基于感應(yīng)無(wú)線的有軌機(jī)車定位控制關(guān)鍵技術(shù)研究

程望斌，鄒湘怡，唐慎欽，歐沛欽，劉 源，邱宏燕，喻朱婷

(湖南理工學(xué)院 a.信息科學(xué)與工程學(xué)院；b.南湖學(xué)院，湖南 岳陽(yáng) 414006)

伴隨著有軌作業(yè)機(jī)車在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的廣泛應(yīng)用，其自動(dòng)控制的技術(shù)要求和管理水平也面臨挑戰(zhàn)[1]。感應(yīng)無(wú)線技術(shù)的無(wú)接觸特性，能夠更好滿足有軌作業(yè)機(jī)車的工業(yè)生產(chǎn)要求，大大減少了工業(yè)生產(chǎn)的不便利，給鋼鐵生產(chǎn)、焦?fàn)t冶煉等帶來(lái)了極大改變。

然而，目前廣泛應(yīng)用的工業(yè)生產(chǎn)有軌作業(yè)機(jī)車仍存在定位不準(zhǔn)確、通信易受干擾、自動(dòng)化程度不高等缺陷，這與工業(yè)要求的安全生產(chǎn)、精準(zhǔn)定位和自動(dòng)生產(chǎn)不相稱。本文以感應(yīng)無(wú)線技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)無(wú)接觸的感應(yīng)無(wú)線位置檢測(cè)和數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)有軌機(jī)車的精確定位，為實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的有軌作業(yè)機(jī)車定位控制和自動(dòng)走行控制奠定基礎(chǔ)，可望在煉焦工業(yè)、鋼鐵生產(chǎn)等大型工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[2]。

1 有軌機(jī)車定位控制

在有軌機(jī)車作業(yè)中，為實(shí)現(xiàn)感應(yīng)無(wú)線機(jī)車定位控制，需解決感應(yīng)無(wú)線技術(shù)系統(tǒng)中的位置檢測(cè)和數(shù)據(jù)通信兩大難題:1)提高機(jī)車位置檢測(cè)精度；2)抑制數(shù)據(jù)通信中的同頻干擾。感應(yīng)無(wú)線技術(shù)系統(tǒng)的無(wú)接觸特性，既可保證移動(dòng)機(jī)車的靈活性，又能克服惡劣工業(yè)環(huán)境帶來(lái)的不利影響，還能保證位置檢測(cè)的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)通信的可靠性。本文主要從提高位置檢測(cè)精度和提升數(shù)據(jù)通信質(zhì)量?jī)煞矫娉霭l(fā)，進(jìn)行深入研究。

同時(shí)，在鋼鐵、冶金等大型工廠，為實(shí)現(xiàn)高效、安全等生產(chǎn)要求，需構(gòu)建各類有軌作業(yè)機(jī)車“三位一體”的立體生產(chǎn)模型。其模型中主要包含中控機(jī)關(guān)、電纜排列和有軌機(jī)車三大核心部分[3]。有軌機(jī)車控制原理:機(jī)車由各自的天線箱發(fā)送信號(hào)，中控室接收該機(jī)車當(dāng)前工作數(shù)據(jù)信息，并得到發(fā)送天線所處位置[4]。同時(shí)，中控室根據(jù)機(jī)車運(yùn)行、工作要求和生產(chǎn)信息等，向各機(jī)車下達(dá)工作指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有軌機(jī)車的安全有序運(yùn)行[5]。

2 感應(yīng)無(wú)線位置檢測(cè)

有軌機(jī)車位置檢測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題是:1)編碼電纜中傳輸對(duì)線的科學(xué)設(shè)置；2)有軌機(jī)車位置的精確檢測(cè)。

2.1 位置檢測(cè)方法論證

2.1.1 傳輸對(duì)線

位置監(jiān)測(cè)中的傳輸對(duì)線有3種[6]:R、G、G′0。

1)對(duì)線R

R傳輸對(duì)線的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，采用分段安裝:對(duì)線僅在i段叉開(i=0，1，2，…)，其他段雙絞。

2)對(duì)線G

對(duì)線G有n根:G0、G1、…、Gn-1，采用格雷碼方法交叉編制。R線標(biāo)長(zhǎng)和G線交叉最小間距決定了對(duì)線G根數(shù)n的大小。編碼電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 編碼電纜結(jié)構(gòu)

3)對(duì)線G′0

在圖1中，對(duì)線G′0和G0交叉間距(間距為2r)相同，但G′0交叉處與G0錯(cuò)開r距離。

2.1.2 一般位置檢測(cè)

利用發(fā)送線圈發(fā)送載波信號(hào)，各傳輸對(duì)線將有感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生，感應(yīng)信號(hào)幅度最大的Ri傳輸對(duì)線說(shuō)明發(fā)送線圈在第i段位置。以最大感應(yīng)幅值Ri線的信號(hào)相位作基準(zhǔn)相位。其他對(duì)線G感應(yīng)信號(hào)與其比較，相位相同記Gj=0，反之Gj=1。

