基于慣性導(dǎo)航的卸料小車定位裝置設(shè)計(jì)※

郝成，尚名羽

（華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，唐山063009）

引 言

在大型礦廠中，堆料設(shè)備一般露天生產(chǎn)，揚(yáng)塵大、泥水多等惡劣條件無法避免，加上設(shè)備本身的震動等干擾等，就要求卸料小車的定位裝置工作可靠、檢測準(zhǔn)確、經(jīng)久耐用等，實(shí)踐證明激光、旋轉(zhuǎn)編碼器、行程開關(guān)無法滿足長期生產(chǎn)應(yīng)用的要求。鑒于近年來全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，曾考慮將全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于卸料小車的定位，因?yàn)樾盘栒趽鯐霈F(xiàn)定位精度下降甚至無法進(jìn)行方位解算的情況，所以研發(fā)一套能夠獨(dú)立完成定位、可靠性高的、穩(wěn)定性良好的系統(tǒng)是市場亟需的。

慣性航位推算算法是一種獨(dú)立算法，該推算過程的單片機(jī)體積只需晶片大小，就能夠使卸料小車完全不受外界干擾，同時具有很高的集成度，于是設(shè)計(jì)出一套實(shí)用性強(qiáng)的卸料小車慣性導(dǎo)航推算裝置。它使用加速度計(jì)傳感器采集卸料小車運(yùn)動信息，采用具有ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VET6單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理單元，同時采用卡爾曼濾波對航位信息進(jìn)行處理，最終將卸料小車航位推算信息通過載波通信技術(shù)傳送給總控室或顯示于TFTLCD顯示屏上。考慮到航位推算技術(shù)自身的延時誤差，計(jì)劃在航位推算技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合接近開關(guān)來矯正誤差。

慣性導(dǎo)航定位設(shè)備數(shù)據(jù)更新速度快、短期精度高、穩(wěn)定性好，抗污染能力強(qiáng)，且防水、油、灰塵等。現(xiàn)在市場已經(jīng)有了比較成熟的慣性導(dǎo)航定位裝置，這些裝置體積小、投資少、便于安裝、維護(hù)簡便。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

該卸料小車航位推算裝置具體的組成框圖如圖1所示，包括傳感器模塊、接近開關(guān)模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及電力線載波通信模塊。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

由于礦廠惡劣的環(huán)境，在給小車定位的過程中，接觸式的機(jī)械裝置不穩(wěn)定，所以需要非接觸式的機(jī)械裝置。慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)就是一種非接觸式的機(jī)械裝置，但所有的導(dǎo)航推算本身都有延時誤差，采用安裝接觸開關(guān)的方式來對小車的位置進(jìn)行矯正。小車需要停留時，讓其停留在接觸開關(guān)的感應(yīng)處，從而避免慣性導(dǎo)航運(yùn)算的延時出錯。關(guān)于通信，如果采用無線通信，一定會產(chǎn)生信號遮擋；如果使用有線通信，電纜本身不結(jié)實(shí)，長時間往復(fù)，電纜很容易破損?？紤]到小車上部固有一根電源線用于給小車提供電源，所以采用有線載波通信是最佳選擇。

傳感器模塊上有加速度計(jì)MMA7455以及用于數(shù)據(jù)處理的單片機(jī)STM32F103VET6。加速度傳感器模塊很小，可以很容易地安裝于小車上，用于采集小車前后方向上的加速度，采集來的原始數(shù)據(jù)通過STM323F103VET6進(jìn)行航位推算初步處理。

數(shù)據(jù)處理模塊核心在與傳感器模塊串口通信的同時，將航位推算所需的數(shù)據(jù)通過文件系統(tǒng)存儲于SD卡中，通信采用載波電流與數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行通信。顯示模塊采用的是TFTLCDILI9320，當(dāng)工作人員需要查看小車當(dāng)前的航位信息，負(fù)責(zé)從SD卡中調(diào)出原始數(shù)據(jù)，推算出小車的航位信息，并最終顯示在TFTLCDILI9320上。

2 硬件設(shè)計(jì)

主從單片機(jī)都采用ST公司生產(chǎn)的具有ARM Cortex-M3內(nèi)核的工業(yè)級控制芯片STM323F103VET6的傳感器模塊設(shè)計(jì)。加速度計(jì)采用MMA7455，其可在2.16～3.6 V低電壓下正常工作，量程為8g。

接近開關(guān)模塊采用獅威（LIONPOWER）的接近開關(guān)TL-Q5MC1。在小車定位過程中，接近開關(guān)的位置需要區(qū)分開來，以確定小車的不同位置，要完成一次給接近開關(guān)的感應(yīng)區(qū)編碼，需要特別說明的是，本系統(tǒng)接近開關(guān)感應(yīng)區(qū)編碼采用格雷碼。

