一种基于RFID与毫米波雷达成像的多根钢丝绳摆动检测系统及方法

技术领域

本发明属于矿井检测技术领域，具体涉及一种基于RFID与毫米波雷达成像的多根钢丝绳摆动检测系统及方法。

背景技术

由于钢丝绳的柔性特性与复杂的矿井条件，钢丝绳在整个运行过程中对外界的干扰变得更加地敏感，容易发生异常摆动，这些干扰会直接影响钢丝绳的动态特性。在罐笼提升下放的过程中，钢丝绳受到罐笼的冲击振动及外部环境激励的影响，使其摆动幅度加大，对罐道梁产生严重碰摩，容易出现磨损和断丝等损伤，甚至扭结缠绕故障，进而导致损伤事故的发生，极大地影响了生产安全。究其原因，主要缺少对钢丝绳异常摆动及变形进行及时的检测。

针对提升系统钢丝绳空间内摆动难以检测的问题，传统的检测如振动法、激光位移法、机器视觉方法存在一定弊端，加速度传感器自身重量对钢丝绳摆动特性影响较大，且运行过程中钢丝绳伴有自旋，而激光传感器仅能获取某一平面内的摆动，机器视觉在黑暗的井下环境中的检测精度较低，以上方法难以获取三维摆动量。

毫米波的波长短、定向性高，使得其能够有效降低多路径效应及杂波对其检测目标的影响，抗干扰能力较强。RFID技术(射频识别技术)中的柔性抗金属标签由于轻质柔软，可以紧贴在待测的钢丝绳上，不会因自重影响检测精度。但由于毫米波同时对多根钢丝绳进行检测，目标点云稀疏杂乱且杂波较多，难以区分多个目标。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的实施例提出一种基于RFID与毫米波雷达成像的多根钢丝绳摆动检测系统及方法，从毫米波雷达图像中关联出稳定的目标轨迹，获取钢丝绳的摆动信息，并与预设的安全阈值进行比较，判断是否存在异常情况，通过RFID与毫米波雷达信息融合，实现了多根钢丝绳摆动及变形的同步检测。

本发明的基于RFID与毫米波雷达成像的多根钢丝绳摆动检测系统，包括：柔性RFID抗金属标签，所述柔性RFID抗金属标签粘贴在待测钢丝绳上，用于标定多根钢丝绳的ID信息；超高频RFID标签，所述超高频RFID标签粘贴在待测钢丝绳上，用于检测钢丝绳的纵向应变。环形齿轮轨道，所述环形齿轮轨道安装在井筒上；环形滑块轨道，所述环形滑块轨道安装在井筒上，且环形滑块轨道位于环形齿轮轨道的外侧；旋转平台模块，所述旋转平台模块与环形滑块轨道滑动连接，且旋转平台模块与环形齿轮轨道相啮合，旋转平台模块上设有超高频天线和RFID阅读器；回转调节装置，所述回转调节装置安装在旋转平台模块上；纵向调节装置，所述纵向调节装置安装在回转调节装置上；毫米波雷达模块，所述毫米波雷达模块设置在纵向调节模块上。

可选地，所述毫米波雷达模块包括固定在一起的毫米波雷达和数据采集板卡，数据采集板卡与纵向调节装置中的固定环连接，固定环通过拧紧螺栓安装在伸缩缸上，伸缩缸的底部一侧连接伸缩缸电机，纵向调节装置的底部通过连接件一安装在回转调节装置上。

可选地，所述回转调节装置包括与纵向调节装置连接的回转台，回转台安装在回转传动箱顶端，回转传动箱的一侧设有回转电机，回转电机通过蜗轮蜗杆驱动回转台转动，回转传动箱的底部通过回转台固定螺栓安装在旋转平台模块上。

可选地，所述旋转平台模块包括安装有回转调节模块、超高频天线和RFID阅读器的旋转平台，旋转平台上还设有信号采集模块、无线透传模块和下位机，旋转平台的底部安装有滑块和驱动齿轮，驱动齿轮与旋转驱动电机的输出轴连接，旋转驱动电机通过电机固定螺栓和连接件二安装在旋转平台上。

