工业作业机车行走位置检测装置的设计

工业作业机车行走位置检测装置的设计

1感应无线位置检测技术在客车自动系统中的应用20世纪70年代，这种用于实现工业移动飞机自动化的工业应用技术已经在日本开发。它包括四个测量位置的测量技术[4]和测量位置的测量技术。工业作业机车的自动定位是机车自动化操作的基础,它要求位置检测装置能精确、快速、可靠地检测机车行走位置,并适应恶劣的工业环境。对于光学位置检测技术,在粉尘严重的工业环境无法正常工作;对于旋转编码器位置检测技术,在机车刹车轮子不转的滑动距离检测不到。感应无线位置检测技术采用一条独特编码电缆(相当一把巨大的尺)进行位置检测,其特点在于1)能够连续地检测机车在编码电缆内任何一点的位置;2)得到的是绝对位置;3)分辨率高;4)非接触式检测,可靠性高;5)抗干扰性强;6)适应各种恶劣的工业环境。因而得到广泛应用。目前国内生产的基于感应无线技术的移动机车自动化系统,已经广泛使用在焦化行业。此项技术分为地面检测位置和车上检测位置两种方式。地面检测位置,是在地面中控室得到移动机车的位置;车上检测位置,是在移动机车上得到本车的位置。感应无线车上检测位置,与感应无线地面检测位置相比更具有优势:1)车上控制系统直接得到机车位置,而不是像感应无线地面检测位置方式,车上控制系统是接收地面发送来的机车位置数据,这存在一个通信时间的时延,影响机车自动定位精度;2)多台机车共用一条编码电缆,各自检测自身的位置,互不影响,可降低成本。所提出的一种感应无线车上检测位置的方法,能够提高位置检测速度;实现高分辨率连续位置检测,所以适合工业作业机车的自动定位。2检测车辆位置的系统结构2.1车桥版应施工在公车移动中的表现所设计的感应无线车上检测位置系统总体结构如图1所示。编码电缆安装在移动机车的轨道旁边,感应天线箱安装在移动机车上并随着机车移动,始终与编码电缆保持距离z(z≈10cm),位于中央控制室的载波发生器向编码电缆中各传输对线分时轮流发送载波,感应天线箱中接收线圈与编码电缆中传输对线之间电磁感应得到感应信号,位于车上的位置检测器分析接收线圈感应信号的相位和幅度,经过运算得到接收线圈所在x位置坐标,以此作为移动机车的位置。2.2编码电缆各传输对线模型车上检测位置系统编码电缆中作为位置检测的有R、G、G′三类传输对线。实际编码电缆中各传输对线是叠在一起的,如图2所示。图3仅画出3对G传输对线G0、G1、G2,且将编码电缆中各传输对线平铺画开,以此进行基本原理分析。约定:X信号是指载波发生器对X传输对线发送载波时感应天线中主线圈感应的信号。1信号对线方式编码电缆有2对R传输对线R0,R1。R0,R1在编码电缆中都不交叉,R1传输对线在载波发生器端口处交叉。R0:基准相位信号传输对线、即以R0信号作为基准相位信号;R1:基准时间传输对线,R1信号始终与R0信号反相,以此作为串行地址数据的起始位。2gn-1的编码编码电缆有n对G传输对线G0,G1,…,Gi,…,Gn-1,均按照格雷码规则交叉,G传输对线相邻2个交叉的间距为r,实际中r一般取10cm。G0相距2r交叉,G1相距4r交叉,Gi相距2(i+1)r交叉。3高0传输线编码电缆中G′0传输对线与G0传输对线交叉间距相同,但交叉处与G0错开r的距离,如图3所示。2.3单圈圈和举线网孔感应天线内由2个接收线圈构成,称为主线圈与副线圈。主、副线圈均是宽度为W=2r多匝绕制线圈,相互间距r,如图3所示。任何一传输对线两个交叉间的网孔,可以看成一个矩形单圈线圈,载波发生器对传输对线发送载波时,由于电磁感应,接收线圈中产生感应信号。副线圈的作用,就是保证在载波发生器在向编码电缆中发送载波时,无论感应天线处于何位置,两线圈接收的信号不可能同时为0。2.4车位检测方法地面载波发生器电路框图如图4所示,AT89C51控制功率放大器,在不同的时间分别向各传输对线发送载波。