（交通信息工程及控制专业论文）列车轨道占用识别与列车定位方法的研究.pdf

：! ei i笙丝厶亟= ；三篮垒塞 生 塞垴鳖 中文摘要 摘要；列乍轨道占用泌别目的芷在平行的多轨道区域识别列车所占用的轨通信息 为列乍定位子系统或控制系统提供可靠的信息。列乍轨道占用识别算法能够f j 动 判断列车是否已经进入侧线或j 列车原束所占用的轨道平行的j 下线，从而使其它 列车以高可靠的的置信区问宦全通过既定的轨道。 列车定位就是实时准确地确定列车当前的位置。列车定位方法的精度和可靠 性会关系到列车的运行间隔，是确定列车安全防护距离的重要因素，会影响轨道 交通系统的效率。因此深入研究列车定位方法，对于推动列车运行控制系统的研 究和轨道交通系统的发展具有重要意义 本文的研究工作如下： 1 本文介绍了虚拟仪器和l a b v 瑾w 的概念和特征，组建了基于l a b v i e w 的 多传感器数据采集平台。 2 本文介绍了离散卡尔曼滤波算法对普通卡尔曼滤波与简化的s a g e h u s a 自适应卡尔曼滤波算法进行了仿真。对分别采用机动载体的c v 模型和当前统计模 型的普通卡尔曼滤波算法进行了验证。 3 本文研究了列车轨道占用识别算法，通过识别列车在曲线的导曲线半径及 列车经过导曲线航向角的变化来识别列车轨道占用。提出了基于加速度传感器与 陀螺组合以及速度传感器与陀螺组合测量转弯半径的方法，提出了线路曲线空转 滑行的检测方法。 4 ，本文研究了列车定位方法，该方法用传感器的组合实时识别线路曲线的转 弯半径，并和数字轨道数据库匹配，从而校正速度传感器得到的里程误差。 关键词：轨道占用；列车定位：多传感器信息融合；虚拟仪器：应答器 分类号：u 2 8 4 ej ：盆迪厶鲍! ：f ：止监塞旦si 星工 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t r a i nt r a c ko c c u p a n c yr e c o g n i t i o ni st od e t e r m i n ei ft h et r a i ni sp a s s i n g o v e ras w i t c ha n dt os u p p l yr e l i a b l ei n f o r m a t i o nf o rt r a i np o s i t i o n i n gs y s t e ma n dt r a i n c o n t r o ls y s t e m ak e yr e q u i r e m e n tf o rf f a c k o c c u p a n c yr e c o g n i t i o nm e t h o di s t o d e t e r m i n ep r e c i s e l ya n dw i t hah i i g hl e v e lo fc o n f i d e n c et h a tat r a i nh a se n t e r e das i d i n g t oa l l o wa n o t h e rh i g h e rp r i o r i t yt r a i nt op a s so nt h em a i n l i n et r a c k t r a i np o s i t i o n i n gs y s t e mi st op r e c i s e l ya c q u i r er e a l t i m ep o s i t i o no ft h et r a i n t r a i nl o c a t i o ns y s t e mp l a y sav e r yi m p o a a n tr o l ei na u t o m a t i ct r a i nc o n t r o ls y s t e m i t sa c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t ya r ei m p o r t a n tf a c t o r sf o rh e a d w a yi nt r a i nc o n t r o ls y s t e m i tw i l la f f e c tt h ee f f i c i e n c yo f t r a n s p o r ts y s t e m s s oi th a sg r e a ts i g n i f i c a n c et os t u d yt h e t r a i np o s i t i o n i n gm e t h o dd e e p l y 1 1 1 ec o n t e n t so f t h i sp a p e rw e r ea sf o l l o w s ： 1 i nt h i sp a p e r , t h ec o n c e p ta n dc h a r a c t e r i s t i co fv i r t u a li n s t r u m e n ta n dl a b v i e w i si n 订o d u c e d l a b v 瑾wb a s e dm u l t i - s e n s o ri n