面向钢水包吊装的SAW RFID定位系统研究

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钢水包的运输是炼钢生产的基本环节。龙门吊依靠两侧吊钩与钢水包吊耳配合将钢水包吊装并运输。在钢水包的吊装前应严格保证吊钩与吊耳的可靠配合,否则龙门吊的巨大动力可能造成钢水包的倾覆,导致重大安全事故。当前钢水包的吊装主要依靠人工指挥调整吊钩位置来实现吊钩吊耳的可靠配合,效率低下且存在漏判或误判的可能,带来了潜在的安全隐患。为实现安全、高效的炼钢生产,应当对该问题进行研究。吊钩吊耳可靠配合的关键在于在钢水包进行吊装前吊钩与吊耳的位置对齐。本文基于声表面波射频识别(Surface Acoustic Wave Radio Frequency Identification,SAW RFID)的定位技术,对吊钩与吊耳表面添加SAW标签来实现二者的定位,依据二者的位置关系判别进行钢水包吊装或吊钩位置调整,实现了吊钩吊耳的可靠配合,保证了生产的安全和效率。对应的,本文主要研究内容包括:(1)对实现更高定位精度的SAW RFID定位技术进行了研究。探讨了SAW标签回波时延、强度、相位等信号特征的空间分辨力和对应的理论定位精度。对于高精度的回波相位定位方法,分析了硬件带来的相位偏移以及干扰带来的相位误差的来源及其补偿和抑制方法,保证了所提取回波相位及后续定位结果的准确性。然后研究了相位2π模糊下,直接利用回波相位实现更高精度SAW标签定位的双曲线、速度、测角、位置指纹、合成孔径等定位方法的原理及特点。(2)提出了基于SAW RFID定位的吊钩吊耳可靠配合方法。通过分析吊钩吊耳配合流程得出了可靠配合的吊钩吊耳位置条件,并给出了基于定位实现可靠配合的具体流程。结合实际场景和硬件设置,分别提出了基于几何映射的吊耳定位方法和基于合成孔径的吊钩定位方法,仅用2个SAW标签和2个阅读器天线实现了吊钩与吊耳的定位。进一步对定位精度进行了数值仿真验证与改进,通过对几何映射的固有近似误差和合成孔径的模板向量误差进行补偿提高了定位精度,在相位误差不超过20°的条件下实现了可靠配合所需的定位精度。(3)针对钢水包吊装中SAW RFID定位的技术特点,进行了SAW标签及SAW RFID阅读器架构的优化设计。实际测试了SAW标签和新阅读器样机的性能指标,通过高温实验验证了SAW标签在钢水包高温环境下的综合性能,并通过吊钩吊耳定位实验验证了所提出定位方法的定位精度满足钢水包吊装中吊钩吊耳可靠配合的需求。本文针对钢水包吊装中吊钩吊耳的配合问题,对SAW RFID定位技术及其精度提高进行了研究,提出了通过定位实现吊钩吊耳可靠配合的方法,以及对应的吊钩吊耳SAW RFID定位方案,并对相关SAW标签和阅读器硬件进行了设计开发,仅用2个SAW标签和2个阅读器天线实现了吊钩与吊耳的定位,能够根据定位简捷、快速、低成本地实现吊钩吊耳的可靠配合,保证炼钢生产安全、高效地进行。
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