焦炉机车自动定位系统的研究与设计(牛亚男)

结束
炉号识别子系统研究设计
炉号识别子系统流程图
开始
初始化 使能U2270B
读取当前站的ID卡 的卡号now 接收无线模块传送 来的目的站号
N N
now=target Y 减速
now>targer Y 后退
结束 前进
炉号识别子系统研究设计
特点
可靠性高 本课题研究设 计的炉号识别 子系统的特点
成本低
DR为高 是否有数据？
Y 比较器中断
通知单片机取走数 据，并保存在数组里 配置模块为发送模式
发送数据
发送完毕
实物模型演示
播放演示
总结
射频识别技术实现了炉号准确识别
旋转编码器、摄像头实现了炉号精确对正
构建了高抗干扰性、传输可靠的无线通信网络
展望
采用DSP/ARM解决方案来提高系统运算能力和速度
采用RTOS来提高系统的实时性和可扩展性
2
2
9
1
1
1
1
1
1
1 C 2 3 4 5 6
5
u
0
1
F
3
VCC
3
R
6
R
0 4
8 3
3
3
C
4
读写器的电路原理图
1.5NF
C6D C
680PF
5
4.7NF
IN4148
IN4148
IN4148
4
R
7 5 D D 4
1
2
D 4
R
3
7 6
2
7
5
D
3 R
4
7
IN4148
D
5
1
R
源自文库
IN4148 4
0 8
4
C
4 7
108
92 72 50 32
102 106 70 48 33 20 70 50 30 21
21
13 9
10
8
11
16
9
8
2
1
25
2
30
9
12
7
9
8
8
9
10
15
11
8
卡尔曼滤波后的位置信息
标准距离（mm）
147 139 126
滤波后的数据（mm） 148 147 147 147 146 146 147 148 147 146 147
•
射线
• 激光对正
主要内容
总体方案 炉号识别子系统研究设计 精确对正子系统研究设计 通信网络的构建 总结与展望
主要内容
总体方案
炉号识别子系统研究设计
精确对正子系统研究设计 通信网络的构建 总结与展望
总体方案
焦炉机车定位系统现场分布图
通信控制器 推焦车 RFID电子标签
铁轨
摄像头
焦车控制器
k
T k
卡尔曼滤波的递推过程
卡尔曼滤波前的位置信息
标准距离（mm）
147 139 126
滤波前的数据（mm） 149 132 146 145 150 146 151 129 158 153 148
119 141 102 128 111 112 91 71 51 31 21 92 72 52 29 22 139 134 121 130 131 115 121 106 95 89 87 49 28 13 88 69 48 31 22 93 68 36 32 19 146 147 138 129 134 126 112 91 73 25 29 18 113 109 92 71 69 10 21 91 69 52 45 19 147 143 135 133 131 132 108 86 70 69 51 42 32 110
电子标签
时钟选取电路
全波整流电路
时序发生器
内存数据阵列
信号调制电路
数据编码模块
3.3V
1
R43
CON6
J
K 3 C2E 3 C1E
6 6 2 C
3
3
P
P
5
4 2
C
2
3
4
3.3V
C
M
2 2
1
R42
K Y
1 1
1
0
R41 1
K
0
9
8
7
6
5
4
3
2
1
3.3V
F330D
U
P1.6
P1.7
P2.0
/RST
V
G
2
2
R
9 9
Q
CON2
J
5
炉号识别子系统研究设计
2
1
炉号识别子系统研究设计
天线的设计
磁场常数 回路半径
回路电感
影响天线尺寸的因素
绕线直径 谐振频率
炉号识别子系统研究设计
读卡子程序流程图
开始
初始化
找下跳
找上跳 延时t,读入数据 N 1？ Y 延时t,读入数据,找跳变（共127次） N 9个“1”？ Y N 行列校验 Y 存储数据
引入网络，实现信息的共享和远程监控
谢谢
通信网络的构建
通信频段的选择
同一频段通信
提高传送可靠性
简化维护工作
不致总系统瘫痪
减少受干扰的 可 能性
方便引入备用 焦炉机车
Channel 2400MHZ RF CH #*1.0 MHZ
通信网络的构建
通信系统流程图
开始 系统初始化
配置模块
接收模式
配置模块
N N 串口接收到数据 Y 串口中断
图像采集流程图
开始 N 场同步开始 Y 场延时
N
行同步开始 Y 行延时
存储A/D转换 的数
一行结束
Y
一场结束
N
精确对正子系统研究设计
二值化流程图
开始 计算平均值（avg） 和标准偏差(sigma)
以avg为界，求两 侧的最大值a1,a2 | a1-a2 | <sigma Y 计算像素中值点 位置（midpos） N
108
92 72 50 32
21
13 9
13
8 9
13
12
9
12
9
12
9
13
9
12
7
12
8
13
9
13
9
12
8
主要内容
总体方案 炉号识别子系统研究设计 精确对正子系统研究设计
通信网络的构建
总结与展望
通信网络的构建
构建方式
•专用电缆 •电力载波
有线
无线
•GPRS •无线模块
通信网络的构建
网络构建示意图
焦炉机车自动定位系统的研究与设计