本发明的基于RFID与毫米波雷达成像的多根钢丝绳摆动检测系统的检测方法，包括以下步骤：

(1)将柔性RFID抗金属标签粘贴在井下罐道钢丝绳上，以获取钢丝绳的编号信息；

(2)将超高频RFID标签沿着钢丝绳轴线方向粘贴在待测钢丝绳上，以检测钢丝绳的纵向应变；

(3)采用毫米波雷达检测钢丝绳，得到原始数据，经过数据提取后，得到反映目标信息的点云；利用自适应控制算法计算出最佳角度旋转量，并通过控制器对电机进行调节，以使得目标点云将集中在全视场中间；

(4)基于聚类算法实现多目标聚类，分别计算出各聚类中心的位置和速度，利用聚矩阵确定不同测点与不同轨迹之间的匹配关系，在多目标场景下具有较好的关联效果，对目标运动状态进行跟踪滤波；

(5)上位机发送控制指令至下位机，下位机将指令发送到伺服驱动器，驱动旋转驱动电机使毫米波雷达沿着环形滑块轨道移动，实现二维平面扫描，在周向位置上都能收到来自目标的原始数据；

(6)基于合成孔径成像技术，将距离向和方位向的信息组合起来，并进行压缩处理与延时叠加，输出图像并进行信息重构，在二维切面获取较高分辨率图像；

(7)从毫米波雷达图像中关联出稳定的目标轨迹，获取钢丝绳的摆动信息，并与预设的安全阈值进行比较，判断是否存在异常情况。

可选地，所述步骤(1)中通过获取多根钢丝绳的编号信息以区分待测的多个目标，所述钢丝绳编号信息的获取过程为：采用轻质的柔性RFID抗金属标签完成目标钢丝绳的跟踪，得到包含区分目标的序列信息；通过RFID阅读器，将标签中的信息读出，标注每个目标的位置与对应的序号，并设置时间戳。

可选地，所述步骤(2)中钢丝绳纵向变形检测过程如下：

S1.将超高频RFID标签沿着钢丝绳轴线方向粘贴在待测钢丝绳上，以获取应变的方向信息；RFID阅读器向标签发射连续波，标签通过天线接收RFID阅读器发送的电磁能，并将其转化为电能为数据的收发供能；标签携带目标ID，实现一个RFID阅读器与多个标签的通讯要求；

S2.以雷达散射截面变化来表征应变，当钢丝绳发生纵向变形时，标签天线上的材料阻抗随之产生变化，根据回波信号强度(RSSI)的变化来间接感知纵向应变；

S3.经过信号调制后，标签散射将信息传输至RFID阅读器，通过RS485传输至下位机，然后通过无线透传模块与上位机通信，完成钢丝绳应变的远程信息传输过程；设定变形容许值，当出现异常时，实时报警并自动停止提升系统运行。

可选地，所述步骤(3)中采用毫米波雷达检测钢丝绳横向摆动，所述毫米波雷达检测原始数据的提取与分析过程为：

S1.设备选型与安装：根据井下的尺寸与环境选择合适的毫米波雷达设备，并安装在支撑旋转平台上，确保能够实现对钢丝绳摆动的远距离测量；

S2.数据采集与传输：通过毫米波雷达采集钢丝绳摆动的雷达信号，并将信号进行转换得到原始数据，并传输至下位机，通过无线透传模块传输到上位机进行存储和处理；

S3.数据处理与分析：对获取的原始数据进行处理，提取出钢丝绳摆动的位置、速度等信息。

可选地，所述步骤(3)中通过控制器对回转调节装置中的电机进行调节，使待测目标处于毫米波视场中央，角度自适应调节过程为：

S1.通过上位机发送脉冲信号控制回转电机的转速，上位机与下位机之间通过无线透传模块收发数据，驱动回转台转动一定角度；

S2.同时，伺服驱动器也会发送脉冲数至上位机，反映回转台的旋转角度；

S3.通过钢丝绳点云信息，获取实时状态信息，利用自适应控制算法计算出最佳角度旋转量，并通过控制器对回转台进行调节，来实现毫米波板与待测多根钢丝绳所在平面的平行，以使得目标点云将集中在全视场中间；

