摘要：随着自动化的发展，直线轨道车在仓储、机械加工和化工等领域得到广泛应用。直线轨道车复合机械设备按照生产工艺的要求，需要在轨道上处于一种“行走—对正停车—操作”的自动往复运行状态，在实际生产过程中由于轨道车的结构庞大、行走惯性大，造成定位精度不高，严重影响生产效率。以大型游乐设施轨道车精确定位，实现设备的自动化控制为主要研究内容。为推动大型游乐轨道车精准定位设计规划，本文在原有设计规范的基础上，结合现阶段的行业发展现状，通过系统的分析和综合的判断，提出专项的定位设计工作思路，以求全面提升游乐设施轨道车的安全性。

关键词：大型游乐设施；轨道车；精确定位设计

引言：像大型游乐设施这一类机械设备按照生产工艺的要求，需要在轨道上处于一种“行走—对正停车—操作”的自动往复运行状态，在实际生产过程中由于轨道车的结构庞大、行走惯性大，造成定位精度不高，严重影响生产效率。轨道车活动频繁、运行时自身振动大，使系统的准确检测与定位控制难以保证，针对这些问题各国工作者相继提出多种解决方案，值得我们借鉴使用。 轨道车就字面意思来说就是以轨道为导向行驶的车辆。在游乐行业中，轨道车是游客在进行项目体验游玩的过程中所用到的一个载体，因为轨道车是时刻在运动的，如果出现定位不准确的情况就很容易出现动作上的误差。所以，对轨道车的精准定位是至关重要的一个环节。针对这个问题，本篇文章先对游乐行业中的游乐设施的现状进行了简要地分析，然后对游乐设施中轨道车做了简单的概括，并且，在最后对大型游乐设施轨道车的精准定位设计进行了一系列的探讨。

一、轨道车精确定位系统研究现状分析

国内最早的应用是将光电传感器，一般采用旋转编码器，安装在车轮上用来检测车辆运行位置，通过对旋转编码器输出的两路脉冲进行辨向，后接可逆计数器就能实现焦车绝对位置的检测。另一种低成本的解决方案是在铁轨旁安装齿条，用齿轮带动旋转编码器的办法，可以达到同步运转，然而由于轨道车的环境恶劣，铁轨不直不平，车辆横向窜动、粉尘、振动等原因，经常造成齿轮脱啮，而不能正常使用。

采用对射方式组成的红外线编码系统是 20 世纪 90 年代我国出现的一种识别方法，它采用了绝对编码，理论上没有累积误差，在南京梅山焦化厂等就是采用了这种方法。由于是光路藕合，在焦炉恶劣环境中烟雾粉尘会产生干扰，并带来较突出的维护工作量，但总体上这还是一个较可靠实用的识别方式。

感应无线技术是发达国家 20 世纪七十年代末兴起的一项新技术，目前仅日本住友等几个大公司掌握该技术，该技术主要应用于大型机车的数据通信、地址检测，并结合计算机技术、自动化技术达到自动控制的目的。感应无线技术将无线通讯与位置识别合于一体，能实现大型移动设备的定位和与地面通讯，能适应恶劣的环境，在技术上是较好的解决方案，已在武汉钢厂使用，效果非常理想。但这种方案的最大缺点是技术复杂，成本昂贵。

射频识别（RFDI）技术是 20 世纪 90 年代兴起的一项新型自动识别技术，它的突出优点是利用无线射频方式进行非接触双向通讯，从而达到识别目标和数据交换的目的，利用电子标签的信息标示可以完成多目标识别，RFID 技术已见应用于交通、商业自动化等领域。

总体说来，停车对正的自动化控制不十分理想，主要体现在定位精度不高，轨道车的自动对正误差一般在±50mm 以上，以济钢引进的芬兰控制系统为例，自动对正误差竟达到±100mm。如此高的误差，仍需机车司机手动进行位置调整，人工的参与大大降低了自动控制的效率。现阶段，国内外的控制系统中达到±10mm 的精度的寥寥无几，日本、德国的系统要么技术保密，要么技术过于复杂，我们都无法直接借鉴。鉴于此，另辟蹊径，设计开发出新的定位系统是我们的重要工作。

