面向工業(yè)環(huán)境的高精度無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
作者：李帥 軟件學(xué)院
指導(dǎo)老師：何源 軟件學(xué)院
關(guān)鍵詞：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、毫米波、振動(dòng)監(jiān)測(cè)
摘要
該系統(tǒng)是一種面向工業(yè)環(huán)境的，基于毫米波的亞毫米級(jí)振動(dòng)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它基于無線感知技術(shù)中前沿的毫米波感知技術(shù)，能夠?qū)I(yè)環(huán)境中的設(shè)備的亞毫米級(jí)的微小振動(dòng)進(jìn)行全天候、高精度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。相比于現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)方法，該系統(tǒng)具有更高的檢測(cè)準(zhǔn)確性，在復(fù)雜環(huán)境中具有更高的可靠性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一套設(shè)備多點(diǎn)檢測(cè)的特點(diǎn)，大大降低了監(jiān)測(cè)成本。
工業(yè)環(huán)境中的振動(dòng)現(xiàn)象與毫米波雷達(dá)
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在現(xiàn)代工業(yè)中，諸如振幅、振動(dòng)頻率等振動(dòng)參數(shù)指標(biāo)反映了機(jī)器的運(yùn)行工況并能夠輔助機(jī)械故障診斷甚至提前進(jìn)行故障預(yù)測(cè)與報(bào)警，因此準(zhǔn)確的振動(dòng)監(jiān)測(cè)一直是工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)景中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。
圖1 工業(yè)環(huán)境中的振動(dòng)現(xiàn)象
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另一方面，基于毫米波的無線感知技術(shù)近年來受到了研究界的廣泛關(guān)注，毫米波頻段的無線信號(hào)波長約1～10mm，毫米波雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)能夠反映出環(huán)境中反射路徑的細(xì)微變化，具有非常高的感知精度。
圖2 毫米波雷達(dá)
我們的系統(tǒng)基于商用毫米波雷達(dá)，創(chuàng)新性地幾何信號(hào)模型和多信號(hào)整合模型，成功地解決了工業(yè)設(shè)備微小振動(dòng)的監(jiān)測(cè)問題。
幾何信號(hào)模型和多信號(hào)整合模型
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毫米波雷達(dá)通過向物體發(fā)射毫米波信號(hào)，并接收由物體反射的信號(hào)來感知物體的位置變化。對(duì)于振動(dòng)物體來說，由振動(dòng)物體（簡諧運(yùn)動(dòng)）引起的相位變化在IQ星座圖上呈現(xiàn)為弧狀，由幾何的關(guān)系可以推導(dǎo)出，圓弧的圓心角對(duì)應(yīng)振動(dòng)物體的振幅。
圖3 幾何信號(hào)模型
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當(dāng)振幅極其微小的時(shí)候，簡單的擬合很難擬合出正確的圓心和半徑。因此我們提出了多信號(hào)整合模型。
圖4 微小振動(dòng)擬合
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基于我們的毫米波雷達(dá)具有多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，可同時(shí)發(fā)射和接收不同的信號(hào)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一組不同起始頻率的信號(hào)，這樣可以在同一時(shí)刻內(nèi)得到對(duì)振動(dòng)物體的不同觀察，將這些信號(hào)整合起來，我們可以到一個(gè)比單一信號(hào)更完整的圓弧，進(jìn)而可以擬合出準(zhǔn)確的圓心和半徑，從而得到更準(zhǔn)確的振幅。
圖5 多信號(hào)整合模型
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用
基于我們的算法原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套完整的測(cè)振系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行了硬件上的封裝。
目前我們的系統(tǒng)已經(jīng)南京鋼鐵集團(tuán)的生產(chǎn)車間中進(jìn)行了實(shí)地的部署，并查看了實(shí)際運(yùn)行效果。結(jié)果顯示，我們的系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中具有極高的準(zhǔn)確性和可靠性，具有極大的實(shí)用價(jià)值。
圖6 測(cè)振系統(tǒng)工作流程
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圖7 測(cè)振系統(tǒng)內(nèi)部組成
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圖8 實(shí)際部署圖
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