f o r m a t i o na c q u i s i t i o np l a t f o r mi sb u i i t 2 t h em e t h o do fd i s c r e t ek a l m a nf i l t e rc o m m o n l yu s e di n s i g n a l f i l t e ri s e s p e c i a l l ye x p l a i n e d c o m m o nk a l m a nf i l t e ra n ds i m p l i f i e ds a g e h u s ak a l m a nf i l t e r a l g o r i t h ma r es i m u l a t e d i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ee f f e c to ft h e k a l m a nf i l t e r , a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fc am o d e la n dc u r r e n ts t a t i s t i c a lm o d e la r e m a d e 。 3 t r a i nt r a c ko c c u p a n c yr e c o g n i t i o nm e t h o di sp r o p o s e d n em e t h o du s e st h e e s t i m a t e dt r a c kr a d i u sa n dt h ec h a n g eo f c o u r s ea n g l et od e t e r m i n ei f t h et r a i ni sp a s s i n g o v e ras w i t c h i nt h i sm c t h o d ，t r a c kr a d i u si so b t a i n e db yi n f o r m a t i o nf u s i o nw i t hg y r o & o d o m e t e ro rg y r o a c c e l e r o m e t e r 4 t r a i np o s i t i o n i n gm e t h o di sp r o p o s e d i nt h i sm e t h o d ，t r a c kr a d i u si so b t a i n e d b yi n f o r m a t i o nf u s i o nw i t hg y r o o d o m e t e ra n dt h e nm a t c h e dw i t ht h es t o r e dt r a c k r a d i u sw i t hr a i l w a yd a t a b a s e 1 1 1 em e t h o dc a np l a yt h er o l eo fv i r t u a le u r o b a l i s ea n d c a l i b r a t et h ee r r o ro f o d o m e t e r k e y w o r d s ：t r a c ko c c u p a n c y ；t r a i np o s i t i o n i n g ；m u l t i - s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o n ；v i r t u a l i n s t r u m e n t ；e u r o b a l i s e c i a s s n o ：u 2 8 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完伞了解北京交通大学有关保留、使剐学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅莆i 借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 潲盹 导师签名： 签字日期：洲年f 1 ，m - y - 1 8 签字日期：月l 锋日 些壅尘堙厶：兰亟! ：羔位窿塞丝剑世生 塑 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文足本人在导师指导下进 j 的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标 t 和致谢之处外，论文中f ：包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： ；隅0 电 签字日期： 沙1 年2 月2 ，f 日 致谢 本论交的 ：作是在我的导师昊建j 教授的悉心指导下完成的，吴建平教授严 谨的冶学态度和科学的工f 1 方法给了我板大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 吴老师对我的关心和指导。 