基于感應(yīng)無線的有軌機車定位控制關(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 414006)

伴隨著有軌作業(yè)機車在工業(yè)現(xiàn)場的廣泛應(yīng)用，其自動控制的技術(shù)要求和管理水平也面臨挑戰(zhàn)[1]。感應(yīng)無線技術(shù)的無接觸特性，能夠更好滿足有軌作業(yè)機車的工業(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)、焦爐冶煉等帶來了極大改變。

然而，目前廣泛應(yīng)用的工業(yè)生產(chǎn)有軌作業(yè)機車仍存在定位不準確、通信易受干擾、自動化程度不高等缺陷，這與工業(yè)要求的安全生產(chǎn)、精準定位和自動生產(chǎn)不相稱。本文以感應(yīng)無線技術(shù)為基礎(chǔ)，通過無接觸的感應(yīng)無線位置檢測和數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)有軌機車的精確定位，為實現(xiàn)更大規(guī)模的有軌作業(yè)機車定位控制和自動走行控制奠定基礎(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 有軌機車定位控制

在有軌機車作業(yè)中，為實現(xiàn)感應(yīng)無線機車定位控制，需解決感應(yīng)無線技術(shù)系統(tǒng)中的位置檢測和數(shù)據(jù)通信兩大難題:1)提高機車位置檢測精度；2)抑制數(shù)據(jù)通信中的同頻干擾。感應(yīng)無線技術(shù)系統(tǒng)的無接觸特性，既可保證移動機車的靈活性，又能克服惡劣工業(yè)環(huán)境帶來的不利影響，還能保證位置檢測的準確性和數(shù)據(jù)通信的可靠性。本文主要從提高位置檢測精度和提升數(shù)據(jù)通信質(zhì)量兩方面出發(fā)，進行深入研究。

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

2 感應(yīng)無線位置檢測

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

2.1 位置檢測方法論證

2.1.1 傳輸對線

位置監(jiān)測中的傳輸對線有3種[6]:R、G、G′0。

1)對線R

R傳輸對線的標準長度為L，采用分段安裝:對線僅在i段叉開(i=0，1，2，…)，其他段雙絞。

2)對線G

對線G有n根:G0、G1、…、Gn-1，采用格雷碼方法交叉編制。R線標長和G線交叉最小間距決定了對線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)對線G′0

在圖1中，對線G′0和G0交叉間距(間距為2r)相同，但G′0交叉處與G0錯開r距離。

2.1.2 一般位置檢測

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

以3對傳輸對線G為例，若g為格雷碼G2G1G0的十進制數(shù)，可得一般位置檢測結(jié)果為:

式中:L為R傳輸對線標準長度；i為感應(yīng)信號幅度最大Ri傳輸對線的位置段數(shù)；g為3對傳輸對線對應(yīng)位置格雷碼G2G1G0的十進制數(shù)；r為對線G′0、G0相鄰交叉處間距(見圖1)。此時，一般位置檢測DAP的檢測精度為r。

2.1.3 高分辨率位置檢測

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

則有:

式中:Amax為G0、G′0對線最大感應(yīng)幅值。

令:

且:

1)若發(fā)送線圈中心線位于對線G02交叉點左半部(圖1位置①)，此時DAP對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)g為奇數(shù)1，則高分辨率位置檢測結(jié)果為:

2)若發(fā)送線圈中心線位于對線G′02交叉點左半部(圖1位置②)，此時DAP對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)g為偶數(shù)4，則高分辨率位置檢測結(jié)果為:

綜上所述，高分辨率位置檢測結(jié)果為:

綜上，可得綜合位置檢測結(jié)果為:

2.2 位置檢測實例分析

設(shè)機車處在第3段(即i=3)，L=100 m，r=0.10 m。針對圖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，測得對線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，測得對線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

測得A(G0)=0，A(G′0)=Amax，故P0=0，P1=1。此時G0感應(yīng)與R基準信號相位相同或相反，相應(yīng)有G2G1G0=100或101。則有:①選G2G1G0=100(相同相位)。此時g=7，DAP=300 700 mm，DHRP=P0×r=0 mm，DAD=300 700mm。②選G2G1G0=101(相反相位)。此時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DAD結(jié)果相同。

