CN103941610B - 一种单gps定位的轮胎吊区域识别系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单GPS定位的轮胎吊区域识别系统及其使用方法。该系统包括微控制器、GPS单元模块、及主控制板模块。基于上述系统，本发明提出了该系统的使用方法，结合转场过程判断法，弥补了单一普通精度的GPS模块定位精度低的缺点，提高了轮胎吊的区域识别精度。该系统可方便地安装在轮胎吊上，实现了轮胎吊的区域自动识别，并根据区域识别结果输出控制信号，完成轮胎吊工作方式的自动切换，从而达到提高工作效率，节约生产成本的目的。

Description

一种单GPS定位的轮胎吊区域识别系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及港口轮胎吊领域，尤其是一种单GPS定位的轮胎吊区域识别系统及其使用方法。

背景技术

轮胎吊是集装箱码头堆场的主要装卸设备。起初，轮胎吊大都靠柴油发电机组工作，工作时噪声大、废气多、污染重且生产成本高，这种柴油发电的工作方式的生产成本约是使用380V市电成本的3倍。近来，为了解决以上问题,国内许多港口对集装箱堆场进行了“油改电”改造。所谓“油改电”，就是在堆场内建立“电架子”，即高架滑触线。高架滑触线将交流380V的市电引入到堆场内直接给轮胎吊供电。实践证明“油改电”后，整体运行成本显著下降，且大大减低了废气污染和噪声污染。

高架滑触线的支撑架地基部分需占用一定的面积，对港区空间有要求，一般占3～5m见方的区域。对于堆场的某些特殊区域，由于空间或其它因素的限制，这些区域不能满足“油改电”的条件，在这些区域工作的轮胎吊仍需利用柴油机工作，这些区域常被称为“油区”，那些已完成“油改电”的区域被称为“电区”。

由于上述因素，在一个大的堆场中既存在“电区”又存在“油区”，在电区时,轮胎吊的工作动力由380V的交流电提供，在油区时,轮胎吊的工作动力仍由柴油机提供。因此，在两个区域之间转场时，必须切换轮胎吊的工作方式。目前这种切换都是由手动的方式完成，效率低下，操作麻烦。甚至工作人员忘记切换工作方式或为贪图一时的方便，在从“油区”进入“电区”后，不把轮胎吊车的工作方式换为380V市电模式，仍使用轮胎吊的柴油机工作方式。因此，造成了在“电区”仍靠柴油机工作的实事。这违背了油改电的初衷，不仅增加了生产成本，而且给环境带来了不必要的污染。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明设计了一个基于单GPS定位的轮胎吊区域自动识别系统及其使用方法。可以实现轮胎吊在堆场内的“油区”和“电区”的区域自动识别，并发送信号到轮胎吊车的控制系统实现工作方式的及时切换。同时，设计了转场过程判断法利用单GPS对区域精准识别。

本发明采用如下技术方案：

一种单GPS定位的轮胎吊区域识别系统，包括微控制器、GPS单元模块、及主控制板模块，GPS单元模块将获取的轮胎吊位置信息送至微控制器，微控制器将轮胎吊位置信息处理后送至主控制板模块显示，并通过外部输出驱动模块改变轮胎吊的工作模式；所述微控制器包括微处理器、晶振、及复位电路，微处理器设有SPI接口和UART接口；所述GPS单元模块包括单个的低精度的GPS接收模块，GPS单元模块通过GPS接口电路连接微处理器的UART接口，GPS接收模块接收轮胎吊的位置信息，通过GPS接口电路送至微控制器；所述主控制板模块为PCB电路板，PCB电路板上设有电源管理模块、SD卡存储模块、人机接口模块、外部输出驱动模块、GPS模块接口、及微控制器接口，主控制板模块通过GPS模块接口与GPS单元模块相连，通过微控制器接口与微处理器相连；所述SD卡存储模块包括SD卡，SD卡存储有与港口工作区域分布信息、及过道特征点对应的经纬度；SD卡通过SD卡插槽固定在PCB电路板上，SD卡通过SD卡接口电路连接微处理器的SPI接口，以实现微控制器对SD卡数据的读取、及存取。

