动产数据记录仪和发射机

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动产数据记录仪和发射机\n[0001] 相关专利申请的交叉引用\n[0002] 本申请根据法律规定要求2012年4月13日提交的第61/624,142号美国临时专利申请的优先权。\n技术领域\n[0003] 本发明一般地涉及用于高价值财产中使用的设备，并且尤其涉及高价值财产中使用的事件与数据记录系统。\n背景技术\n[0004] 诸如机车、采矿、货物、船舶和军用车辆和运载工具的高价值财产通常采用与飞机上的“黑匣子”相同的机载数据获取与记录装置。典型的机载数据获取与记录装置，或者事件/事件记录仪包括数字和模拟输入以及压力开关和记录来自机载感测装置的数据的压力传感器。这些事件/数据记录仪记录进行事故调查、组员表现评估、燃油效率分析、维修规划、和预测诊断使用的各种系统参数。记录数据可以包括诸如速度、行驶距离、地点、燃油量、每分钟发动机转数(RPM)、燃油油位、操作员控制、压力和环境条件的参数。除了基本事件和工作数据，视频和声频事件/数据记录能力也应用于这些动产中的许多中。\n[0005] 本发明的主要目的是提供自动碰撞检测、降低因为粗糙切换和系列操作产生的损失、通过消除过量空转降低燃油损耗、增强定位精度、改善路上燃油计量精度、以及提供实时跟踪监视。\n[0006] 本发明的另一个目的是将远程事故报警与碰撞检测、翻滚检测、操作员在事故之前和之后的操作的视频和记录合并，以完成事故分析。\n[0007] 本发明的另一个目的是利用基于加速表的俯仰和滚转测量，以提供移动油箱中的液位。\n[0008] 本发明的又一个目的是利用非侵入性加速表确定发动机和该发动机上的辅助负荷的运行/非运行状态。\n[0009] 本发明的另一个目的是结合记录操作动作和GPS地点数据，利用加速度数据精确定位恶劣工作环境，诸如坏轨道、波涛汹涌的海面和糟糕道路。\n[0010] 本发明的又另一个目的是在GPS信号不可用的情况下，诸如在车站和码头的罩子或者顶篷下面的情况下，组合利用高精度GPS、三轴数字加速表、数字罗盘和三轴数字陀螺仪，对动产提供基于航位推测的到达和出发通知。\n发明内容\n[0011] 机车上使用的本发明实施例的基于加速度的动产数据记录仪和发射机包括整体工作的九个部件。这些部件是：与飞机的黑匣子类似的事件记录仪、机车数字视频记录仪、燃油量传感器、燃油量传感器软件、无线处理单元、惯性导航传感器电路板、固件、系统软件以及包括这些部件的系统。惯性导航传感器电路板包括三轴数字陀螺仪、三轴数字磁强计、三轴数字加速表、以及微控制器。陀螺仪用于测量财产的角加速度和加速度，磁强计用于测量磁场，加速表用于测量线性加速度和减速度，并且微控制器用于处理数据，并且在传感器与无线处理单元之间通信。\n[0012] 动产数据记录仪和发射机执行七种功能：自动定方位、自动罗盘校准、利用俯仰和滚转的燃油补偿、具有碰撞检测的应急制动、恶劣工作条件检测、发动机运转检测、以及惯性导航(航位推测)。\n[0013] 当发生应急制动应用时，自动碰撞检测对适当人员发出报警，并且能够立即确定该碰撞是否符合制动事件。动产事件记录仪和发射机立即提供碰撞严重性的通知，包括指出机车脱轨或者翻滚事件。\n[0014] 恶劣工作条件检测降低了因为粗糙切换和系列操作产生的损失。当在切换操作时检测到高能碰撞时，提供报警和概况报告。还检测减速操作，以使监察人连续评估系列操作并且改善系列操作。通过识别不安全倾向并且使用户立即采取校正操作，能够减少装运和设备损伤。连续监视轨道状况和在整个道路上监视振动程度将需要检验和维修的坏轨道或者转辙器的精确地址通知轨道维护人员。