一种宽温范围智能铁鞋及其防溜状态判断方法技术

本发明专利技术公开了一种宽温范围智能铁鞋，智能铁鞋由传统铁鞋及安装于其内部的嵌入式硬件构成，嵌入式硬件包括中央处理器、温度传感器、GPS定位模块、加速度传感器以及超声波测距单元；所述中央处理器用于温度传感器、加速度传感器、超声波测距单元的信号采集，以及GPS定位模块的数据采集与数据处理，以及距离运算和智能铁鞋状态判断。本发明专利技术适用于各种铁路站场。在总体可通过多传感器融合判断是否处于防溜状态方面，采用基于位置判断、智能铁鞋运动状态和姿态解算和超声波测距分析的方式对智能铁鞋防溜状态进行多角度判断，有效地避免了单一判断方式在复杂工作环境下发生判断出错的情况，大大提高了智能铁鞋防溜状态判断的精确性和可靠性。

A wide temperature range intelligent iron shoe and its anti slip state judgment method

【技术实现步骤摘要】
一种宽温范围智能铁鞋及其防溜状态判断方法
本专利技术涉及铁路安全领域，尤其适用于宽温度变化条件下的智能铁鞋防溜状态的监测，具体地说是一种宽温范围的智能铁鞋及其防溜状态判断方法。
技术介绍
随着铁路运输的飞速发展，铁路线路日益增加、覆盖区域不断扩大，智能铁鞋的应用也日趋广泛，智能铁鞋已成为保护铁路站场内人员与车辆安全的重要设备。传统智能铁鞋存在以下问题：智能铁鞋部署完成后无法监测由于列车意外滑动导致智能铁鞋安装不到位的情况，从而造成一定的安全隐患；采用的超声波测距方法精度较低，且受环境因素的影响过大，无法对智能铁鞋的工作状态做出准确判断；智能铁鞋在股道上左右移动会引起测得的列车车轮到智能铁鞋间的距离发生大幅度跳变，从而引起智能铁鞋状态判断发生不必要的变化；智能铁鞋在低温环境下往往会出现工作状态不佳、误判率高的问题，造成测得的列车车轮到智能铁鞋间的距离远大于实际值，造成对智能铁鞋工作状态的误判；智能铁鞋防溜状态的判断方式单一，容易受外界环境影响，不利于智能铁鞋工作状态的准确判断。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽温范围智能铁鞋，其特征是智能铁鞋由传统铁鞋及安装于其内部的嵌入式硬件构成，所述嵌入式硬件包括中央处理器、温度传感器、GPS定位模块、加速度传感器以及超声波测距单元；温度传感器采集环境温度为中央处理器修正超声波在不同温度时的速度误差提供依据；GPS定位模块和加速度传感器通过解算获取智能铁鞋的位置信息、运动状态和姿态信息，/n所述中央处理器用于温度传感器、加速度传感器、超声波测距单元的信号采集，以及GPS定位模块的数据采集与数据处理，以及距离运算和智能铁鞋状态判断；温度传感器、加速度传感器和超声波测距单元均与中央处理器的对应数据输入输出端相连，GPS定位模块与中央处理器的相应串行通讯数据...

【技术特征摘要】
1.一种宽温范围智能铁鞋，其特征是智能铁鞋由传统铁鞋及安装于其内部的嵌入式硬件构成，所述嵌入式硬件包括中央处理器、温度传感器、GPS定位模块、加速度传感器以及超声波测距单元；温度传感器采集环境温度为中央处理器修正超声波在不同温度时的速度误差提供依据；GPS定位模块和加速度传感器通过解算获取智能铁鞋的位置信息、运动状态和姿态信息，
所述中央处理器用于温度传感器、加速度传感器、超声波测距单元的信号采集，以及GPS定位模块的数据采集与数据处理，以及距离运算和智能铁鞋状态判断；温度传感器、加速度传感器和超声波测距单元均与中央处理器的对应数据输入输出端相连，GPS定位模块与中央处理器的相应串行通讯数据接口相连。


