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

论文摘要

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（51105336）,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。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 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
• 1.1.2 无线通信在工业应用的技术难点
• 1.1.3 适于电主轴状态监测的无线通信技术研究意义
• 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
• 1.2.2 面向工业的通信协议发展状况
• 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
• 1.3.2 高速移动信道模型研究现状
• 1.4 论文的主要内容
• 1.4.1 论文总体框架
• 1.4.2 论文的主要研究内容
• 第二章 电主轴旋转状态下的电磁波传输特性研究
• 2.1 移动信道的特点
• 2.2 无线电波的基本传播机理
• 2.3 电主轴旋转状态下的电磁波特性分析
• 2.3.1 视距传播
• 2.3.2 阴影衰落
• 2.3.3 多径衰落
• 2.3.4 多普勒频移
• 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
• 2.4.2 正弦波与窄带高斯噪声传输中的模型
• 2.4.3 移动信道多径衰落模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于马尔科夫链的电主轴旋转信道建模
• 3.1 电主轴旋转信道特性分析
• 3.1.1 信道衰落特性
• 3.1.2 信道视距传输特性
• 3.2 旋转信道描述模型的建立
• 3.2.1 信道多径衰落统计特性的描述
• 3.2.2 旋转信道功率谱特性的描述
• 3.3 信道状态切换模型的建立
• 3.3.1 马尔科夫链的性质
• 3.3.2 旋转信道状态的无后效性分析
• 3.3.3 两状态的马尔科夫链信道
• 3.4 两状态旋转信道的仿真
• 3.4.1 信道状态模型的仿真
• 3.4.2 信道切换的马尔科夫链仿真
• 3.4.3 两状态的电主轴旋转信道模型仿真
• 3.4.4 旋转信道模型参数拟合方法
• 3.5 本章小结
• 第四章 电主轴旋转信道测试系统的开发
• 4.1 电主轴旋转信道测试系统的总体设计
• 4.1.1 系统设计要求
• 4.1.2 系统总体设计及模块划分
• 4.2 电主轴旋转信道测试系统的硬件设计
• 4.3 电主轴旋转信道测试系统的软件设计
• 4.3.1 远程无线温度监控软件设计
• 4.3.2 信道参数采集方案设计
• 4.4 电主轴旋转信道测试系统的结构设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 电主轴旋转信道的特性测试实验
• 5.1 实验设计
• 5.1.1 实验目的
• 5.1.2 实验设备
• 5.1.3 实验方案及过程
• 5.2 实验数据处理
• 5.2.1 分析仪信号强度指示的处理
• 5.2.2 电主轴旋转信道参数拟合及模型验证
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究展望
• 作者攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况
• 参考文献