程望斌 陳 進(jìn) 陳 新

(湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院1，湖南 岳陽(yáng) 414006;岳陽(yáng)千盟電子有限公司2，湖南 岳陽(yáng) 414000)

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)大型移動(dòng)機(jī)車進(jìn)行精確定位是十分重要的。感應(yīng)無(wú)線技術(shù)是20世紀(jì)70年代末在日本發(fā)展起來(lái)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。國(guó)內(nèi)較早研究感應(yīng)無(wú)線技術(shù)的是岳陽(yáng)市電子研究所，岳陽(yáng)千盟電子有限公司在感應(yīng)無(wú)線位置檢測(cè)方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平［1］，目前最高應(yīng)用水平已經(jīng)達(dá)到了移動(dòng)機(jī)車無(wú)人執(zhí)守。

感應(yīng)無(wú)線位置檢測(cè)通過(guò)安裝在移動(dòng)機(jī)車天線箱中的感應(yīng)線圈與敷設(shè)在地面軌道旁的編碼電纜傳輸對(duì)線之間的電磁感應(yīng)，得到移動(dòng)機(jī)車的位置［2］。檢測(cè)方式分為地面檢測(cè)位置和車上檢測(cè)位置兩種。地面檢測(cè)位置是在地面中央控制室檢測(cè)得到移動(dòng)機(jī)車的位置;車上檢測(cè)位置是在機(jī)車上檢測(cè)得到自身的位置。與地面檢測(cè)位置相比，感應(yīng)無(wú)線車上檢測(cè)位置更具優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在:①車上控制系統(tǒng)得到自身位置更迅速［3］;②便于多機(jī)車共用一條編碼電纜檢測(cè)位置。

1 感應(yīng)無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，必須保證控制和受控雙方可靠地?cái)?shù)據(jù)通信以及移動(dòng)機(jī)車所在位置的位置檢測(cè)［4－5］。感應(yīng)無(wú)線技術(shù)構(gòu)成的系統(tǒng)，將感應(yīng)無(wú)線數(shù)據(jù)通信和位置檢測(cè)融合在一個(gè)系統(tǒng)中［6］。感應(yīng)無(wú)線位置檢測(cè)系統(tǒng)由位置信號(hào)發(fā)生器、編碼電纜、感應(yīng)天線和位置檢測(cè)器組成。編碼電纜部分由編碼電纜、連接電纜和匹配阻抗構(gòu)成;感應(yīng)天線箱安裝在移動(dòng)機(jī)車上并隨著機(jī)車移動(dòng)，且始終與編碼電纜保持距離z(z≈10 cm)［7］。感應(yīng)無(wú)線位置檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

2 感應(yīng)無(wú)線位置檢測(cè)方法研究

2.1 絕對(duì)位置檢測(cè)原理

絕對(duì)位置檢測(cè)(absolute position detection，APD)原理為中控室地面局按一定的順序，分時(shí)向編碼電纜中各檢測(cè)位置的傳輸對(duì)線發(fā)送載波信號(hào)，天線箱中感應(yīng)線圈作為接收線圈，移動(dòng)機(jī)車上的位置檢測(cè)器檢測(cè)接收線圈收到的載波信號(hào)，進(jìn)而得到接收線圈的位置。圖1中，移動(dòng)機(jī)車上天線箱中的接收線圈由導(dǎo)線按交叉方式多匝繞制，可以看成是接收線圈0和接收線圈1。由于接收線圈0與接收線圈1交叉且面積相等，在工作現(xiàn)場(chǎng)兩線圈所感應(yīng)的干擾噪聲電動(dòng)勢(shì)e0和e1大小相等、相位相反，即e0=－e1。此時(shí)，接收線圈提取的噪聲電動(dòng)勢(shì)e=e0+e1=0，因而可起到接收時(shí)抑制干擾的作用［8］。

編碼電纜結(jié)構(gòu)與檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2 編碼電纜結(jié)構(gòu)與檢測(cè)原理示意圖Fig.2 Schematics of the structure of encoded cable and position detecting principle