吴建平教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向吴老师表示衷心的谢意。 王剑博士在我的整个研究期问都给予了最直接的指导和帮助，统筹试验的人 员的安排以及实验设备等资源的调度，对我的多个方案和设想都及时的提出建议 并做出可行性分析，并对论文提出了宝贵的修改意见。在此特别表示感谢。 特别感谢我的本科毕设指导老师郑伟老师，他远在德国于百忙之中对我的论 文提出了详细的修改意见，包括文章结构、格式错误以及错别字。 周达天博士对于列车定位方法提出了许多的宝贵意见，并无私提供了大量宝 贵的试验数据，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘江、安明颖、王文辉、袁振江等同学对我 论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 些 丞窒垣厶：j 三熊l主i !硷童i !。j l 引言 本章结合论文的选题对整个论文的背景知i i 5 和意义进行了介绍，并综述了列 车轨道占有以别与列车定位技术的概念以及其国内外的发展状况。章节最后介绍 了论文的结构。 1 1 选题的背景和意义 铁路在区域的综合交通系统和国家的综合交通运输体系中发挥着重要的骨干 作用。铁路具有运量大，占地少，单位运量耗能低等诸多优点，非常适合我国人 口众多，幅员辽阔的基本国情。在我国铁路正处于跨越式发展时期，青藏线已于 2 0 0 6 年7 月1 日正式通车，既有线六次大提速业已成功完成，在未来几年近十条 时速超过两百公里以上的客运专线也将陆续建成。然而在铁路高速的建设过程中， 我们不得不引进消化其它国家的先进技术，例如青藏线的列车控制系统使用了通 用电器公司研发的增强型列车控制系统( i t c s ) 】，不在使用轨道电路，青藏线的机 车大量引进通用电气公司制造的n j 2 型机车，第六次大提速使用的动车组大量引 进法国、日本和德国的动车组技术。从我国铁路建设面l 临的特殊形势和我们国家 要走新兴工业化道路的国情来看，必须加强对轨道交通领域相关基础科学问题和 技术的系统研究和应用开发研究，才能确保我国铁路建设的健康有序发展，满足 国家对轨道交通系统建设和运营的要求，实现轨道交通关键技术的国产化和名副 其实的自主创新。 轨道交通系统能否安全高效运行，最主要取决于它的运行控制系统的性能【2 j 。 在轨道交通系统中，列车的运行控制系统是轨道交通系统的大脑和中枢，它起着 确保列车运行安全和提高列车运行效率的作用。列车运行控制系统最基本的问题 有下列两方面p l ： ( 1 ) 保证列车的行车安全，即当前列车要与后随列车以及前行列车保持足够 的安全距离。为此，列控系统要合理控制列车行驶速度速度及制动方式。安全是 行车的基本要求。 ( 2 ) 在保证行车安全的前提下，保障使行车效率即提高行车速度和缩短行车 间隔。 过去几十年中，人们在研究列车运行控制系统方面取得了显著的进展，较早 的列车运行控制系统的功能仅仅满足于检测和表示路况等信息并为驾驶员提控可 靠的制动信息，而较为先进的列控系统己由早期的“表示型”向“控制型”发展。 e鏖尘堑厶：互堡! ： ：；三 1 互酸兰j il = i 现代列乍运f j 控制系统发展成为集现代侈动通信技术、计算机技术、控制技术 等技术的综合控制系统。列车控制系统的发展趋势是从地面设备转移到车载设备， 通过采朋先进智能的车载设备，减少轨旁改备减少维护工作量。以任的利目轨 道电路传递信息的通信方式难以满足车地攻向、大容揎的通信需求。目前出现的 基于通信的列车控制系统( c b t c c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r 0 1 ) i z l 已蓬勃 兴起，并成为列车运行控制系统的主流。c b t c 是利用不依赖于轨道电路的高精度 的列车定位、双向连续、大容量的车一地数据通信以及车载、地面的安全功能处 理器，实现连续自动列车控制的一种系统 i 。c b t c 的最主要目标是优化列车制动 曲线，在连续定位中，结合列车和线路的特点实时计算出列车的速度和制动的 距离，从而实现固定闭塞或者移动闭塞，提高铁路运输能力。c b t c 通过地一车自】 的双向通信，可以实现对列车的闭环控制，具有较强的操作能力和灵活性，可以 方便的在司机室进行信号显示、速度控制，可以精确控制速度、加速和制动过程， 并能准确确定列车的位置。在这个技术背景下，c b t c 需要在适当精度和充分完整 性条件下实时的识别列车轨道占用信息，持续地更新列车的位置。 列车运行控制系统的性能与列车轨道占用识别与列车定位系统息息相关。论 文的主要目标就是研究列车运行控制系统中的列车轨道占用识别与列车定位子系 统，提出精确可靠的列车自主轨道占用识别方法和定位方法，从而提高列车运行 控制系统的性能，推动我国高速铁路关键技术的国产化和现代化进程。 1 2 列车轨道占用识别法的研究现状 顾名思义，列车轨道占用识别就是识别列车所占用的轨道信息。列车轨道占 用识别要解决的关键问题是如何判断列车经过道岔后的轨道占用信息以及列车轨 道占用的初始化问题。列车轨道占用识别在列车控制系统以及列车定位系统中有 着举足轻重的作用。c b t c 迫切需要可靠的、低成本的新型的列车列车轨道占用识 别系统。