高精度GPS在港口機(jī)械定位中的應(yīng)用

張治華

摘 要 隨著神華黃驊港務(wù)公司堆場(chǎng)智能化項(xiàng)目的開展，堆場(chǎng)機(jī)械全自動(dòng)作業(yè)對(duì)自身位置的準(zhǔn)確性和精確性提出了更高的要求?，F(xiàn)有的絕對(duì)值編碼器已經(jīng)無(wú)法滿足這種要求，因此本設(shè)計(jì)在堆場(chǎng)機(jī)械上安裝了一套帶有雙天線的高精度GPS定位系統(tǒng)，通過(guò)PLC將雙天線的定位信息換算成單機(jī)行走、回轉(zhuǎn)、俯仰的位置信息。GPS位置信息和編碼器位置信息互為冗余，從而保證了單機(jī)安全高效的自動(dòng)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞 高精度GPS；RTK；定位；編碼器

中圖分類號(hào) U65 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）172-0148-02

1 設(shè)計(jì)背景

隨著煤炭市場(chǎng)的逐步回暖、下水量的不斷增加，神華黃驊港務(wù)公司正積極推進(jìn)堆場(chǎng)智能化改造項(xiàng)目，將堆場(chǎng)的堆料機(jī)和取料機(jī)逐步改為遠(yuǎn)程自動(dòng)操控，從而減輕操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升作業(yè)效率。自動(dòng)作業(yè)歸根結(jié)底還是要控制單機(jī)的行走、回轉(zhuǎn)、俯仰速度和要到達(dá)的目標(biāo)位置，因此一套準(zhǔn)確可靠的位置信息是自動(dòng)作業(yè)的基礎(chǔ)。

黃驊港務(wù)公司現(xiàn)有的堆料機(jī)和取料機(jī)是靠絕對(duì)值編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)定位的。這種編碼器存在以下3方面的問(wèn)題：

1）為了提高絕對(duì)值編碼器的精度，就需要設(shè)置更多的輸出位。現(xiàn)場(chǎng)編碼器信號(hào)大部分是通過(guò)電纜并行輸入到PLC數(shù)字量輸入模塊的，每一位輸入信號(hào)都必須確保連接良好，輸入正確，才能保證編碼器數(shù)值的正確性。因此位數(shù)越多，精度越高，但是可靠性越差。

2）每臺(tái)取料機(jī)、堆料機(jī)的行走距離大概是1 200m，行走編碼器都是安裝在行走輪上，由于地面沉降或者軌道斷裂造成的軌道上表面高低不平，摩擦力不均，如果出現(xiàn)行走輪打滑現(xiàn)象或者其他外力作用導(dǎo)致機(jī)械平移，這些都會(huì)導(dǎo)致行走數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，此外行走軌道上的數(shù)據(jù)校正點(diǎn)很少且缺乏周期性的檢查，因此長(zhǎng)年累月的積累就會(huì)造成誤差越來(lái)越大。回轉(zhuǎn)和俯仰編碼器都是通過(guò)齒輪組相連，同軸度調(diào)整不好或者長(zhǎng)期磨損導(dǎo)致斷齒就會(huì)使回轉(zhuǎn)、俯仰編碼器產(chǎn)生誤差，且回轉(zhuǎn)、俯仰編碼器校正裝置缺失。

3）堆場(chǎng)智能化項(xiàng)目要求堆料機(jī)、取料機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)垛對(duì)層功能，這就需要建立一個(gè)統(tǒng)一的三維坐標(biāo)系。但是所有單機(jī)的編碼器之間都是獨(dú)立的，沒(méi)有一個(gè)相同的零點(diǎn)，顯然不能滿足自動(dòng)作業(yè)的要求。

綜上所述，黃驊港務(wù)公司急需一套有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的、可靠的高精度定位系統(tǒng)。基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的高精度GPS可以完美的解決堆場(chǎng)取料機(jī)和堆料機(jī)的定位問(wèn)題。

2 RTK——實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位

以前普通的GPS靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量精度很差，為了提高精度就需要在測(cè)量后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算處理，這又嚴(yán)重?fù)p害了實(shí)時(shí)性，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)精確定位的要求。

