（机械制造及其自动化专业论文）基于马尔科夫链的电主轴无线传感监测旋转信道建模研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 目前，高速电主轴已被广泛应用在各种现代机床上。发展新型的电主轴状态 监测技术，对提高机床加工精度有着愈发关键的作用与无线传感技术结合，直 接测量旋转轴的状态信息，是电主轴状态监测的最新方向。而要发展基于无线传 感的电主轴状态监测技术，关键是保证无线通信的可靠性。因此，本文着眼于电 主轴无线传感监测的通信信道研究，分析了电主轴旋转信道的特性，为面向电主 轴状态监测的无线系统设计提供重要的理论参考。本课题结合国家自然科学基金 项目( 5 l1 0 5 3 3 6 ) ，分析面向电主轴机床环境下的电磁波传输特性，并建立基于 马尔科夫链的电主轴旋转信道模型。 本文主要分析了机床电主轴复杂反射环境给无线通信带来的多径效应，以 及高速旋转运动产生的多普勒效应；在此之上，根据通信过程收发机间是否存在 直射信号，将通信过程划分为视距通信状态与非视距通信状态，并分别使用视距 模型与非视距模型进行描述；之后，分析了实际应用中电主轴无线监测系统的所 处环境，针对大量障碍物随机分布及运动的特点，提出基于马尔科夫链的模型来 描述信道视距与非视距状态的切换过程，该模型对不同的无线系统安装方式和机 床环境具有很强的适用性 最后，本文对电主轴旋转信道模型进行仿真分析与实验验证课题中提出了 模型的仿真方案，并开发了一套电主轴旋转信道测试系统，进行电主轴旋转信道 测试实验通过实验中获取的实测数据，实现了模型参数拟合与模型验证。实验 结果验证了基于马尔科夫链的电主轴旋转信道模型具有较高的准确性，能反映电 主轴旋转信道的传输特性，并有较高的实用意义 关键词：电主轴，无线传感，状态监测，信道，多径效应，多普勒效应，马尔 科夫链 i i 浙江大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t n o w 缸时s ，m o t o r 诳ds p i n d l eh a sb e c o i n ea c r i t i c a lp a r to fm o d 锄m a c l l i n et o o l s ， 锄di t sc o n d i 石o nn 1 0 i l i t o r i n gt e c h n o l o g i e s 戗k eav e 巧i r r l l ) 0 n a n tr o l ei i lm a c l l i l l i n g a c c u r a c y 油p r 0 v e i n e m w n l e s ss e i l s o rm o m t o r i n g ，w h i c hs e t s 丘e et l l el a y o u to f s e i l s o r s 丘l o mt h el 证l i t a t i o no fr o 谢n gs 1 1 a 旺i so fn o n c o r n p a r a b l ea d v a n t a g e sa m o n g m a i l ym e 吐l o d so fs p i l l d l ec o n d i ! t i o nm o l l i t o 血g t h em o s te s s e 以a lp a no fw i r e l e s s s e n s o rm o n i t o 血gf o re l e c t r i cs p i n d l e ，i st 1 1 er e l i a b l ec o m 删c a t i o nb e t w e e nr o t a 巧 嘶r e l e s ss e i l s o ra n ds t a t i cr e c e i v e r t h e r e f o r e ，m i st 1 1 e s i sm 浏yr e s e a r c h e do nt l l e c h 眦c t e r i s t i c so f 咖殖r e l e s sc h 锄e lf o rm o t o r i z e ds p i l l d l e t 1 1 i sn l e s i si s s u p p o n e db yn a t i o 越n a n l r a ls c i e n c ef o u i l d a t i o no fc 妇l a ( 5 1 10 5 3 3 6 ) n e 此s i s a n a l y s e dt l l ec h a r a c t e r i s t i co fe l e c 仃( ) m a g n e t i cw a v e 恤面s s i o ni ne l e 嘶cs p i l l d l e r o t a i ys 切t e ，锄de s k 山l i s h e dai n o d e lf o rr o 伽yc h a m e lb a s e0 nm a r k o vc h a i n t h e r ea r e 锕om i n l ye 虢c t sf o rm ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf o r s p i i l d l e c o n d i t i o nm o i l i t o r i n g ：l em u l t i p a 血e 丘e c tp r o d l l c e db yr e n e c t i o no fe l e c 仃o m a g n e t i c w a v ei i li n a u c 血et o o le n v 的i 1 e 此a n d 也ed o p p l e re 能c tp r o d u c e db yh i 曲一s p e e d r o 协o nm o v e m e n to fm ew i i - e l e s ss e n s o rm o d l l l e t b i s l e s i sm a d ead e e pr e s e a r c ho n 廿1 e s et w oe a e c t s 0 1 1 lm eb a s eo ft h 】呜t h e 、) l ，i r e l e s sc o m 咖m i c a t i o n p r o c e s si sd i v i d e d i 玎_ t 0 铆。姒e s ：l i l l e - o f s i g h tc 0 m m u i l i c a i t o na 1 1 dn o n - l i l l e - o fs i g h tc o m m u 玎i c a t i o n t h e s et v 旧s t a t e sa r ei d e n t i f i db yw h e m e rm e r ei sd i r e c ts i g i 脚b e 铆e e n 眦m i t t e ra n d r e c e i v e r a n d 雠皿m es t o c h a s t i cd 均m c 矧s t i co f 也eo b s t n l c t i o n si na c _ t i l ai v 沛n m e n to fs p i i l d l em o l l i t o r i i 坞s y s t e mi sr e s e a r c h e d a c c o r d m gt ot h eg t o c h a s t i c c h a r a c t e r i s t i co f0 b s t r u c t i o i l s ，am a r k o vc t l a i nm o d e l i se 嘲b l i s h e df o rd e s c 曲证gn l e s t a t es w i t c hp r o c e s sb 地w e e nl i r l e o f - s i g h t 觚dn o n 1 i i l e _ 0 f s i g h ts t a t e t h em o d e lh 弱 g o o da d 砌i l i t ) ，t 0d i 仃e r 明ti i l s l m l a t i o nm o d e sa i l dm a c h i n et o o l 豇1 v 打。姗e n t s i n 吐l el a s 屯s i m u l a ：t i o n 锄de x l ) e 加e n ta r ec o n d u c ：t e df o rd i a = 衄e lm o d e l v e r i f i c a ：t i o n ar o t a 巧c l l 锄e ld c t e c t i o n 夥s t e mw 嬲d e v e l o p e df 0 rc h 舢e ld e t e c t i o n e x p e r i i n e n t t h ec h 锄e lc h a r a c t e r i s t i cd a t ai sc o l l e c t i e di n 也ee x p e r i m e n ta 1 1 du s e dt 0 i n 浙江大学硕士学位论文 摘要 f i tt 1 1 ep a 删n e t e r so fn l ec h 锄e lm o d e l n l er e s u l td e m o n s 仃a e st h e e f f i c i e n c ya n d p r a c t i c a lv a l u eo fm ec h a i l l l e lm o d e l k e yw o r d s ：1 1 1 0 t o r i z e ds p i n d l e ，w i r e l e s ss e n s o r ，c o n d “i o nm o i l i t o r i n g ，c h 锄e l ， m l l l t i p a me 危c t ，d o p p l e re 虢吒m 破o vc h 咖 浙江大学硕士学位论文 致谢 在完成硕士学位论文之际，我要感谢所有帮助和关心我的人。 感谢我的指导老师傅建中教授和姚鑫骅副教授，本学位论文是在两位老师的 精心指导下完成的。