CN104828698B - 基于自组网的北斗定位系统的起重机自动巡航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自组网方式的RTK北斗定位系统的起重机自动巡航系统，包括：至少一个北斗定位基站，用于获得北斗定位基站的基站定位数据；至少一个定位循迹装置，用于获得相应的RTG起重机定位数据，并且与起重机内的控制设备连接；及至少两个自组网通信装置，其分别与北斗定位基站和定位循迹装置通信，自组网通信装置之间组建自组网；北斗定位基站通过自组网通信装置发送基站定位数据；定位循迹装置之间传递数据，定位循迹装置通过自组网通信装置获得基站的载波相位观测值，并结合RTG起重机定位数据进行定位校准以获得RTG起重机RTK坐标，定位循迹装置根据RTG起重机RTK坐标与巡航算法通过控制设备实现自动巡航。本发明还公开了一种自动巡航方法。

Description

基于自组网的北斗定位系统的起重机自动巡航系统及方法

技术领域

本发明属于通信及定位技术领域，尤其涉及一种基于自组网方式的RTK北斗定位系统的起重机自动巡航系统及方法。

背景技术

目前港口当中面临的两个主要问题是RTG起重机(rubber tyre gantry，橡胶轮胎门式起重机)的位置监控和RTG起重机循迹。目前，由于港口是利用无线电通信系统来指挥司机进行RTG起重机的移动和集装箱的吊取工作，不利于实现RTG起重机的自动管理。同时，由于没有固定轨道，RTG起重机在行驶过程中，司机必须进行不断的手动纠偏，这样容易导致司机疲劳，存在事故隐患。

一种现有手段是基于GPS配合无线电台RTK(real-time kinematic，实时动态定位技术)的GPS导航系统实现对于RTG起重机控制的方法，该方案采用装有RTK-GPS设备的移动站和基站对RTG起重机进行导航，无线电台负责在GPS基站和各移动站之间进行基站的基站定位数据的传输，系统通过获取的基站定位数据来得到当前RTG起重机的高精度GPS位置信息，然后计算RTG起重机与预设路径的距离偏差，从而完成对于RTG起重机的纠偏，这种方法的缺点主要在于：

●一台GPS基站通过电台广播将RTK数据发送到多台GPS移动站，由于港区较大，无线信号经常会被层叠的集装箱等金属障碍物阻隔或屏蔽，造成RTG起重机失联/失控。

●电台广播的工作模式大多采用单工通信模式，在单工通信模式下，在一个信道内只能单独完成信号的接收或发送，明显降低了通信的效率。

●GPS基站和GPS移动站的电台通信频率采用的是UHF公用无线电频段，需要手动设置，不能够进行自适应变化，有可能会和港口其它通信设备的通信频率冲突，影响RTK数据的正常通信。

●GPS的定位一定要基于和利用美国GPS卫星系统，在特殊时期GPS系统可能受到限制，若发生不能够进行定位或者定位精度下降，则会造成设备瘫痪或碰撞等重大事故。

●如果各GPS移动站的RTG起重机位置数据也要通过电台回传到监控中心，那么就会占用多个频带资源，造成频谱资源的大量开销，由于公用无线电频段的通信容量有限，多个通信频率容易受到其它设备干扰；同时，在新加入一辆RTG起重机或者是除去一辆RTG起重机以后，频带资源都需要重新进行分配，不适合用于这种双向通信的模式。如果使用单频轮询方式可以节省频带资源，但由于带宽小，通信周期较大，延时长，不适用于有较多RTG起重机的港口，不适用于实时的信息交互。

●如果各GPS移动站的RTG起重机位置数据采用WIFI方式回传到监控中心，由于WIFI的发射功率有限，通信距离有限，必须布置较多无线路由器才能覆盖整个港区，系统复杂而且成本较高。而且WIFI无线信号不稳定，连接断开后重新建立连接的时间较长，容易造成RTG起重机的失联/失控。

另一种现有手段是基于GPS配合GSM/GPRS RTK模块的精确导航方案，该方案采用GPS移动站和基站对RTG起重机进行导航，而GSM/GPRS收发设备负责进行RTK数据的传输，通过获取的RTK数据计算得到当前RTG起重机的精确GPS位置信息，然后计算RTG起重机与预设路径的距离偏差，从而完成对于RTG起重机的纠偏，这种方法的缺点主要在于：