新型的列车轨道占用系统不仅能够满足实时可靠的检测列车轨道占用信 息，同时具有不依赖于地面设备的特点，能够降低列车控制系统的成本，给支线 铁路、低运量铁路提供一个性价比最优的解决方案。 判断列车占用轨道，可以利用数字轨道地图以及道岔、进路等联锁信息。已 有的列车控制系统，例如a l s t o m 的a t l a s - 4 0 0 以及g e 公司的i t c s 所采用的识 别列车轨道占用的方法【4 】是检测道佾的状念，即结合当前的列车进路，根据道岔的 定位或反位的状态，从而识别列车当前所在的轨道。该方法需要地面控制中心从 联锁系统获取进路、道佾位置信息，通过轨旁无线通信设备发送到车载设备。该 方法的优点是提前捕获列车轨道占用信息，但在初始化的时候仍然存在问题。比 2 e! 窑迪 厶 主 塑：j 兰也 盈 幺i l t i 如g e 的i t c s 系统在存在平行4 n 通的地方无法初始化，只= f 在单线区段爿。能够进 行系统初始化。为了解决移j 始化轨通r i 用识别问题。翻的系统不惜系统更加复杂 和昂贵采用了双套电源，保证列车定位系统不日j 断工f 1 。也有的系统为了保让解 决该l 口j 题，甚至采用了人工介入仞始化的办法1 5 i 。 在豹合e t c s 标准的线路卜，安装了大量的应答器，为了解决轨道占用t 5 0 别 问题在逆衍的f 向、侧向轨道都安装应答器，车载设备读取应答器信息，即可确 定列车当前所占用的轨道。这利r 方式可以提供可靠的轨道识别信息，但是它只有 列车在经过应答器时才能获取信息，同时带来了高昂的建设及维护成本【6 】。 北京交通大学的王剑博士提出了一种基于h m m 的轨道占用自动识别的算法 1 7 1 。该算法的原理是利用不同轨道的列车运行的历史数据，例如列车经过不同股道、 道岔的不同方向时的位置变化、横向误差变化等，建立各自对应的h m m 。将利用 g p s 接收机实时采集的列车运行数据分别输入以上口i i 练出来的模型，输入数据在 哪个模型下的后验概率最大，就认为和此模型最匹配，判另该模型为当前数据对 应的状态模型，也就说明列车在当前状态模型所对应的股道上。该算法利用的g p s 接收机采样周期为一秒，显然实时性不好，在列车速度较快的情况下，道岔曲线 段只能的到有限的几个点的信息，难以胜任实时性可靠性要求高的列车控制系统。 m u e l l e r 以及斯坦福大学的a l b a n 研究了一种列车定位系统g l l s ( g p s l o c o m o t i v ep o s i t i o n i n gs y s t e m ) ( 图1 1 ) ，该系统的特点在于利用2 个g p s 接收机进 行列车航向的测量，当列车经过道盆的时候，将k a t m a n 滤波器估计的航向与车载 地图的航向进行比较，根据航向测量和经过路径的不确定性，轨道识别算法计算 出列车进入侧线的概率。g l l s 的核心在于采用多个g p s 天线的列车姿态算法。 该系统在实际测试中航向精度达到了o 1 5 0 ( 标准差) 垆】。 幽1 1g l l s 硬p f ：、软 ， 结构豳 f i g ，1 1t h es t r u c t u r eo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f g l l s a lp o l i v k a 在l d s ( l o c a t i o nd e t e r m i n a t i o ns y s t 锄) 的研究中【8 i 应用多传感器 融合技术当列车通过道岔时( 图1 2 ) ，利用光纤陀螺提供精确的角速度信息来可 靠地分辨通过道岔时的列车的运行方向，并且当列车通过曲线时，同时可以补偿 速度传感器的误差。 e塑盆迪厶：t鲤l主位丝幺! ! 童避姆独。i 。 一 。 f 一，硒。 0 一 | 墨i1 2 光纤陀螺输出的列乍往道岔处的航向变化 f i g12 t h ec h a n g eo f t r a i nc o u l e en e a rs w i t c hm e a s u r e db yg y r o 目前国内外的列车控制系统对于列车轨道占用识别主要集中识别列车在道衍 处的航向角变化以及列车在不同轨道的横向偏差，从而确定运行的列车所占用的 轨道信息。高精度的航向角测量，通常都采用了高精度的陀螺仪或者复杂的航向 角估计算法，高精度的陀螺仪成本昂贵，未必适合轨道交通的应用。而尉车在不 同轨道横向偏差依赖g p s ，而g p s 采样周期过大影响了系统的实时性。此外，对 于列车轨道占用的初始化问题目前的一些方案尚没有很好的解决办法，因此研究 低成本的当前轨道占用识别算法具有重要的意义。 1 3 列车定位方法的研究现状 列车定位在列车控制系统中扮演着重要的角色。准确、及时地获取列车位置 信息，是列车安全、有效运行的保障。列车控制系统根据列车在铁路线路上运行 的客观条件和实际情况，对列车运行速度及制动方式等状态进行监督、控制和调 整。列车定位技术在列车运行控制系统中的作用主要体现在以下两个方面： ( 1 ) 地面控制中心根据列车的位置信息，进行间隔控制，保证追踪运行的列 车的安全间隔。 ( 2 ) 车载设备获得列车的位置和速度信息，可以根据速度一模式曲线进行控 制，与仅根据速度进行的阶梯控制相比，可避免列车的多次制动。 目前列车定位方法有多种，广泛采用的是轨道电路和基于速度传感器的定位 方法。