单GPS定位的轮胎吊区域识别系统还包括温度控制模块，温度控制模块包括温度检测电路、及散热风扇，温度检测电路连接微处理器，微处理器通过驱动电路连接散热风扇。

所述人机接口模块包括按键、LCD显示屏、及LED显示屏，LCD显示屏显示轮胎吊的经纬度，LED显示屏显示轮胎吊的工作模式，人机接口模块安装在轮胎吊的小车内。

所述外部输出驱动模块包括光电隔离电路、及基于继电器的信号输出电路；微控制器发出的指令信号经光电隔离电路控制继电器的动作，将指令信号传输到轮胎吊的主控系统，切换轮胎吊的工作方式。

所述电源管理模块提供3.3V、5V、及12V的直流电源。

基于单GPS定位的轮胎吊区域识别系统的使用方法，包括以下步骤：

(1)单GPS定位的轮胎吊区域识别系统上电初始化，判断人机接口模块是否有按键按下；

(2)若步骤(1)中有按键按下，进入自检状态，自检完成之后重复步骤(1)；

(3)若步骤(1)中无按键按下，进入常规工作状态，通过微处理器判断GPS获得的轮胎吊位置信息是否有效；

(4)若步骤(3)中GPS获得的轮胎吊位置信息无效，LCD显示屏显示提示信息，重复步骤(3)；

(5)若步骤(3)中GPS获得的位置信息有效，通过微处理器提取经纬度数据，LCD显示屏显示经纬度，提取的经纬度数据与SD卡存储的位置数据采用转场过程判断法比较判断，将比较判断结果保存至SD卡，根据判断结果输出控制信号到轮胎吊的主控系统，并在LED显示屏输出判断信号，完成后重复步骤(3)。

所述步骤(1)中进入自检状态，依次进行GPS信号检测，信号输出检测，风扇检测，温度检测。

所述转场过程判断法分为直线转场方式和非直线转场方式；港口集装箱堆场区域包括多条过道和走廊，走廊等间距纵向分布，将整个区域分割成多个工作单元，过道垂直于走廊等间距横向分布，将工作单元划分为相互独立的工作区，相对的工作区之间的过道上设有特征点，分别为中间特征点、左特征点、及右特征点，轮胎吊在工作单元内的两个工作区之间移动称为直线转场，轮胎吊在不同工作单元间的两个工作区之间移动称为非直线转场；

a、直线转场方式，先将小车移至轮胎吊的一端，再将轮胎吊移动至过道上，检测到小车的GPS位置在过道后，将最近记录的小车的5个经纬度数据做平均值计算，比较得到的平均值与中间特征点、左特征点、及右特征点的距离，并不断重复上述过程，连续5次得到平均值与左特征点或右特征点的距离较近而与中间特征点的距离较远，LED显示屏显示直线转场标志，平均值的点在靠近两个相对工作区中的一个，则说明轮胎吊直线转场正进入的该相应工作区；

b、非直线转场方式，先将轮胎吊移动至过道上，再将小车移至轮胎吊的中间，检测到小车的GPS位置在过道后，将最近记录的小车的5个经纬度数据做平均值计算，比较得到的平均值与中间特征点、左特征点、及右特征点的距离，并不断重复上述过程，如果连续10次得到平均值与左特征点或右特征点的距离较远而与中间特征点的距离较近，轮胎吊正在进行第一次原地转向动作，LED显示屏显示非直线转场标志；轮胎吊在过道中移动的过程中，继续进行类似的判断，连续10次得到平均值与下一工作区组的左特征点或右特征点的距离较远而与中间特征点的距离较近，轮胎吊正在中间特征点处做第二次原地转向动作，LED显示屏显示非直线转场标志；连续5次得到平均值，5次得到平均值在逐渐远离中间特征点而靠近相应工作区，则说明轮胎吊正进入的相应工作区。