在圖2中，位置檢測(cè)的傳輸對(duì)線有R線和G線兩類。每對(duì)傳輸對(duì)線的終端均加一個(gè)匹配電阻R，如R和Rx線通過(guò)匹配電阻R組成一對(duì)傳輸對(duì)線。其中，R對(duì)線作為APD地址檢測(cè)的基準(zhǔn)信號(hào)線，在一段內(nèi)不交叉;R'對(duì)線在一段內(nèi)僅有一次交叉，R'與R對(duì)線信號(hào)相位相反。各對(duì)G線按格雷碼(gray code)規(guī)則交叉編制。由于格雷碼從一個(gè)代碼變?yōu)橄噜彽牧硪粋€(gè)代碼時(shí)只有一位發(fā)生變化，因而在傳輸對(duì)線任何位置不存在兩對(duì)G線同時(shí)交叉，從而避免了接收線圈處在G傳輸對(duì)線交叉點(diǎn)時(shí)可能造成的誤差。

為了簡(jiǎn)潔清晰，G對(duì)線僅畫出G2、G1、G0，且將各傳輸對(duì)線平鋪(實(shí)際上是疊在一起的);格雷碼G2G1G0可組成8個(gè)位置數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)APD的十進(jìn)制位置序號(hào)0～7。r為G0線圈橫向?qū)挾鹊囊话耄琩0、d1分別為接收線圈0和1的中心線偏離對(duì)線G0兩交叉中心的距離，接收線圈0和1相距r。

在車上位置檢測(cè)方式中，中控室地面局按一定的順序，分時(shí)向編碼電纜中各檢測(cè)位置的傳輸對(duì)線發(fā)送載波信號(hào)。具體到如圖2所示的編碼電纜來(lái)說(shuō)，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。APD檢測(cè)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R'=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。

為方便討論，假設(shè)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)相位如圖3所示(為了突出相位關(guān)系，信號(hào)的幅度畫成一樣大小或?yàn)?)。

對(duì)圖3中二進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控(2PSK)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并以R'=1作為起始位，得到在圖2中的位置①時(shí)，G2G1G0=000，g=0;在位置②時(shí)，G2G1G0=010，g=3;在位置③時(shí)，G2G1G0=110，g=4;在位置④時(shí)，G2G1G0=111或101，g=5或6。由此得到APD位置公式為［9］:

2.2 高分辨率位置檢測(cè)原理

高分辨率位置檢測(cè)(high resolution position detection，HRPD)原理為位置信號(hào)發(fā)生器分別對(duì)傳輸對(duì)線G0、G'0發(fā)送載波，檢測(cè)接收天線線圈1感應(yīng)信號(hào)幅度，通過(guò)運(yùn)算得到HRPD位置。

HRPD位置檢測(cè)示意圖如圖4所示。

圖4 HRPD檢測(cè)示意圖Fig.4 Diagram of HRPD detection

為了方便分析，將接收天線線圈1與編碼電纜中的傳輸對(duì)線G、G'0平鋪開(kāi)，并將線圈1畫成兩個(gè)平鋪圖，分別表示在t=t6、t=t7時(shí)的感應(yīng)信號(hào)狀況。以線圈1中心線為移動(dòng)機(jī)車的位置x，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、G'0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;接收天線線圈、對(duì)線G0和G'0線圈的橫向?qū)挾染鶠閃=2r=20 cm，縱向?qū)挾染鶠锽。

在t6時(shí)間段，位置信號(hào)發(fā)生器對(duì)傳輸對(duì)線G0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)×B，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(rd0)×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)G'0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:

此外，需要說(shuō)明的是:① 線圈1的中心位于G0兩交叉間左半部(圖4的位置①)，此處檢測(cè)出來(lái)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G'0兩交叉間左半部(圖4的位置②)，此處檢測(cè)出來(lái)的APD位置數(shù)據(jù)g為偶數(shù)，則HRPD=d0=P1× r。

