漏泄電纜輻射特性自動循跡檢測平臺研究

江 斌

（上海電纜研究所，上海200093）

漏泄電纜輻射特性自動循跡檢測平臺研究

江 斌

（上海電纜研究所，上海200093）

為了提高漏泄電纜輻射特性檢測的自動化水平，設計了一種多功能漏泄電纜輻射特性自動循跡檢測平臺，研究了控制系統中的自動姿態修正算法，開發了用戶端上位機界面。經現場試驗數據表明，該系統精度高、抗干擾性好。在自動測量過程中，行駛軌跡中心點偏移小于1 cm，測距誤差小于0.4%，漏泄特性檢測指標滿足漏泄電纜生產廠家的技術要求。

漏泄電纜；姿態修正；自動循跡

0 引 言

漏泄電纜的輻射特性檢測對于漏泄電纜生產廠家具有重要的意義［1］。傳統的測試方法主要采用車載測試儀在導軌上沿漏泄電纜方向勻速移動進行測量，將測試數據通過無線方式發送到地面用戶端進行顯示［2-3］。為解決常規測試系統選用導軌造成的成本高、效率低的問題，本測試平臺采用高精度自循跡方式，調整運動平臺自動沿設計線路行駛，達到與導軌類似的運動效果。

1 系統總體結構

漏泄電纜測試中運動平臺的技術指標，根據企業需求需要達到：（1）檢測過程全自動，速度穩定且最小運動速度4 cm/s；（2）百米測距精度誤差小于0.4%；（3）遠程實時監控；（4）通用報表文件生成與保存數據；（5）系統機動性強。為實現上述要求，本文設計的系統總體框圖如圖1所示。

檢測系統由上位機與下位機構成，下位機由車載PC、主控模塊、數據采集模塊、驅動機構、制動機構、通信模塊及電磁干擾測試接收機（EMI接收機）構成。上位機由遠程控制中心（PC）及信號源兩部分構成。

其中，在遙控模式下主控器STM8L通過通信模塊接收手持遙控器控制命令。自動導航模式下，根據姿態調整算法，控制平臺沿著預定航線行駛，將數據采集模塊的數據進行運算并上傳至車載PC，同時接收車載PC的控制命令。數據采集模塊主要包括編碼測速模塊、電量采集模塊、循跡探頭模塊及超聲測距模塊。編碼測速模塊測量平臺的行駛速度、位移及方向，并將結果返回給主控器。電量采集模塊測量蓄電池電量剩余信息。超聲測距模塊測量平臺前后左右四個方向的障礙物信息，確保行駛過程安全可靠。循跡探頭模塊檢測軌跡位置，并返回主控器當前平臺偏離航線的狀態，給主控器修正平臺姿態提供參考值。驅動模塊包括無刷直流電機控制器、轉向電機控制器及電磁剎車器。無刷直流電機控制器給主控器提供速度、方向、制動等控制接口，內置無刷直流電機驅動電路。轉向電機控制器，改變平臺行駛反向，配合姿態調整。電磁剎車保證平臺良好的制動性及精確度。

車載PC是基于LabVIEW的人機交互界面，主要功能是接收遠程控制中心的控制命令，將主控器上傳的數據運算、存儲、顯示并轉發，且控制移動車載平臺的運行狀態。目前，對于行駛控制［4］有很多軟件和硬件［5］的方法。自動導航模式中，在軌跡約束條件［6-7］下通過循跡探頭結合姿態調整算法調整行駛姿態。移動車載PC和主控器通過RS232進行通信，在測試高頻信號時采用多節點紅外通信，低頻信號測試時采用無線互聯網通信，提升傳輸效率的同時排除通信頻段對實驗的干擾。

2 高精度自循跡系統

本設計采用5路E3F-DS30C4光電傳感器組成循跡探頭，鋪設吸光率較高的黑色軌跡帶作為預定航線，循跡平臺如圖2所示，循跡平臺共有7個傳感器，兩側的2個作為限位用。

某個光電傳感器檢測到反射光線時，證明此時沒有位于軌跡帶上，返回高電平，讀取循跡探頭的電平可判斷偏航狀態。根據圖3中的導航控制，姿態調整［8］過程簡介如下：

圖3中，α為車身與航線的夾角；v為行駛速度；l為前后驅中心長度1.5 m；r為最小轉向半徑；θ為轉向角0～60°。

式中，x為航線的切線方向，y為航線垂直方向。其中初始化夾角α和y為零，當行駛過程中偏離航線時，α與y增大，軌跡探頭讀取到偏航狀態。調整扭矩電機轉向角θ，方向為y增加的反方向，使得α與y減小。當偏航角恢復時，修正轉向角θ使得α等于零。

圖2 循跡平臺結構

圖3 導航控制示意圖

平臺最小導航速度3cm/s，最大轉向角60°。

3 軟件設計

3.1 自動循跡軟件設計

姿態調整通過模糊控制［9-10］過程實現，如圖4所示。傳感器模塊即是軌跡探頭，信號至模糊控制器單元，軌跡探頭返回的電平值模糊化，根據知識庫中的預設姿態控制算法進行邏輯判斷，根據算法中偏航角與轉向角之間的邏輯關系，解模糊化，輸出給執行機構轉向電機電平信號，調整姿態。