●在一台GPS基站对应多台GPS移动站的情况下，该方案选择的是CORS组网方式，该方式是GPS基站和GPS移动站将自身GPS坐标等数据发到GPS数据运营商或公共CORS数据处理中心的服务器端，GPS移动站通过GSM/GPRS方式从该服务器获取基站的GPS信息。这种做法在访问量较大的时候会有明显的缺陷：通信速度慢，所有GPS移动站(包括非港区的GPS移动站)都会访问GPS数据运营商或公共CORS数据处理中心的服务器，很容易造成通信的中断或阻塞，导致RTG起重机失控。

●由于蜂窝移动通信运营商的基站容量有限，如果RTG起重机数目较多，容易造成通信的拥塞，RTG起重机失控。

●由于港区较大而且存在较多金属障碍物如集装箱，桥吊等，GSM信号在某些区域会被阻隔或屏蔽，产生通信盲区。如果要求移动通信运营商增加基站的数量以达到无盲区覆盖，会增加系统的成本。此外，由于港区的金属障碍物会随时改变位置与高度，导致通信盲区随之实时变化，即使增加基站数量也很难做到整个港区的无盲区覆盖。

●每台GPS移动站都需要使用移动通信网络，每年要支付一定的移动通信费用，成本高。

要想获得高精度的RTK数据，需要支付GPS数据运营商或公共CORS数据处理中心较高的费用，成本高。

●安全隐患问题：由于高精度定位数据的RTK数据的解算与获取必须依靠GPS数据运营商或公共CORS数据处理中心通过公共移动通信网络传输，如果遇到移动通信网络故障、瘫痪，数据中途被恶意截取篡改以及公共CORS数据处理中心服务器的故障和被恶意入侵等突发事件，会导致RTG起重机失控，造成重大事故。

因此，亟需一种技术来解决对于RTG起重机位置的安全、高可靠监控和RTG起重机在地面无标记的情况下的准确自动循迹问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠，安全的集装箱运输机制，以便港口的集装箱操作过程更加安全和可靠以及自动化，提高生产效率。本发明克服了现有技术的上述缺陷，提出一种基于自组网方式的RTK北斗定位系统的起重机自动巡航系统及自动巡航方法，利用国产北斗定位系统以及自组网的通信模式，组建港口内的自由可调及免费的通信网络，通过对RTG起重机的准确循迹实现自动巡航。

本发明提出了一种基于自组网方式的RTK北斗定位系统的起重机自动巡航系统，包括：至少一个北斗定位基站，其接收北斗卫星的定位信号以获得所述北斗定位基站的基站定位数据，包括基站的载波相位观测值；至少一个定位循迹装置，其与起重机内的控制设备连接，用于接收北斗卫星的定位信号以获得所述定位循迹装置的RTG起重机定位数据；及至少两个自组网通信装置，其分别与所述北斗定位基站和所述定位循迹装置通信，所述自组网通信装置之间组建自组网；在所述自组网当中，所述北斗定位基站通过所述自组网通信装置发送所述基站定位数据，其中包括基站载波相位观测值；所述定位循迹装置之间传递数据，所述定位循迹装置通过所述自组网通信装置获得所述基站的载波相位观测值，并结合所述RTG起重机定位数据进行RTK定位校准以获得RTG起重机RTK坐标，所述控制设备根据所述RTG起重机RTK坐标与巡航算法实现自动巡航。

本发明所述起重机自动巡航系统中，所述定位循迹装置包括：北斗移动定位模块，其接收北斗卫星的定位信号以获得所述定位循迹装置的RTG起重机定位数据；数据处理器，其与所述北斗移动定位模块以及所述控制设备连接，实现控制所述定位循迹装置的运行、数据处理以及RTK定位校准；存储单元，其与所述数据处理器连接，用于存储接收到的预设路径信息，载波相位信息和实时解算出的RTG起重机RTK坐标信息等数据；及供电模块，其通过电源转换来提供所述定位循迹装置的工作电流。

本发明所述起重机自动巡航系统中，所述定位循迹装置中进一步设置方向角计算模块，用于获取所述起重机的方向角数据；所述方向角计算模块与所述数据处理器连接，将方向角数据传输给所述数据处理器。

