基于GPS的斗輪機定位算法的設(shè)計與實現(xiàn)

蘇炫輔, 沈文忠, 楊 彪

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

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基于GPS的斗輪機定位算法的設(shè)計與實現(xiàn)

蘇炫輔, 沈文忠, 楊 彪

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

為進一步提高斗輪機回轉(zhuǎn)角和俯仰角的測量精度,提出了基于GPS的斗輪機定位算法.天線分別安裝在斗輪機的固定臺和懸臂上,正常運行取煤時,實時獲取固定臺天線的坐標(biāo)位置以及航向角,并運用三角轉(zhuǎn)換得到懸臂天線的空間位置坐標(biāo),根據(jù)懸臂天線的空間位置求出懸臂的回轉(zhuǎn)角和俯仰角.將得到的回轉(zhuǎn)角和俯仰角參數(shù)輸入斗輪機控制系統(tǒng)中,讓斗輪機在設(shè)定的角度范圍和特定的煤層自動取煤.實驗結(jié)果表明,該方法測得的斗輪機回轉(zhuǎn)角和俯仰角精度高,有利于斗輪機的精準(zhǔn)控制.

全球定位系統(tǒng); 斗輪機; 自動控制

在現(xiàn)有火電廠輸煤系統(tǒng)中,斗輪機在煤料輸送這一過程扮演著重要角色.斗輪機取煤運動分為回轉(zhuǎn)和行走兩部分.在斗輪機回轉(zhuǎn)取煤時,要控制取煤的回轉(zhuǎn)角度和俯仰角度.現(xiàn)有斗輪機運動測量一般通過編碼器實現(xiàn).編碼器在長期的使用過程中會出現(xiàn)機械磨損,更換工作量較大[1].此外,編碼器使用時間越長,誤差積累越多.在現(xiàn)有替代編碼器測量方法的各種技術(shù)中,衛(wèi)星定位技術(shù)在實現(xiàn)難度、穩(wěn)定性和安裝簡便等方面都是一個不錯的選擇,而且近年來也有人提出類似的方法應(yīng)用于斗輪機的防碰撞系統(tǒng)上[2].因此,本文提出使用全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)替代編碼器,以解決編碼器計算角度的累計誤差,提高控制系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性.

1 斗輪機定位模型

本文的定位系統(tǒng)如圖1所示.定向天線用于確定定向天線與定位天線之間的航向角,定位天線放置在斗輪機回轉(zhuǎn)平臺上.串口通訊服務(wù)器與移動站接收機的COM2口連接,與基站的串口服務(wù)器通信.

基站通過串口通訊服務(wù)器傳輸RTK數(shù)據(jù)實時校準(zhǔn)移動站的位置,以提高移動站位置的精確性.PC端通過移動站的COM1口接收被RTK校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù),進行位置信息的解析.

圖1 定位系統(tǒng)GPS設(shè)備框架示意

將定位系統(tǒng)運用到斗輪機上就得到斗輪機定位模型,如圖2所示.懸臂以其中心位置O點做左右的回轉(zhuǎn)運動和上下的俯仰運動.

圖2 斗輪機定位模型

圖2中的定位天線A點在斗輪機取煤時相對于懸臂中心的位置保持不變.E1表示斗輪機軌道方向,E2表示正北方向,C點是安裝在斗輪機懸臂上的定向天線,O點是斗輪機懸臂轉(zhuǎn)動的中心點.