因此，可得高分辨率位置HRPD和綜合位置ADD分別為［10］:

2.3 感應(yīng)無(wú)線位置檢測(cè)實(shí)例

假定r=10 cm，將天線箱線圈1分別處于圖4中的位置①、②、③處，且為了分析方便，只寫3對(duì)G傳輸線。

當(dāng)線圈1處于位置①時(shí)，測(cè)得 G2G1G0=010，則APD=g×r=30 cm;測(cè)得傳輸對(duì)線G0、G'0的幅度為:A(G0)=0.42Amax、A(G'0)=0.58Amax，則由式(5)～(8)得 P0=0.42、P1=0.58、HRPD=P0× r=4.2 cm;ADD=APD+HRPD=34.2 cm。

當(dāng)線圈1處于位置②時(shí)，測(cè)得G2G1G0=011，則APD=g×r=40 cm;測(cè)得傳輸對(duì)線G0、G'0的幅度為A(G0)=A(G'0)=0.5Amax，同理可得 P0=P1=0.5、HRPD=P1× r=0.5 ×10=5 cm;ADD=APD+HRPD=45 cm。

當(dāng)線圈1處于位置③時(shí)，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(為0)或相反(為1)，所以，G2G1G0=111或 G2G1G0=101，即 g=5或6。

因此，均有ADD=60 cm。

3 感應(yīng)無(wú)線位置檢測(cè)電路

感應(yīng)無(wú)線車上位置檢測(cè)器電路如圖5所示。

圖5 車上位置檢測(cè)器電路框圖Fig.5 Block diagram of the position detector on vehicle

天線箱中的主、副線圈(設(shè)為接收線圈1和2)感應(yīng)的信號(hào)分別經(jīng)過(guò)放大、整流后進(jìn)行求和，然后經(jīng)過(guò)2f帶通濾波器濾波得到2倍頻載波(即2f載波)，2f載波經(jīng)過(guò)整流、濾波，得到載波檢測(cè)信號(hào)(data carrier detect，DCD)。

由于主、副線圈相距r，當(dāng)中控室位置信號(hào)發(fā)生器對(duì)任一傳輸對(duì)線發(fā)送載波信號(hào)時(shí)，不管接收天線處于哪個(gè)位置，均有DCD=1。位置信號(hào)發(fā)生器在停止發(fā)送一段時(shí)間后，將開(kāi)始新一輪t0時(shí)間段發(fā)送。由于電路中具有延時(shí)環(huán)節(jié)，在開(kāi)始t0發(fā)送約2 ms后產(chǎn)生DCD的上升沿，CPU檢測(cè)到DCD的上升沿，就開(kāi)始新的一輪地址檢測(cè)。

圖5中，2f載波經(jīng)過(guò)整形和鎖相分頻后，在DCD的上升沿到來(lái)時(shí)，儲(chǔ)存當(dāng)前的1f載波。由于處于t0時(shí)間段，所以儲(chǔ)存的是R傳輸對(duì)線發(fā)送載波時(shí)的基準(zhǔn)相位信號(hào)。儲(chǔ)存的基準(zhǔn)相位信號(hào)與1f載波整形后的方波通過(guò)異或門進(jìn)行相位比較。CPU第一次檢測(cè)到相位比較結(jié)果等于1時(shí)，表示t1時(shí)間段開(kāi)始，以此為時(shí)間基準(zhǔn)，依次在 t2、t3、t4時(shí)間段得到 G2、G1、G0信號(hào)相位，即得到一組反映APD位置的格雷碼G2G1G0。這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于二進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控解調(diào)。CPU對(duì)檢測(cè)到的格雷碼G2G1G0進(jìn)行運(yùn)算得到APD位置數(shù)據(jù)g，然后由式(1)計(jì)算得到APD。主線圈接收信號(hào)經(jīng)過(guò)整流、濾波得到信號(hào)幅度直流電平，通過(guò)CPU處理后，可直接顯示A(G0)和A(G'0)數(shù)值，將各數(shù)據(jù)代入式(5)～(8)，最后可得到移動(dòng)機(jī)車位置ADD。