圖4 模糊控制原理圖

其中核心判斷邏輯過程為：當平臺中心航線偏出預定航線時，反方向增加轉向角，當中心再次回到預定航線時，根據上一偏航狀態修正轉向角。

3.2 地面控制中心軟件設計

上位機軟件流程圖如圖5所示，分為高頻測試和低頻測試任務。

上位機軟件界面如圖6所示，分為工程樹、繪圖顯示區、狀態指示區、參數設置區及平臺控制區五個部分。工程樹中可完成新建測試任務、導入歷史任務等功能。繪圖區顯示測試波形及測得的相關參數。狀態指示區用來開始或者終止測試任務及顯示當前工控狀態。參數設置區用來設置漏泄電纜信號源的參數。平臺控制區用來遠程遙控平臺及顯示平臺返回的狀態信息。

4 實驗和分析

實驗采用的漏泄電纜為寬頻帶異型槽漏泄同軸電纜SLYWY-50-32，可使用頻率為150 MHz、450 MHz、900 MHz、1800 MHz、1900 MHz、2200 MHz、2400 MHz。

（1）EMI數據實測

如圖7所示，上位機接收車載PC上傳的數據，繪制出測試點漏纜電磁信號的功率圖，中心頻率為150 MHz，功率為-50 dBm。由于測試處于低頻段，采用2.4 GHz通信對實驗沒有影響。測得實驗波形較為理想。

圖5 上位機程序測試流程圖

圖6 上位機軟件運行圖

圖7 上位機繪制的實驗波形

（2）導航精度

加入姿態調整算法后，平臺行駛速度為30 cm/s的導航運行效果圖如圖8所示，其中左右最大偏移小于1 cm。由于采用導航的是光電傳感器，不同材質的吸光率不同，對導航路線有一定的影響，所以一個干凈的實驗環境是較為理想的。

圖8 實驗導航效果圖

5 結束語

本車載移動測試平臺，具備多種數據通信方式，多種移動平臺的控制方案。配合姿態調整算法及上位機軟件，可實現測試過程全自動。實驗結果表明，系統基本達到了高效、高精度、高穩定性等技術要求，并順利通過了企業用戶的在線測試。

相比較傳統測試系統而言，采用最新的半導體及傳感器技術給系統帶來較高的系統集成度、靈敏度、精確度及安全度，擺脫了傳統檢測系統有線設備及特定測試場地的局限性。系統能夠廣泛地應用于工控測試領域，具有廣闊的應用前景。

［1］ 舒 琳.鐵路隧道中漏泄同軸電纜輻射場分布的計算［J］.鐵道學報，2002，24（2）：69-73.

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［3］ Rama Rao T.Near ground/floor RF path gain measurements in indoor corridors at2400 MHz for wireless sensor communications［J］.Procedia Engineering，2012（30）：836-843.

［4］ 張金學.一種車型機器人路徑規劃方法［J］.計算機仿真，2012，29（1）：176-179.

［5］ 彭 輝.Hermite三次樣條插值的車型機器人路徑規劃研究［J］.計算機工程與應用，2010，46（22）：221-224.

［6］ George P.Moustris.Switching fuzzy tracking control for mobile robots under curvature constraints［J］.Control Engineering Practice，2011（19）：45-53.

［7］ Reinhardt Kotzé.Optimisation of pulsed ultrasonic velocimetry system and transducer technology for industrial applications［J］. Ultrasonics，2013（53）：459-469.

［8］ Concari C.Vibrationless alignment algorithm for incremental encoder based BLDC drives［J］.Electric Power Systems Research，2013（95）：225-231.

［9］ 顏 偉.射頻識別系統電磁輻射干擾特征快速分析與抑制［J］.中國電機工程學報，2012，32（9）：161-165.

［10］ El Hajjaji A.Fuzzy path tracking control for automatic steering of vehicles［J］.Roboticsand Autonomous Systems，2003（43）：203-213.

Study on Detection Platform of Radiation Characteristics of Leaky Cable Based on Automatic Tracking

JIANG Bin
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

To improve the level of automation of the radiation field from leaky cable，amultifunctional radiation field test platform with automatic navigation was developed.A automatic attitude correction algorithm was researched，and a client PC software was designed.Experimental data show that this detection system basicallymeet the vital requirements such as：high precision，anti-interference ability.Furthermore，during automaticmeasuring process，the offset of the navigation is less than 1 cm，the ranging error less than 0.4%.

leaky coaxial cable；posture correction；automatic tracking

TM248.3；TM206

A

1672-6901（2013）06-0032-04

2012-08-14

上海市科學技術委員會資助（課題編號為10XD1420800）.

江 斌（1971-），男，教授級高工.

作者地址：上海市軍工路1000號［200093］.