建立以斗輪機停在軌道起點處的O點為原點,沿著E2方向為y軸,垂直E2方向為x軸的坐標(biāo)系Q1.將接收到的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為新建立的坐標(biāo)系下的坐標(biāo),則斗輪機懸臂C點的運動軌跡是以O(shè)點為中心,以O(shè)C為半徑的三維球面.A點不因懸臂的回轉(zhuǎn)和俯仰動作而改變自己的空間位置,只與斗輪機大車的運動有關(guān).δ是以E2為參考的航向角,ψ是AC的俯仰角,α是斗輪機懸臂的回轉(zhuǎn)角,β是斗輪機懸臂的俯仰角,即OC的回轉(zhuǎn)角和俯仰角.本文可通過GPS接收機得到A點的空間坐標(biāo)(x1,y1,z1)以及C點相對于A點的航向角δ和俯仰角ψ,將A點坐標(biāo)標(biāo)定為斗輪機大車的空間位置,通過計算可求出C點的空間坐標(biāo)以及C點相對于旋轉(zhuǎn)中心O點的回轉(zhuǎn)角α和俯仰角β.

斗輪機定位模型的精確計算有利于斗輪機取煤過程的自動控制,其循環(huán)往復(fù)取煤過程如圖3所示.

圖3 循環(huán)往復(fù)取煤過程示意

斗輪機的自動取煤過程簡要描述如下:對于同一個煤層,斗輪機大車行走至煤堆處,完成好對垛,懸臂以設(shè)定的起始角θ1順時針方向運動,到達設(shè)定的終止角度θ2后停止運動,如圖3中從A點到B點.然后大車前進一段距離L到達C點,再逆時針運動到達設(shè)定的起始角θ1后停止,如圖3中從C點到D點.然后大車再前進相同的一段距離L到達E點,從θ1角度開始逆時針運動到θ2,這樣不斷重復(fù)上述過程直至到達軌道上的某一點.

本文使用GPS技術(shù)的目的,就是為了實時得到斗輪機懸臂在上述取煤過程中的回轉(zhuǎn)角度和俯仰角度以及大車在軌道上的位置,從而控制斗輪機懸臂在設(shè)定的起始角θ1和終止角θ2之間以及軌道某一區(qū)間運動.也可通過控制斗輪機的俯仰角,實現(xiàn)不同煤層的取煤.

2 基于GPS的定位算法

本文提出的計算方法與其他文獻提出的方法有所不同.文獻[3]使用高斯投影算法,文獻[4]使用坐標(biāo)變換法,本文采用空間位置的幾何關(guān)系作為位置的求取算法.

根據(jù)斗輪機實際取煤運動過程,得到如圖4所示的數(shù)學(xué)模型.

圖4 數(shù)學(xué)模型

在Q1坐標(biāo)系下,通過4次旋轉(zhuǎn)斗輪機的懸臂可得到懸臂的中心坐標(biāo)O(a,b,c)以及C點到O點間的距離R.由于斗輪機懸臂旋轉(zhuǎn)軌跡是球形,即:

(1)

A點的坐標(biāo)是(x1,y1,z1),與懸臂天線形成的航向角為δ,俯仰角為ψ,由C點,A點,O點形成的空間幾何關(guān)系可以求得:

(2)

(3)

將式(2)和式(3)代入式(1),化簡得到:

(4)

而m=λ2+(tanδ)2+1

解方程可得到y(tǒng)坐標(biāo),將得到的y坐標(biāo)代入式(2)和式(3)得到x和z的坐標(biāo),這樣就可以求得懸臂天線的空間坐標(biāo)(x,y,z).由于斗輪機停在軌道起點處的A點和O點坐標(biāo)已知,E1和E2之間的夾角固定已知,將(x,y,z)轉(zhuǎn)換到以斗輪機停在軌道起點處的O點為原點,沿著E1方向為y軸,垂直E1方向為x軸的坐標(biāo)系Q2,得到坐標(biāo)(x′,y′,z′),O點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為(a′,b′,c′),再求出懸臂的回轉(zhuǎn)角α和俯仰角β,并輸入控制系統(tǒng)中,以控制斗輪機的取煤過程[5].