此外还有基于卫星导航的列车定位方法和基于地图匹配的列车定位方法等， 这些方法有各自的特点和应用背景。 1 3 1基于速度传感器的定位方法 基于速度传感器的定位方法是最常用的列车定位方法之一【9 】。该方法的固有缺 陷在于只有列车在运动状态传感器的输出才有效。此外，在基于轮轨的轨道交通 4 b峦鱼坦厶：芏亟!士 止 墟塞i i一：i 系统中，轮轨m 的宅转和滑行是丘浊避免的。因此速度f 搴感器山丁受列车轮对- i 丁 篚发生空转干“滑 j ：晌影确，其测耋精度会随着空转和滑f i 恶化。摹_ 速度传譬 器的列车定位方法要解决的关键问题是如何克服空转和滑行等因素造成的精度降 低。 1 3 2基于卫星导航的列车定位方法 基于g n s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) 的列车定位系统能够在全球范 围内提供精确的、适时的导航信息。g n s s 通过导航卫星提供定位服务。g n s s 接 收机接收导航卫星发送的导航定位信号到卫星信号，以导航卫星作为动念已知点。 实时地测定解算出接收机当前的位置、速度和时间。通常情况下解算出三维坐标 至少需要4 颗卫星的信号。g n s s 定位的显著特点是大范围、高精度和低成本。利 用g p s 卫星信号的高精度载波相位观测量进行定位，在数千千米距离上，其精度 可达几个p p m ，而且误差不随时间而积累。目前可用于民用的卫星导航系统是美 国的g p s 和俄罗斯的g l o n a s s ，它们都由军方控制。g p s 的导航服务分军用码 和民用码两种，军用码精度高，为美军专用，民用码经过了频率抖动和星历偏差 处理，精度降低了许多，民用码平时可为全世界共享，但在战时美国可以随时关 闭该系统。g p s 的控制权掌握在美国军方手中，美国完全可以根据自己的需要， 随意改变系统的民用精度和可用性。采用基于g p s 的列车定位方法应当慎重。由 于g n s s 缺少服务质量保证和完整性较低，其在列车运行控制系统这类安全苛求 系统中的应用仍处于初级阶段1 1 l - 玎l 。 1 3 3基于地图匹配的列车定位方法 黎巴嫩学者s a m c rs s a a b 提出了一种用于列车定位的地图匹配方法【2 啦”。这 个方法通过光纤陀螺测量角速度，再通过速度传感器测量结果进行转化，最终与 地图数据库中提取的角速度进行匹配，进而得到列车的位置。试验结果显示被匹 配算法修正过的速度传感器比单纯采用速度传感器获得的列车位置的误差有明显 的改善。但是定位算法对列车运行速度敏感，当列车运行速度较小或速度变化较 大的情况下，匹配结果不是很理想。 北京交通大学的周达天博士提出了基于线路曲率匹配的列车定位方法【2 “提 出了基于小波间断点检测的线路曲率匹配的启动点检测方法和基于相关匹配的定 位算法。该算法利用陀螺和速度传感器实时得到线路的曲率并和轨道数字的曲率 比较，两者匹配后确定列车位置信息。该算法不要求采用高精度的陀螺，对陀螺 e立尘地厶：兰亟! ：望i 生睑塞 i l主 的温漂误，? 手州：足行匀速运行均小敏感。f f 需要根掘线路曲率n 勺测垦：结果建甚 包含曲率价息的数字轨道地图。剧边人博上还认为在线路的缓曲线部分，线路曲 率的增长地线性的，事实上经过试验数据分析，线路曲率柱缓和曲线部分的变化 是先增大肝减小。 1 3 4基于多传感器信息融合的列车定位方法 由于单个传感器系统缺乏鲁捧性，偶然的故障可能会导致整个系统无法正常 工作，甚年可能给系统造成灾难性的后果。为了能够使系统具有故障检测和故障 隔离的能力并使多个传感器功能互补，多传感器信息融合的列车定位成为研究的 热点。目i j i 已有部分国外学者开始对多传感器信息融合在列车定位系统中的应用 进行了研究。英国学者a h m a dm i r a b a d i ，f e l i xs c h m i d 和n e i lm o r t 搭建了由g p s 、 多普勒雷达、光纤陀螺、速度传感器、数字地图和查询应答器组成的多传感器定 位实验系统，并取得了一些积极的成果。但是其仅研究了若干种组合的误差情况， 未得到一种实用的传感器组合与系统结构1 2 ”。 c b t c 迫切需要可靠的、低成本的新型列车定位系统。新型的列车定位系统不 仅能够满足繁忙干线对列车控制系统定位性能的要求，同时具有不依赖于地面设 备的特点，能够降低列车控制系统的成本。在目前单一传感器难以满足定位要求 的情况下，基于多传感器融合的列车定位系统势必成为可靠的解决方案。 1 4 论文内容简介 第一章介绍了选题的背景和意义，并简要介绍了列车轨道占用识别和列车定 位的研究现状。第二章介绍了虚拟仪器和l a b v i e w 的概念，并组建了多传感器的 数据采集平台。第三章着重讲述了简化的s a g e h u s a 自适应卡尔曼滤波算法，并对 普通卡尔曼滤波与简化的s a g e h u s a 自适应卡尔曼滤波的效果进行了仿真。此外， 对试验采集的g p s 的速度值利用普通卡尔曼滤波分别按照c v 模型和当前统计模 型处理，验证当前统计模型的优越性。第四章本章提出了基于识别导曲线半径的 列车轨道占用识别算法，并通过试验验证了算法的优越性和可行性。第五章提出 了基于曲线半径识别的列车辅助定位方法。