采用上述技术方案，本发明取得有益技术效果如下：

本发明设计了单GPS定位的轮胎吊区域识别系统，利用单GPS实现轮胎吊自动定位和区域识别，并根据区域识别结果发送控制信号及时切换轮胎吊的工作方式，减小人工参与的环节，提高了效率，节约了成本。

本系统采用低精度的单GPS定位，成本低，体积小，不占用港口工作区域的地面空间，施工方便。低精度的GPS接收机价格便宜，但定位精度差是其固有的特性。本发明设计转场过程判断法克服普通精度的单GPS精度差的缺点，使其可满足轮胎吊在港口工作区域内准确的区域识别，性价比高。

单GPS定位的轮胎吊区域识别系统设计了自检状态，系统可以自检各模块的工作状况，方便现场工作人员检修。

附图说明

图1为单GPS定位的轮胎吊区域识别系统结构示意图。

图2为单GPS定位的轮胎吊区域识别系统使用方法流程图。

图3为港口工作区域划分示意图。

图4为直线转场方式示意图。

图5为非直线转场方式示意图。

具体实施方式

结合附图1对本发明提出的单GPS定位的轮胎吊区域识别系统作进一步说明：

一种单GPS定位的轮胎吊区域识别系统，包括微控制器、GPS单元模块、及主控制板模块。GPS单元模块将获取的轮胎吊位置信息送至微控制器，微控制器将信息处理后通过主控制板模块显示，并通过外部输出驱动模块改变轮胎吊的工作模式。微控制器模块包括微处理器、晶振、及复位电路，微处理器设有SPI接口和UART接口。GPS单元模块包括单个的低精度的GPS接收模块，GPS单元模块通过GPS接口电路连接微处理器的UART接口，GPS接收模块接收轮胎吊的位置信息，通过GPS接口电路送至微控制器模块。GPS接收模块选用TrimbleLassenIQ46240-25。其更新率为1Hz；水平精度：<5米(50％)，<8米(90％)。微处理器选用C8051F020，它是一个完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚，专用的SPI接口和UART接口。

主控制板模块为PCB电路板，PCB电路板上设有电源管理模块、SD卡存储模块、人机接口模块、外部输出驱动模块、GPS模块接口、及微控制器接口。SD卡存储模块包括SD卡，SD卡存储有与港口工作区域、及堆场过道特征点的对应的经纬度。SD卡通过SD卡插槽固定在PCB电路板上，SD卡通过SD卡接口电路连接微处理器的SPI接口，以实现微控制器对SD卡数据的读取和存取。电源管理模块可提供3.3V、5V、及12V的直流电源。外部输出驱动模块包括光电隔离电路、及基于继电器的信号输出电路；微控制器发出的指令信号经光电隔离电路控制继电器的动作，将指令信号传输到轮胎吊的主控系统，切换轮胎吊的工作方式。

人机接口模块包括按键、LCD显示电路、及LED显示屏，通过通用I/O口与微控制器相连，LCD显示电路显示轮胎吊的经纬度，LED显示屏显示轮胎吊的工作模式。通过人机接口可以实现系统的运行参数的查询和故障的快速查找和定位。LED显示屏安装在轮胎吊的小车内，微控制器根据区域判断结果，控制LED显示屏的显示内容，显示“电区工作，电能模式”或“油区工作，柴油机模式”等信息。