以3對(duì)傳輸對(duì)線G為例，若g為格雷碼G2G1G0的十進(jìn)制數(shù)，可得一般位置檢測(cè)結(jié)果為:

式中:L為R傳輸對(duì)線標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度；i為感應(yīng)信號(hào)幅度最大Ri傳輸對(duì)線的位置段數(shù)；g為3對(duì)傳輸對(duì)線對(duì)應(yīng)位置格雷碼G2G1G0的十進(jìn)制數(shù)；r為對(duì)線G′0、G0相鄰交叉處間距(見(jiàn)圖1)。此時(shí)，一般位置檢測(cè)DAP的檢測(cè)精度為r。

2.1.3 高分辨率位置檢測(cè)

設(shè)d0、d1為發(fā)送線圈的中心線偏離G0和G′02對(duì)線交叉中心的距離，G0、G′0對(duì)線的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值[7]分別為A(G0)、A(G′0)。

則有:

式中:Amax為G0、G′0對(duì)線最大感應(yīng)幅值。

令:

且:

1)若發(fā)送線圈中心線位于對(duì)線G02交叉點(diǎn)左半部(圖1位置①)，此時(shí)DAP對(duì)應(yīng)的位置數(shù)據(jù)g為奇數(shù)1，則高分辨率位置檢測(cè)結(jié)果為:

2)若發(fā)送線圈中心線位于對(duì)線G′02交叉點(diǎn)左半部(圖1位置②)，此時(shí)DAP對(duì)應(yīng)的位置數(shù)據(jù)g為偶數(shù)4，則高分辨率位置檢測(cè)結(jié)果為:

綜上所述，高分辨率位置檢測(cè)結(jié)果為:

綜上，可得綜合位置檢測(cè)結(jié)果為:

2.2 位置檢測(cè)實(shí)例分析

設(shè)機(jī)車處在第3段(即i=3)，L=100 m，r=0.10 m。針對(duì)圖1線圈所處不同位置，有:

1)在①位置

G2G1G0=001，即g=1，DAP=L×i+g×r=300 100 mm，測(cè)得對(duì)線G0、G′0幅度均為0.5Amax，由式(4)～(9)可得:DHRP=50 mm，DAD=300 150 mm。

2)在②位置

G2G1G0=110，即g=4，同理可得DAP=300 400 mm，測(cè)得對(duì)線G0、G′0幅度:A(G0)=0.78Amax，A(G′0)=0.22Amax。則有:P0=0.78，P1=0.22，DHRP=22 mm，DAD=300 422 mm。

3)在③位置

測(cè)得A(G0)=0，A(G′0)=Amax，故P0=0，P1=1。此時(shí)G0感應(yīng)與R基準(zhǔn)信號(hào)相位相同或相反，相應(yīng)有G2G1G0=100或101。則有:①選G2G1G0=100(相同相位)。此時(shí)g=7，DAP=300 700 mm，DHRP=P0×r=0 mm，DAD=300 700mm。②選G2G1G0=101(相反相位)。此時(shí)g=6，DAP=300 600 mm，DHRP=P1×r=100 mm，DAD=300 700 mm。

綜上可知:綜合位置檢測(cè)DAD結(jié)果相同。

2.3 位置檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2.3.1 位置檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

感應(yīng)無(wú)線位置檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 感應(yīng)無(wú)線車上檢測(cè)位置系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

移動(dòng)機(jī)車軌道旁安裝編碼電纜，天線箱隨機(jī)車移動(dòng)，并與編碼電纜保持約100 mm間距，中控室向編碼電纜各對(duì)線分時(shí)發(fā)送載波，天線箱通過(guò)編碼電纜得到感應(yīng)信號(hào)，位置檢測(cè)器進(jìn)而得到移動(dòng)機(jī)車位置。

2.3.2 位置檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)方法:在編碼電纜任找1處反復(fù)移動(dòng)天線箱，使得檢測(cè)到的A(G′0)為最小。然后將天線箱在此附近每隔2 mm移動(dòng)1次，記錄每次所檢測(cè)的A(G0)和A(G′0)，并根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)計(jì)算出位置數(shù)據(jù):DHRP、DAD。同理，在其他位置作同樣測(cè)試。

設(shè)在起始位置有:A(G0)=30，A(G′0)=3 645，g=11，DAD=3 100 mm。部分檢測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果如表1所示。其中誤差:

表1 位置檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.3 位置檢測(cè)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析:

1)從起始位置開始移動(dòng)天線箱，在每個(gè)2 mm的位置范圍內(nèi)，A(G0)和A(G′0)數(shù)值總會(huì)出現(xiàn)1次周期性變化；并且僅當(dāng)移動(dòng)的移動(dòng)距離達(dá)到2 mm(或2 mm的整數(shù)倍)時(shí)，位置檢測(cè)器的數(shù)據(jù)顯示才穩(wěn)定(其他為不穩(wěn)定數(shù)據(jù))。故本系統(tǒng)的位置檢測(cè)精度可達(dá)2 mm。