该方法等效于在线路曲线的圆缓点处 增加了虚拟查询应答器从而校f 速度传感器得到的罩程误差，能够减少用于列 车位置校正的查询应答器的使用数量。利用试验数据进行了算法验证。第六章总 结全文，指出了文章的创新点、不足之处以及进一步研究工作的重点。 6 ej ! 塞道上坐鲤：望i ! 垒塞 丛：ab y ! e 型鲍釜i 缝丛垃盟丞基芏丑 2 基于l a b v i e w 的多传感器信息采集平台 虚拟 术、计算机通信技术，网络技术是信息技术山矗重要的组成部分。它们 被称为2 l 世纪科学技术中的：大核心技术。虚拟技术作为；j 大核心技术之首，在 广。义上已经不仅仅是一种技术，而是一个有着影响人类 l ：会发展、改变人类生活 的具有深层含义的领域。虚拟技术包括虚拟加工、虚拟测试、虚拟控制及各种虚 拟环境模拟。虚拟仪器是虚拟技术的一个重要组成部分。它是由计算机技术、测 量技术和微电子技术高速发展而孕育出的一项革命性技术。虚拟仪器的出现彻底 改变了传统的仪器方法，丌辟了测控技术的新纪元。这一一创新使得用户能够根据 自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪器那样受到仪器厂商的限制【2 ”。本章详 细讲述了基于l a b v i e w ( 设计虚拟仪器的软件工具) 的多传感器信息采集实验平 台的设计。 2 1虚拟仪器简介 所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义， 具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标 或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器。虚拟仪器也就是将现有的 计算机主流技术与革新的灵活易用的软件和高性能模块化硬件结合在一起，建立 起功能强大又灵活易变的基于计算机的测试测量与控制系统来替代传统仪器的功 能。这种方式不但能享用到普通p c 机不断发展的性能，还可体会到完全自定义的 测量和自动化系统功能的灵活性，最终构建起满足特定需求的系统。在虚拟仪器 系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出软件才是整个仅器系统的关键， 任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功 能与规模，所以有“软件就是仪器”( t h e s o f t w a r e i s t h e i n s t r u m e n t ) 之说， 虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面 板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的 运算、分析和处理，利用i o 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成 各种测试功能的一种计算机仪器系统。“虚拟”主要包含以下两方面的含义： ( 1 ) 虚拟的虚拟仪器的面板。虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板 上的各种“器件”所完成的功能是相同的。如由各种丌关、按键、显示器等实现 仪器电源的“通”、“断”被测信号“输入通道“、“放大倍数”等参数设置，测量 结果的“毅值显示”、“波形显示”等。传统仪器面板上的器件都是实物，而且是 用手动和触摸进行操作的，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的图标，通、 a ! 笙迪厶坐蛭：王位熊塞 星工坠y ! e 坐啦墨佳燮墨篮止孟塞：e 断放大等对j 哑着相心的软件程序。这些软什已经设汁好了，用户不必改计，j l 需选用代表该种软件程序的图形拧件即可，由计算机的鼠标柬对其进行操作。因 此，没计虚拟面板的过程就是在佰i 板设计窗 j 中摆放所需i 的控件，然后编写相应 的程序。大多数初学者可以学习利用虚拟仪器的软件丌发l 具，如l a b w i n d o w s 、 l a b v l e w 等编程语言，在短时间内轻松完成美观又实用的虚拟仪器面板的设计。 ( 2 ) 由软件编程来实现的虚拟仪器测量功能。在以p c 为核心组成的硬件平台 支持下，虚拟仪器不仅可以通过软件编程设计来实现仪器的测试功能，而且可以 通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能。因此在硬件平台确定 后有“软件就是仪器”的说法。这也体现可测试技术与计算机技术深层次的结合【2 9 】。 2 1 1虚拟仪器系统组成 虚拟仪器系统由计算机、仪器硬件和应用软件三大要素构成。计算机与仪器 硬件又称为v i 的通用仪器硬件平台。仪器硬件通常指的是由a d 转换器、模拟通 道、数字通道以及通用计数器等模块组成用于采集模拟信号或数字信号的数据采 集单元。应用软件是虚拟仪器的关键，仪器的各种功能是通过软件来实现的。设 计虚拟仪器的过程与主要工作内容就是编制应用软件的过程。设计虚拟仪器必需 有合适的软件工具。因此，提供应用软件开发工具的软件平台技术也相应快速发 展。