶端軟件

主界面比較簡潔直觀，中間是模擬鐵路平板圖形和平板中心線，顯示車輛前后安裝傳感器的位置A和B，如圖8所示。四個數據顯示框，分別顯示WiFi接收到的表示車輛四個輪胎偏離中心線的數值，其上面的指示燈可作為報警提示，當偏離量超過1 cm時，報警燈點亮。

圖8 Android軟件客戶端界面Fig. 8 Android software client interface

使用基于TCP協(xié)議的socket通信[14]。串口WIFI模塊配置成TCP Service模式，然后Android軟件連接串口WIFI模塊的熱點，客戶端作為TCP client連接。連接成功后可以相互發(fā)送數據，如圖9所示。

圖9 軟件客戶端通信流程Fig. 9 Software client communication flow

打開平板電腦上的WiFi功能，搜索單片機串口轉WiFi模塊熱點。打開設計好的APP，輸入IP地址和端口號，即可登錄單片機串口轉Wifi模塊的服務器[15]。因此AndroidManifest.xml文件中要添加Wifi權限。

修改MainActivity.java,給socket套接字進行初始化,socket = new Socket(IP, port),完成socket連接服務器[16]。新建線程，用dataInputStream.read()接收數據，并通過handler機制更新四個EditText控件的文本內容為最新的傳感器數據。

4 系統(tǒng)測試與驗證

系統(tǒng)測試環(huán)境分為在實驗室進行和模擬鐵路平板的平坦道路上進行。實驗室測試主要對電磁傳感器按照預定的方式進行排列分布，放置在車頭前方10 cm處，距離地面高度可以調節(jié)，調節(jié)范圍是5～15 cm。分別對不同的高度下，對比分析了傳感器的測量精度[17]。表1給出了系統(tǒng)測試的主要參數。

表1 系統(tǒng)測試的主要參數Table 1 Main parameters from system test

測試過程中，通過改變傳感器距離地面的高度，發(fā)現傳感器架設的高低直接影響其檢測偏差的精度，傳感器距離地面越近，檢測的電磁信號越穩(wěn)定，位置誤差越小。因此，在條件允許的情況下，盡量使傳感器接近于導線。

模擬鐵路平板的平坦道路測試主要利用實車進行安裝調試，道路寬度3 m,長度20 m，道路中央布設一條通以20 kHz的交變電流直導線。車輛裝備選用解放CA1121J運輸車，在車頭和車尾中央分別安裝一組傳感器模塊。結合實裝，為提高檢測精度，將傳感器架設在距離地面5 cm的高度。

實車安裝測試主要對單片機同Andriod客戶端通信情況進行測試。對比分析串口轉Wifi模塊、串口-串口兩種通信方式的通信效果。通過測試發(fā)現，兩種通信方式都能夠實時將偏差信號傳輸到位，差別不大，都能夠滿足文中所設計的系統(tǒng)要求。因此，為減少布線難度，提高便攜性，采用無線通訊的方式。

5 結束語

提出了以電感線圈為傳感器的車輛裝備鐵路平板輔助定位裝置，給出了電磁傳感器的對稱直線型分布方式，最大限度地提高了磁場檢測的精度?？刂葡到y(tǒng)選用了AVR單片機ATmega16，將采集到的信號經濾波電路濾波之后，送入單片機進行模數轉換。雖然在數據傳送上稍有延遲，但經過測試發(fā)現，由于車輛上平板時速度較慢，基本不影響定位精度。人機交互選用基于Android的手機客戶端，駕駛員可以將手機固定在駕駛室，打開軟件就能直觀的顯示出車頭和車尾偏離中心線的數據。

基于磁場感應的鐵路平板輔助定位裝置，能夠安全、直觀、有效的保證通用裝備上下鐵路平板的需求，不但能夠提高定位速度和精度，還能輔助裝備在夜間鐵路裝載，解決了通用裝備鐵路輸送的快速性和隱蔽性問題。