基于北斗定位的港口堆取料機防碰撞系統(tǒng)關鍵技術研究

張水良 劉治邦 李瀟峰 樊 攀

中交機電工程局有限公司

1 引言

堆取料機是港口散貨物流運輸環(huán)節(jié)的核心設備，隨著港口智能化建設的發(fā)展，堆取料機智能化水平也在不斷地提高。目前，散貨堆場存在多臺堆取料機沿同一軌道梁同時作業(yè)時發(fā)生碰撞而導致安全事故的情況?，F(xiàn)有堆取料機多通過安裝在大車行走機構上的編碼器定位得出相對位置，但由于大車行走距離較長，以及大車車輪與兩側軌道之間摩擦力不均等因素，導致出現(xiàn)大車車輪打滑、剎車制動偏移等情況，長時間工作會造成編碼器累積誤差過大，即使通過行走定點校正仍無法徹底克服定位誤差。在港口散貨堆場建立空間坐標系，將各堆取料機間的位置關聯(lián)起來，并采用北斗差分定位技術和RFID技術校正定位誤差實現(xiàn)精確定位，再結合毫米波雷達實時反饋信號組成一級防碰撞預警、二級緊急制動的定位防碰撞系統(tǒng)，可消除堆取料機作業(yè)過程中的碰撞隱患，從而保證作業(yè)安全。

微寫作不同于傳統(tǒng)作文。它沒有篇幅、體裁和格式的具體限定；它相對于傳統(tǒng)作文來說是一種作文的升華，避免了傳統(tǒng)寫作中為考試而寫作的弊端，使得作文變得更加生動靈活，且融入學生更多有趣的靈魂和真實情感。它的重點都集中在一個“微”字上，既可以是外在的微，也可以是內容上的微；它既沒有傳統(tǒng)記敘文對時間、地點、人物、事件的限定，也沒有議論文對論點、論據(jù)的規(guī)定，更沒有小說對人物、情節(jié)、環(huán)境的要求；它切實將學生視為微寫作的主體，讓學生更愿意主動表達自己的情感和觀點。

9月底至10月中旬，每畝茶園施腐熟餅肥100～150公斤或商品畜禽糞有機肥150～200公斤+38%茶樹專用肥(氮-五氧化二磷-氧化鉀=18-8-12或相近配方)30公斤，有機肥和專用肥拌勻后開溝15～20厘米或結合深耕施用。

2 工程概況

黃驊港散貨港區(qū)礦石碼頭一期工程(含3臺堆料機、3臺取料機)及黃驊港散貨港區(qū)礦石碼頭一期(續(xù)建)工程機電設備工程(含1臺堆料機、2臺取料機、1臺堆取料機)共計10臺大機需配置全自動化堆取料生產作業(yè)系統(tǒng)(見表1)。系統(tǒng)由大機精確定位系統(tǒng)、地面校正裝置、現(xiàn)場堆取料掃描系統(tǒng)、生產作業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、大機全自動化堆取料監(jiān)控系統(tǒng)組成，可實現(xiàn)以下功能：大機遠程化操作，在控制室內通過操作鍵盤和鼠標，對大機進行包括行走、俯仰、回轉等動作；大機設備運行狀態(tài)及現(xiàn)場圖像的遠程監(jiān)控；大機防碰撞報警、安全作業(yè)；大機無人一體化控制。

表1 黃驊港散貨港區(qū)礦石碼頭一期及續(xù)建工程大機智能化改造清單

3 北斗差分定位技術

3.1 北斗差分定位

受到很多干擾因素的影響，單臺設備進行北斗定位精度很低，一般為3～4 m，為提高定位精度，引入了差分技術。北斗差分定位設備一般由基準站、流動站和數(shù)據(jù)鏈3部分構成，測量時2臺或多臺定位接收機同步觀測北斗衛(wèi)星，1個測站對2個目標觀測量、2個測站對1個目標觀測量或1個測站對1個目標2次觀測量之間進行求差，就可以消去誤差，大幅提高測量精度，采用實時或事后處理技術可以達到厘米級定位精度(見圖1)。

圖1 北斗系統(tǒng)拓撲結構圖

3.2 堆、取料機北斗差分定位配置

本工程每臺堆取料機上安裝1套RFID射頻掃描識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)由RFID射頻控制器、RFID射頻讀取頭，以及地面定點布置的RFID射頻數(shù)據(jù)載碼體組成。堆場軌道梁或皮帶機架每10 m位置安裝1個帶有位置信息的RFID射頻數(shù)據(jù)載碼體，堆取料機行走經過時由RFID射頻讀取位置數(shù)據(jù)，并通過RFID射頻控制器與單機工控機進行數(shù)據(jù)交互，將讀取到的定位數(shù)據(jù)與絕對值編碼器、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行比對，發(fā)現(xiàn)誤差時進行強制校正。