以图3编码电缆为例,在t0,t1,t2,t3,t4,t5时间段,分别向R0,R1,G2,G1,G0,G′0传输对线发送载波信号,停止ts时间,然后循环。其中,对R0,G0,G′0的发送时间和停止时间ts为T1,T1约为3~5ms;其他发送时间为416µs。实际应用中,一般采用13对G传输对线,所以一个检测周期约为25ms,实现了快速检测位置。采用此方法车上位置检测器得到的信号类似2PSK调制信号。有一种方法采用载波发生器在t0,t1,t2,…时间段,分别向R0,R1,R0,G2,R0,G1,R0,G0,G′0传输对线发送载波信号,采用此方法车上位置检测器得到的信号类似2DPSK调制信号,显然这种方法需要更多的时间。3检测车辆位置的基本原则3.1apd位置的确定一般位置检测(APD),是检测主线圈的感应信号相位,运算得到APD位置,其分辨率为r。以R0信号作为基准相位信号,其他信号与R0信号比较,同相记为“0”,反相记为“1”;在t1时间段,R1信号一定与R0信号反相,记为R1=1,将这个“1”作为串行数据的起始位;在t2,t3,t4时间段,分别检测为G2,G1,G0信号,在图3中,若主线圈的中线分别在(1),(2),(3),(4)的位置,则主线圈的接收信号如图5所示(为了突出相位关系,图中信号的幅度画成一样大小或为0),这就是二进制绝对相移键控(2PSK)调制信号。对2PSK调制信号解调——用R1,G2,G1,G0信号与R0信号比较相位,并以R1=1作为起始位,则得到一组格雷码串行数据G2G1G0,波特率为2400bit/s。设格雷码G2G1G0对应的十进制数为g,则得到APD位置公式:图3中若r=10cm,在位置(1)、(2)、(3),分别为:G2G1G0=000,g=0,APD=0;G2G1G0=010,g=3,APD=30cm;G2G1G0=110,g=4,APD=40cm;在位置(4),G1幅度为0,G2G1G0=111或101,g=5或6,处于5、6交界处,故无论为5或为6都认为正确,APD=50cm或60cm。3.2主线圈有效感应面积高分辨率位置检测(HRPD)有多种方式,这里采用检测G0、G′0信号的幅度A(G0)、A(G′0),进行运算得到。图6是根据图3编码电缆结构所画HRPD原理示意图,为了分析方便,将感应天线主线圈与编码电缆中G0,G′0传输对线平铺开且画在同一平面,且将一个主线圈画成两个,分别表示在t4、t5时刻主线圈感应信号状况。以主线圈中心线为移动机车位置x,传输对线两交叉间的区域称为K区域(K=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,…);主线圈中心线偏离G0、G′0传输对线所在区域中心线距离分别为d0,d1,d0+d1=r。当地面载波发生器对编码电缆传输对线发送载波信号时,传输对线在空间产生的磁场分布较为复杂,为了便于分析,建立均匀磁场模型:当接收线圈与编码电缆间距离z较小时,近似认为传输对线产生的磁力线垂直穿过接收线圈且磁感强度沿x轴方向均匀分布。根据均匀磁场模型,线圈产生的感应信号幅度与线圈有效感应面积成正比。若主线圈在图6所示位置,在t4时间段,载波发生器对G0传输对线发送载波时,G0的Ⅲ区域对主线圈的感应面积为(W-d0)×B用表示,该感应信号与R0信号同相,G0的Ⅱ区域对主线圈的感应面积为d0×B用表示,该感应信号与R0信号反相,由于Ⅱ、Ⅲ区域对主线圈产生的感应信号极性相反,所以主线圈有效感应面积=(W-d0)×B-d0×B=(W-2d0)×B=2(r-d0)×B。主线圈最大感应面积Smax=W×B=2r×B,对应感应信号最大幅度为Amax,于是有:在t5时间段,载波发生器对G′0传输对线发送载波时,对主线圈感应信号作相同的分析,有:从式(5)、式(6)看出,只要在t4、t5时间段检测到主线圈感应信号幅度A(G0)、A(G′0),便可计算出只与主线圈x位置有关的P0、P1,从而得到HRPD位置:d0=P1×r或d1=P0×r。