2.根据权利要求1所述的一种宽温范围智能铁鞋，其特征是所述超声波测距单元包括收发一体式超声波探头、可调增益放大电路、发射电路、前级放大电路、中级放大电路、后级放大电路以及吸能模块，中央处理器的信号输出端连接可调增益放大电路的信号输入端，可调增益放大电路的信号输出端通过发射电路连接吸能模块和超声波探头；吸能模块和超声波探头的回波数据顺次通过前级放大电路、中级放大电路、后级放大电路返回中央处理器；选取超声波探头的信号发射角度为θ1，θ1≤7°；中央处理器的信号输出端通过可调增益放大电路和发射电路与300KHz超声波探头信号发射端相连；超声波探头的信号接收端依次通过多级放大电路与中央处理器的数据输入端连接；中央处理器通过PWM产生双路300KHz脉冲后，经可调增益放大电路和发射电路转换为一定幅值的超声波探头驱动信号传递给超声波探头信号发射端，从而产生预设的超声波脉冲；中央处理器发送完一组超声波脉冲激发信号后，立即发送半个周期的反向脉冲，并启动吸能模块，让其工作一定时间，以尽快消除超声波探头余振；当发射的超声波遇到障碍物被反射回来时，超声波探头接收到回波后将其转换为电信号，然后经过前级放大、中级放大和后级放大三级放大电路将超声波探头发出的回波电平放大到一定幅值，然后将放大后的电信号传入中央处理器的A/D采集端口，以对数据进行进一步分析计算；
所述可调增益放大电路采用双路放大电路设计，并以可变增益运算放大器为核心，将运算放大器的电压控制引脚与中央处理器的D/A输出端相连，从而实现对放大电路增益的调节；发射电路采用带中心抽头的变压器进一步放大发射信号脉冲，以驱动超声波探头发出超声波；
所述前级放大电路直接接收超声波探头的回波电信号，一般放大倍数较低，其主要用于提高系统信噪比，减少外界干扰的相对影响；中级放大电路具有较高的增益水平，主要用于进一步放大回波电压幅值，是系统的主放大电路；后级放大电路采用可变增益放大电路，用于调整放大电路整体放大倍数，使回波信号的电压幅值保持一致，从而降低温度变化对回波信号幅值的影响；
所述吸能模块并接在超声波探头两端，吸能模块采用电阻吸能方式，加速消耗超声波探头余振能量，并用MOSFET管与中央处理器控制引脚相连接，控制吸能模块是否接入超声波探头，以减小超声波探头工作时吸能模块对其灵敏度的影响。


3.根据权利要求1所述的一种宽温范围智能铁鞋，其特征是智能铁鞋的超声波测距探头以一定角度安装在智能铁鞋头部，使得智能铁鞋运算所得智能铁鞋与列车车轮之间距离与其真实距离呈正相关关系；超声波探头与水平方向所成的安装角度的计算方法是智能铁鞋紧密放置于列车车轮下并与其紧贴时，超声波探头指向列车车轮圆心，其安装角度计算公式为：



其中，h为超声波探头到地面的垂直高度，s为探头到列车车轮圆心的水平距离，列车车轮半径为r，r>h。


4.一种宽温范围智能铁鞋的防溜状态判断方法，基于权利要求1-3任一项所述的一种宽温范围智能铁鞋，其特征是中央处理器在宽温度范围条件下，将融合智能铁鞋的位置信息、运动状态和姿态信息与通过超声波测距单元获得的高精度距离数据，从而获得智能铁鞋的工作状态最佳估计，具体方法为：
智能铁鞋中央处理器通过融合多个传感器信息判断智能铁鞋的工作状态，其判断公式如下：
sta＝dis_En×ran_En×mpu_En
其中，sta表示智能铁鞋的工作状态，若“sta＝1”，表示智能铁鞋处于“防溜状态”，若“sta＝0”，则表示智能铁鞋处于“假防溜状态”；dis_En是智能铁鞋位置判断位，用于判断智能铁鞋是否放置在股道上；ran_En是超声波测距判断位，其根据智能铁鞋到列车车轮之间的距离数据判断智能铁鞋是否放置到位；mpu_En是智能铁鞋运动状态和姿态判断位，用于判断智能铁鞋是否以正确的姿态放置；
上式中，智能铁鞋位置判断位dis_En的计算公式如下：
dis_En＝f(0≤S≤interval)
其中，f(X)为逻辑函数，若“X”的值为真，则函数值为1；否则函数值为0，当dis_En为1时，表示智能铁鞋在股道上；当dis_En为0时，表示智能铁鞋不在股道上；interval是间距判定阈值，其初值为0.2米；S为智能铁鞋位置到股道的距离，其公式如下：



其中，智能铁鞋的位置坐标为P(X,Y)，由GPS定位模块解算获得，股道两端点的坐标为A(X1,Y1)、B(X2,Y2)；
超声波测距判断位ran_En的判断公式入下：
ran_En＝f(D1≤dis≤D2)
其中，dis是中央处理器通过超声波测距单元测得的智能铁鞋到列车车轮之间的距离；D1表示智能铁鞋放置到位判断阈值下限，其默认值设为4cm；D2表示智能铁鞋放置到位判断阈值上限，其默认值设为10cm；当ran_En为1时，表示智能铁鞋处于“放置到位”状态；当ran_En为0，则表示智能铁鞋处于“未放置到位”状态。
智能铁鞋运动状态和姿态判断位mpu_En的判断公式如下：
mpu_En＝f(|Ax|≤0.05g&|Ay|≤0.05g&0.95g≤Az≤1.05g)×
f(|θx|≤0.5°&|θy|≤0.5°&|θz|≤0.5°)
其中，|X|为取绝对值计算；g表示重力加速度常量；Ax、Ay、Az分别表示智能铁鞋在X、Y、Z轴方向上的加速度分量，由加速度传感器解算获得...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶彦斐，胡文杰，黄家辉，童先洲，宁月平，徐涛，王尧，
申请(专利权)人：南京富岛信息工程有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32