傅老师和姚老师对我的学术工作给予了悉心的指导与全力的 支持，在课题的选定、理论研究、系统开发、实验开展和论文定稿过程中，我自 始至终都得到了两位老师的热情帮助和细心指导。恩师高瞻远瞩的思想、深厚的 学术造诣、求是的治学精神、诲人不倦的高尚品德和谦虚真诚的处事态度，使我 受益匪浅，终生难忘。 感谢实验室梅德庆教授、徐月同副教授、王文副教授、贺永副教授、沈洪壶 博士后、赵朋博士后在我的学习和课题研究中对我的帮助和指导。感谢实验室的 甘文峰博士、李晟博士，何振亚博士，邓小雷博士、谢长雄博士、林志伟博士、 蒋丰骏博士、赖金涛博士、夏晨辉博士、张亚博士、杨伟民博士、付国强博士， 李遇春、范永强、焦慧锋、钱文杰、章婷、牟晓杰、李贤义、孙磊、吴森洋、黄 晖、吴慧慧、魏子渊、陈志宇、金育安、杨波、王益、王郑拓硕士给予我的支持 和帮助，他们在科研和生活上都给我莫大的支持，使我无惧困难，不断前进。 感谢浙江大学对我的培养。浙大这所百年名校所凝聚的实事求是、严谨踏实 的作风和奋发进取、开拓创新的精神，对我的一生将产生重要的影响。 感谢我的父母，父母含辛茹苦地把我抚养长大，并教会了我很多为人处世的 道理，他们默默的付出才使得我能够全身心的投入到科研中。 衷心感谢所有帮助、关心、理解和支持我的亲人、师长、同学和朋友们。 霍文健 2 0 1 2 年2 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 【本章摘要】本章阐述电主轴状态监测领域对无线传感技术的应用需求，并分析无线通 信技术应用于工业领域时需要克服的难点，阐明了研究面向电主轴无线传感监测的无线通信 技术的重要性在此之上，对现有的无线通信技术工业应用状况，以及面向高速移动通信的 信道研究现状进行了分析本章末给出了论文的总体框架及论文研究的主要内容 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 高速电主轴状态监测对无线通信技术的应用需求 在装备制造领域，机械加工正朝着高速加工的方向发展，转速越来越高的机 床不断出现而高速机床的性能首先取决于高速电主轴【l 】，其运动精度对高速机 床的加工精度有重要的影响，因此发展高速电主轴的状态监测技术，是开发高精 度高速机床的关键。 就温度监测而言，高速电主轴减少了带轮等中间传动链，使用电机、主轴一 体化的结构，引发了新的发热问题，影响机床部件的正常运作电主轴的两大热 源分别位于主轴轴承和电机的转子【2 】，这两部分不能通过轴套的散热回路排除热 量，因此温升最大过高温升，会损坏电主轴的部件，影响正常运作。而就算是 通常范围内的温升，也会引起电主轴的发热伸长，从而引起刀具的加工误差。现 代机床中，热误差占加工总误差的4 0 7 0 【”因此无论是出于对主轴部件的 保护，还是对机床进行热建模和热补偿，电主轴温度监测的工作都占据重要地位。 对于从事电主轴热建模和热补偿技术的学者们来说，能够直接获得电主轴内 部的温度信息，是十分有意义的而传统的温度传感器，如热电偶或热电阻等， 都是有线传感器，存在着布线繁复、空间局限性大等问题，探头一般只能安装于 机床固定部件的表面，难以获得电主轴内部温度信息；另外一方面，传统的有线 传感器很难安装在高速旋转的电主轴上进行实时的测量，这也对有效的获取电主 轴的转子的温度提出了巨大的挑战近年出现的红外测温仪，实现了温度的非接 触测量【4 1 ，给温度测量技术带来新的方式，不少学者将其应用在主轴前端的温度 测量中，但仍然无法满足对电主轴内部温度的直接测量。 浙江大学硕士学位论文绪论 把无线通信技术引入电主轴旋转测量中，将能解决上述问题开发一无线通 信模块，固定于旋转轴上测量状态信息，并通过无线传输把测量信息传送给静止 的接收端。这种方式既解决了旋转轴测量时传感器无法接线的问题，又可以实现 接触式内部测量，直接获取电主轴核心部位的状态信息。 面向电主轴测量使用无线通信技术，还有利于建立起机床多测点监控网络和 车间生产监控网络【5 】，为加工生产的组网监控提供便利。 1 1 2 无线通信在工业应用的技术难点 1 生产设备对无线系统的电磁干扰 在工业应用环境中，生产设备的机电系统对无线传输系统形成巨大的电磁干 扰6 1 ，会对无线传输系统工作的稳定性产生严重的影响机械系统启动和运作中 夹杂着复杂的毛刺噪声，噪声的高频范围会对无线通信系统的高频部件产生严重 干扰；另外方面，工业环境的其他控制和驱动系统，也会产生复杂的开关噪声等 一系列干扰，影响无线通信系统的稳定性得益于近年来电磁兼容技术发展迅速， 大量的阻隔技术得到充分发展，无线通信系统已经可以最大的降低外界的同频干 扰【7 1 ，保证板内的电磁兼容完整性，为无线通信技术在工业的应用提供重要的保 障 2 机电系统对传输信号的射频干扰 工业环境中使用无线通信技术，无线传输信号会受到复杂的影响，包括各种 生产设备产生的噪声、其他传输设备产生的窄带或宽带干扰、移动的设备部件或 人所产生的多径干扰等。这些干扰会影响传输信号的质量，最终使无线通信系统 产生一定的误码率。这些干扰的总体情况可以信噪比( s n r ) 来表示，信噪比与 误码率有明显的关系8 1 ，通常要达到1 0 巧的误码率，接收端的信噪比应该高于 1 0 d b 3 多金属环境的传输干扰 工业环境特别是车间环境，具有大量固定或移动的金属表面的设备。