沙盤模型列車控制系統(tǒng)設(shè)計與研究

羅育輝++邱曉歡

摘 要：沙盤模型列車控制系統(tǒng)采用F28M3x微處理器，提出列控系統(tǒng)的設(shè)計方法，實現(xiàn)模擬列車的自動行駛、位置及速度檢測、信號燈識別、無線信號雙向傳輸、電源管理等功能，滿足了軌道運輸運營實驗及研究需求。

關(guān)鍵詞：沙盤；MCU；列車控制

中圖分類號：U284 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0029-02

Abstract： The sandbox model train control system adopts the F28M3x processor， present the design method of the train control system， realizes the automatic drive， the position and velocity detection， the signal lamp recognition， the wireless signal bidirectional transmission， the power management and so on， satisfies the track transportation Operational experiments and research needs.

Keywords： sand table； MCU； train control

引言

沙盤為軌道運輸運營行業(yè)提供了一個直觀、良好、綜合的仿真平臺，可以模擬鐵路、城市軌道交通運營的真實環(huán)境，在正常及非正常行車組織和調(diào)度提供良好的訓(xùn)練平臺。模型列車作為沙盤系統(tǒng)中核心組成模塊，其運行控制性能好壞直接影響整個沙盤系統(tǒng)的使用效率。目前沙盤模型列車大都采用軌道供電，速度恒定，不具備自動行駛功能，不能自主識別前方信號燈狀態(tài)，對復(fù)雜環(huán)境下的軌道運輸運營起不到良好的模擬效果。針對目前的弊端，本文提出一種智能沙盤模型列車控制系統(tǒng)：采用微處理器（MCU）為核心，設(shè)計具備模型列車的自動行駛、位置檢測、速度檢測、信號燈識別、無線信號的交互傳輸、模型車獨立電源等功能的模型列車控制器， 能有效模擬各種行車環(huán)境的列車運行狀況，系統(tǒng)具有信號處理速度快、響應(yīng)時間短等特點。

1 沙盤模型列車控制系統(tǒng)基本組成

沙盤模型列車能在沙盤實訓(xùn)室內(nèi)實現(xiàn)自動行駛、實時上傳及存儲位置及速度等運行數(shù)據(jù)、自動識別信號指示燈、采用自帶電源及其管理裝置、實現(xiàn)列車的速度精確控制等功能，其系統(tǒng)框圖如下：

采用以MCU（微處理器）為核心的控制器，速度傳感器采集速度信號及讀卡器讀出的位置信號傳輸給MCU，處理器計算出位置及速度信號通過無線通信方式上傳至上位機，同時存儲在本地的存儲卡并實時顯示與本地顯示屏。信號燈通過安裝在機車頭上的攝像頭采集圖像信息，識別信號燈狀態(tài)，圖像識別出的信號燈狀態(tài)與調(diào)度信號進(jìn)行比較，當(dāng)信號不一致時采用圖像識別的狀態(tài)，這種方式對列車運行的可靠性增加了一層保障，提高列車安全性，并可根據(jù)信號燈狀態(tài)通過MCU輸出的調(diào)速控制信號實現(xiàn)對模型車的啟動、停止及調(diào)速。電源管理模塊采用可重復(fù)充電的鋰電池提供動力，能對電池的電量等狀態(tài)實時監(jiān)控，并為列車控制器提供工作電源，當(dāng)電量不足時，給出低電量提示。

2 沙盤模型列車的系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)字處理器采用TI的F28M36H33C2，是一款具有主從系統(tǒng)的高性能處理芯片，將ARM Cortex-M3TM內(nèi)核與 C28x 內(nèi)核結(jié)合到一個器件之上，實現(xiàn)了連接和控制一體化。通信子系統(tǒng)基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的32位ARM Cortex-M3 CPU具有豐富的通訊接口（CAN、Ethernet、UART、SSI等），實時控制系統(tǒng)基于TI工業(yè)控制的32位的C28x的數(shù)字信號處理器，具有高性能的控制性能，包含ePWMs和故障檢測功能。

模型列車內(nèi)部配裝無線通訊模塊，開闊地?zé)o干擾通信距離30-60米，底部安裝讀卡器，實時將模型列車位置信息、運行速度、總里程等實時運行數(shù)據(jù)信息通過無線方式傳輸給控制中心。模型列車具有運行速度檢測功能，并實時將列車運行速度值上傳。

遠(yuǎn)程無線控車通信模塊能與模型列車進(jìn)行無線雙向通信，該模塊能實現(xiàn)全沙盤范圍內(nèi)的無線通信覆蓋，實時將列車狀態(tài)發(fā)送到調(diào)度中心，并接收調(diào)度中心的加速、減速、停止、啟動、換向運行等控制命令，可確保調(diào)度中心能夠?qū)崟r與模型列車保持雙向通信。一個遠(yuǎn)程無線控車通信模塊控制多輛模型列車。

采用模型列車讀卡器讀取地面應(yīng)答器信息，進(jìn)而判斷車輛位置的方式完成車輛位置檢測功能的實現(xiàn)。在模型軌道下方鋪設(shè)模擬地面應(yīng)答器，每列模型列車底盤下方安裝讀卡器，當(dāng)模型列車運行鋪設(shè)有模擬地面應(yīng)答器的軌道上方時，讀出存儲在模擬地面應(yīng)答器上的位置信息，通過安裝在列車上的無線傳輸模塊將信息傳輸?shù)娇刂浦行模_(dá)到實時、準(zhǔn)確檢測每列列車位置的目的。

在沙盤信號燈處理上采用攝像頭采集信號燈狀態(tài)，并根據(jù)識別出來的信號燈狀態(tài)做出相對應(yīng)的響應(yīng)，最大限度模擬軌道交通司機人工駕駛模式。信號燈狀態(tài)從顏色來分，列車信號燈有紅色、黃色、綠色、白色四種顏色，并且這四種顏色的位置在信號燈背板上沒有相對固定的位置，同時也有多重組合，不同信號燈指示不同列車信號，如表1所示。

信號燈檢測系統(tǒng)由預(yù)處理模塊、檢測模塊、識別模塊、跟蹤模塊組成，使用平均顏色偏移率來實現(xiàn)校正，將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖，再用加權(quán)平均值法由灰度圖轉(zhuǎn)化為二值圖來實現(xiàn)圖像的分割和識別。根據(jù)閾值，將灰度圖轉(zhuǎn)換為只有0和1表示的圖像，用高斯濾波法實現(xiàn)圖像增強。同時用基于camshift的目標(biāo)跟蹤發(fā)，實現(xiàn)信號燈的跟蹤，提高信號燈的檢測速度及準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語

本文提出一種針對現(xiàn)代沙盤實訓(xùn)室中軌道車的列車控制系統(tǒng)方案，具有自動化和智能化的特性，最大限度模擬軌道車運行的真實狀況，實現(xiàn)對模擬列車的自動行駛控制及遠(yuǎn)程調(diào)度控制。

參考文獻(xiàn)：

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[3]http：//www.ti.com/product/F28M36H33C2/datasheet.