目前流行的软件开发工具主要有两类：文本式编程语言：如v i s u a lc + + ，v i s u a l b a s i c ，l a b w i n d o w s ，c v i 等；图形化编程语言：如l d b v i e w ，h p v e e 等。 2 1 2虚拟仪器发展状况 1 9 8 6 年美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p 。简称n i ) 推出虚拟仪器 ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) 的概念，虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是现代 计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一 项重要技术。它以计算机为基础，配以相应测试功能的硬件作为信号输入输出的 接口，利用虚拟仪器软件丌发平台( 如b b v i e w ，l a b w i n d o w s 等) ，在计算机屏 幕上虚拟出仪器的面板( 包括显示器、指示器、旋钮、开关、按键等) 以及相应 的功能。由于传统测控设备般只能独立完成一项具体的测控任务和功能，而在 虚拟测试平台上通过接收多个传感器信号，对应编制不同的应用软件可以完成多 种测控功能。因此虚拟测控平台是一个多输入多输出的丌发平台，它可以将多种 传统测控设备集中于一套系统中，同时它的丌放性与灵活性能使之与计算机技术 保持同步发展【9 1 。 8 ：止；窑堑：兰鲤! ：；三位丝塞 些：l b y ! 型曲兰 圭些登i i 丛丞墓：鱼 目前，继炎凼国家仪器公司足 q 的惠普( h p ) 公司t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司也相绀推出了多种总线系统的j 显拟仪器，并在短短的 余年问，便占有了世 界仪器、仪辰市场的l o h - 右的份额，使从事仪器研究和研制的科学家和工程师 们都看清了虚拟仪器对传统仪器的i 夏大挑战，认识到虚拟式仪器不仅无可争议的 成为下一世纪仪器发展的方向，而且必将逐步取代传统硬件化电子仪器，使成千 七万种传统仪器都演变成计算机软件，成为一系列有序的文档融入计算机中，那 时电子仪器在广义上已不是一个独芷的分支，而是己演变成为信息技术的本体! 虚拟仪器的出现，使传统的硬件仪器受到了前所未有的巨大挑战，是2 0 世纪仪器 领域中的一次划时代的事件。它将在促进科技进步，创造良好的社会效益和极大 的经济效益方面发挥卓越的作用并表现出强大的生命力。虚拟仪器成为当代仪器 发展的一个重要方向。虚拟仪器在我国是一门新技术，才刚刚起步，所以其应用 还不是十分广泛，但它代表了先进最新高科技，必将在我国测试行业得到迅猛的 发展。 2 2l a b v i e w 简介 l a b v i e w 全称是l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ，是美国 国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 推出的一种基于图形开发、调试和运行程序的集 成化环境，是目前国际上唯一的编译型的图形化编程语言。l a b v 正w 使用了一种 称为g 的数据流编程模式，它有别于基于文本语言的线性结构。在l a b v i e w 中执 行程序的顺序是由模块之间的数据流决定的，而不是传统文本语言的按命令行次 序连续执行的方式。它集成了与硬件g p m ，v x i ，p x i ，r s 2 3 2 ，r s - 4 8 5 和内插 式数据采集板的通信功能，并且有可以运用的内建库，符合如t c p i p 网络协议或 a c t i v e x 等的软件标准。在以p c 机为基础的测量和工控软件中，l a b v i e w 开发环 境具有一系列优点，从其流程图式的编程、不需预先编译就存在的语法检查、调 试过程使用的数掘探针，到其丰富的函数功能、数值分析、信号处理和设备驱动 等功能，都令人称道【州。本章介绍的多传感器信息采集平台便是基于l a b v i e w 建 立的，在本章后续三个小结节将对l a b v l e w 做简单介绍。 2 2 1l a b v i e w 开发环境 l a b v i e w 软件区别于其它的文本编程语言，其编程环境为用户提供了了一种 非常直观的图形，用户只要选择代表仪器功能的图形模块，再用数据线和控制线 按模块连线要求进行连接，通过运行和调试，即可完成所需的程序设计。 e 丞至垫厶2 熊堂垃熊塞些呈= b y ! e 型曲星i 监矍篮星丞塞里台 l a b v l e w ”发环境如表2 i i 驯所1 ： 表2 i l a b v i e w 开发环境 t a b l e21t h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fl a b v l e w 类别具体表现形a 控1 ，| ：与指示器 仪器控制 文什i o 开放性连接 数据采集 程序设计结构 程序设计原则 数学分析 程序调试 旋钮开芙l e d ，滑块数显，计苗器胲0 皮 ；i ：旋钮，水褙温度表， 文本框 g p i b ，v x i s e r i a l c a m a c p l c 等6 0 0 多种仪器驱动器 电子表格进制a s c i i 码等 i n t e m e t ，s q i 。