这将大 大加剧无线传输信号的多径时延干扰多径效应( m l l l t i p 劬e 疵c t ) 具体是指电磁 波传播过程中由多条路径到达接收端所引起的干涉延时效应在实际的无线电波 传播信道中，常有许多时廷不同的传输路径各条传播路径同时也会随时间变化， 2 浙江大学硕士学位论文绪论 因此参与干涉的各分量之间的相互关系也就随时间而变化，由此引起合成波场的 随机变化，从而形成总的接收信号的变化衰落。因此，多径效应是衰落的重要成 因，是面向工业应用的无线通信中不可忽视的问题 4 运动部件测量的移动通信问题 工业环境具有大量机电设备，而其中的运动部件的状态信息通常是信号测量 关注点，因此搭载于运动部件的无线通信系统将产生一系列移动通信的问题。移 动通信的信号传播信道是一时变信道，信道参数会不断受到空间电波因素、通信 双方的位置变化、空间中其它障碍物的位置变化的影响而发生变化。由于影响移 动通信过程的因素相当复杂。所以移动通信过程呈现不确定状态，其信道参数不 表述为时间的确定函数，是以概率分布模型来描述对于特定的条件下，移动通 信的信道参数符合某一概率分布模型。 1 1 3 适于电主轴状态监测的无线通信技术研究意义 要实现电主轴旋转的无线测量，开发可靠的无线旋转测量系统，首先需要解 决在机床环境下，高速旋转时无线通信可靠传输的问题。机床环境具有干扰强度 大、影响复杂等特点，这些都会使无线传输的质量发生严重的影响另一方面， 无线通信技术应用于机床加工，要求无线通信符合机床技术高可靠性、高稳定性 的特点，这对无线通信传输是重大考验 机床的复杂机电环境会对传播的电磁波产生复杂的干扰，降低信噪比，增加 传输的误码率，当误码率达到一定量级时接收信号则无法识别；无线发射机随主 轴高速旋转时，其与接收机之间的信道将区别于静止传输或低速移动通信的信道 情况，对于调制系统的性能将产生一系列影响【9 1 ；金属物等导电物紧凑的环境里， 天线的辐射性能将会下降，若发射增益过小则影响信号接收必须将机床环境和 高速旋转情况下产生的干扰因素定量的研究，才能保证电主轴旋转测量的可靠实 现本课题正是基于这个背景而产生的 将无线通信技术应用到电主轴监测技术，不仅需要切实的研究机床电主轴 环境对于无线通信过程的各种影响，还要确定高速旋转情况下无线通信的质量问 题，以保证从理论到器件上满足稳定通信的要求，本课题正是基于这样的研究背 景产生的，课题来源于国家自然科学基金项目“基于耦合自供电无线传感的高速 浙江大学硕士学位论文绪论 精密电主轴热鲁棒性智能监测理论及基础技术研究( 5 1 1 0 5 3 3 6 ) ”本文针对电主 轴机床环境的电磁波传输和高速旋转状态下的信道特性进行研究，并由此建立 了电主轴旋转信道模型本课题的研究为实现面向电主轴状态监测的无线传感监 测提供了切实的理论基础，对开发可靠的电主轴无线监测系统具有实际的应用价 值 1 2 面向工业环境的无线通信技术的现状与发展 1 2 1 面向工业的无线通信应用现状 基于无线通信技术的信息传播是现代社会信患沟通的重要渠道。无线通信技 术以其传输便利、灵活性强、传播覆盖范围广等优点，已成为人们日常生活的重 要工具，为各项民用事业的发展提供巨大便利。在民用领域迅速发展的同时，无 线通信技术不断被引入工业领域，推动工业自动化的不断发展现代工业技术一 直朝着工业自动控制方向不断发展，智能监测技术、分布式控制网络技术等一系 列系统技术不断发展起来而为了建立起灵活便捷、覆盖广泛的工业自动化系统， 无线通信技术在工业信号传输中作用将会日益重要。当下，各工业领域已经在无 线通信技术的工业应用上取得一定的成果 1 工业无线通信设备 在炼化行业，2 0 0 3 年出现了用于检测阀门的泄露情况的无线压力变送器1 0 】， 该变送器可以永久安装在危险性高、不易接触的设备之上，也可以安装于一些大 型旋转设上，以完成泄露状态监测。在建材行业，现在大型的水泥厂已经开始使 用无线温度变送器测量旋转窑炉的表面温度【1 1 1 ，这有效提高了温度控制的效率， 对制造成本的优化产生重要作用。在食品行业，美国的a d a p t i v ei n s 仇如e n t s 公司 为酿造行业开发了一套无线传感系统【1 2 】，去配套监测酿造企业的大范围、多批 量瓶罐清洗系统，为酿造行业带来了巨大革新：传统的非直接监测系统无法对清 洗系统的多头旋转喷嘴提供完整的p h 值、压力和流量信息，当喷头不能正确旋 转时，储罐就无法得到彻底清洗，从而污染了下一批产品，现在无线传感系统可 以有效探测喷嘴旋转状态，并免除企业购买高额的有线监测系统的困扰美国伊 顿公司则在利用无线网络对电机拖动系统进行在线监测方面取得了很多成果 【1 3 】，对能源部门实现工业节能具有重要意义 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 2 工业无线监控网络 在推动工业监控过程的无线化的同时，无线通信技术也推动着工业控制网络 的发展美国能源部近年来致力推进能源密集型行业建立起无线工业网络【1 4 1 ， 高耗能行业推广使用低功耗、高可靠性的工业级无线变送器，大范围实时监测生 产过程，以实现节能化生产。