現(xiàn)在隨著RTK測(cè)量技術(shù)的日益成熟，GPS定位的精確度、實(shí)時(shí)性、高效性都有了顯著的提高。RTK定位技術(shù)采用載波相位觀測(cè)值，在RTK工作模式下，基準(zhǔn)站的GPS接收機(jī)對(duì)所有可見(jiàn)GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)地觀測(cè)，并通過(guò)無(wú)線電臺(tái)等將觀測(cè)值與本身坐標(biāo)信息一起傳給移動(dòng)站，移動(dòng)站的GPS接收機(jī)不僅通過(guò)無(wú)線電臺(tái)等接受來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還接受GPS衛(wèi)星信號(hào)，并利用基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間觀測(cè)誤差的空間相關(guān)性，通過(guò)差分的方式除去移動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)中的大部分誤差，能夠?qū)崟r(shí)地提供觀測(cè)點(diǎn)在指定坐標(biāo)系下的三維定位信息，精度可達(dá)到厘米級(jí)，且整個(gè)解算過(guò)程不足1秒鐘。這樣通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算的定位信息，便可檢測(cè)基準(zhǔn)站與移動(dòng)站觀測(cè)結(jié)果的質(zhì)量和解算結(jié)果的收斂情況，從而可實(shí)時(shí)地判定解算結(jié)果是否成功，以減少冗余觀察，縮短觀測(cè)時(shí)間，保證觀測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)性。

RTK定位技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸。RTK定位時(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)地將偽距觀測(cè)值、相位觀測(cè)值和設(shè)定的位置信息傳輸給移動(dòng)站接收機(jī)，數(shù)據(jù)量非常大，一般要求波特率在9 600以上，這就需要無(wú)線電臺(tái)、GPRS、以太網(wǎng)、光纖等傳輸。

3 高精度GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝

3.1 基準(zhǔn)站

基站設(shè)備主要由GPS接收機(jī)、串口分配器、發(fā)射電臺(tái)、串口服務(wù)器 、交換機(jī)、GNSS天線和電臺(tái)天線等組成，考慮到10個(gè)機(jī)械同時(shí)用有線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線電臺(tái)傳輸差分共用的穩(wěn)定性，VNet基站差分串口經(jīng)一個(gè)8路串口分配器，一分八后，一路接給發(fā)射電臺(tái)去傳輸無(wú)線信號(hào)，另外幾路接給串口服務(wù)器轉(zhuǎn)成有線信號(hào)。

本設(shè)計(jì)中基站接收機(jī)選用中海達(dá)三星六頻GNSS接收機(jī)VNet6，此款產(chǎn)品是中海達(dá)專業(yè)北斗參考站接收機(jī)高端產(chǎn)品，也是專門針對(duì)高精度北斗參考站應(yīng)用而設(shè)計(jì)的北斗參考站接收機(jī)。它搭載Trimble高精度主板BD970，搭配高精度扼流圈外掛天線，可通過(guò)LAN或RS232實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，還配備72個(gè)并行接收通道，可接收包括中國(guó)北斗、美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS在內(nèi)的多種衛(wèi)星信號(hào)，此外他還內(nèi)置高性能處理器，可實(shí)現(xiàn)50Hz數(shù)據(jù)輸出頻率，減小移動(dòng)過(guò)程中定位數(shù)據(jù)的滯后性。

3.2 移動(dòng)站

移動(dòng)站安裝在堆場(chǎng)內(nèi)的取料機(jī)和堆料機(jī)上。移動(dòng)站的設(shè)備主要包括GPS接收機(jī)、雙路串口服務(wù)器、交換機(jī)、PLC、雙GNSS天線（一個(gè)用于定位、一個(gè)用于定向）、接收電臺(tái)等組成。GPS接收機(jī)可同時(shí)經(jīng)接收電臺(tái)與外部串口接收基站差分，約定外置串口C為與PLC通信的定位數(shù)據(jù)串口，服務(wù)器中設(shè)定此端口為TCP server模式，由PLC的EN2T模塊以TCP Client模式發(fā)起連接，以獲取定位數(shù)據(jù)；約定串口B為有線連接基站差分的串口，以TCP Client模式向基站的串口服務(wù)器發(fā)起連接。在單機(jī)臂架上與臂架平行的方向一前一后安裝兩個(gè)GNSS天線，頭部的天線用于定向，通過(guò)通訊電纜接至接收機(jī)的GNSS2口，尾部的天線用于定位，通過(guò)通訊電纜接至接收機(jī)的GNSS1口。

本設(shè)計(jì)中移動(dòng)站接收機(jī)選用中海達(dá)的北斗高精度車在定位終端ZDT820，此平板內(nèi)置android系統(tǒng)，采用天寶OEM主板，集高精度GNSS，電臺(tái)，3G模塊于一體，支持三星多頻，定位精度高，信號(hào)穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，界面直觀，可全天候?qū)崟r(shí)提供定位定向信息。GPS天線選用雙頻高增益GNSS天線，安裝時(shí)盡量遠(yuǎn)離電磁波干擾，避開機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)的遮擋。無(wú)線電臺(tái)天線選用RF-35 460M差分雙頻高增益天線，差分天線與衛(wèi)星接收天線至少相隔5m以上，防止互相干擾。