分两种情况讨论:1)主线圈的中心位于G0两交叉间左半部(图6位置(1)),此处检测出来的APD位置数据g为奇数,HRPD=d1=P0×r2)主线圈的中心位于G′0两交叉间左半部(图6位置(2)),此处检测出来的APD位置数据g为偶数,HRPD=d0=P1×r由此,得到高分辨率位置HRPD的公式和综合位置ADD的公式:可以按地面检测位置分析方法,在图6中,设r=10cm,对主线圈的中心线分别处于位置(1)、(2)、(3)进行分析计算。1)位置(1)2)位置(2)3)位置(3)图6位置(3),与图3中(4)位置相同,主线圈中心线正对着G1和G′0的交叉。表明无论g=5或g=6,总有:ADD=60cm。高分辨率检测的关键,是主线圈中心线位于交叉点附近时的分辨率,特别是工业现场的噪声干扰会使得分辨率降低。例如图6位置(3),若干扰使得A(G′0)≠0,假定计算得到P0=0.98,P1=0.02。这表明主线圈处于同一位置时,检测的地址或为0.598m,或为0.602m,并且来回跳动,而得不到0.6m的位置。为了抑制工业现场的噪声干扰,提高检测分辨率,在天线的抗干扰能力等方面还要做更多地处理,在此不作进一步讨论。4dcd和apd的产生感应无线车上位置检测器电路框图如图7所示。感应天线中的主、副线圈感应的信号分别经整流进行求和得到2倍频载波2f载波,由于主、副线圈相距r,只要载波发生器对任一传输对线发送载波信号,就有2f载波。2f载波经过整流、滤波、比较得到载波检测信号DCD,当载波发生器开始新一轮t0时间段发送约2ms后产生DCD的上升沿,AT89C51检测到DCD的上升沿,就开始新的一轮地址检测。在图7中,2f载波经过整形、锁相、二分频后得到1f载波,在DCD的上升沿到来时,锁定1f载波相位与当前的R0信号相位一致。1f载波作为基准相位信号与主线圈接收信号进行相位比较,第一次检测到相位比较结果等于1,表示t1时间段开始,以此为时间基准,依次在t2、t3、t4时间段中间得到G2、G1、G0信号相位比较结果的格雷码G2G1G0,由此根据式(1)计算得到APD。主线圈接收信号经过整流、低通滤波得到信号幅度直流电平。AT89C51在t4、t5时间段,从A/D转换器中读出A(G0)和A(G′0),由式(5)、式(7)计算出HRPD,由式(8)计算出ADD。5分辨率检测的实验和分析为了检测车上检测位置装置的分辨率和应用情况,连接3段102.4m编码电缆,即检测位置范围为307.2m。模拟应用现场进行了实验。1均匀磁场检测算法测试天线箱与编码电缆保持z=100mm距离。实验方法:在编码电缆任找一处反复移动天线箱,直至检测到A(G0’)为最小,此时显示地址为29.000m,以此处作为实际的29.000m。然后将天线箱在此附近每2mm移动一次,记录每次所检测的A(G0)和A(G0’),并根据检测的数据计算出位置数据:HRPD、ADD。同理,在30.000m处作同样测试。表1给出了部分检测数据和计算结果,其中误差σ=根据检测数据计算的地址ADD-实际地址。检测数据分析:a.从检测数据看,具有分辨2mm的能力;b.计算出的ADD与实际值比较接近,说明根据均匀磁场模型推导的位置检测公式是与实际情况基本符合的。实际应用中,计算HRPD后,还要查表修正。2中部、尾部交叉点检测固定感应天线箱保持与编码电缆之间距离在100mm,缓慢拖动编码电缆从感应天线箱下经过。选择检测范围的头部、中部、尾部的10.3~10.5m,90.3~90.5m,110.3~110.5m,190.3~190.5m,210.3~210.5m,290.3~290.5m处进行检测,观察到检测的位置是按2mm间隔变化,并能够检测到10.300m、10.400m、10.500m、90.300m…各个交叉点的正确数据。6连续位置检测提出的一种基于感应无线技术的车上检测位置方法,采用类似2PSK调制