伊顿公司于2 0 0 4 年发展起“基于无线传感器网络 的高级能源管理方案”【1 5 】，聚焦于生产过程中的小型电机的无线监控，并能组 建起厂内统一的能源管理监控和诊断系统，为电机节能作出重要贡献。同时通用 公司也有类似于伊顿公司的计划美国的霍尼韦尔实验室开发了一套气态和液压 过程流抽样和成分分析网络系统【1 6 1 ，大量使用无线通信节点，对生产过程的气 态和液压过程流进行抽样和成分分析，可以实时监测全厂的气压和液压设备状 态。这些无线网络的发展都是基于无线传感节点的可靠工作因此发展高可靠性 的无线传感技术具有重要意义 1 2 2 面向工业的通信协议发展状况 无线通信技术经过多年的发展，从物理底层到应用层已经发展出不同的解决 方案【1 7 】在面向不同应用环境时，无线通信系统采用不同的技术细节，以获得 最佳的通信效果。而无线通信系统的标准的不统一，则会阻碍无线通信网络的建 设。因此多个权威的组织就不同应用环境制订了一系列具体的无线通信协议，有 效促进了无线通信技术的推广与无线通信网络的发展 然而，当下并没有完全针对工业领域的无线通信协议，不同的设备商在开发 工业用无线设备时，会根据应用特点和自身情况开发设备这是由于无线通信技 术的工业应用没达到民用领域的广泛程度，学术界对无线通信技术的很多工业应 用还缺少实际测量数据，另外不同工业环境的通信条件差异相当大，对无线通信 的影响不同，因此对工业环境的划分仍待解决。 无线通信技术进入工业领域是工业技术发展的一大趋势，因此各国在工业无 线通信标准的研发工作都有不同的成果 1 s p 1 0 0 标准 s p 1 0 0 是美国仪表自动化协会( i s a ) 提出的工业无线测控系统标准草案【1 8 】 该标准主要目的是建立标准、推荐相关应用、定义在控制与自动化环境中实施无 浙江大学硕士学位论文绪论 线系统的过程，主要关注的是现场应用层的定义。该标准的内容包括：规划适用 于工业场合自动化设备的无线网络；。定义人员与周围设备间的临时通信方法 2 z i g b e e 标准 z i g b e e 是一种目前较多出现于工业嵌入式设备的通信标准【1 9 1 z i g b e e 协议的 物理层和介质访问层是基于i e e e 定义的8 0 2 1 5 4 标准，并在此基础上形成由 z i g b e e 通信联盟制定了网络层和应用层的形式z i g b e e 标准的制定主要是针对短 距离低功耗无线传输的应用场合其相比在数码产品里已经广泛应用的蓝牙技 术，具有功耗低、复杂度低、组网规模大等特点，因此非常适合嵌入式设备的应 用。近年来工业应用需求日益强烈，很多无线设备的开发商选择基于z i g b e e 协议 开发设备 1 3 高速移动通信及其信道的研究现状 1 3 1 常规移动通信研究现状 面向高速电主轴旋转状态监测的无线传感技术是高速移动通信的一个研究 方向。高速移动通信技术在现代轨道和航空交通、卫星通信等得到快速发展，形 成针对不同应用场合的高速移动通信技术【2 0 1 在高速移动通信过程中，信号畸 变主要由以下两种效应引起。 多径衰落。由于受周围障碍物及地面的反射和散射作用，往往使同一发射信 号沿多条不同传输的路径传播，以不同的时间到达接收机由于不同路径的信号， 其传播距离和传播时延不同，达到接收机的相位也不同，从而使叠加的接收信号 的幅度增强或减弱这样接收信号的幅度会发生剧烈的变化，产生畸变和衰落， 即多径衰落。这种衰落使信号幅度在波长范围的短距离内发生剧烈起伏，是一种 小尺度的快速衰掣2 1 1 多普勒频移。发射机和接收机处于相对运动之中，会引起信号的多普勒频移。 多普勒频移可以为正或负，取决于移动的接收机相对发射机的运动方向频移的 宽度取决于相对移动的速度若同时考虑多径效应，各多径分量还会产生不同的 多普勒频移，从而引起接收信号的随机频率调制 对应不用的通信场合，常用的信道模型包括： 6 浙江大学硕士学位论文绪论 1 自由空间的传播模型 对于均匀无损耗的无限大空间，电磁波在自由空闻传播时，不存在反射、绕 射、散射和吸收等现象。在实际环境中，只要大气层是各向同性的均匀媒介其相 对介电常数和相对磁导率都等于l ，并且在电磁波的传播路径上不受到障碍物的 阻挡，可以忽略地面反射信号场强，就可以认为电磁波是在自由空间中传播。在 地面的传播环境，一般不具备自由空间传播的理想条件，自由空间传播模型主要 用在测量接收机和发射机间视距传播时的接收信号强度【2 2 1 电磁波在自由空间传播发生的能量损耗，是由于辐射能量的四周扩散。在此 空间下接收机接收到的功率p ( d ) ： w ) = 掰 ( 1 - 1 ) 其中c 为发射功率，g f 为发射增益，g r 为接收增益，名为波长，d 为接收 机与发射机问的距离。 2 路径损耗模型 把路径损耗定义为有效发射功率与接收功率的差值，它可以包括也可以不包 括天线引起的增益2 3 1 若考虑天线引起的增益，那么自由空间的路径损耗为： 儿( 毋1 0 l 暗一1 0 l o g ( 器) ( 1 - 2 ) 如果不包括天线增益，则路径损耗为： 22 以一1 0 1 0 9 南 ( 1 - 3 ) 上述显示理论上接收功率是与距离d 的平方成反比实际测量显示，无论是 室内或室外无线信道，平均的接收功率都与距离d 的以次方成反比，拧= 2 6 ，径 损耗与距离是对数关系。 