指导教师：王明顺 副教授 答辩学生：牛亚男
课题背景
焦炉机车现场示意图
研究背景
存在问题
焦化厂生产环境恶劣
车辆的频繁移动
焦炉机车自动 定位——难题
工艺上要求的精确定位
研究现状
90年代 80年代
70年代
• 旋转编码器 • 齿条+旋转 编码器 • 条形码技术 • 红外定位 • 编码电缆
k k ,k 1 k 1 k 1
k k j k T j k
kj
k
k
k
k
k
k
j
k
T j
k
kj
k
j
k
T j
k
k / k 1
k
k
k
k / k 1
k
k / k 1
T k
k k / k 1
T k
1
k
k / k 1
k ,k 1 k 1
T k ,k 1
k 1
k
k
k
k / k 1
T
k
k
k
midpos>avg Y 小峰在大峰左 边，调整分界点
N
小峰在大峰右 边，调整分界点
重新计算大峰， 小峰的位置 以两峰位置的 中点做为阈值
结束
精确对正子系统研究设计
去噪的流程图
N
开始
是否为单 个噪点
Y
滤掉噪点
K=K+1
一场的点 都滤过
Y N
N
第j列是否有相异的 噪点
Y
滤掉小部 分噪点
j=j+1
一场结束？
Y
N
结束
精确对正子系统研究设计
去噪前后结果对比
精确对正子系统研究设计
随机扰动
机车运行时不可避免的会产生滑移
摄像头位 置信息偏 移 焦炉机车轨道变形导致车体震动和 横向窜动
卡尔曼滤波
X X W 状态方程 E[W ] 0，Cov[W ,W ] E[W W ] Q Z H X V 量测方程 E[V ] 0，Cov[V ,V ] E[V V ] R 系统噪声和量测噪声满足 Cov[W ,V ] E[W V ] 0 ˆ ˆ ˆ 状态估计 X X K (Z H X ) 滤波增益 K P H (H P H R ] 一步预测均方差 P P Q 估计均方误差 P (I K H )P (I K H ) K R K
维护方便
炉号识别子系统研究设计
补充说明
有效性
脱轨
补充
方向性
主要内容
总体方案 炉号识别子系统研究设计
精确对正子系统研究设计
通信网络的构建 总结与展望
精确对正子系统研究设计
位置检测机构工作原理图
倍频单元 旋转编 码器 隔离单 元 整形单 元 鉴向单元
位置信息
MCU
方向信息
精确对正子系统研究设计
5
7
2
1
3.3V
4
C101
7
4
VCC
1
R
VCC 0 1
3
VCC 1 R
0 2
3
CON2
J
1
2
2
8
7
6
5
4
3
2
1
U2270B
U
CL2
D
CFE
M
INPUT
O
OUTPUT
G
2
CON2
J
G S
E
N
1 N
3 D
VBATT
E
2
VEXT
CL1
D SBY
C
V V
R
H
1
S S
F
P 4
CON2
J
7
1
4 1
3 C
2
0 2
RFID读写器 通信控制器
炉室
拦焦车 主控制室 熄焦车
总体方案
核心思想——定位系统采用炉号识别与精确对正 分离
准确获得三车 分别所处有效 炉室区域的炉 号
RFID
最短的时间内 自动停车对正 （定位）在指 定炉号的炉室 位置。 (旋转编码器+ 摄像头）
总体方案
方案实现
s s1 s s2 s s3
总体方案
多传感器定位优势
精度
可靠性
空间范围 可信度
时间范围 生存能力
主要内容
总体方案
炉号识别子系统研究设计
精确对正子系统研究设计 通信网络的构建 总结与展望
炉号识别子系统研究设计
炉号识别子系统工作原理图
读写器
低通 滤波
焦车控制器
天线
炉室 中心线
本振
~
功率放大
环形器
电子标签
低通 滤波 接收机回路 铁轨
位置检测存在的问题
焦炉机车是大型机械，且是露天工 作，在雨雪天气的影响下，焦炉 机车运行时不可避免的会产生滑移 累计误差 常年高温高热的环境下焦炉机车轨 道容易出现变形
精确对正子系统研究设计
图像定位机构工作原理图
炉号标记 炉室 炉室
摄像头
A/D转换单元
MCU 视频同步分离 单元
精确对正子系统研究设计
P0.0
P0.1
P0.2
P0.3
1
10uF/16V
C45
D
N
D
D
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
P0.7
P0.6
P0.5
P0.4
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
VCC
1
C31
0
4 R T
X
X
3
4
1
CON2
J
1
ON/OFF
N
VIN
2
1
C
S818
V
VSS
O
U
T R T
X
X
2 CON2 J
139 140 126 126 107 108 91 71 51 31 21 92 72 52 32 22 139 138 138 126 127 127 108 106 108 91 72 50 32 21 93 72 50 31 22 93 72 50 32 21 140 139 138 127 126 126 109 108 109 91 73 50 32 21 92 71 50 32 21 91 72 50 32 21 139 139 139 127 127 126 108 108 108 92 72 50 32 21 92 72 50 32 20 92 72 50 32 21