基于電磁感應(yīng)原理的感應(yīng)無線位置檢測技術(shù)

基于電磁感應(yīng)原理的感應(yīng)無線位置檢測技術(shù)

1自動(dòng)探測增加傳感器技術(shù)是推動(dòng)移動(dòng)設(shè)備自動(dòng)駕駛的一項(xiàng)工業(yè)應(yīng)用技術(shù)，包括傳感器技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。移動(dòng)機(jī)車要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制,必須隨時(shí)了解機(jī)車的行走位置。感應(yīng)無線位置檢測技術(shù)采用一條獨(dú)特編碼電纜,能在長達(dá)幾千米路程中連續(xù)地檢測機(jī)車處于任何一點(diǎn)的位置。其技術(shù)特點(diǎn)是:1)絕對位置檢測,一種只與機(jī)車當(dāng)前所處位置有關(guān)而與過程和其它因素?zé)o關(guān)的檢測方式。2)檢測分辨率高,可達(dá)到2mm檢測分辨率。3)連續(xù)位置檢測,給出任何一點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)。4)非接觸式檢測,可靠性高;編碼電纜內(nèi)部電線的交叉結(jié)構(gòu),能有效地抑制外來雜散電磁場的干擾,適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。2地面檢測位置系統(tǒng)的組成感應(yīng)無線位置檢測,分為地面檢測位置和車上檢測位置2種方式。地面檢測位置,是在地面中控室得到移動(dòng)機(jī)車的位置;車上檢測位置,是在移動(dòng)機(jī)車上得到本車的位置。地面檢測位置系統(tǒng)組成如圖1所示。編碼電纜安裝在機(jī)車的軌道旁邊,天線箱安裝在機(jī)車上并隨著機(jī)車移動(dòng),始終與編碼電纜保持距離z(z≈10cm)。當(dāng)車上載波發(fā)生器通過天線箱中發(fā)送線圈發(fā)送載波時(shí),編碼電纜中各傳輸對線中產(chǎn)生感應(yīng)信號,地面位置檢測器檢測這些信號,經(jīng)過運(yùn)算得到發(fā)送線圈中心所在位置x坐標(biāo),以此作為移動(dòng)機(jī)車的位置。3發(fā)送線圈均勻磁場模型天線箱內(nèi)是一個(gè)矩形多圈發(fā)送線圈。編碼電纜內(nèi)部有若干對傳輸線,各傳輸對線按照一定的編碼規(guī)則在不同位置交叉,任何一傳輸對線2個(gè)交叉間的網(wǎng)孔,可以看成一個(gè)矩形單圈線圈,如圖2所示。根據(jù)電磁感應(yīng)理論,當(dāng)發(fā)送線圈通過交變電流時(shí),傳輸對線中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。發(fā)送線圈在空間產(chǎn)生的磁場分布較為復(fù)雜。為了便于分析,建立均勻磁場模型:當(dāng)發(fā)送線圈與編碼電纜間距離z較小時(shí)(圖2中z=5cm),近似認(rèn)為發(fā)送線圈產(chǎn)生的磁力線垂直穿過傳輸對線且磁感強(qiáng)度沿x軸方向均勻分布。圖3是為了分析方便,將發(fā)送線圈與編碼電纜中某一傳輸對線畫在同一平面。發(fā)送線圈寬度與該傳輸對線兩交叉間距相等都為W,W=2r。以發(fā)送線圈中心線的x坐標(biāo)為位置數(shù)據(jù);傳輸對線兩交叉間的區(qū)域稱為K區(qū)域(K=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,…);發(fā)送線圈中心線偏離所在K區(qū)域的中心線距離為d。1應(yīng)力電動(dòng)勢交叉?zhèn)鞑サ奶匦愿鶕?jù)均勻磁場模型,磁力線垂直穿過傳輸對線,只有感應(yīng)面積(發(fā)送線圈所覆蓋的傳輸對線區(qū)域)才產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,由于存在一個(gè)交叉,傳輸對線相鄰兩區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢相位相反。從端口得到的感應(yīng)電動(dòng)勢e是相鄰兩個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢的合成,e的相位與發(fā)送線圈中心線所對著區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢相位相同。