3 地面反射模型 地面反射习惯采用双线模型【2 4 1 由于地面粗糙，地面的反射情况比较复杂， 对于移动通信系统，由发射点发射出的电磁波分别经过直射和反射路径达到接收 点，接收的总电场强度等于直射分量和地面反射分量之和。对于大多数移动通信 浙江大学硕士学位论文绪论 系统，通信距离比较大但不需要考虑地球曲率，并把地面视作一个单位反射系数 的理想反射体来考虑。此时接收功率随距离按4 次方衰减，也就是衰减速率为 4 0 d b 1 0 倍程( 自由空间为二次方衰减) 4 阴影衰落模型 此模型适用于当无线电波在传播路径中遇到起伏的地形、建筑物和高大的树 木等障碍物。此时障碍物的后面即形成电波的阴影。接收机在移动过程中通过不 同的障碍物和阴影区时，接收机接收的信号强度会发生变化，造成信号衰落。这 种衰落导致实际测得的信号强度与预测的平均结果相差很大经过统计测量，此 时的路径损耗是服从对数正态分布的随机变量【2 5 1 5 室外、室内传播模型 室外传播模型大多为室外o k u i l l u r a 模型【2 6 1 ，此模型为预测室外城区信号所广 泛使用h a t a 模型【2 7 】是根据o b 】m u r a 曲线图作出的经验公式，它以室外传播损耗 理论为标准，其他地区的传播损耗以此为基础进行修正而得另外一h a t a 模型的 扩展形式由欧洲科学技术研究协会提出，并将应用频率扩展到2 g h z 。 室内无线信道具有不同于室外无线信道的特点：更小的覆盖距离，更大的环 境变动等。室内无线信号的传播同样基于反射、绕射、散射等机理，但是环境条 件不同通常，室内无线信道分为视距( l o s ) 和阻挡( o b s ) 两种现在对室 内模型的研究主要集中在基于实测数据分析的统计方法【2 引，a r & t 贝尔实验室的 r v 砒e r 聊e l a 和法国电信的p - p a g a l l i 均采用线性递归拟合实测数据中的路径损耗 指数和对数正态阴影标准差【2 9 1 ，使均方差最小的方法这种方法目前应用较广， 能得到一个确定值的路径损耗指数，路径损耗随传输距离呈单一确定斜率的单调 线性递减关系 1 3 2 高速移动信道模型研究现状 在国内外广泛开展常规移动通信建模的同时，高速移动通信的信道建模研究 也有大量的成果，特别应用于卫星通信上的研究，对高速移动通信的发展起到重 要的作用现在，描述高速移动通信信道的模型主要分为三类，分别是经验模型、 几何模型和统计模型。经验模型利用数学拟合的方法处理测量数据，建立符合实 验数据的简单公式。几何模型主要利用障碍物的空闻分布和自身运动情况，通过 浙江大学硕士学位论文 散射理论或者射线跟踪方法描述接收信号的传播特性。统计模型则通过不同的概 率密度函数组合来模拟不同环境接收信号的统计特性。 1 经验模型 经验模型是根据不同频率、仰角、相对移动方向、周边环境类型、阴影遮挡 程度的实测数据，通过数学拟合的方法得出的链路衰落余量计算公式【3 们。美国 的b a n s 【3 1 】等针对高速实验台周围环境的障碍物对传播信号的阴影效应，建立了 预测累积分布函数的经验模型。美国马里兰洲的g o l d b j r s h 和v o g e l 【3 2 1 根据不同环 境下的8 7 0 m h z 和1 5 g h z 频率现场测量获得的数据，建立了环境阴影( e r s ) 模型， 并验证该模型最适合在传输仰角2 0 。到6 0 。之间1 5 g h z 频道信道间传输。 蝴【3 3 】基于欧空间局拥有的测试数据，提出了修正的环境阴影( r s ) 模型， 其基本形式与e r s 模型类似。g o l d m r s h 和v o g e l 【3 4 】之后又对m e r s 提出了修正，提 出一个衰落模型称作e f m ，该模型的频率适用范围更广，达到1 5 到1 0 5g | 眩， 但只适用于郊区环境，对室内环境并不适用。经验模型基于特定的环境采集实测 数据，能够近似的预测出相似环境的衰落情况，但对于实测数据中未考虑的情况， 如其他环境或者信号频率在测量范围外时，预测必然存在一定的使用误差这时 需要使用经验修正参数。 2 几何模型 几何模型根据接收信号衰落机制的传播特性与真实环境障碍物分布之间的 物理关系，利用仿真方法产生衰落的信号序列但是由于实际场景的复杂性，模 型只能讨论简化和理想状态下的情况【3 5 1 有两种产生模拟数据的方法，一种是 基于散射理论的方法【3 6 1 ，另一种则是使用射线跟踪的方法【3 7 1 散射模型通过散 射体和平面波前的相互影响来假定散射体的空间分布，从而得到信道模型，这种 建模方法需要大量的参数。