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感應(yīng)無線位置檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2011-07-21

中心議題:

  • 感應(yīng)無線位置檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
  • 感應(yīng)無線位置檢測方法研究
  • 感應(yīng)無線位置檢測電路

解決方案:

  • APD檢測和HRPD檢測
  • 感應(yīng)無線位置檢測實(shí)例分析
  • 感應(yīng)無線位置檢測實(shí)驗(yàn)


工業(yè)作業(yè)機(jī)車的自動(dòng)定位是機(jī)車自動(dòng)化操作的基礎(chǔ),它要求檢測裝置能精確、快速、可靠地檢測機(jī)車行走位置。感應(yīng)無線技術(shù)是二十世紀(jì)七十年代末在日本發(fā)展起來的一項(xiàng)新的工業(yè)應(yīng)用技術(shù),主要是針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中大型移動(dòng)機(jī)車的自動(dòng)化而研制的。感應(yīng)無線位置檢測是通過安裝在移動(dòng)機(jī)車上的天線箱中的感應(yīng)線圈與敷設(shè)在地面軌道旁的編碼電纜中傳輸對(duì)線之間的電磁感應(yīng),檢測感應(yīng)信號(hào)的相位與幅度,從而得到移動(dòng)機(jī)車的位置。感應(yīng)無線位置檢測的特點(diǎn)是重復(fù)性好、檢測精度高、安全性好、適用性強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高。

1 感應(yīng)無線位置檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

自動(dòng)控制系統(tǒng)中,必須解決兩個(gè)基本問題:a.控制和受控雙方可靠的數(shù)據(jù)通信;b.移動(dòng)機(jī)車所在位置的位置檢測。感應(yīng)無線位置檢測系統(tǒng),將感應(yīng)無線數(shù)據(jù)通信和位置檢測融合在一個(gè)系統(tǒng)中,它由位置信號(hào)發(fā)生器、編碼電纜、感應(yīng)天線、位置檢測器組成。其中感應(yīng)天線箱安裝在移動(dòng)機(jī)車上隨機(jī)車移動(dòng),且始終與編碼電纜保持距離z;編碼電纜部分由編碼電纜、連接電纜、匹配阻抗構(gòu)成。感應(yīng)無線位置檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 感應(yīng)無線位置檢測系統(tǒng)框圖

2 感應(yīng)無線位置檢測方法研究

2.1 APD檢測
一般位置檢測(APD)原理:中控室地面局按一定順序,分時(shí)向編碼電纜中各檢測位置傳輸對(duì)線發(fā)送載波信號(hào),天線箱中的感應(yīng)線圈作接收線圈,移動(dòng)機(jī)車上的位置檢測器檢測接收線圈收到的載波信號(hào),進(jìn)而得到接收線圈的位置。APD檢測結(jié)構(gòu)平鋪圖如圖2所示。

圖2 APD檢測結(jié)構(gòu)平鋪圖

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在t0、t1、t2、t3、t4時(shí)間段,分別向傳輸對(duì)線R、R’、G2、G1、G0發(fā)送載波信號(hào),在t5時(shí)間段不發(fā)送。車上天線箱中有兩個(gè)接收線圈:接收線圈0和接收線圈1。APD檢測是從接收線圈0感應(yīng)信號(hào)的相位中得到APD位置。在t0時(shí)間段,線圈0感應(yīng)的是R線發(fā)送的信號(hào),稱為R信號(hào);在t1時(shí)間段,線圈0感應(yīng)的是R’信號(hào),R’信號(hào)與R信號(hào)反相,記為=1,作為起始位;在t2時(shí)間段,線圈0感應(yīng)的是G2線發(fā)送的信號(hào),G2=0或1,取決于接收線圈0的位置。若接收線圈0的中線分別在①、②、③、④的位置,則接收線圈0的接收信號(hào)的相位如圖3所示。

圖3 接收信號(hào)相位示意圖

由于各路G對(duì)線按照格雷碼規(guī)則交叉,所以相位比較的結(jié)果數(shù)據(jù)G2 G1 G0是一組格雷碼,設(shè)格雷碼G2 G1 G0對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為g,即g為APD位置數(shù)據(jù)。對(duì)圖3中的二進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控(2PSK)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào),并以=1作為起始位,則有:在圖2的位置①, G2 G1 G0=000,g=0;在位置②,G2 G1 G0=010,g=3;在位置③,G2 G1 G0=110,g=4;在位置④, G2 G1 G0=111或101,g=5或6??傻玫紸PD位置公式為: APD=g X r

2.2 HRPD檢測
高分辨率位置檢測(HRPD)原理:位置信號(hào)發(fā)生器分別對(duì)傳輸對(duì)線G0、發(fā)送載波,檢測接收天線線圈1感應(yīng)信號(hào)幅度,通過運(yùn)算得到HR-PD位置。以線圈1中心線為移動(dòng)機(jī)車的位置,傳輸對(duì)線兩交叉間的區(qū)域稱為K區(qū)域K=I,II,III…);線圈1中心線偏離G0、傳輸對(duì)線所在區(qū)域中心線距離分別為d0、d1,顯然d0+d1=r。HRPD位置檢測如圖4所示。