GPS—RTK高精度測(cè)量系統(tǒng)拓?fù)鋱D如上圖1所示。為保證基準(zhǔn)站與移動(dòng)站數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，我們?cè)贕PS基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間設(shè)計(jì)了兩個(gè)獨(dú)立的通訊方式：UHF無(wú)線傳輸作為主要通信方式，以太網(wǎng)有線傳輸作為備用通訊方式。無(wú)線傳輸是指基站接收機(jī)將基站信息通過(guò)串口傳給發(fā)射電臺(tái)進(jìn)行發(fā)送，移動(dòng)站接收電臺(tái)接收此信號(hào)，移動(dòng)站接收機(jī)再?gòu)慕邮针娕_(tái)獲取基站信息。有線傳輸是指基站串口服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)連接變電所交換機(jī)，變電所交換機(jī)與堆場(chǎng)單機(jī)上的交換機(jī)通過(guò)光纖傳遞數(shù)據(jù)，單機(jī)上的GPS移動(dòng)站接收機(jī)再通過(guò)串口服務(wù)器與交換機(jī)相連，從而接收基站發(fā)來(lái)的各種數(shù)據(jù)。基站串口服務(wù)器建立TCP server模式，由堆場(chǎng)單機(jī)上的移動(dòng)端串口服務(wù)器以TCP Client模式主動(dòng)發(fā)起連接。

基準(zhǔn)站將獲取的位置信息等通過(guò)有線或者無(wú)線路徑傳送給移動(dòng)站，移動(dòng)站根據(jù)基站信息和自己接收的衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)實(shí)時(shí)差分解算出兩個(gè)天線的位置信息。GPS主機(jī)將解算出的位置信息通過(guò)串口通訊傳送給串口服務(wù)器，串口服務(wù)器再將其轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)形式，供PLC讀取。

4 從GPS位置信息到單機(jī)行走回轉(zhuǎn)俯仰數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

GPS主機(jī)解算出的是定位天線和定向天線的位置坐標(biāo)，而我們現(xiàn)場(chǎng)使用的是每臺(tái)機(jī)械的行走位置、回轉(zhuǎn)角度和俯仰角度。這兩種位置的轉(zhuǎn)換是在PLC中編程實(shí)現(xiàn)的。黃驊港堆場(chǎng)的堆料機(jī)和取料機(jī)使用的都是羅克韋爾公司的ControlLogix系列PLC。PLC專用于GPS數(shù)據(jù)通信的EN2T通過(guò)以太網(wǎng)與串口服務(wù)器MOXA連接，PLC作為客戶端不斷地從串口服務(wù)器中讀取兩天線的原始位置信息。原始的GSOF格式的位置信息經(jīng)過(guò)程序中的解包換算成PLC可識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將大地坐標(biāo)系下的位置轉(zhuǎn)換到黃驊港本地坐標(biāo)系（自己設(shè)定的坐標(biāo)系）下的位置；最后根據(jù)各堆料機(jī)和取料機(jī)的固有尺寸和兩天線的安裝位置，計(jì)算出各單機(jī)回轉(zhuǎn)中心的X軸（X軸與地面皮帶平行）坐標(biāo)作為行走數(shù)據(jù)，兩天線與X軸的夾角作為回轉(zhuǎn)角度，兩天線與水平面的夾角作為俯仰角度。

通過(guò)靜止時(shí)觀察GPS位置值的變化，運(yùn)動(dòng)中比較GPS值和編碼器值的位移量，我們得出了行走位置精度小于正負(fù)1.5cm，回轉(zhuǎn)俯仰角度精度小于正負(fù)0.1°的結(jié)論，這可以滿足堆場(chǎng)設(shè)備自動(dòng)作業(yè)的要求。

5 結(jié)論

GPS-RTK高精度測(cè)量系統(tǒng)的安裝運(yùn)行，為黃驊港堆場(chǎng)單機(jī)提供了一種精度高、可靠性高的全新定位方法，他受天氣、環(huán)境的影響非常小，克服了傳統(tǒng)定位方式中由于編碼器跳變和誤差不斷積累對(duì)堆料機(jī)和取料機(jī)自動(dòng)作業(yè)的影響，我們可以將原有的編碼器數(shù)據(jù)和新加的GPS數(shù)據(jù)設(shè)為冗余，當(dāng)GPS信號(hào)有效時(shí)選擇GPS數(shù)據(jù)，當(dāng)GPS數(shù)據(jù)無(wú)效時(shí)自動(dòng)切換到編碼器數(shù)據(jù)，這樣可以提高單機(jī)位置信息的準(zhǔn)確性和可靠性、降低因位置信息有誤對(duì)生產(chǎn)造成的影響，為神華黃驊港務(wù)公司堆場(chǎng)智能化項(xiàng)目的推進(jìn)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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