S4.根据控制效果进行反馈控制，不断调整控制参数，以保证控制的准确性和稳定性。

可选地，步骤(5)中二维平面扫描步骤如下：

S1.在距离向，选择天线扫描周期，采用毫米波雷达检测钢丝绳，得到原始数据，经过原始数据提取后，得到反映目标信息的点云，基于聚类算法实现多目标聚类，分别计算出各聚类中心的位置和速度；

S2.在方位向，上位机发送控制指令至下位机，下位机将指令发送到伺服驱动器，在竖直方向上，伸缩缸电机驱动伸缩缸实现纵向高度调节，使毫米波雷达扫描待测目标纵向信息；在环绕井筒方向，旋转驱动电机使旋转平台沿着环形滑块轨道移动，使毫米波雷达扫描待测目标周向信息，从而实现二维平面扫描，在周向位置上都能收到来自目标的原始数据，在空间上形成了天线阵列，从而提高分辨率。

S3.基于合成孔径成像技术，对回波信号进行压缩处理与延时叠加，将距离向和方位向的信息组合起来，输出图像并进行信息重构，在二维切面获取较高分辨率图像。

本发明实施例的有益效果是，

1、使用RFID对多根钢丝绳进行跟踪与编号区分，得到包含区分目标的位置与序号，并与毫米波雷达动态检测结合，从硬件角度实现多目标检测，提高了目标识别准确率。

2、基于合成孔径成像技术，采用圆柱扫描与直线扫描的方式实现二维平面扫描，在周向位置上都能收到来自目标的原始数据，并将距离向和方位向的信息组合输出钢丝绳毫米波图像，该检测方法受环境影响较小，在矿井昏暗的环境中实现对钢丝绳摆动的检测。

3、通过回转调节装置，调整毫米波板与待测多根钢丝绳所在平面的平行度，以使得目标点云将集中在全视场中间，空间位置误差较小。

4、在角度自适应调节系统中，添加反馈控制电路，根据毫米波检测的目标点云分布，来调整自身的控制参数，结合数据分析和系统性能评估结果，对控制模型进行更新和优化，自适应调节旋转角度。

5、通过无源RFID标签检测钢丝绳纵向应变上，以雷达散射截面变化来表征应变，当钢丝绳发生纵向变形时，根据回波信号强度的变化来间接感知纵向应变。

6、从毫米波图像中关联出稳定的目标轨迹，获取钢丝绳的摆动信息，并与预设的安全阈值进行比较，判断是否存在异常情况并及时预警，保证矿井提升系统安全运行。

附图说明

图1为本发明的检测系统组成示意图。

图2为本发明的检测装置立体示意图。

图3为本发明的纵向调节装置示意图。

图4为本发明的回转调节装置示意图。

图5为本发明的旋转平台立体示意图。

附图标记：

1、柔性RFID抗金属标签；2、超高频RFID标签；3、环形齿轮轨道；4、环形滑块轨道；5、毫米波雷达模块；6、纵向调节装置；7、超高频天线；8、回转调节装置；9、旋转平台模块；10、RFID阅读器；11、滑块；501、数据采集板卡；502、毫米波雷达；601、固定环；602、连接件一；603、拧紧螺栓；604、伸缩缸；605、伸缩缸电机；801、回转台；802、回转台固定螺栓；803、回转传动箱；804、回转电机；901、旋转驱动电机；902、电机固定螺栓；903、连接件二；904、驱动齿轮；905、信号采集模块；906、无线透传模块；907、下位机；908、旋转平台。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-图5所示，本发明的基于RFID与毫米波雷达成像的多根钢丝绳摆动检测系统，包括柔性RFID抗金属标签1、超高频RFID标签2、环形齿轮轨道3、环形滑块轨道4、旋转平台模块9、回转调节装置8、纵向调节装置6和毫米波雷达模块5。