单GPS定位的轮胎吊区域识别系统，还包括温度控制模块，温度控制模块包括温度检测电路、及散热风扇，温度检测电路连接微处理器，微处理器通过驱动电路连接散热风扇。

基于上述系统设计了本系统的使用方法，其步骤如下：

(1)单GPS定位的轮胎吊区域识别系统上电初始化，判断人机接口模块是否有按键按下；

(2)若步骤(1)中有按键按下，进入自检状态，自检之后重复步骤(1)；

(3)若步骤(1)中无按键按下，进入常规工作状态，通过微处理器判断GPS获得的轮胎吊位置信息是否有效；

(4)若步骤(3)中GPS获得的轮胎吊位置信息无效，LCD显示屏显示提示信息，重复步骤(3)；

(5)若步骤(3)中GPS获得的位置信息有效，通过微处理器提取经纬度数据，LCD显示屏显示经纬度，提取的经纬度数据与SD卡存储的位置数据采用转场过程判断法比较判断，将比较判断结果保存至SD卡，通过LED显示屏输出判断信号，完成后重复步骤(3)。

其中，步骤(1)中进入自检状态，依次进行GPS信号检测，信号输出检测，风扇检测，温度检测。

结合附图2对上述使用方法做进一步说明：

单GPS定位的轮胎吊区域识别系统上电后，进行初始化，将系统设定到一个理想的待机状态，系统将进入主程序，判断是否有按键被按下，无按键时，程序自动进入常规工作状态。GSP模块可正常定位的一个基本条件是它至少可以接收4个或以上的卫星信号。因此下一步是判断GPS获得的位置信息是否有效。当满足定位条件时，GPS模块在LCD显示屏上输出带有效定位信息的经纬度，微控制器提取经纬度数据，被解析出来的经纬度数据就是当前轮胎吊的位置，此数据与区域特征点数据进行比较，并结合“转场过程判断法”，最后可以得到轮胎吊所在的当前的区域信息，然后根据判断结果输出控制信号到轮胎吊的主控系统，实现对吊车的运行方式的切换。若当前位置在电区，控制信号将轮胎吊设置为电能模式，并在LED显示屏上显示“电区工作，电能模式”的提示信息；若在油区工作，控制信号将轮胎吊设置为柴油机工作模式，并在LED显示屏上显示“油区工作，柴油机模式”的提示信息。然后再进入下一个循环。

当有键按下时，系统进入检修状态，首先进行GPS模块工作状态的检测，如果工作正常，LCD将实时显示当前的经，纬度信息，否则将显示GPS故障信息。其次，系统进入驱动输出检测，如果没有线路故障且输出正常时，LCD上显示“输出正常”的提示，否则，将显示相关故障信息。其次，系统进入风扇检测，如果风扇不能正常转动，则说明散热系统故障。再次，系统进入环境温度检测，如果系统正常，LCD将实时显示温度信息，否则提示温度检测故障。检测完毕，系统进入下一次的循环。

如图3所示，对于标准化的码头，A、B两区相距约13米，A、D两区相距约3米，识别系统安装在轮胎吊的小车上，小车是可以左右滑动的。所以，当轮胎吊在A区工作且将小车滑到最左端或轮胎吊在D区工作小车滑到最右端时，对于一般精度的单GPS接收模块来说，很难正确区分轮胎吊是在A区还是在D区。选择高精度的定位模块会增加系统的成本，选择建设GPS基站即要占用地面空间又要增加成本，本发明采用了一个“转场过程判断法”来解决一般精度的单GPS模块定位精度差的问题。

结合实施例对转场过程判断法做进一步说明：

区域识别的关键是在于油区和电区边界处的准确区分，港口集装箱堆场区域包括多条过道和走廊，走廊等间距纵向分布，将整个区域分割成多个工作单元，过道垂直于走廊等间距横向分布，将工作单元划分为相互独立的工作区。如图3所示，有4个工作区的标号分别为A、B、C、及D，A与B在同一个工作单元，A与B之间有过道9，过道上设有三个特征点，分别为中间特征点②、左特征点③、及右特征点①。相邻工作单元之间相距3米，即A与D之间有3米宽的走廊10。轮胎吊在工作单元内的两个工作区之间移动称为直线转场，如从A移动至B。轮胎吊在不同工作单元间的两个工作区之间移动称为非直线转场，如从A移动至D。