\n[0015] 如果已经不能从其他机载系统访问发动机运转信号，则作为通过减少过多空转降低燃油成本的方式，基于加速表的发动机运转检测可以用作备用信源。通过补偿因为坡度高程和超高导致的机车倾斜，改善道路上的燃油准确性。\n[0016] 俯仰和滚转的燃油补偿改善燃油报告准确性。提供了一种简单通用并且非侵入式的方法来确定在机车停止时发动机是否在运转。提高准确性提供了一种增强实时商业智能，以支持策略启动，诸如智能加油、燃烧率分析、燃油核查、以及排放监测。\n[0017] 惯性导航或者航位推测增强定位准确性。当进入工场建筑、车站、隧道或者GPS信号不可用的任何地方时，利用综合航位推测增强与GPS不同的无线处理单元的高精度。这样提供高准确性的车站到达和出发时间，并且通过改善工场规划和工作流程，在工场区域内精确定位和确定机车方位提供工作效率。\n附图说明\n[0018] 将参考附图进一步描述本发明，附图中：\n[0019] 图1是示出利用本发明的碰撞检测系统进行应急制动操作的流程图；\n[0020] 图2是示出利用本发明的基于加速表的俯仰和滚转进行燃油补偿的操作的流程图；\n[0021] 图3是示出利用本发明的加速表进行可能恶劣工作条件检测操作的流程图；\n[0022] 图4是示出利用本发明的加速表的发动机运转检测系统的操作的流程图；\n[0023] 图5是示出本发明的惯性导航和航位推测系统的操作的流程图；\n[0024] 图6是示出本发明的动产数据记录仪和发射机的实施例的系统部件的示意图。\n具体实施方式\n[0025] 本发明的动产数据记录仪和发射机系统及其部件示于图6中。动产数据记录仪与发射机系统200包括互相关联部件：事件数据记录仪38、机车数字视频记录仪(DVR)52、燃油量传感器210、燃油量传感器软件212、WPU 202、惯性导航传感器电路板214、全球定位系统(GPS)106、固件224、系统软件226以及系统200本身。将WPU 202安装在诸如机车的财产上包括安装WPU 202和从外部将其连接到事件数据记录仪38、机车数字视频记录仪208以及任意附加可用条件观测装置。\n[0026] 与飞机上的黑匣子一样，事件数据记录仪38是机车的机载数据记录装置。典型的事件数据记录仪38包括数字和模拟输入以及压力开关和压力传感器，该压力传感器记录来自各种机载装置的数据，诸如节气门位置、轮速和紧急制动应用。WPU 202每秒通过外部串联连接从事件数据记录仪38接收并且处理一次数据。\n[0027] 与电视DVR相同，机车数字视频记录仪(DVR)52是机载视频记录装置。DVR 52装备有面朝前的摄像头和麦克风。以工程师看到什么摄像头久看到并且记录什么的方位安装摄像头。WPU 202通过外部以太网连接访问机车DVR 52，以在发生事件之前、之中和之后从硬盘驱动器下载视频。\n[0028] 燃油量传感器210是用于测量油箱中的燃油量的传感器。本发明采用的燃油量传感器210是超声波油位传感器，该超声波油位传感器利用超声波确定传感器头部与油位的距离。传感器210以公知的尺寸和安装地址安装在油箱的顶部。WPU 202通过外部串联连接存取该数据。\n[0029] 燃油量传感器软件212利用油箱几何结构获取从油位到传感器210的距离，并且将该数据转换为稳定油体积。这是通过进行数学滤波来降低油箱的晃动和超声波特性实现的。软件226还利用智能算法确定加油事件和油降事件。\n[0030] 所示实施例的WPU 202是运行为了工业应用而专门嵌入的Windows XP的加强型机载计算机。能够确定许多不同特征，以对特定客户的需要定制产品。WPU 202能够与各种大量机载系统通信，包括并不局限于包括：运载工具控制系统、事件数据记录仪、DVR、油位传感器以及发动机控制器。