柔性RFID抗金属标签1粘贴在待测钢丝绳上，用于标定多根钢丝绳的ID信息；超高频RFID标签2粘贴在待测钢丝绳上，用于检测钢丝绳的纵向应变；每一根待测钢丝绳上均粘贴有柔性RFID抗金属标签1和超高频RFID标签2。

如图2所示，环形齿轮轨道3和环形滑块轨道4安装在井筒上，且环形滑块轨道4位于环形齿轮轨道3的外侧；旋转平台模块9与环形滑块轨道4滑动连接，且旋转平台模块9与环形齿轮轨道3相啮合，旋转平台模块9上设有超高频天线7和RFID阅读器10；回转调节装置8安装在旋转平台模块9上；纵向调节装置6安装在回转调节装置8上；毫米波雷达模块5设置在纵向调节模块6上。

如图3所示，毫米波雷达模块5包括固定在一起的毫米波雷达502和数据采集板卡501，纵向调节装置6包括固定环601、连接件一602、拧紧螺栓603、伸缩缸604、伸缩缸电机605；数据采集板卡501与纵向调节装置6中的固定环601连接，固定环601通过拧紧螺栓603安装在伸缩缸604上，伸缩缸604的底部一侧连接伸缩缸电机605，纵向调节装置6的底部通过连接件一602安装在回转调节装置8上。

数据采集板卡501对信号进行转换得到原始数据；毫米波雷达502用于检测钢丝绳的横向摆动。固定环601与拧紧螺栓603用于固定毫米波雷达模块5；连接件一602用于固定纵向调节装置6；伸缩缸604用于实现毫米波雷达模块5的纵向伸缩；伸缩缸电机605用于驱动伸缩缸604工作。

如图4所示，回转调节装置8包括回转台801、回转台固定螺栓802、回转传动箱803、回转电机804；回转台801与纵向调节装置6连接，回转台801安装在回转传动箱803顶端，回转传动箱803的一侧设有回转电机804，回转电机804通过蜗轮蜗杆驱动回转台801转动，回转传动箱803的底部通过回转台固定螺栓安装在旋转平台模块上。

回转台801用于自适应调整毫米波雷达502的视场角度，使毫米波雷达502平面与待测目标所在平面平行，并为纵向调节装置6提供支撑；回转台固定螺栓802用于将回转调节装置8固定在旋转平台908。回转电机804用于使回转调节装置按照上位机脉冲指令进行旋转动作。

如图5所示，旋转平台模块9包括旋转驱动电机901、电机固定螺栓902、连接件二903、驱动齿轮904、信号采集模块905、无线透传模块906、下位机907、旋转平台908；旋转平台908上安装回转调节模块8、超高频天线7、RFID阅读器10、信号采集模块905、无线透传模块906和下位机907，旋转平台908的底部安装有滑块11和驱动齿轮904，旋转驱动电机901通过电机固定螺栓902和连接件二903安装在旋转平台上，驱动齿轮904与旋转驱动电机901的输出轴连接。

环形齿轮轨道3用于与驱动齿轮904实现啮合传动，环形滑块轨道4用于向旋转平台模块9提供导向与支撑。

超高频天线7用于发射电磁波以及接收回波信号，实现RFID阅读器10与超高频RFID标签2之间的无线通信；RFID阅读器10用来读取和写入超高频RFID标签2内存信息。

信号采集模块905用于将原始数据传输给下位机907；无线透传模块906用于将下位机907中储存的数据传输至上位机，同时用于传输上位机对电机的控制指令；下位机907用于存储数据采集板卡501采集的原始数据。

本发明的基于RFID与毫米波雷达成像的多根钢丝绳摆动检测系统的检测方法，包括以下步骤：

(1)将柔性RFID抗金属标签粘贴在井下罐道钢丝绳上，以获取钢丝绳的编号信息；

(2)将超高频RFID标签沿着钢丝绳轴线方向粘贴在待测钢丝绳上，以检测钢丝绳的纵向应变；

(3)采用毫米波雷达检测钢丝绳，得到原始数据，经过数据提取后，得到反映目标信息的点云；利用自适应控制算法计算出最佳角度旋转量，并通过控制器对电机进行调节，以使得目标点云将集中在全视场中间；