2.3 位置檢測實驗與結(jié)果

2.3.1 位置檢測系統(tǒng)構(gòu)建

感應(yīng)無線位置檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 感應(yīng)無線車上檢測位置系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

移動機車軌道旁安裝編碼電纜，天線箱隨機車移動，并與編碼電纜保持約100 mm間距，中控室向編碼電纜各對線分時發(fā)送載波，天線箱通過編碼電纜得到感應(yīng)信號，位置檢測器進而得到移動機車位置。

2.3.2 位置檢測實驗方法

實驗方法:在編碼電纜任找1處反復(fù)移動天線箱，使得檢測到的A(G′0)為最小。然后將天線箱在此附近每隔2 mm移動1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)計算出位置數(shù)據(jù):DHRP、DAD。同理，在其他位置作同樣測試。

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

表1 位置檢測實驗結(jié)果

2.3.3 位置檢測結(jié)果分析

實驗數(shù)據(jù)與結(jié)果分析:

1)從起始位置開始移動天線箱，在每個2 mm的位置范圍內(nèi)，A(G0)和A(G′0)數(shù)值總會出現(xiàn)1次周期性變化；并且僅當移動的移動距離達到2 mm(或2 mm的整數(shù)倍)時，位置檢測器的數(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)的位置檢測精度可達2 mm。

2)地址DAD與實際值誤差較小，證明理論計算值與實際位置檢測比較符合。當然在實際工業(yè)應(yīng)用中，對計算的DHRP還需進一步修正。

3 感應(yīng)無線數(shù)據(jù)通信

感應(yīng)無線數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量直接關(guān)系到有軌機車的定位控制，達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個接收線圈1和2。各傳輸對線的交叉間距及發(fā)送線圈寬度均為200 mm(寬度為2r)。另外，另安排2對彼此交叉的通信對線，以避免出現(xiàn)信道死區(qū)和檢測盲區(qū)。

3.2 傳輸線接收的干擾抑制

當發(fā)送天線中被加入信號電流后，在中控室可接收到通信傳輸線的信號。為抑制干擾噪聲，可將用于數(shù)據(jù)通信的傳輸對線每間隔一確定距離交叉。此時噪聲干擾的抑制效果可達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2個接收天線所處環(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)噪聲電動勢為零，進而消除接收天線中的噪聲干擾[9]。

過程推導(dǎo)如下:

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

設(shè)EL0、EL1為L0、d0的感應(yīng)信號。為d0=d1=移相90°后的信號，將Amax與EL0求和得合成信號分別為:

進一步推導(dǎo)可得:

將E 的幅值對d0求導(dǎo)，得:

當d0=d1=時有最小幅值

E合成矢量如圖3所示。

圖3 合成信號E矢量圖

另外，當采用2個接收線圈時，2線圈干擾感應(yīng)電動勢大小相等、相位相反，此時接收天線總的噪聲電動勢為0。

4 有軌機車定位控制發(fā)展前景探討

有軌機車定位控制的最終目的是實現(xiàn)機車自動走行。為達到機車自動走行，除了需要采用雙差分技術(shù)抑制干擾，構(gòu)建同軌道多機車應(yīng)用和控制模式，還需構(gòu)建基于感應(yīng)無線的機車自動走行控制系統(tǒng)。機車自動走行控制設(shè)計關(guān)鍵:

1)多機車聯(lián)鎖控制。多機車協(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。采用計算機技術(shù)和可編程邏輯控制技術(shù)，實現(xiàn)位置檢測、數(shù)據(jù)通信、語音提示和緊急處理等功能，從而達到系統(tǒng)設(shè)計多功能要求。

當然，為實現(xiàn)機車自動走行控制和全自動要求，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，為達到良好的實際應(yīng)用效果，還需采取屏蔽、接地等措施。

5 結(jié)論

有軌機車的自動化和智能性在焦爐工業(yè)、大型鋼鐵生產(chǎn)中扮演越來越重要的角色。

本文研究的感應(yīng)無線位置檢測采用的是無接觸式感應(yīng)無線技術(shù)，具有檢測精度高、干擾抑制能力強等優(yōu)勢。感應(yīng)無線位置檢測分辨率為2 mm，檢測精度達到機車定位控制要求；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，可用于有軌機車定位控制和自動走行，具有可觀的市場應(yīng)用前景。