2相鄰區(qū)域應(yīng)力面積之差根據(jù)均勻磁場模型,磁感強(qiáng)度沿x軸方向均勻分布,傳輸對線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢e的幅度A與傳輸對線有效感應(yīng)面積成正比,有效感應(yīng)面積是相鄰兩個(gè)區(qū)域感應(yīng)面積之差。圖3中,位置1,d=0,有效感應(yīng)面積最大S=Smax=W×B,A=Amax(y,z);在位置3,d=r,有效感應(yīng)面積S=0,A=0。在位置2,有效感應(yīng)面積S=(W-2d)×B。于是:A=Amax(y,z)×(W-2dW)=Amax(y,z)×(r-dr)(1)A=Amax(y,z)×(W?2dW)=Amax(y,z)×(r?dr)(1)4基本測量位置的基本原則4.1電纜段的傳輸結(jié)構(gòu)指示編碼電纜中有R、G、G′3類傳輸對線。1各段叉開,li對線雙絞實(shí)際應(yīng)用中,將長度為L的若干段標(biāo)準(zhǔn)編碼電纜連接起來,采用R傳輸對線分段技術(shù);Ri對線僅在i段叉開,在其余段Ri對線雙絞,如圖4所示。若發(fā)送線圈位于第i(i=0,1,2…)段,則:①Ri傳輸對線的信號幅度最大,Rj(j≠i)的信號幅度約等于0,比較各路R信號幅度確定發(fā)送線圈位于哪一段;②Ri在i段不交叉,Ri傳輸對線的信號相位不變,以此信號相位作基準(zhǔn)相位。2編碼電纜傳輸對線交叉編碼電纜內(nèi)有若干對G傳輸對線G0,G1,…,Gn-1,按格雷碼規(guī)則交叉編制,因而在編碼電纜中任何位置不存在2對G傳輸對線同時(shí)交叉,避免了發(fā)送線圈處在G傳輸對線交叉點(diǎn)時(shí)可能造成的誤差。n的大小取決于L和r。例如:L=102.4m,r=10cm,n=10,210=1024,1024×10cm=102.4m。3g0線傳輸編碼電纜內(nèi)有一對G0′傳輸對線,如圖5所示。4.2gj與gd相位比較感應(yīng)無線位置檢測由一般位置檢測(APD)和高分辨率位置檢測(HRPD)組成。APD位置檢測,是檢測感應(yīng)信號的相位經(jīng)運(yùn)算得到APD位置。分辨率為任意2個(gè)交叉之間距離r。中控室地面局以信號幅度最大的R傳輸對線感應(yīng)信號Ri作為基準(zhǔn)信號,各路G傳輸對線感應(yīng)信號與之進(jìn)行相位比較,若Gj與Ri相位相同記為Gj=0,相位相反記為Gj=1,由于各G對線按照格雷碼規(guī)則交叉,所以相位比較的結(jié)果數(shù)據(jù)是一組格雷碼,其對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為g,則g×r為APD位置數(shù)據(jù)。圖5中,R0感應(yīng)信號幅度最大,i=0。在位置①,信號G2、G1與R0同相,而信號G0經(jīng)過一個(gè)交叉與R0反相,G2G1G0=001,g=1。在位置②,G2G1G0=110,g=4。在位置③,發(fā)送線圈中心對準(zhǔn)G0交叉點(diǎn),G0信號幅度為0,G2G1G0=101,g=6,或G2G1G0=100,g=7。由于處于6、7交界處,故g=6或g=7都認(rèn)為正確。綜合分析:得到APD位置公式:APD=L×i+g×r(2)4.3霍判決位置檢測原理HRPD位置檢測,是檢測編碼電纜中G0、G′0傳輸對線信號幅度,經(jīng)運(yùn)算得到HRPD位置。4.3.1y、zrr外來文h設(shè)發(fā)送線圈中心線偏離G0、G′0交叉間中心的距離分別為d0、d1,r=d0+d1;設(shè)A(G0)、A(G′0)分別為檢測的傳輸對線G0、G0′感應(yīng)信號幅度。根據(jù)公式(1)有:A(G0)=Amax(y,z)×(r-d0r)(3)A(G0)=Amax(y,z)×(r?d0r)(3)A(G′0)=Amax(y,z)×(r-d1r)(4)令:Ρ0=A(G0)A(G0)+A(G′0)=r-d0r=d1r(5)Ρ0=A(G′0)A(G0)+A(G′0)=r-d1r=d0r(6)從式(5)、(6)得,只要檢測得到A(G0)、A(G′0),便可計(jì)算出與y、z無關(guān)的P0、P1。分2種情況討論:1)發(fā)送線圈中心左邊是G0交叉,g為奇數(shù),HRPD=d1=P0×r。如圖5位置①,g=1。2)發(fā)送線圈中心左邊是G′0交叉,g為偶數(shù),HRPD=d0=P1×r。如圖3位置②,g=4。由此,得到HRPD公式和綜合位置ADD公式:ΗRΡD={d0=Ρ1×r?當(dāng)g為偶數(shù)d1=Ρ0×r?當(dāng)g為奇數(shù)(7)ADD=APD+HRPD(8)4.3.2霍夫位置檢測分析圖5中,設(shè)r=10cm,分析如下。