WPU 202能够通过大量各种协议，包括但并不局限于包括：RS 232、RS 422、RS 485、CAN Bus、LAN、WiFi、蜂窝和卫星，进行通信。\n[0031] 惯性导航传感器电路板(电路板)214是WPU 202的硬件升级。它安装在内部并且通过内部串行端口与WPU 202通信。电路板214包括四个部件：三轴陀螺仪216、三轴磁强计\n100、三轴加速表20以及微控制器222。陀螺仪216用于测量角加速度，磁强计100用于测量磁场，加速表20用于测量线加速度和减速度，并且微控制器222用于处理数据，并且在传感器与WPU 202之间进行通信。\n[0032] 固件224运行于电路板214的微控制器222上。固件224始终利用三轴加速度20的数据计算俯仰和滚转。通过比较三轴加速度数据，从而有计划地定义阈值和时长，固件224能够确定是否发生了触发事件，并且如果如此，则将触发事件消息发送到WPU 202。每隔1秒，固件224就将含有一组预定值的周期性数据消息发送到WPU202。该数据用于但并不局限于用于确定机头方向、内部环境温度和角加速度。\n[0033] 系统软件226是运行于WPU 202上的应用程序。该应用程序直接访问GPS 106和电路板214，以采集相关数据。除了该数据，与运行于WPU 202上的其他应用程序相同，系统软件226利用标准内部处理通信协议，采集来自其他软件应用程序的数据。这些其他软件应用程序运行于WPU 202上，并且与物理连接到WPU 202的其他装置(DVR 52、事件数据记录仪38等)通信。利用采集的所有数据，系统软件226能够将该数据与预定阈值和时长进行比较，以确定是否发生了特定事件。\n[0034] 系统200包括：WPU 202，安装有电路板214、固件224和系统软件226；以及事件数据记录仪38、DVR 52和燃油量传感器210。系统软件226运行于WPU 202上，该系统软件226始终校正油位，并且检验来自电路板214或者事件数据记录仪38的事件消息，以执行操作。\n[0035] 本发明的动产数据记录仪和发射机系统200(图6)执行7个功能：自动定方位；自动罗盘校准；利用碰撞检测的应急制动；利用俯仰和滚转测量的燃油补偿；恶劣工作条件检测；发动机运转检测；以及惯性导航(航位推测)。在三轴加速表20产生的信号中提取7种功能中的每种功能的因数。\n[0036] 利用自动定方位使WPU 202的轴与机车的轴相关，使得传感器测量的值与机车的轴对应。该处理由软件226和固件224执行。由于机车上的电子环境不同，所以需要对每个机车校准罗盘。该软件利用WPU 202的GPS 106(图5、6)确定机车的机头方向。然后，由磁强计\n100进行测量，并且将其存储在阵列的相应位置。该阵列包括360个位置，机头方向的每度由一个位置表示。利用这些值，WPU 202的软件226能够校正机车自己的磁场，并且仅检测因为地球磁场导致的变化。\n[0037] 图1是示出利用碰撞检测进行应急制动的方法应用的流程图。WPU 202(图6)的软件226(图6)将初始化命令发送到固件224(图6)，以在每个轴(Adx，Ady，Adz)14中确定用于触发事件的加速时长。将这些时长存储于嵌入系统200的机载装置中。WPU 202的软件226还将初始化命令发送到固件224，以在每个轴(Adx，Ady，Adz)16中确定，用于触发事件的加速度阈值。将这些时长存储于嵌入系统200的机载装置中(图6)。微控制器222(图6)以100Hz的速率从加速表20提取原始三轴加速度(Ax，Ay，Az)18的数据。对原始加速度值(Ax，Ay，Az)18应用低通滤波器22，这样产生滤波加速度值(Afx，Afy，Afz)24。