(4)基于聚类算法实现多目标聚类，分别计算出各聚类中心的位置和速度，利用聚矩阵确定不同测点与不同轨迹之间的匹配关系，在多目标场景下具有较好的关联效果，对目标运动状态进行跟踪滤波；

(5)上位机发送控制指令至下位机，下位机将指令发送到伺服驱动器，驱动旋转驱动电机使毫米波雷达沿着环形滑块轨道移动，实现二维平面扫描，在周向位置上都能收到来自目标的原始数据；

(6)基于合成孔径成像技术，将距离向和方位向的信息组合起来，并进行压缩处理与延时叠加，输出图像并进行信息重构，在二维切面获取较高分辨率图像；

(7)从毫米波雷达图像中关联出稳定的目标轨迹，获取钢丝绳的摆动信息，并与预设的安全阈值进行比较，判断是否存在异常情况。

步骤(1)中通过获取多根钢丝绳的编号信息以区分待测的多个目标，所述钢丝绳编号信息的获取过程为：采用轻质的柔性RFID抗金属标签完成目标钢丝绳的跟踪，得到包含区分目标的序列信息；通过RFID阅读器，将标签中的信息读出，标注每个目标的位置与对应的序号，并设置时间戳。

步骤(2)中钢丝绳纵向变形检测过程如下：

S1.将超高频RFID标签沿着钢丝绳轴线方向粘贴在待测钢丝绳上，以获取应变的方向信息；RFID阅读器向标签发射连续波，标签通过天线接收RFID阅读器发送的电磁能，并将其转化为电能为数据的收发供能；标签携带目标ID，实现一个RFID阅读器与多个标签的通讯要求；

S2.以雷达散射截面变化来表征应变，当钢丝绳发生纵向变形时，标签天线上的材料阻抗随之产生变化，根据回波信号强度(RSSI)的变化来间接感知纵向应变；

S3.经过信号调制后，标签散射将信息传输至RFID阅读器，通过RS485传输至下位机，然后通过无线透传模块与上位机通信，完成钢丝绳应变的远程信息传输过程；设定变形容许值，当出现异常时，实时报警并自动停止提升系统运行。

步骤(3)中通过控制器对回转调节装置中的电机进行调节，使待测目标处于毫米波视场中央，角度自适应调节过程为：

S1.通过上位机发送脉冲信号控制回转电机的转速，上位机与下位机之间通过无线透传模块收发数据，驱动回转台转动一定角度；

S2.同时，伺服驱动器也会发送脉冲数至上位机，反映回转台的旋转角度；

S3.通过钢丝绳点云信息，获取实时状态信息，利用自适应控制算法计算出最佳角度旋转量，并通过控制器对回转台进行调节，来实现毫米波板与待测多根钢丝绳所在平面的平行，以使得目标点云将集中在全视场中间；