t c p i p ，a c t i v e x d l l s ，d d e 等 d a q 单点输入输出t t l c m o s 输入输出，数字握手，图 像采集 w h i l el o o p s ，f o rl o o p ，c a s e 结构，顺序结构，基于文本的公 式节点等 算术，字符串布尔运算，多数据类型结构，子程序 信号发生，信号处理，图像处理，曲线拟合统计等 断点，探针单步执行，帮助窗口，在线帮助等 2 2 2l a b v i e w 平台特征 l a h v i e w 平台的特征可归结为以下几个方面川： 图形编程方式，使用直观形象的数据流程图式的语言书写程序源代码； 提供程序调试功能，如设置断点或探针，单步执行，语法检查等； 拥有数据采集、仪器控制、分析、网络、a c t i v e x 等集成库； 继承传统编程语言结构化和模块化的优点，这对于建立复杂应用和代码的 可重用性来说是至关重要的； 提供d l l 库接口、c i n 节点以及大量的仪器驱动器、网络通信v i s 与其它 应用程序或外部设备进行连接； 允许用户执行外部脚本，如m a t l a b ，m q ； 支持多种系统平台，如m a c i n t o s h 、h p u x s u n s p a r c 、w i n d o w s 3 x 9 5 小t 等，l a b v i e w 应用程序能在上述各平台之自j 跨平台进行移植。 2 2 3程序设计过程 l a b v i e w 程序称为虚拟仪表( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 程序，简称v i 。一个v i 程序 的设计主要包括前面板的设计，框图程序的设计以及程序的调试。 1 0 巫窑堑厶尘亟! ：璺也泣垦! ：l b y ! e 塑的乏生缝登篮息丞塞壬鱼 ( 1 ) 阿先创建前面板：主要输入控制器和输出指爪器组成。利用工具模 板末添加。 ( 2 ) m i 图程序的设计：框图程序相当于源代码，只订在创建了框图程序以 后该程序才能真j f 运行。对框图程序的设计主要是对节点，数据端口和连线的设 计。节点是v i 程序运行的要素，可以把它理解为程序的语f u 、函数或子程序。它 包括四种类型：函数、v i 子程序、结构和代码接口。 ( 3 ) 程序的调试：当前面板和程序框图设计好以后，程序执行过程中可能 会遇到很多方面的错误，因此要对程序进行调试。 2 3硬件平台简介 基于l a b v i e w 的多传感器信息采集实验平台的硬件平台包括p c 机，数据采 集卡n i u s b 6 2 1 1 ，三轴加速度传感器以及陀螺。由于n i - u s b 6 2 1 1 没有通用计数 器，所以该平台暂不包含罩程计。硬件平台如2 1 图所示。 2 3 1 u s b 6 2 1l 简介 幽2 1 硬什平台 f i g 2 1h a r d w a r ep l a t f o r m u s b 一6 2 1 l 是一款采用u s b 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ) 和计算机连接的 数据采集卡，它内詈1 6 位a t ) 转换器，支持热插拔，具有多个个模拟输入输出通 道和数字输入输出通道，最大采样率达2 5 0 k s s 。这些特征使它非常适合小型的自 动数据采集平台。图2 2 是u s b 6 2 1 l 的管脚连接图。 e 鏖尘迪厶至墅! ! ：j i 位迨羔 生】：! b y ! e 型的墨! i 盛鳖i ：i 丛丞尘坐鱼 图2 2u s b - 6 2 1 1o e m 管脚连接 f i g 2 2t h ec o n n c c l i o no f u s b - 6 2 1 1o e m 2 3 2加速度计简介 多传感器信息采集平台采用了c r o s s b o w 公司生产的l f 系列c x l 0 2 l f 3 三轴 加速度传感器。该传感器输出模拟电压，灵敏度为1 w g ，不受力时的初始电压为 2 5 v ，量程为2 9 。无论如何放置，与水平面垂直的方向会受到1 9 的加速度。传感 器内置信号滤波调制电路，直接输出表征加速度的直流电压。图2 3 是该加速度计 的图形。 e 盛窑堑厶：王麴l = i 三位丝童丛】k by ! e 堕丝墨j 塾墨蠡盥丞筮王鱼 2 3 3陀螺简介 i 璺i2 3c x l 0 2 l f 3 卡e n v - 0 5 d 的实物 f i g 2 3c x l 0 2 l f 3a n de n v - 0 5 d 陀螺仪是典型的姿态传感器，用柬检测载体的角速度信息，系统启动时陀螺 仪归零，认为当前姿态是角度为零的值，测出的角度和位置构成位姿信息( x ，y ， 日) ，它是定位的基础。 本系统中采用的陀螺仪是只本生产的压电振动陀螺仪，型号为e n v 0 5 d ，该 陀螺仪利用偏转时的科罩奥利力，通过压电陶瓷晶片来测量角速度。这种基于震 动理论的陀螺仪，由于没有高速旋转的转子和相应的支承系统，因而具有性能稳 定、结构简单、可靠性高、承载能力大、体积小、成本低等特点。振动陀螺仪的 共同机理是利用高频震动的质量在被基座带动旋转时，所产生