将滤波加速度值(Afx，Afy，Afz)24的电路板214(图6)轴转换为财产轴(Af’x，Af’y，Af’z)26。将原始值(Ax，Ay，Az)18转换为财产轴(A’x，A’y，A’z)28。将财产轴(Af’x，Af’y，Af’z)26的滤波值与每个轴(Atx，Aty，Atz)16的确定阈值相加，并且然后，将这样相加的阈值(Af’tx，Af’ty，Af’tz)32与财产轴(A’x，A’y，A’z)28中的原始加速度连续进行比较。当原始值财产轴(A’x，A’y，A’z)26超过一个或者多个轴上的阈值32时，激活30定时器。当原始值28尚未超过特定轴30中的阈值时，估计原始值28超过阈值32的时长，以确定该时长是否超过该轴(Adx，Ady，Adz)14的特定时长。\n如果事件时长比确定的时长(Adx，Ady，Adz)14短34，则存储36触发事件，包括该轴上的特性、事件时长、以及触发事件的时间。与该监视并行，机载软件226(图6)从正在监视各种输入传感器的实时状态的机载事件数据记录仪38接收周期数据消息40。机载软件226监视周期性数据消息40，并且检测周期性数据消息40何时指出已经出现应急制动应用离散信号\n42。机载软件226存储发生应急制动应用事件的时间44。如果机载软件226存储触发事件36或者应急制动时间44，则机载系统软件226将检验每个事件的时间戳，以检查触发事件36或者应急制动应用44中记录的最新两个事件是否非常靠近46。如果检测到非常靠近发生的事件，则机载软件226将利用碰撞报警48触发应急制动应用，并将请求数字视频记录仪从机载DVR52进行涵盖事件时间的下载50，并且从事件数据记录仪38请求涵盖事件125的时间的数据记录文件。机载软件226接收涵盖事件54的时间的下载视频和涵盖事件127的时间的数据记录文件，并且将二者发送到后勤办公室56/128。\n[0038] 用户接收指出实际碰撞力和该碰撞是否导致翻滚或者脱轨的报警。这样，结合GPS地址，视频和立即访问数据记录仪信息可以使用户将事故的严重程度和范围精确转发到第一应答器，因为第一应答器是在到事故的途中。\n[0039] 图2是示出利用基于加速表的俯仰和滚转进行燃油补偿的方法应用的流程图。WPU \n202(图6)的软件226(图6)以100Hz的速率从加速表20提取原始三轴加速度数据(Ax，Ay，Az)\n18。对原始数据(Ax，Ay，Az)18应用低通滤波器22，这样产生滤波加速度值(Afx，Afy，Afz)\n24。将滤波加速度值(Afx，Afy，Afz)24的电路板214(图6)轴转换为财产轴(Af’x，Af’y，Af’z)26。财产的俯仰58是财产的滤波x轴和财产的滤波z轴的反正切：\n[0040]\n[0041] 财产的翻转601是财产的滤波y轴和财产的滤波z轴的反正切：\n[0042]\n[0043] 对于每个财产模型，在捕获到燃油传感器的特定安装地址后，安装该系统。具体地说，记录传感器安装于油箱62的中心的前面的距离。此外，还记录将燃油传感器安装于油箱\n64的中心的左侧的距离。\n[0044] 将中心62前面的距离与财产俯仰58的切线合并，以获得第一燃油距离调节。将中心64左侧的距离与财产的滚转的切线组合，以获得第二燃油距离调节。将第一和第二燃油距离调节组合，以提供单个燃油距离调节66。机载距离传感器记录从油箱顶到机载油箱中存在的油位的距离。从燃油传感器68到燃油70的原始距离与距离调节组合66组合，以产生调节距离72。调节距离72与先前确定的油箱几何轮廓74组合，这样将到油量数值的距离映射到燃油体积76。这样获得最终燃油体积78，随着财产行驶通过俯仰58和滚转60正在变化的各种地带，调节该最终燃油体积78，对运行的动产的油箱中的液体的运动进行补偿。