基于GPS的机车头灯自动寻迹系统控制算法的研究

论文摘要

为了提高铁路现代化的水平,中国提出了铁路大提速战略。随着铁路大提速的实施,火车行驶的速度越来越快,不安全因素也相应增加。为了解决火车在夜间或能见度低的情况下安全行驶的问题,一种基于GPS 的机车头灯自动寻迹系统应运而生。通常头灯是固定在机车头部的,它发射出的光线与机车行驶方向始终保持一致。然而,当机车驶入弯道的时候,光线就无法一直照射到轨道上。为了解决上述问题,该系统应用全球定位系统卫星提供的定位信号,控制可旋转的机车头灯,使其射出的光线始终落在轨道附近,达到自动控制机车头灯的目的。发达国家在GPS—机电一体化应用方面技术比较成熟,所以该系统既借鉴了国外的先进经验,同时也根据中国的具体实际情况加以了改进。控制算法由三个子系统组成:GPS 数据采集子系统、GPS 数据处理分析子系统、车载控制器子系统。GPS 数据采集子系统负责对预定线路GPS 数据的采集工作;GPS 数据处理分析子系统是对机车路线规划,利用采集到的GPS 数据如何利用三次样条插值原理规划出一条模拟实际路线的虚拟线路,以此为依据计算出机车头灯应该旋转的角度,生成数据表文件下载到车载控制器中。车载控制器的功能是在机车上道运行时,实时接收GPS 卫星提供的定位信息,根据控制算法,驱动机车头灯旋转。经过理论推导、计算机模拟实验及上道实验,证明系统的控制算法是有效的。

论文目录

• 第一章 引言
• 1.1 概述
• 1.1.1 中国铁路大提速
• 1.1.2 问题的提出
• 1.2 国内外GPS 应用的发展概况
• 1.2.1 国内发展概况
• 1.2.2 国外发展概况
• 1.3 课题来源
• 1.4 课题在理论和实际应用方面的意义
• 第二章 GPS 技术概述
• 2.1 GPS 概况
• 2.2 GPS 组成
• 2.3 GPS 定位原理
• 2.4 GPS 的功能
• 2.5 DGPS 技术简介
• 2.6 GPS 误差分析
• 第三章 系统概述及其组成
• 3.1 系统概述
• 3.2 系统组成
• 3.3 GPS 接收机
• 3.3.1 GPS 接收机的性能指标
• 3.3.2 GPS 接收机的选择
• 3.4 车载控制器
• 3.5 可旋转的机车头灯装置
• 第四章 GPS 数据采集子系统
• 4.1 GPS 数据采集过程
• 4.2 GPS 数据的数据结构
• 4.3 三种串行通信方案的比较
• 4.3.1 MSComm 串行通信控件
• 4.3.2 调用Windows API 函数
• 4.3.3 使用通信用动态链接库
• 4.4 GPS 数据采集程序
• 第五章 GPS 数据处理分析子系统
• 5.1 GPS 数据处理分析原理
• 5.1.1 数学模型
• 5.1.2 GPS 数据处理分析的流程
• 5.2 机车驾驶员明视距离
• 5.2.1 机车驾驶员动态反应时间
• 5.2.2 紧急制动距离的限制
• 5.2.3 火车运行速度的限制
• 5.3 样条理论基础
• 5.3.1 样条曲线的描述
• 5.3.2 样条曲线方程
• 5.3.3 三次样条插值算法简介
• 5.4 GPS 数据处理分析
• 5.4.1 GPS 数据预处理
• 5.4.2 路线规划算法
• 5.4.3 数据表文件的生成
• 第六章 车载控制器控制算法
• 6.1 控制系统的静态误差分析
• 6.2 车载控制器硬件电路简介
• 6.3 车载控制器控制算法设计
• 6.3.1 控制器设计
• 6.3.2 车载控制器程序
• 6.3.3 计算机仿真结果
• 第七章 实验及结论
• 7.1 实验
• 7.1.1 实验方案
• 7.1.2 实验程序
• 7.1.3 上道实验
• 7.2 结论
• 7.2.1 工作总结
• 7.2.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文