3 實驗結(jié)果

測試步驟如下:

(1) 斗輪機停止不動,懸臂旋轉(zhuǎn)至與軌道平行,此時懸臂天線位置為1號點;

(2) 懸臂逆時針旋轉(zhuǎn)30°,懸臂天線位置為2號點;

(3) 懸臂逆時針旋轉(zhuǎn)60°,懸臂天線位置為3號點;

(4) 將斗輪機懸臂旋轉(zhuǎn)至與軌道平行,懸臂順時針旋轉(zhuǎn)30°,懸臂天線位置為4號點;

(6) 懸臂順時針旋轉(zhuǎn)120°,懸臂天線位置為5號點;

(7) 懸臂順時針旋轉(zhuǎn)180°,懸臂天線的位置是6號點.

GPS坐標(biāo)準(zhǔn)確性測試結(jié)果和重復(fù)性測試結(jié)果分別如表1和表2所示.

表1 GPS坐標(biāo)準(zhǔn)確性測試數(shù)據(jù) m

表2是各個位置在一段時間內(nèi)重復(fù)測試得到的結(jié)果,每一個位置計算4次用于穩(wěn)定性測試.表1將計算結(jié)果與實際得到的坐標(biāo)結(jié)果進行對比,用于測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

表2 GPS坐標(biāo)重復(fù)性測試數(shù)據(jù) m

圖5形象地顯示了每一個點的平面圖形,計算坐標(biāo)與實際坐標(biāo)的誤差很小,幾乎重疊在一起,x軸和y軸坐標(biāo)誤差在厘米級,海拔z軸坐標(biāo)誤差在20 cm以內(nèi).

圖5 數(shù)據(jù)模擬示意

4 結(jié) 語

本文采用衛(wèi)星定位設(shè)備,將得到的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間直角坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù),通過空間幾何關(guān)系計算得到懸臂的空間坐標(biāo),實驗結(jié)果表明,該方法在重復(fù)性測試中得到的空間位置穩(wěn)定性較高,在準(zhǔn)確性測試中將實際坐標(biāo)數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)兩者誤差小,因此準(zhǔn)確性較高.這樣的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性完全滿足斗輪機取煤的要求.此外,該方法有效地解決了編碼器測量角度的累計誤差,從而有利于斗輪機的自動控制.

[1] 柳日勇.煤場GPS 定位管理系統(tǒng)之淺論[J].化學(xué)工程與裝備,2014(5):146-147.

[2] 王晨星.GPS在斗輪機防碰撞系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技展望,2015(34):128.

[3] 柳日勇.基于插值的高斯投影算法在煤場斗輪機GPS定位中的應(yīng)用[J].科技傳播,2014(11):111-112.

[4] 史春玲,李一紅.斗輪機煤場定位的控制算法[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,28(2):66-68.

[5] 沈文忠,張裕嘉.基于模型預(yù)測前饋-反饋控制的斗輪機上煤系統(tǒng)的優(yōu)化[J].上海電力學(xué)院學(xué)報,2013,29(3):257-260.

(編輯 胡小萍)

Design and Implementation of Position Algorithm Forbucket Wheel Stacker Based on Global Position System

SU Xuanfu, SHEN Wenzhong, YANG Biao

(SchoolofElectronicsandInformationEigneering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

In order to further improve the accuracy of rotational angle and the pitch angle of the Bucket Wheel,a localization algorithm based on GPS is proposed.The Antenna are mounted respectively on the cantilever and station of bucket wheel stacker.When taking coal normally,we can get real-time fixed station antenna coordinate position and heading angle,at the same time calculate spatial location coordinates of the antenna using Delta conversion.Moreover,the spatial position of the cantilever’s antenna is converted into rotational angle and pitch angle.We can control the bucket wheel stacker taking coal automatically at a set angel and specific seam by using the rotational angle and the pitch angle as the input parameters to feedback control system.The result shows that the bucket wheel rotation angle and pitch angle precision are high,which is favorable to the accurate control of the bucket wheel.

global positioning system; bucket wheel stacker; automatic control

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.01.003

2016-09-08

蘇炫輔(1993-),男,在讀碩士,湖南常德人.主要研究方向為斗輪機的全自動控制.E-mail:1002866783@qq.com.

TP273.5;TM621

A

1006-4729(2017)01-0011-04