1理論幅度值的確定中心線位置15cm,d0=d1=0.5r檢測:G2G1G0=001計(jì)算:g=1,APD=g×r=1×10=10cm傳輸對線G0、G′0的有效感應(yīng)面積相等且為最大值的一半。故理論幅度值為:A(G0)=A(G′0)=12Amax(y?z)若實(shí)際檢測與理論相符則:P0=P1=0.5。HRPD=P0×r=0.5×10=5cmADD=APD+HRPD=10+5=15cm2有效感應(yīng)面積和理論幅度不同中心線位置42.5cm,d0=0.25r,d1=0.75r檢測:G2G1G0=110計(jì)算:g=4,APD=g×r=4×10=40cmG0、G′0有效感應(yīng)面積和理論幅度分別是:S(G0)=34Smax?A(G0)=34Amax(y?z)S(G′0)=14Smax?A(G′0)=14Amax(y?z)若實(shí)際檢測與理論相符則:P0=0.75,P1=0.25。HRPD=P1×r=0.25×10=2.5cmADD=APD+HRPD=40+2.5=42.5cm3實(shí)際檢測與理論不符的情況中心線位置70cm,d0=r,d1=0G0、G′0有效感應(yīng)面積和理論幅度是:S(G0)=0,A(G0)=0;S(G0′)=Smax,A(G′0)=Amax。若實(shí)際檢測與理論相符則:P0=0,P1=1。A(G0)=0,G2G1G0=100或G2G1G0=101。a)若檢測G2G1G0=100g=7,APD=g×r=7×10=70cmHRPD=P0×r=0ADD=APD+HRPD=70+0=70cmb)若檢測G2G1G0=101g=6,APD=g×r=6×10=60cmHRPD=P1×r=1×10=10cmADD=APD+HRPD=60+10=70cm不論哪種情況,綜合位置總是:ADD=70cm。5apd位置檢測感應(yīng)無線地面位置檢測器電路框圖如圖6所示,編碼電纜中各傳輸對線經(jīng)過連接電纜引到電路端口,通過變壓器隔離后分別送到模擬開關(guān)1、2。工作原理:1)CPU控制模擬開關(guān)1,分別選擇R0,R1,…,Rk信號,通過A/D1對所選擇的R信號幅度采樣,找到幅度最大的R信號Ri,得到段位置i,并保持選擇Ri信號作為相位比較的基準(zhǔn)信號。2)CPU控制模擬開關(guān)2,分別選擇Gn-1,Gn-2,…,G1,G0信號與Ri信號進(jìn)行相位比較,CPU讀取比較結(jié)果運(yùn)算得到APD位置數(shù)據(jù)。3)CPU控制模擬開關(guān)2,分別選擇G0、G′0信號,通過A/D2對G0、G′0信號幅度采樣,得到A(G0)、A(G′0),由此計(jì)算出HRPD位置。4)計(jì)算出綜合位置ADD。6高分辨率位置檢測實(shí)測數(shù)據(jù)分析多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,根據(jù)均勻磁場模型推導(dǎo)的位置檢測公式是與實(shí)際情況基本符合的。實(shí)驗(yàn)條件:編碼電纜長度6.4m,r=10cm,內(nèi)有8對傳輸對線R0、G5、G4、G3、G2、G1、G0、G′0;A/D1與A/D2是12位A/D轉(zhuǎn)換器;天線箱與編碼電纜保持z=5cm的距離。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(G0)為最小,實(shí)驗(yàn)中此位置:A(G0)=30,A(G′0)=3645,g=11,以此位置作為實(shí)際位置1100mm。然后將天線箱每2mm移動(dòng)一次,一直移到實(shí)際位置1300mm。記錄每次所檢測的g,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)(共101組數(shù)據(jù))。表1給出了部分檢測數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果,其中誤差σ=檢測地址-實(shí)際地址。圖7是根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)由Excel自動(dòng)生成的圖形,橫軸是x,x=實(shí)際位置-110cm,單位cm;縱軸對于A(G0)、A(G′0)是實(shí)際檢測數(shù)據(jù);對于P0來說是擴(kuò)大了5000倍的數(shù)據(jù),這是為了觀察清晰。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下:1關(guān)于20mm時(shí),x增大而線形按照均勻磁場模型理論,實(shí)驗(yàn)中,在0≤x≤100mm時(shí),A(G0)應(yīng)隨x增大而線形增大,A(G′0)應(yīng)隨x增大而線形減小。圖7中,實(shí)測A(