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专利号: 2020102486024
申请人: 吉林工程技术师范学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种国际贸易港口用系统的控制方法,其中,所述系统包括控制单元、信号塔(1)、转运起重机(2)、信号塔通讯单元(3)、转运起重机通讯单元(4)、转运车(5)、转运车标签(6);

其特征在于:

其中,信号塔通讯单元(3)设置在信号塔的顶部,信号塔(1)固定安装在港口货场的特定位置;转运起重机通讯单元(4)设置在转运起重机(2)的顶部,转运起重机(2)在港口货场内移动转运集装箱;转运车(5)在港口货场内的集装箱堆(7)间穿梭移动,转运车标签(6)设置在转运车(5)上;其中,信号塔通讯单元(3)通过传输路径(R1)与转运起重机通讯单元4之间传输数据;信号塔通讯单元(3)、转运起重机通讯单元(4)通过传输路径(R2)与转运车标签(6)之间传输数据;其中,控制方法包括以下步骤:步骤S1:控制单元向信号塔通讯单元(3)发送信息,确定信号塔通讯单元(3)的位置坐标;

步骤S2:转运起重机通讯单元(4)向信号塔通讯单元(3)发送信标消息,然后信号塔通讯单元(3)向转运起重机通讯单元(4)发送确认消息;

步骤S3:转运起重机通讯单元(4)执行测距,测量其与信号塔通讯单元(3)之间的距离,然后转运起重机通讯单元(4)将距离信息发送给控制单元;

步骤S4:控制单元使用所述距离信息和信号塔通讯单元(3)的位置坐标来计算移转运起重机通讯单元(4)的位置坐标;

步骤S5:转运车标签(6)向信号塔通讯单元(3)和转运起重机通讯单元(4)分别发送信标消息;信号塔通讯单元(3)和转运起重机通讯单元(4)向转运车标签(6)发送确认消息;

步骤S6:转运车标签(6)执行测距,测量转运车标签(6)分别到信号塔通讯单元(3)和转运起重机通讯单元(4)的距离,确定转运车(5)的位置;

步骤S7:转运车标签(6)将测量的转运车(5)的位置信息发送到控制单元;

其中步骤S6使用信号的传播速度值VRF以及信号到达时间TOA和信号到达角度AOA来计算距离;

D=VRF*f(TOA,AOA)           (1)其中,f(TOA,AOA)为信号到达时间TOA和信号到达角度AOA构成的函数;步骤S6具体包括:步骤S61:信道频率响应的最小二乘估计:使用接收信标数据中正交频分复用技术中的帧的前导来测量传输信道信息,则第k个正交频分复用技术子载波和第m个阵列接收机阵元上信道频率响应的最小二乘估计可以表示为:

其中,γp,τp和θp分别表示第p条路径上的传输增益、传播时延和到达角度;p=1,

2,···,P; 代表第m个天线阵元上的阵列响应,m=0,1,···,M–

1;τm(θp)=mτ(θp)=md sinθp/c表示第p条路径在第m个天线阵元和参考阵元之间的传播时延之差;参数d为相邻阵元之间的距离;c是电波的传播速度;fk表示第k个子载波的载波频率;ωm,k表示均值为零、方差为 的加性高斯白噪声;通常,不同路径的γp被认为是相互独立的,但当相邻子载波间的频率间隔大于相干带宽时,子载波间的衰减也是相互独立的,因此可以用γk,p来代替γp;考虑到在天线设计中,阵元间隔d通常等于入射信号的半波长,于是有d=c/(2fk),因此 可以简化为 同时,由于天线阵元间隔远远小于传播路径的长度,阵元间传播时延对信道频率响应的影响要远小于路径传播时延的影响,因此可以将接收端的信道频率响应估计进一步简化为:步骤S62:利用矩阵算法进行信号到达角度AOA估计:多径信号到达角度AOA信息可由矩阵 的广义特征值分解提取,如式(7)所示:其中, 代表位于 零空间的特征向量,相应的特征值为从而可以得到多径信号到达角度AOA的估计为:其中,arg(·)表示计算相位角的操作;

步骤S63:利用曲线拟合进行信号到达时间TOA估计:在获得信号到达角度AOA估计之后,将信道频率响应矩阵变换为一个频域的路径信息矩阵Γ=[a0,a1,…,aK‑1],从而可以通过频率分集特性和曲线拟合技术来实现低复杂度的高分辨率信号到达时间TOA估计;之前已经得到了多径极点ξp的估计,忽略噪声项后,信道频率响应的第k列可以写为:

其中公式(9)可由之前公式推导,在公式(9)中,通过复数最小二乘解得到路径向量ak=T

[αk,1,αk,2,…,αk,P]的估计,其中 如下公式(10)所示:其中,ak的每个元素都包含复路径衰落分量γk,p和相位分量 将路径衰落表达‑1

式改写为:γk,p=ρp(4πfkατp) ,其中ρp代表第p条路径的环境因子;因此,ak中对应于第p条路径和第k个子载波的元素αk,p可以表示为:其中,ρp和τp均为待估计的未知参数;将αk,p与公式(10)中的估计参数 按照最小二乘的方法进行拟合,于是信号到达时间TOA估计可以建模为一个曲线拟合问题,其目标函数定义为:

其中,q=(ρ1,…,ρP,τ1,…,τP)是未知参数的集合,μk(q)代表每个子载波上独立的拟合误差,表达式为:

其中,bk,p=2πfkτp,p=1,2,…,P,对此拟合函数求解即可得到所需的多径信号到达时间TOA估计值 在公式(13)中,利用相邻子载波路径信息间的相位差作为拟合函数的输入,以保证αk,p的输入相位与 的相位保持一致;因此,公式(13)变形为:其中,z=(τ1,τ2,…,τP)为包含所需信号到达时间TOA参数的未知向量;拟合问题的目标函数为:

*

其中,超定条件也变为K≥P+1;曲线拟合的输出z 即为多径信号到达时间TOA信息的估*

计,而定位所需的视距路径的信号到达时间TOA估计 则为z中的最小值;

步骤S64:利用加权最小二乘法对转运车的位置估计:根据转运车(5)的速度矢量,得到如式(17)的运动学模型:其中,Δt代表时间间隔的长度;

计算转运车(5)在任意时刻的位置,通过式(18)的估计来计算:其中, 是ti时刻由第1步加权最小二乘法估计得到的粗位置估计,p(ti)是由式(18)计算得出的位置向量; 代表在ti时刻由接收信号测量得到的信噪比;任意时刻转运车(5)的位置由最小二乘法求解得出:

2.如权利要求1所述的一种国际贸易港口用系统的控制方法,其特征在于,信号塔通讯单元(3)和转运起重机通讯单元(4)内设置读码器实现与转运车标签(6)的通讯。

3.如权利要求2所述的一种国际贸易港口用系统的控制方法,其特征在于,读码器与转运车标签(6)之间基于IEEE 802.15.4a无线通信。

4.如权利要求3所述的一种国际贸易港口用系统的控制方法,其特征在于,转运车(5)配备有m根天线阵元的均匀线性阵列接收机接收信号塔通讯单元(3)和转运起重机通讯单元(4)发送的信标数据,用以估计传输信道的信号到达时间TOA和信号到达角度AOA参数。