如果只存在一个散射体，就可以简单的通过传播和散 射理论来得到移动台的接收信号但是当传播路径周围存在大量散射体时，散射 体之间的相互影响就使问题变得非常复杂v o g e l 等学者【3 8 】根据传播信号的变化 一般与移动台附近的散射源有关的特性，提出了一个基于单散射点的集合模型用 来分析移动台周围散射环境引起的多径反射现象s l 冰觚t a i a h 等【3 9 1 针对v o g e l 提出的单散射源多径模型进行了扩展，允许移动台经过的区域存在多个随机分布 点的散射源该模型能准备预测出全向天线和定向天线的多普勒频谱，但由于忽 9 浙江大学硕士学位论文 略了接收天线对仰角的选择性，可能会过高的估计多径的影响a m o r o s o 【4 0 1 等对 s h a k a n 切i a l l 的模型进一步改进，提出了二维和三维的多散射源模型然后该模 型没有考虑移动信道中的阴影效应，因此它只能提供一个研究在直射条件下的信 号变化和天线类型 3 概率统计模型 概率统计模型机理在对传播过程的理解上，对实际情况作出了简化假设，其 分析过程简单，物理意义直观。大多数信道模型都是经验模型和几何模型相结合， 形成具有统计接近度的概率统计模型。高速移动信道概率统计模型根据信道相干 带宽和传输信号带宽之间的关系，分为窄带信道模型和宽带。对于窄带高速移动 通信系统，其信道的相干带宽通常大于传输信号的带宽，此时信道对于传输信号 是一平坦衰落信道对于宽带高速移动通信系统，其信道的香案带宽不再远大于 信号带宽，此时传输信道对于信号为选择性衰落信道。 l o 浙江大学硕士学位论文绪论 1 4 论文的主要内容 1 4 1 论文总体框架 【嚣： l 第二章 电主轴旋转状态下的电蠢 波传输特性研究 l 筇三章 基千马尔科夫链的电主轴 麓转信道建覆 l 7 第四章 电主轴旋转信道测试系统 的开发 l 第五章 电主轴麓转信道的特性测 试宴验 l 结喜鸾耋望： 1 4 2 论文的主要研究内容 图1 1 论文结构图 本文主要研究面向高速电主轴旋转状态监测应用的无线通信信道模型，在通 过分析机床电主轴环境的电磁波传输特性，以及高速旋转对通信信道的作用， 建立了一个基于马尔科夫链的两个状态切换的旋转信道模型，并开发了旋转信道 测试系统，采集信道数据进行模型验证全文由以下章节组成： 第一章主要阐述了论文的课题来源及意义，阐述了无线通信技术应用于电主 轴旋转状态监测的作用和意义，并且详细介绍了工业无线通信技术的发展以及高 速移动信道的研究现状；最后概述了本课题的主要研究内容 第二章主要介绍电主轴旋转状态下的电磁波传输特性。本章针对移动信道的 浙江大学硕士学位论文 绪论 研究方法，介绍了电主轴旋转状态下的电磁波传输的衰落与损耗现象。一方面， 分析了电磁波衰落原理与作用，研究电主轴环境各衰落因素的定量计算方法；另 一方面，介绍了移动通信中适于旋转运动的信道模型。 第三章详细讨论电主轴旋转信道的特性，并实现了信道两种状态的划分。接 着针对电主轴旋转信道的状态变换特点，提出了基于马尔科夫链的状态切换数学 描述方法，结合各状态下的信道模型，建立了整个电主轴旋转信道模型，并阐述 了旋转信道的仿真方法 第四章详细介绍了电主轴旋转测试系统的开发过程该系统是根据电主轴旋 转信道模型的理论假设和状态要求设计的，能在高速电主轴转子上，测量无线通 信过程的信道数据 第五章主要是信道测试实验的设计和分析本课题的实验包括两个部分：旋 转信道数据采集实验，以及旋转通信可靠性实验前者采集了旋转信道的实测数 据，是实验的关键部分；后者验证旋转通信的稳定性，是前者的补充。实验验证 了旋转信道模型具有良好的准确性。 第六章是结论与展望。对全文进行总结，分析了论文工作中存在的不足，并 提出今后的研究重点 浙江大学硕士学位论文电主轴旋转状态下的电磁波传输特性研究 第二章电主轴旋转状态下的电磁波传输特性研究 【本章摘要】本章主要介绍电主轴旋转状态下的电磁波传输特性针对移动信道的研究 方法，对电主轴旋转状态下电磁波传输的衰落与损耗现象进行了介绍一方面，章节中分析 了电磁波衰落原理与作用，研究电主轴环境各衰落因素的定量计算方法；另一方面，介绍了 移动通信中适于旋转运动的信道模型。 2 1 移动信道的特点 移动通信的主要特点之一是利用无线电波进行信息传输，允许通信中的设备 在一定范围内自由移动，其位置不受束缚。移动信道既有别于有线信道，也与一 般的固定无线信道不同。有线信道是恒定参量的信道，从同轴电缆到光缆，通信 容量越来越大，同时通信质量也越来越高但是无线信道却不同，它是开放的时 变参数信道【4 1 1 ，其本身客观存在，要提供传输质量，人们只能在深入分析它的 特性上去更好的适应它。移动信道是无线信道的一个子类，它既包含无线信道的 特点，同时还具有通信设备随机移动性的特点 移动信道的主要特点可以总结为以下三点：( 1 ) 传播环境的开放性所有无 线信道都是根据电磁波在空间的传播来实现开放型的信息传输，不同于固定有线 通信时利用全封闭的传输线来实现信息传输。( 2 ) 接收环境的复杂多样性。一般 可将终端所处地理环境划分为四类典型环境：高楼林立的城市重阴影环境，以丘 陵、平原为主的开阔室内环境，室内视距环境，室内非视距环境( 3 ) 通信用户 的随机移动性移动通信包括准静止的固定用户通信、慢速步行的用户、高速车 载及机载用户通信等。 移动通信建模与仿真的研究是涉及到包括通信理论、随机过程理论、微波与 天线理论在内的多个学科 2 2 无线电波的基本传播机理 在复杂的移动通信环境中，电磁波传播的机理是复杂多交的但整体上归结 为直射、反射、绕射和散射四种基本的传播机制4 2 1 浙江大学硕士学位论文电主轴旋转状态下的电磁波传输特性研究 直射：当收发二机之间的传播路径上不存在任何障碍物，无线信号能沿着单 一路径到达接收端时，这种传播方式叫做直射传播，也叫做视距传播。 