以最复杂的情况为例，假设A、C为电区，B、D为油区，轮胎吊8在A区，小车7在轮胎吊8上，下面介绍从A到B的直线转场方式的过程，从A到D的非直线转场方式的过程。

如图4，从A到B的直线转场方式的过程：

轮胎吊在A，LED显示屏上显示“电区工作，电能模式”的提示信息。为了能看清楚位于工作单元两边走廊地面上的导引线，先将A内轮胎吊的小车移至轮胎吊的右端，再将轮胎吊移动至过道上，检测到小车的GPS位置在过道后，将最近记录的小车的5个经纬度数据做平均值计算，比较得到的平均值与中间特征点②、左特征点③、及右特征点①的距离，并不断重复上述过程，连续5次得到平均值与右特征点①的距离较近而与中间特征点②的距离较远，LED显示屏显示直线转场标志，平均值的点逐渐靠近相对区B，则说明轮胎吊直线转场从A进入B。LED显示屏上显示“油区工作，柴油机模式”的提示信息，并切换工作方式。这一标志一直保持，直到下一次的转场。

如图5，从A到D的非直线转场方式的过程如图4：

轮胎吊在A，LED显示屏上显示“电区工作，电能模式”的提示信息。先将A内轮胎吊移动至过道上，再将轮胎吊的小车移至轮胎吊的中间，检测到小车的GPS位置在过道后，将最近记录的小车的5个经纬度数据做平均值计算，比较得到的平均值与中间特征点②、左特征点③、及右特征点①的距离，并不断重复上述过程。如果连续10次得到平均值与左特征点③、及右特征点①的距离较远而与中间特征点②的距离较近，轮胎吊正在进行第一次原地转向动作，LED显示屏显示非直线转场标志。轮胎吊在过道中移动的过程中，继续进行类似的判断，连续10次得到平均值与下一工作区组的左特征点⑥或右特征点④的距离较远而与中间特征点⑤的距离较近，轮胎吊正在中间特征点⑤处做第二次原地转向动作，LED显示屏显示非直线转场标志。连续5次得到平均值，5次得到平均值在逐渐远离中间特征点⑤而靠近相应工作区D。LED显示屏上显示“油区工作，柴油机模式”的提示信息，并切换工作方式。这一标志一直保持，直到下一次的转场。

如果不经过转场过程判断，轮胎吊不可能移出当前的工作区域，这是防止误判的重要依据。比如，轮胎吊进入D，当小车滑到了最右端进行装卸集装箱的工作，如果在实时的定位判断中，轮胎吊被误判为在A，即在“电区”。此时参考区域标识可以得出这是一次由于GPS模块数度低所带来的误判，故本次判断的结果不可信，从而增强了系统的抗干扰能力，提高了识别系统的区域定位的准确性。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (3)

1.一种单GPS定位的轮胎吊区域识别系统的使用方法，其针对的单GPS定位的轮胎吊区域识别系统包括微控制器、GPS单元模块、及主控制板模块；

GPS单元模块将获取的轮胎吊位置信息送至微控制器，微控制器将轮胎吊位置信息处理后送至主控制板模块显示，并通过外部输出驱动模块改变轮胎吊的工作模式；

所述微控制器包括微处理器、晶振、及复位电路，微处理器设有SPI接口和UART接口；

所述GPS单元模块包括单个的低精度的GPS接收模块，GPS单元模块通过GPS接口电路连接微处理器的UART接口，GPS接收模块接收轮胎吊的位置信息，通过GPS接口电路送至微控制器；

所述主控制板模块为PCB电路板，PCB电路板上设有电源管理模块、SD卡存储模块、人机接口模块、外部输出驱动模块、GPS模块接口、及微控制器接口，主控制板模块通过GPS模块接口与GPS单元模块相连，通过微控制器接口与微处理器相连；

所述SD卡存储模块包括SD卡，SD卡存储有与港口工作区域分布信息、及过道特征点对应的经纬度；SD卡通过SD卡插槽固定在PCB电路板上，SD卡通过SD卡接口电路连接微处理器的SPI接口，以实现微控制器对SD卡数据的读取、及存取；