2)地址DAD與實(shí)際值誤差較小，證明理論計(jì)算值與實(shí)際位置檢測(cè)比較符合。當(dāng)然在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，對(duì)計(jì)算的DHRP還需進(jìn)一步修正。

3 感應(yīng)無(wú)線數(shù)據(jù)通信

感應(yīng)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量直接關(guān)系到有軌機(jī)車的定位控制，達(dá)到良好通信效果的關(guān)鍵在于抑制惡劣工業(yè)環(huán)境中的干擾，特別是其中的同頻干擾抑制。通常采用差分式天線裝置，并使用雙接收單傳輸線[8]。

3.1 雙傳輸線與單接收天線同間距交叉

在編碼電纜中使用2交叉通信傳輸線:發(fā)送天線和接收天線。其中，接收天線交叉多匝繞制，且有2個(gè)接收線圈1和2。各傳輸對(duì)線的交叉間距及發(fā)送線圈寬度均為200 mm(寬度為2r)。另外，另安排2對(duì)彼此交叉的通信對(duì)線，以避免出現(xiàn)信道死區(qū)和檢測(cè)盲區(qū)。

3.2 傳輸線接收的干擾抑制

當(dāng)發(fā)送天線中被加入信號(hào)電流后，在中控室可接收到通信傳輸線的信號(hào)。為抑制干擾噪聲，可將用于數(shù)據(jù)通信的傳輸對(duì)線每間隔一確定距離交叉。此時(shí)噪聲干擾的抑制效果可達(dá)5～30 dB。

3.3 接收天線的干擾抑制

接收天線采用雙線圈的交叉繞制，此時(shí)2個(gè)接收天線所處環(huán)境相同，故兩者感應(yīng)的干擾噪聲恰好大小相同、相位相反，兩者疊加后的感應(yīng)噪聲電動(dòng)勢(shì)為零，進(jìn)而消除接收天線中的噪聲干擾[9]。

過(guò)程推導(dǎo)如下:

設(shè)f0、f1為天線線圈中心位置偏離2個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)線L0、L1的中心距離，且r=f0+f1。

設(shè)EL0、EL1為L(zhǎng)0、d0的感應(yīng)信號(hào)。為d0=d1=移相90°后的信號(hào)，將Amax與EL0求和得合成信號(hào)分別為:

進(jìn)一步推導(dǎo)可得:

將E 的幅值對(duì)d0求導(dǎo)，得:

當(dāng)d0=d1=時(shí)有最小幅值

E合成矢量如圖3所示。

圖3 合成信號(hào)E矢量圖

另外，當(dāng)采用2個(gè)接收線圈時(shí)，2線圈干擾感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小相等、相位相反，此時(shí)接收天線總的噪聲電動(dòng)勢(shì)為0。

4 有軌機(jī)車定位控制發(fā)展前景探討

有軌機(jī)車定位控制的最終目的是實(shí)現(xiàn)機(jī)車自動(dòng)走行。為達(dá)到機(jī)車自動(dòng)走行，除了需要采用雙差分技術(shù)抑制干擾，構(gòu)建同軌道多機(jī)車應(yīng)用和控制模式，還需構(gòu)建基于感應(yīng)無(wú)線的機(jī)車自動(dòng)走行控制系統(tǒng)。機(jī)車自動(dòng)走行控制設(shè)計(jì)關(guān)鍵:

1)多機(jī)車聯(lián)鎖控制。多機(jī)車協(xié)同作業(yè)，采用定位控制與聯(lián)鎖控制策略。

2)系統(tǒng)多功能設(shè)計(jì)。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和可編程邏輯控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)、數(shù)據(jù)通信、語(yǔ)音提示和緊急處理等功能，從而達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)多功能要求。

當(dāng)然，為實(shí)現(xiàn)機(jī)車自動(dòng)走行控制和全自動(dòng)要求，還需要完成不少工作，如增加外部設(shè)備、引入軟件技術(shù)、完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化綜合功能等。另外，為達(dá)到良好的實(shí)際應(yīng)用效果，還需采取屏蔽、接地等措施。

5 結(jié)論

有軌機(jī)車的自動(dòng)化和智能性在焦?fàn)t工業(yè)、大型鋼鐵生產(chǎn)中扮演越來(lái)越重要的角色。

本文研究的感應(yīng)無(wú)線位置檢測(cè)采用的是無(wú)接觸式感應(yīng)無(wú)線技術(shù)，具有檢測(cè)精度高、干擾抑制能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。感應(yīng)無(wú)線位置檢測(cè)分辨率為2 mm，檢測(cè)精度達(dá)到機(jī)車定位控制要求；本研究的數(shù)據(jù)通信方法，能較好地克服工業(yè)惡劣環(huán)境中的同頻干擾，可用于有軌機(jī)車定位控制和自動(dòng)走行，具有可觀的市場(chǎng)應(yīng)用前景。