\n[0045] 图3是示出利用加速表进行可能恶劣工作条件检测的方法应用的流程图。WPU 202(图6)的软件226(图6)将初始化命令发送到固件224(图6)，以在每个轴(Adx，Ady，Adz)14中确定用于触发事件的加速时长。将这些时长存储于机载装置中。软件226还将初始化命令发送到固件224，以在每个轴(Adx，Ady，Adz)16中确定用于触发事件的加速度阈值。将这些时长存储于机载装置中。微控制器222(图6)以100Hz的速率从加速表20提取原始三轴加速度(Ax，Ay，Az)18。对原始加速度值18应用低通滤波器22，这样产生滤波加速度值(Affx，Affy，Affz)24。将滤波值24的电路板214(图6)轴转换为财产轴(Af’x，Af’y，Af’z)26，将原始值18的电路板214轴转换为财产轴(A’x，A’y，A’z)。将财产轴(Af’x，Af’y，Af’z)26的滤波值与每个轴(Atx，Aty，Atz)16的确定阈值相加，并且然后，将这样相加的阈值(Af’tx，Af’ty，Af’tz)32与财产轴(A’x，A’y，A’z)28中的原始加速度连续进行比较。当原始值28超过一个或者多个轴上的阈值32时，激活30定时器。当原始值28尚未超过特定轴中的阈值32时，估计原始值28超过阈值32的时长，以确定该时长是否超过该轴(Adx，Ady，Adz)14的规定时长。如果事件时长比对轴(Adx，Ady，Adz)14确定的时长长，则存储36触发事件，包括在该轴上的特性、事件时长、以及触发事件的时间。\n[0046] 与该监视并行，机载软件226(图6)正在通过来自机载事件数据记录仪38(图1)和/或者来自机载GPS装置106(图5、6)的周期性消息监视财产速度。机载软件226监视财产速度\n80，并且检测该财产速度80何时超过规定值82。如果不仅速度80超过规定值82，而且在同一个时间84发生存储的触发事件36，则机载系统软件226将检验在哪个轴上触发该事件。如果在z轴86上触发该事件，则系统将记录可能的跟踪问题报警88。如果在x轴和y轴触发事件，则系统将记录操作员误操作报警90。如果发生了可能跟踪问题报警88或者操作员误操作报警90，则机载软件226将请求数字视频记录仪从机载DVR 52进行涵盖事件的时间的下载。机载软件226接收下载的视频54，并且将其发送到后勤办公室56。\n[0047] 现在，用户能够利用其动产的常规操作实时精确定位其财产遭遇诸如坏轨道/转辙器、波涛汹涌的海面和糟糕道路的恶劣工作条件的区域，并且实时报警。在识别到恶劣工作环境时，用户将立即收到报警、静止图像或者视频图像和关键操作黑匣子数据。维修队负责精确定位坏道路或者坏路。能够调整海上航线，以避开坝流(bar current)或者有浪的水面。当下一个装备有动产数据记录仪和发射机系统的财产经过以前标记的任何区域时，能够有效修改或者改变路线。\n[0048] 图4是示出利用加速表进行发动机运转检测的方法应用的流程图。WPU 202(图6)的软件226(图6)将初始化命令发送到固件224(图6)，以在每个轴(Aldx，Aldy，Aldz)14中确定用于触发事件的活动/关闭时长。将这些时长存储于机载装置中。WPU 202(图6)的软件\n226(图6)还将初始化命令发送到固件224(图6)，以在每个轴(Aldx，Aldy，Aldz)16中确定，用于触发事件的活动/关闭阈值。将这些时长存储于嵌入机载装置中。微控制器222(图6)以\n100Hz的速率从加速表20提取原始三轴加速度数据(Ax，Ay，Az)18。对原始加速度值(Ax，Ay，Az)18应用低通滤波器22，这样产生滤波加速度值(Afx，Afy，Afz)24。