圖2 堆料機定位設備布置圖

圖3 取料機定位設備布置圖

4 基于RFID射頻掃描識別的定位校正系統(tǒng)

本工程堆取料機采用基于RTK(實時動態(tài))差分北斗定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)由地面固定位置布設的北斗衛(wèi)星基準站、堆場堆取料機上安裝的北斗衛(wèi)星移動站、中控室布置的后臺應用服務器和監(jiān)控功能軟件，以及終端操作系統(tǒng)組成，動態(tài)定位精度≤±5 cm，系統(tǒng)響應時間≤5 ms，穩(wěn)定性能好。北斗衛(wèi)星基準站為堆取料機上的移動站設備提供精度校正功能；移動站用于采集堆取料機的行走、回轉及俯仰數(shù)據(jù)，每臺堆取料機共配置2套北斗移動站設備：懸臂安裝1套移動站設備，懸臂頭部和中部分別布置2個衛(wèi)星接收天線，天線饋線接入臂架上的移動站內，用于懸臂位置、回轉角度、俯仰角度信息采集；大機下部安裝1套移動站設備，回轉中心最高處布置1個衛(wèi)星接收天線，天線饋線接入下部移動站內，用于采集單機行走位置及速度信息(見圖2、圖3)。

5 毫米波雷達防碰撞系統(tǒng)

5.1 毫米波雷達

本工程堆取料機臂架前端兩側各安裝1套毫米波雷達，行走方向前后位置各安裝1套毫米波雷達，工控機實時采集毫米波雷達數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)，接到數(shù)據(jù)后判斷并執(zhí)行指令。由毫米波雷達組成的防碰撞監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對潛在的空間碰撞物體的識別，并直接與單機的PLC控制系統(tǒng)進行通信，無需過多分析和處理即可發(fā)出防碰撞指令，實現(xiàn)主動單機防碰撞監(jiān)控系統(tǒng)功能。

圖4 毫米波雷達檢測距離及波束角

5.2 堆場堆取料機毫米波雷達配置

毫米波雷達采用多普勒原理，可快速掃描被測物體，生成與被測物體間距離、速度關系表，通過算法實現(xiàn)與被測物體間防碰撞預警和報警停機功能(見圖4)。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①掃描速度快，可達17次/s；②測量距離遠，可達250 m；③對復雜環(huán)境目標檢測迅速，可實時傳送測量數(shù)據(jù)；④設備安裝可靠。

6 空間坐標體系

當北斗基站位置選定后，它與每條軌道梁的端點距離是固定的，以北斗基站為原點、平行軌道梁方向為X軸、垂直軌道梁方向堆場寬度為Y軸、以垂直地面空間高度為Z軸，建立空間坐標系(見圖5)。

圖5 北斗基站和堆、取料機軌道布置圖

由空間解析幾何可知，在三維直角坐標系中，任何1個點的位置都可以通過建立起來的X、Y、Z3個坐標來確定。但在衛(wèi)星傳輸信號的過程中，由于電離層等多種因素干擾，只獲取A、B、C3點的數(shù)據(jù)是不夠的，當測得某一點與這3點的距離時需要重新引入一個新的變量t，通過t變量重新建立起1個三元方程組，通過幾何解析可獲得該點與X、Y、Z的坐標數(shù)據(jù)，從而該空間上的某點就可以通過計算獲取具體位置，具體衛(wèi)星分布和計算見圖6。

“你想喚醒它的力量嗎？”黑袍人勾起了他對那些傳說的遐想和神往，卻又并不說細，只用一種帶著誘惑力的語氣問道。

圖6 空間坐標示意圖

根據(jù)堆取料機上移動站的安裝位置，可計算出堆取料機和懸臂所在的空間位置，通過光纜實時回傳到中控室防碰撞系統(tǒng)服務器，防碰撞系統(tǒng)通過接收到的移動站定位數(shù)據(jù)，進行防碰撞建模運算，對存在碰撞可能性的堆取料機進行實時監(jiān)控和碰撞預判，對高風險的堆取料機發(fā)出報警和停機指令，同時將預警信息發(fā)送到值班人員操作界面，提醒進行人為干預以消除隱患。

7 結語

通過對堆場建立空間坐標體系，實時采集北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，再結合RFID技術校正定位誤差和毫米波雷達防碰撞系統(tǒng)，實現(xiàn)堆取料機自動定位和防碰撞控制。同時，可實現(xiàn)堆取料機的遠程操作，減少人員投入，改善司機的作業(yè)環(huán)境，降低其勞動強度，為散貨碼頭自動化作業(yè)奠定基礎。