圖4 HRPD檢測平鋪圖

在t6時(shí)間段,位置信號(hào)發(fā)生器對(duì)G0傳輸對(duì)線發(fā)送載波時(shí),G0的III區(qū)域?qū)€圈1的感應(yīng)面積為:S=(W-d0)xB,G0的II區(qū)域?qū)€圈1的感應(yīng)面積為S=d0×B,由于II、III區(qū)域?qū)€圈1產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)相位相反,所以線圈1有效感應(yīng)面積S=(W-d0)×B-d0×B=2(r-d0)×B。設(shè)線圈1最大感應(yīng)面積Smax=W×B=2r×B,對(duì)應(yīng)感應(yīng)信號(hào)最大幅度為Amax(y,z),則有:

在t7時(shí)間段,位置信號(hào)發(fā)生器對(duì)傳輸對(duì)線發(fā)送載波時(shí),對(duì)線圈1感應(yīng)信號(hào)作相同的分析,得:



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且有:
(1)線圈1的中心位于G0兩交叉間左半部(圖4位置①),此處檢測出來的APD位置數(shù)據(jù)g為奇數(shù),則HRPD=d1=P0×r。
(2)發(fā)送線圈的中心位于兩交叉間左半部(圖4位置②),此處檢測出來的APD位置數(shù)據(jù)g為偶數(shù),則HRPD=d0=P1×r。

綜上(1)(2),可得高分辨率位置HRPD和綜合位置ADD分別為:

2.3 感應(yīng)無線位置檢測實(shí)例分析
假定r=10cm。對(duì)天線箱線圈1分別處于圖4中的位置①、②、③,為分析方便只寫三對(duì)G傳輸線,則有:

(1)線圈1處于位置①

若G2 G1 G0=010,即g=3,則APD=2×r=30cm。
若測得傳輸對(duì)線G0、的幅度為:A(G0)=0.38Amax,A(G''0)=0.62Amax,
則由式(7)~(10)得:P0=0.38,P1=0.62,HRPD=P0×r=3.8cm;ADD=APD+HRPD=33.8cm。

(2)線圈1處于位置②

若G2 G1 G0=011,即g=4,則APD=g×r=40cm。
若測得傳輸對(duì)線G0、的幅度為:A(G0)=A(G''0)=0.5Amax,
同理可得:P0=P1=0.5,HRPD=P1×r=0.5×10cm=5cm;ADD=APD+HRPD=45cm。

(3)線圈1處于位置③

A(G0)=Amax,A(G''0)=0,可得P0=1,P1=0。由于A(G0)=0,G1感應(yīng)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)比較,相位相同(即為0)或相反(即為1)。所以,G2 G1 G0=111或G2 G1G0=101,即g=5或6。則有:
1)取g=5,則APD=g×r=5×10cm=50cm,HRPD=P0×r=1×10cm=10cm,ADD=APD+HRPD=50cm+10cm=60cm。
2)取g=6,則APD=g×r=6×10cm=60cm,HRPD=P1×r=0×10cm=0cm,ADD=APD+HRPD=60cm+0cm=60cm。

綜上1)、2),均得:ADD=60cm。

3 感應(yīng)無線位置檢測電路

感應(yīng)無線位置檢測系統(tǒng)電路框圖如圖5所示。當(dāng)中控室地面局開始發(fā)送載波信號(hào)時(shí),DCD=1;CPU檢測到DCD后,對(duì)2PSK解調(diào)輸出檢測,將第1個(gè)1作為起始位進(jìn)行串行數(shù)據(jù)接收,得到APD位置數(shù)據(jù)g;在檢測G0的時(shí)間段,啟動(dòng)A/D1和A/D2,從A/D1和A/D2讀出接收線圈0接收的信號(hào)幅度A(AN0)和接收線圈1接收的信號(hào)幅度A(AN1),將各數(shù)據(jù)代入公式(5)~(8),可得移動(dòng)機(jī)車位置ADD。

圖5 感應(yīng)無線位置檢測電路框圖

4 感應(yīng)無線位置檢測實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法:在編碼電纜任找一處反復(fù)移動(dòng)天線箱,直至檢測到A(G''0)為最小,此時(shí)顯示地址為29.000m,以此處作為實(shí)際的29.000m。然后將天線箱在此附近每隔2mm移動(dòng)一次,記錄每次所檢測的A(G0)和A(G''0),并根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)計(jì)算出位置數(shù)據(jù):HRPD、ADD。同理,在30.000m處作同樣測試。部分檢測數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果如表1所示.

表1 位置檢測部分實(shí)測數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明:a.實(shí)測位置與理論上對(duì)應(yīng)位置偏差較小;b.位置檢測精度高,分辨率為2mm。為了減小誤差,實(shí)際應(yīng)用中將多次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)制成表格,計(jì)算出HRPD,并進(jìn)行修正。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的感應(yīng)無線位置檢測系統(tǒng),是利用編碼電纜中傳輸對(duì)線和天線箱線圈的電磁感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)車位置檢測的,采用的是非接觸式的絕對(duì)位置檢測方式,克服了傳統(tǒng)有線和無線位置檢測的缺陷,可滿足移動(dòng)機(jī)車精確定位的要求。目前,感應(yīng)無線位置檢測技術(shù)已被應(yīng)用到焦?fàn)t工業(yè)移動(dòng)機(jī)車位置檢測中,用于對(duì)推焦車、熄焦車、裝煤車和除塵車的自動(dòng)控制,實(shí)際應(yīng)用效果良好,基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。
 

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