二、大型游乐设施轨道车一般定位方法分析

随着近几年来轨道车的发展，国内外学者提出了多种轨道车定位技术，现小结如下，并加以分析。

1、基于里程计累加测距的定位技术

里程计是一种根据随车轮一起转动而输出固定脉冲的传感器，控制器通过连续记录其脉冲数可以计算出车行驶过的距离。由于一般的轨道车直线行走，因此可根据车在轨道上行驶过的距离，确定车的具体位置。该技术采用旋转编码器，将旋转编码器安装在车轮轴上，这样编码器可以与车轮同步旋转，通过脉冲数及车轮周长计算车辆行走距离。控制器通过检测旋转编码器输出的两路脉冲分辨出轨道车的行走方向。使用该技术定位时的误差主要包括计数误差与轮径磨耗两个方面。根据以上误差来源一般的解决方案是在铁轨旁安装齿条，用齿轮带动旋转编码器同步运转，根据脉冲数及齿轮的周长进行计算。可以根据精度要求增加编码器的每周输出脉冲数。实验数据表明该方法定位精度可以达到±1mm。

（2）基于测速的定位技术

由于轨道车线路的直线性，通过检测轨道车的实时行驶速度，通过计算分析得出轨道车的实时位移。可以通过多普勒雷达测速、旋转测速等方式测量。多普勒雷达法是利用多普勒效应测量轨道车行驶速度的一种方法。多普勒雷达安装在轨道车上，接收设备安装在地面上，雷达定时向地面发送一定频率的微波信号，并检测其反射信号。由位于轨道车上的控制器根据反射波与入射波的夹角、入射时间与发射时间及雷达距地面的距离计算出轨道车行驶速度，从而得出轨道车的位置。德国某公司研制的测速雷达的测速范围在 0.2-600km/h 之间，当车速低于 100km/h 时绝对误差不超过 0.4km/h，车速在 100-600km/h 之间时相对误差小于 0.4%。

3、基于电磁波测距的定位技术

在空气中传输的电磁波根据频谱可将其分为无线电波、微波、红外线、激光等，由于电磁波在空气的速度是固定的，一般将调制信号加载在电磁波上进行传输，通过测量比较其发射波与接收波的时间差或相位差得出行走距离。定位精度与调制信号频率有关，调制信号频率越高则测量精度越高。 红外定位技术是该技术的应用之一，主要分车载部分及地面站部分。其基本原理为：编码红外线经过高频调制通过地面站发出。车载活动标尺为红外接收设备，将接收到的高频波在标尺上进行分析，判断出轨道车所处位置。由于采用调制后的高频波有很强的抗干扰性，因而对精准定位有了保证。目前此项红外定位技术已经在我国很多钢铁厂有了很多实践项目，测量精度可达到 1cm。

4、基于卫星系统的定位技术

这种定位方式采用全球定位系统（GPS）。全球定位系统由卫星和 GPS 接收机组成。轨道车通过使用 GPS 接收机，接收多颗定位卫星发送来的定位信息，就可以通过计算分析出所在位置。GPS 卫星定位属于相对运动状态下工作，限制了定位的精度。有些地方比如山区，森林等，GPS 信号容易受到周围环境的影响，需慎重考虑使用这种方法。

5、基于感应回线的定位技术

感应回线定位技术是将两条电缆交叉的平铺在轨道上，并在轨道车装配一感应线圈，当感应线圈每经过一个电缆交叉点时，车载设备检测到感应线圈内信号的极性发生一次变化，记录极性变化的次数从而确定轨道车行驶过的距离；当然也可以将感应线圈的信号极性固定，通过检测电缆极性的变化，达到轨道车定位的目的。交叉感应回线定位方式只能实现轨道车的相对定位。 感应回线定位方式采用编码电缆位置检测方式，该方式特点有：通过安装在轨道车上的感应线圈与铺设在地面上的编码电缆之间的电磁耦合来检测轨道车的位置，可以准确地测量出所在位置。编码电缆是多对电缆以一定规律交叉组合而成，对于外部电平干扰具有很强的抑制能力。通过检测各电缆极性变化，利用各对地址线接收到的信号的相位和基准线接收到的信号的相位相比较，相位相同时为“0”，相位相反时为“1”，一般采用格雷码进行组合排列从而得出轨道车的绝对距离。现在邯钢，宝钢使用编码电缆定位技术的定位精度中可以达到 10mm，而国内通过建立模型试验可以使定位精度达到 2mm。