反射：在电磁波传播过程中，如果遇到不同的介质表面时，电磁波的一部分 能量反射回第一个种介质，而另一部分能量会穿过介质，但路径会发生偏转。入 射波的能量等于反射波的和折射波能量之和。 绕射：绕射能够使电磁波绕过障碍物传播。即是接收机移动到障碍物阴影区 域下，接收幅值严重衰减，到由于绕射信号分量的存在，接收机仍能收到有用的 信号。 散射：当无线电波入射到一粗糙表面时，被反射的能量散布到所有方向，称 为散射。很多小尺度的物体，都会使电磁波发生散射现象 2 3 电主轴旋转状态下的电磁波特性分析 在高速旋转通信中，收发其中一方在高速移动，即一方周围的环境是变换的 因此信号的传播路径是时变的。当静止接收机安装在旋转轴一端时，在旋转周期 内，接近一半的时间存在直射分量，此时信号在传播过程不受障碍物遮挡。当周 期的另外时间内，传播过程存在阴影效应。而在整个旋转周期内，信号都存在反 射、散射和绕射造成的多径效应。另外，收发机之间的相对运动还将产生多普勒 频移效应 2 3 1 视距传播 视距传输是指收发机之间的传播路径不存在障碍物，信号沿直线到达接收端 的传播情况在旋转通信时，当收发机之间存在视距传播路径时，接收信号中就 会有直射分量一般用直射分量作为其他反射波幅度、时延和多普勒频移的参考。 视距传输损耗根据自由空间传播来计算。由于电主轴测量应用的传输距离短，忽 略大气传播损耗自由空问路径损耗 三括= 3 2 4 4 + 3 0 l o g d + 2 0 l o g ( d b ) ( 2 1 ) 其中d 为传输距离( k m ) ，为信号频率 浙江大学硕士学位论文 电主轴旋转状态下的电磁波传输特性研究 2 3 2 阴影衰落 在电主轴旋转测量通信中，当电磁波在传输路径上遇到旋转轴、轴肩等部件 阻挡时会产生衰落，从而造成接收电平的下降，这种现象称为阴影效应与多径 衰落相比，阴影衰落的衰落速率主要取决于移动通信系统周边环境以及收发双方 的运动速率，而与通信频率基本无关阴影衰落是一种慢衰落阴影衰落的衰落 深度主要取决于信号的频率和障碍物尺寸。频率高的信号比频率低的信号容易穿 透障碍物，而频率低的信号比频率高的信号具有更强的绕射能力。 2 3 3 多径衰落 电主轴环境的旋转无线通信过程中，会由于机床环境的金属外壳、工作台、 夹具等引起信号的反射，接收机接收到得信号不是从单二路径传播而来，是由许 多路径传播而来的反射波或者包括直射波的合成，这就是多径传播。由于电波通 过在不同路径的传播距离不同，因而由各条路径传播而来的反射波到达接收端的 时间不同，相位也不同。这些不同行为的多个信号在接收端叠加，时而增强时而 减弱。这样接收信号的幅度将产生剧烈的变化，从而产生衰落。这种衰落是由于 多径传播引起的，因此成为多径衰落，也成为快衰落。在面向电主轴旋转测量的 通信应用中，为了避免发射机旋转至接收机另外一端而产生严重的阴影衰落，一 般收发两机都采用全向天线，所以发射机会从各个方向发出信号，因此必然会产 生衰落。 “多径衰落深度”指接收到的直射与各种非直射的合成信号的瞬时功率相对 于平均信号功率的分贝数【4 3 1 “多径衰落深度”是度量多径衰落的程度，并表明 不超过此值的概率为多少对于漫反射环境，通常以莱斯因子( 直射信号的载波 功率与平均多径功率之比) 来度量多径衰落程度m 】 三种衰落的相互关系如图2 1 所示在电主轴旋转测量系统中，发射机旋转 半径相对传输可靠距离非常小，且作往复运动，因此路径损耗可以不作考虑。阴 影衰落和多径衰落的作用将占主要位置。阴影衰落和多径衰落对面向电主轴旋转 测量的通信系统的调制技术选择和数字接收机的设计至关重要，本文主要讨论此 二者的影响。 浙江大学硕士学位论文电主轴旋转状态下的电磁波传输特性研究 j 蕾 已 镣 荟 堑 蜒 2 3 4 多普勒频移 图2 1 移动信道中三种不同尺度的衰落 在无线通信中，由于通信双方的相对运动，会使接收信号的载波频率相对发 送信号产生变化，此现象称为多普勒效应由多普勒效应引起的附加多普勒频率 称为多普勒频移力，可用下式表示： 厶= ；c o s 口( h z ) 以 其中，口为入射信号与收发机相对运动方向的夹角，1 ，为收发机相对运动速 率( 州s ) ，五为载波波长( m ) 由此可见，载波频率越高，收发二机相对运动 越强，多普勒频移就越大 在高速电主轴旋转测量中，收发机间不断产生高速相对运动，且相对运动的 方向不断周期变化，因此将会产生周期变化的多普勒频移对于包含多径效应的 信号，其直射分量和多径分量都会产生多普勒频移由于多径分量的传播方向与 直射分量的传播方向不同，所受到的多普勒频移也不同，因此多径时延将被扩展 变化，称作多普勒扩展4 5 1 2 4 适于旋转信道的概率分布模型 2 4 1 窄带信号的模型 目前用于信道特性建模的概率统计模型主要包括莱斯概率模型、瑞利概率模 型。不同模型有着不同的应用范围和对象对于所传输信号的带宽相比载波频率 非常小的传输系统，我们称作窄带系统，而低速数字通信系统正是这一类系统， 浙江大学硕士学位论文 电主轴旋转状态下的电磁波传输特性研究 其信号可以用窄带随机过程描述，如图2 2 所示 l u l 叫町卜 叫矗，卜- 八八 ij a 蒜关a n v w 。m 、v u