4 車上檢測(cè)位置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

車上檢測(cè)位置技術(shù)的關(guān)鍵在于檢測(cè)分辨率。為檢測(cè)車上檢測(cè)位置裝置的分辨率和應(yīng)用情況，本文模擬應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)。

試驗(yàn)中連接3段102.4 m編碼電纜，即檢測(cè)位置范圍為307.2 m，采用120 m連接電纜將編碼電纜連接到地面載波發(fā)生器。緩慢拖動(dòng)編碼電纜從固定的感應(yīng)天線箱下經(jīng)過(guò)，保持感應(yīng)天線箱與編碼電纜之間距離為100～150 mm，采用計(jì)算機(jī)對(duì)檢測(cè)的位置數(shù)據(jù)記錄，位置數(shù)據(jù)每發(fā)生一次變化就記錄一個(gè)數(shù)據(jù)。

檢測(cè)距離為307.2 m，每隔2 mm記錄1個(gè)位置數(shù)據(jù)，則應(yīng)有153600個(gè)位置數(shù)據(jù)。如實(shí)際記錄的一段檢測(cè)數(shù)據(jù)為 62.190、62.192、62.194、62.196、62.198、62.202、62.204……。

實(shí)際中，由于檢測(cè)誤差，會(huì)出現(xiàn)2個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)間隔為大于2 mm的情況，如上述62.198、62.202的間隔為4 mm。在所有檢測(cè)數(shù)據(jù)中，間隔為6 mm的共有3處，約占五萬(wàn)分之一;間隔為4 mm的共有284處，約占0.18%。

通過(guò)分析檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)檢測(cè)誤差都是在分米的交界處，如62.198 和62.202，即62.1 m 與62.2 m的交界處，這是主線圈的中心位于G0或G'0傳輸對(duì)線交叉點(diǎn)處。理論上此處A(G0)或A(G'0)為0，而實(shí)際中，由于噪聲干擾、編碼電纜傳輸對(duì)線之間的相互影響等原因，造成此處A(G0)或A(G'0)不為0，從而降低了分辨率。

如主線圈處于圖4中的位置③，主線圈中心正對(duì)著G0和 G'0的交叉，g=5，APD=50 cm 或 g=6，APD=60 cm。當(dāng)A(G'0)=0，則計(jì)算得到P0=1、P1=0，則有g(shù)=5或6，此時(shí)均有ADD=60 cm(已驗(yàn)證);當(dāng)A(G'0)≠0，假定計(jì)算得到 P0=0.98、P1=0.02，則當(dāng)g=5時(shí)，有 HRPD=P0× r=9.8 cm、ADD=59.8 cm，當(dāng)g=6 時(shí)，有 HRPD=P1×r=0.2 cm、ADD=60.2 cm。

這表明主線圈處于同一位置時(shí)，檢測(cè)的地址或?yàn)?.598 m，或?yàn)?.602 m，并來(lái)回跳動(dòng)，從而得不到 0.6 m的位置。

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了兩點(diǎn):①實(shí)測(cè)位置與理論上對(duì)應(yīng)位置偏差較小;②位置檢測(cè)精度高，分辨率為2 mm。為減小誤差，實(shí)際應(yīng)用中將多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)制成表格，計(jì)算出HRPD，并進(jìn)行修正。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹的感應(yīng)無(wú)線位置檢測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)車位置檢測(cè)的，采用的是非接觸式的絕對(duì)位置檢測(cè)方式，克服了傳統(tǒng)有線和無(wú)線位置檢測(cè)的缺陷，可滿足移動(dòng)機(jī)車精確定位的要求。感應(yīng)無(wú)線位置檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

目前，感應(yīng)無(wú)線位置檢測(cè)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(cè)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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