三、基于二维码轨道车精确定位系统的设计

轨道车精确定位系统工作质量偏低，不但会给游客的游乐体验产生不好的影响，严重的甚至会造成安全事故的发生，所以，轨道车的精确定位在游乐项目中是非常重要的。我国当前的轨道车定位基本上都是利用“数格子”的方式，这里说的“数格子”也就是说沿着轨道车的运动路线均匀的铺上反光板，在依据轨道车上的检测开关检测到的反光板的数量对轨道车进行有效的定位。因为反光板之间的距离比较大吧，又由于轨道车本身的惯性作用。在实际运行的过程中产生“错数”和“漏数”的状况，致使系统进行错报，在很大程度上降低了轨道车定位的精准度，进而影响了游乐项目的体验效果。

1、二维码的选取

我国当前QR二维码在各个不同的领域中都得到了非常广泛的应用，并且还在不断地改变我们的生活方式。二维码由于其自身的优势以及特点，在现阶段的社会中已经被广泛地应用在票证、优惠券、支付收款等多项用途中。通过二维码我们能够直接通过对相关的二维码进行扫描来实现对网站的内容进行访问、查询以及下载等。除此之外，二维码不但能够印刻在纸质的报刊上，还能够保存在手机或者电脑的屏幕之上，只要具有相关的扫码设施就可以对二维码的内容进行破解，我国当下所有的智能手机都具有扫描QR码的性能，在很大程度上简化了QR码的检修以及维护，所以，我们应该利用QR码来进行轨道车的精确定位。

2、轨道信息的设计

在影视类的游乐项目中，轨道车的轨道大多是呈现为环形的，按照场次的规定进行循环的运动，我们可以按照游乐项目中不同的场景对轨道进行信息的编码。将轨道按照不同的场景进行划分，形成多个不同的区域，每个区域按照轨道的长度进行等距分割，分割后的每一个片段就是一个二维码，这个二维码所代表的就是该轨道车的具体位置。

3、基于二维码技术的精确定位系统的搭建

因为二维码本身具有高密度编码的性质，其信息的容量是非常大的、容错能力也十分强大，就算是二维码因为穿孔、污损等状况造成局部的破损，也依旧可以准确的加以识别读取，毁损面积达到百分之五十也可以做到信息的恢复，其编码的范畴也比较广泛，不仅能够将签字、文字、图片、声音以及指纹等通过条形码展示出来，还可以表示很多种不同的语言文字以及诸多的图像数据，译码的可靠性非常高、符号的形状、尺寸、比例都能够按照实际的需要进行转变，并且成本是比较低的，比较容易制作，具有持久耐用的特点，适用于轨道车的运行环境，所以，我们才把二维码技术引入到轨道车的定位系统。

四、定位系统设计分析

1、方案设计

PLC 将接收到的实际位置结果经过滑动平均值法滤波，与指定值进行比较得出偏差，当轨道车需要到目标值进行工作时，即偏差不为零时，PLC输出量为“1”，控制继电器闭合。此时轨道车以恒定的速度向目标靠近，偏差随着行走逐渐缩小。此过程类似于比例调节规律，比例系数为轨道车的匀速度。通过测试计算得出该轨道车的匀速度为 50mm/s。 当到达停车位置时，PLC 输出量为“0”，控制继电器打开，轨道车向目标值减速滑行。停车位置的设定在下面章节具体讨论。 滑行停车后如果没有达到目标范围，即偏差大于规定值，PLC 通过定时闭合继电器控制电机点运行走到目标值中。