S4.根据控制效果进行反馈控制，不断调整控制参数，以保证控制的准确性和稳定性。

所述的电机转角自适应控制，能够根据系统的实时响应来调整自身的控制参数，使得控制系统能够更好地适应未知或时变系统参数的变化，具体过程如下：

S1.系统建模：首先需要对控制系统进行建模，通常采用线性或非线性模型来表示系统的动态特性和输出响应；

S2.控制器设计：根据系统模型和性能要求，设计适当的控制器；

S3.参数调整：根据控制系统的实际运行情况，对控制器参数进行调整，以优化控制效果；

S4.实时控制：将控制器应用于控制系统，对系统进行实时控制，并不断调整控制策略；

S5.数据采集和分析：采集控制系统的数据，并对数据进行分析，以评估控制效果和系统性能；

S6.模型更新：根据数据分析和系统性能评估结果，对系统模型进行更新和优化，以更好地反映系统的实际运行情况；

S7.重复执行：重复执行以上步骤，以实现自适应控制系统的不断优化和改进。

步骤(3)中采用毫米波雷达检测钢丝绳横向摆动，所述毫米波雷达检测原始数据的提取与分析过程为：

S1.设备选型与安装：根据井下的尺寸与环境选择合适的毫米波雷达设备，并安装在支撑旋转平台上，确保能够实现对钢丝绳摆动的远距离测量；

S2.数据采集与传输：通过毫米波雷达采集钢丝绳摆动的雷达信号，并将信号进行转换得到原始数据，并传输至下位机，通过无线透传模块传输到上位机进行存储和处理；

S3.数据处理与分析：对获取的原始数据进行处理，提取出钢丝绳摆动的位置、速度等信息。

具体数据提取过程为：

①雷达发射调频信号，并使用NR个接收天线接收反射的调频信号，每个接收到的调频信号产生Ns个样本的离散时间中频信号；

②首先进行距离维Range-FFT(测距)，对啁啾作1D-FFT可以得到关于距离信息的频率，每个采样的中频信号用于所有调频帧和接收通道；

③对所有的啁啾做完FFT之后，然后进行速度维Doppler-FFT(测速)，沿Nc个啁啾的每一列作2D-FFT，能够得到对应速度信息的频率，以得出每个接收通道的距离-速度谱；

④最后进行Angle-FFT(测角)，对多个Rx的2D-FFT结果在天线维作1D-FFT，以得出包含所有接收通道中检测到的目标的每个距离-角度。

具体数据处理与分析过程为：

①在提取的数据做进一步处理，通过恒虚警率(CFAR)过滤，筛选出目标点云目标；

②对已经过滤出的点目标进行角度计算，接着基于提取出的点目标距离、速度和角度信息；

③恒虚警率检测：由于接收到的回波有时候是干扰，若对某一区域进行成像，杂波就可看作目标，是否为虚假目标需要通过恒虚警率去判断；对输入的噪声进行处理后确定一个门限，将此门限与输入端信号相比，如输入端信号超过了此门限，则判为有目标，否则判为无目标；对得到的幅值矩阵，判断每个值与其周围幅值的大小关系，进行峰值的搜索，得到带有峰值点标记的幅值矩阵，其中，峰值表示在距离上存在一定速度的目标；

④在较短时间内(雷达信号处理周期一般是50ms-70ms)，由于实际物体目标的距离、速度和角度变化较小，可实现对目标的运动轨迹进行跟踪与预测。

具体摆动位移计算步骤如下：

①距离计算：与雷达相距r的物体，在发射信号发出后，到被物体反射回来，经过一段延迟时间到达接收天线，收发信号之间的时间差为τ＝2r/c；式中，τ为收发信号之间的时间差，r为物体与雷达之间的距离，c为光速。

②中频信号：当发射和接收的调频信号在时间上重叠时，中频信号频率(即拍频)在有效接收周期内保持恒定，即f

③距离处理：对中频信号以采样频率Fs被采样N次，得到离散时间复指数信号，对其作离散傅里叶变换，可表示为：

其中，

为了获取目标的二维信息，需要测量目标到雷达天线不同位置的相位差来实现毫米波成像，因此本发明采用圆柱扫描与直线扫描的方式。其中，方位向为雷达圆柱扫描的前进方向，距离向为雷达距待测目标的视线方向。所述的毫米波成像过程如下：

S1.在距离向，选择天线扫描周期，采用毫米波雷达检测钢丝绳，得到原始数据，经过原始数据提取后，得到反映目标信息的点云，基于聚类算法实现多目标聚类，分别计算出各聚类中心的位置和速度；

S2.在方位向，上位机发送控制指令至下位机，下位机将指令发送到伺服驱动器，在竖直方向上，伸缩缸电机驱动伸缩缸伸缩，使毫米波雷达扫描待测目标纵向信息；在环绕井筒方向，旋转驱动电机使旋转平台沿着环形滑块轨道移动，使毫米波雷达扫描待测目标周向信息，从而实现二维平面扫描，在周向位置上都能收到来自目标的原始数据，在空间上形成了天线阵列，从而提高分辨率。

S3.基于合成孔径成像技术，对回波信号进行压缩处理与延时叠加，将距离向和方位向的信息组合起来，输出图像并进行信息重构，在二维切面获取较高分辨率图像。

尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。