雖然二進(jìn)制碼可以直接經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成為模擬信號，但是在某些情況下，例如十進(jìn)制的3轉(zhuǎn)變?yōu)?時，二進(jìn)制碼的每一位都需要改變，而在實(shí)際電路中，四位的變化不可能絕對同時發(fā)生，因?yàn)樵谀承┣闆r下會導(dǎo)致電路狀態(tài)產(chǎn)生錯誤，而格雷碼可以避免這種錯誤。

負(fù)責(zé)航位推算的主單片機(jī)與加速度傳感器模塊上的從單片機(jī)通過串口進(jìn)行通信，它們被設(shè)置為相同的波特率。顯示模塊采用Ilitek公司生產(chǎn)的TFTLCDILI9320。

3 軟件設(shè)計(jì)

航位推算系統(tǒng)是一種完全可以不受外界干擾的定位系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是可以通過自身集成的慣性傳感器計(jì)算出汽車的速度和位置信息，短時間內(nèi)測量的數(shù)據(jù)是可靠的，因此可以應(yīng)用于卸料小車的定位。

慣性導(dǎo)航推算（DR，又稱航位推算）系統(tǒng)是由測量距離和測量航向角的傳感器構(gòu)成。慣性導(dǎo)航推算是一種獨(dú)立的定位方法，其基本原理如圖2所示。

圖2 航位推算原理圖

如圖2所示，在二維平面中研究運(yùn)動中的車輛，當(dāng)給出車輛的起始點(diǎn)位置（x0，y0），就可以運(yùn)用加速度計(jì)獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算出車輛行駛距離的變化量，從而可以推算出任何時刻車輛的具體位置。本研究中的車輛一直變化，所以在計(jì)算過程中，要分別對車輛的速度和距離進(jìn)行分解。具體解算過程如下：

（1）分解距離

依次推算，可得：

（2）分解速度

卸料小車在行進(jìn)的過程中一般只做前后運(yùn)動，x軸有速度，y軸沒有速度，依次推算，可得：

4 實(shí)例仿真

該實(shí)驗(yàn)設(shè)定一秒內(nèi)讀取加速度計(jì)100次，之后取平均值，然后調(diào)用慣性導(dǎo)航算法計(jì)算實(shí)際運(yùn)行的路程。顯示結(jié)果如圖3所示。

圖3 ILI932顯示讀取的加速度值

慣性導(dǎo)航算法運(yùn)用的環(huán)境是在GPS無法接收到信號時（包括料堆、隧道有遮擋的情景），這種場合下慣性推算導(dǎo)航運(yùn)行的成本不會太高。所以，在有限的時間內(nèi)，要盡可能地使數(shù)據(jù)處理的更準(zhǔn)確。根據(jù)以上測試要求，本文設(shè)計(jì)了如下的測試方案。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：筆記本電腦一部，簡易四輪車一輛，慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)一套。

實(shí)驗(yàn)過程：跑道測試場為從聯(lián)大實(shí)驗(yàn)樓到科技樓一段直線馬路，用粉筆做一個420 m長的直線軌道，在測試起點(diǎn)，啟動慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并連接到筆記本上采集數(shù)據(jù)。

用計(jì)算機(jī)把加速度計(jì)的輸出信息變換到平面坐標(biāo)系，然后計(jì)算出載體的速度信息，并在Visual Studio 2008程序的客戶端區(qū)設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換顯示。

由于卸料小車在軌道上運(yùn)動，通常都是直線，因此客戶端向左為設(shè)備運(yùn)動的初始方向X，建立設(shè)備的坐標(biāo)系，進(jìn)行繪圖。

采用按像素點(diǎn)比例的方法解決客戶區(qū)范圍不足的問題，在軟件平臺建立慣性導(dǎo)航推算模型。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)STM32F103VET6開發(fā)板把加速度計(jì)輸出信息變換到平面坐標(biāo)系，然后計(jì)算載體的速度，并通過串口在Visual Studio 2008客戶端進(jìn)行顯示。實(shí)地跑車的界面圖略——編者注。

從起點(diǎn)到終點(diǎn)的實(shí)際距離是420 m，而實(shí)際所測距離為423 m，誤差是3 m，誤差概率是0.71%，實(shí)際結(jié)果測試圖略——編者注。由此可見，慣性導(dǎo)航推算存在誤差，而且這些誤差是不可忽視的。如果要更精確地實(shí)現(xiàn)小車定位，就需要在研究慣性導(dǎo)航推算的同時結(jié)合濾波算法，這也正是今后努力的方向。

結(jié) 語

本文介紹了基于慣性導(dǎo)航的卸料小車定位裝置的航位算法，采用單片機(jī)與微慣性器件搭建的系統(tǒng)，集成度高、實(shí)用性強(qiáng)、成本低、易于維護(hù)。投入運(yùn)行后，能提高自動化程度和裝備水平，能夠在一定程度上避免人工操作的失誤，減輕工人的勞動強(qiáng)度，提高工作利用率和工作質(zhì)量，減少檢修、維護(hù)工作，為未來相似載體位置檢測技術(shù)提供了技術(shù)依據(jù)。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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