将滤波值24的电路板\n214(图6)轴转换为财产轴(Af’x，Af’y，Af’z)26，并且将原始值18的电路板214轴转换为财产轴(A’x，A’y，A’z)28。将财产轴(Af’x，Af’y，Af’z)26的滤波值与每个轴(Altx，Alty，Altz)86的确定活动/关闭阈值相加，并且然后，将这样相加的阈值(Af’ltx，Af’lty，Af’ltz)88与财产轴(A’x，A’y，A’z)28中的原始加速度连续进行比较。当原始值28超过一个或者多个轴上的阈值88时，激活90定时器。如果原始值28尚未超过特定轴中的活动/关闭阈值，则估计原始值28超过阈值88的时长，以确定该时长是否超过该轴(Aldx，Aldy，Aldz)84的特定时长。如果事件时长比对轴(Aldx，Aldy，Aldz)84确定的时长长，则存储92触发关闭/活动事件34，包括该轴上的特性、事件时长、以及触发事件的时间。当触发活动/关闭事件时，更新94发动机运转状态。\n[0049] 图5示出惯性导航(航位推测)的方法应用的流程图。微控制器222(图6)以100Hz的速率从加速表20提取原始三轴加速度数据(Ax，Ay，Az)18。对原始加速度值(Ax，Ay，Az)18应用低通滤波器22，这样产生滤波加速度值(Afx，Afy，Afz)24。将滤波值24的电路板214(图6)轴转换为财产轴(Af’x，Af’y，Af’z)26。财产的俯仰58是财产的滤波x轴和财产的滤波z轴的反正切：\n[0050]\n[0051] 财产的翻转60是财产的滤波y轴和财产的滤波z轴的反正切：\n[0052]\n[0053] 对财产的x轴上的加速度进行积分，以计算财产速度98：\n[0054] ∫assets accelerationx-axts\n[0055] 特别是，微控制器222(图6)以1Hz的速率从磁强计100提取三轴高斯数据(Gx，Gy，Gz)。利用磁强计数据102以及财产俯仰58和滚转60，计算倾斜补偿机头方向104。此外，特别是，机载GPS装置106以1Hz的频率提供更新的地址数据。机载软件226确定是否存在有效GPS数据108。如果GPS信号可用，则机载软件226每隔一秒将数据110剖析为：GPS速度126、机头方向128、纬度114、和经度116，并且将存储118该纬度114和经度116。如果确定GPS数据不可用，则系统200(图6)进入航位推测模式112。在航位推测模式112中，从GPS 106获取最后得知的纬度114和经度116并且存储118它们。利用最后得知118的纬度114和最后经度116以及财产速度98、来自数据记录仪数据126的轮速、倾斜补偿机头方向104和来自三轴陀螺仪的数据129，计算新位置120。存储并且使用新纬度122和新经度124位置，并且该处理继续，直到有效GPS数据再一次可用。\n[0056] 在GPS信号被罩子和顶篷阻挡或者部分阻挡的环境下，用户将接收精确出发报警和到达报警并且做记录。即使在放弃因为RF信号丢失或者干扰而无用的GPS装置的区域中，该系统200(图6)仍允许用户定义虚拟“行驶线路”。当GPS信号不能计算准确地址数据时，通过对财产经过出发和到达虚拟“行驶线路”的准确时间进行报警和记录，惯性导航能力对时间表矩阵实现自动操作性能。\n[0057] 为了说明和描述，上面对所示的本发明实施例进行了描述，并且上面的描述不是详尽描述，或者无意使本发明局限于所公开的具体型式。描述是为了最好地理解本发明的原理和这些原理的实际应用，从而使本技术领域内的技术人员以适合所设想的特定用户的各种实施例和各种修改例最好地应用本发明。无意使本发明的范围受到说明书的限制，而意在由下面所附权利要求书限定本发明的范围。