2、流程设计

定位开始时，PLC 通过目标位置与现在停车位置的对比，判断轨道车正行还是逆行，控制电机启动加速到正常速度后，匀速向目标行驶，同时将激光测距仪开启，PLC 将接收到的数字量采用滑动平均值法进行滤波，使控制器每次扫描结果始终保留最新的采样结果。 行走过程中 PLC 周期性的通过实时位移值与目标值进行对比，判断轨道车是否到达停车位置，当到达停车位置时，交流接触器释放，电机断电，轨道车从匀速到停止，由于惯性产生一段滑行距离，每次停车均存储更新正行程滑行距离或逆行程滑行距离。 当轨道车滑行完毕后判断实际位置与定位位置差值是否大于点动位移，若大于时轨道车点动到目标值中。 轨道车的实际停车位置与目标位置误差距离小于点动位移时停止操作，抱闸，进入下一步动作。采用的抱闸电源单独进行抱闸释放，轨道车行走时将抱闸释放，定位准确后抱闸，方便进行下一步动作。

3、位置数据处理法

激光测距仪传输的位移信号为数字量，在实际运用中 PLC 控制器接收到的信号中时有位移值突变的“坏点”出现，使得轨道车时走时停，控制结构稳定性不好，本定位系统将 PLC 控制器接收到的数字量通过滑动平均值法滤波，这样既克服了算术平均法的延时，又使得控制器始终可以获得最新的采样结果。 滑动平均值法采用一个固定长度的数据队列作为原始数据，根据 PLC 的程序循环速度每进行一次新的循环，就把最新检测位移送到队列的最后一位数据，将原来队列最前一位数据的采集结果去掉，这样每采样一次，队列向前平移一次，在数据队列中始终保留这个最新的采样结果，将这个采样结果当作这个时刻的位移值进行计算。

4、停车位置修正法

由于轨道车的惯性、传动机构摩擦因素不确定的变化等因素，当 PLC 发出停车命令时轨道车仍滑行一段距离，因此在轨道车行驶到距离目标值一定距离时，PLC提前发出停车命令，想要精确的定位必须找到正确的提前停车位置。由于轨道车传动机构和质量分布的非对称性，其正行程和逆行程的速度是不同的，在本定位系统中是将定位停车命令区分为正行程滑行距离和逆行程滑行距离的。提前定位停车位置分别用正行程滑行距离和逆行程滑行距离推算的，正行程定位停车位置等于目标位置减去正行程滑行距离，逆行程定位停车位置等于目标位置加上逆行程滑行距离。

5、点动调整法

点动是电动机控制方式的一种，启动很快就停止。在本定位系统中启动和停止信号是由 PLC 发出的，可以在很短的时间完成，可以短到电机没有反应，这里有交流电，电机及齿轮减速器的惯性，接触器的动作时间等因素。本定位系统所述“最小点动时间”就是在综合上述因素的条件下，在实际装置上，通过多次试验获得的可靠动作最小时间，当然获得该轨道车可靠移动的最小距离—点动位移。同时还要通过多次试验获得的下次点动的间隔的最小时间。在本定位系统中最小点动时间为 80ms，点动位移为 3mm；点动间隔时间 2s。 点动调整是当轨道车滑行停车后，实际位置与目标位置的误差距离大于最小点动位移时，PLC 控制器控制交流接触器依据最小点动时间定时闭合，轨道车“点动”行走，当轨道车实际停车位置没有达到目标值时车可以正向“点动”到目标值中。

总结：随着我国社会经济的不断发展以及科学技术水平的不断提高，人们的生活水平有了明显的好转，游乐项目也渐渐地出现在人们的生活当中。原始的游乐项目通过机械的作用来实现快速穿行、旋转等运动，由于现如今人们对游乐项目中的安全问题十分的重视，所以轨道车在游乐项目中的应用变得越来越广泛。希望本文对轨道车精确定位的探究可以为相关人员提供一定的参考作用。

参考文献：

[1]李农. 大型游乐设施轨道车精确定位设计与研究[J]. 科学与信息化， 2017（33）：2.

[2]佚名. 大型游乐设施轨道车精确定位设计与研究[J]. 中文科技期刊数据库（引文版）工程技术：00251-00252.