单GPS定位的轮胎吊区域识别系统还包括温度控制模块；温度控制模块包括温度检测电路、及散热风扇，温度检测电路连接微处理器，微处理器通过驱动电路连接散热风扇；

所述人机接口模块包括按键、LCD显示屏、及LED显示屏，LCD显示屏显示轮胎吊的经纬度，LED显示屏显示轮胎吊的工作模式，人机接口模块安装在轮胎吊的小车内；

所述外部输出驱动模块包括光电隔离电路、及基于继电器的信号输出电路；微控制器发出的指令信号经光电隔离电路控制继电器的动作，将指令信号传输到轮胎吊的主控系统，切换轮胎吊的工作方式；

其特征在于，所述单GPS定位的轮胎吊区域识别系统的使用方法包括以下步骤：

(1)单GPS定位的轮胎吊区域识别系统上电初始化，判断人机接口模块是否有按键按下；

(2)若步骤(1)中有按键按下，进入自检状态，自检完成之后重复步骤(1)；

(3)若步骤(1)中无按键按下，进入常规工作状态，通过微处理器判断GPS获得的轮胎吊位置信息是否有效；

(4)若步骤(3)中GPS获得的轮胎吊位置信息无效，LCD显示屏显示提示信息，重复步骤(3)；

(5)若步骤(3)中GPS获得的位置信息有效，通过微处理器提取经纬度数据，LCD显示屏显示经纬度，提取的经纬度数据与SD卡存储的位置数据采用转场过程判断法比较判断，将比较判断结果保存至SD卡，根据判断结果输出控制信号到轮胎吊的主控系统，并在LED显示屏输出判断信号，完成后重复步骤(3)。

2.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：所述步骤(2)中进入自检状态，依次进行GPS信号检测，信号输出检测，风扇检测，温度检测。

3.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：所述转场过程判断法分为直线转场方式和非直线转场方式；港口集装箱堆场区域包括多条过道和走廊，走廊等间距纵向分布，将整个区域分割成多个工作单元，过道垂直于走廊等间距横向分布，将工作单元划分为相互独立的工作区，相对的工作区之间的过道上设有特征点，分别为中间特征点、左特征点、及右特征点，轮胎吊在工作单元内的两个工作区之间移动称为直线转场，轮胎吊在不同工作单元间的两个工作区之间移动称为非直线转场；

a、直线转场方式，先将小车移至轮胎吊的一端，再将轮胎吊移动至过道上，检测到小车的GPS位置在过道后，将最近记录的小车的5个经纬度数据做平均值计算，比较得到的平均值与中间特征点、左特征点、及右特征点的距离，并不断重复上述过程，连续5次得到平均值与左特征点或右特征点的距离较近而与中间特征点的距离较远，LED显示屏显示直线转场标志，平均值的点在靠近两个相对工作区中的一个，则说明轮胎吊直线转场正进入的该相应工作区；

b、非直线转场方式，先将轮胎吊移动至过道上，再将小车移至轮胎吊的中间，检测到小车的GPS位置在过道后，将最近记录的小车的5个经纬度数据做平均值计算，比较得到的平均值与中间特征点、左特征点、及右特征点的距离，并不断重复上述过程，如果连续10次得到平均值与左特征点或右特征点的距离较远而与中间特征点的距离较近，轮胎吊正在进行第一次原地转向动作，LED显示屏显示非直线转场标志；轮胎吊在过道中移动的过程中，继续进行类似的判断，连续10次得到平均值与下一工作区组的左特征点或右特征点的距离较远而与中间特征点的距离较近，轮胎吊正在中间特征点处做第二次原地转向动作，LED显示屏显示非直线转场标志；连续5次得到平均值，5次得到平均值在逐渐远离中间特征点而靠近相应工作区，则说明轮胎吊正进入的相应工作区。