本发明所述起重机自动巡航系统中，所述数据处理器接收由主控平台发送的所述起重机的预设路径；所述数据处理器根据所述RTG起重机RTK坐标和所述方向角数据计算出所述起重机的速度矢量数据以预判所述起重机的运动趋势，并根据所述起重机的预设路径对所述起重机进行控制调整一一纠偏，生成控制指令发送给所述控制设备。

本发明所述起重机自动巡航系统中，所述供电模块进一步设置电源保护电路。

本发明所述起重机自动巡航系统中，所述自组网通信装置配置有通信修复功能；当自组网内的其他通信模块损坏或关闭时，所述自组网通信装置通过重新调整路由来自动恢复自组网。

本发明所述起重机自动巡航系统中，所述自组网通信装置配置有检测接收信号强度功能，以及配置有根据检测到的信号强度控制所述起重机避免冲撞的功能。

本发明所述起重机自动巡航系统中，进一步设置有主控平台，所述主控平台与一个自组网通信装置连接并接入所述自组网，实现与所述北斗定位基站以及所述定位循迹装置之间的通信；所述主控平台设置有起重机的预设路径，可以根据需求，要求各起重机回传RTG起重机RTK坐标，实时监控与记录所述起重机的位置。

本发明还提出了一种起重机自动巡航方法，使用所述起重机自动巡航系统，包括如下步骤：

步骤一：所述北斗定位基站和所述定位循迹装置之间通过所述自组网通信装置组建自组网，所述北斗定位基站发送所述基站定位数据，其中包括基站载波相位观测值；

步骤二：所述定位循迹装置获得所述基站的基站定位数据，并结合所述RTG起重机定位数据进行RTK定位校准以获得RTG起重机RTK坐标；

步骤三：所述主控平台通过所述自组网通信装置可以根据需要对某个指定的RTG起重机发出预设路径信息，相应的RTG起重机通过自组网通信装置接收到后存储在存储单元中；

步骤四：所述定位循迹装置将所述RTG起重机RTK坐标传输至所述数据处理器，所述方向角计算模块将起重机当前的方向角数据传输至所述数据处理器；

步骤五：所述数据处理器根据所述RTG起重机RTK坐标和所述方向角数据计算出所述起重机的速度矢量数据以预判所述起重机的运动趋势，并根据接收到的所述起重机的预设路径对所述起重机进行纠偏，生成控制指令发送给所述控制设备；

步骤六：与所述定位循迹装置相连的控制设备根据定位循迹装置发出的控制指令控制对所述起重机进行自动巡航。

本发明所述起重机自动巡航方法中，所述步骤五中，当所述起重机的方向角数据相对于所述预设路径方向角的偏移量大于5°时，对所述起重机进行纠偏。

本发明的有益效果在于：

利用北斗定位系统摆脱了对于美国GPS系统的依赖，所使用的自组网方式的节点间无障碍传输距离约为30Km，通信覆盖范围较广，整个通信网络的无盲区通信覆盖半径至少可达30Km。由于北斗的亚太地区的覆盖率相对GPS系统要高，所以在中国港区定位数据的获取可靠性较高，而且使用多个无线通信模块进行自组网式的通信，因此，可以解决传统无线电通信(如无线电台，蜂窝移动通信)中功率受限和通信盲区的问题，通过多次转发，对于港口等无线信号屏蔽严重区域，可以实现较广覆盖范围内的无盲区高精度，高可靠定位，适用在港口这类无线信号屏蔽较严重区域。利用自组网络作为RTK北斗定位信息的交互手段，具有通信成本低的优点，不需要每年缴付高额的蜂窝移动通信费用。由于北斗定位基站的结构简单，硬件成本很低，通过自组网络就可获得高精度的RTK北斗定位数据，无需支付GPS数据运营商或公共CORS数据处理中心任何费用。由于RTG起重机通过自组网接收RTK北斗定位数据，不涉及GPS数据运营商、公共CORS数据处理中心和公共移动通信网络的故障问题和安全问题，生产安全性较高。

自组网通信装置有检测接收信号强度功能，无需计算两辆RTG起重机之间的距离，直接根据信号强度判断距离，节省了计算距离所需的时间和计算的开销；当检测到信号强度较大时就可直接制动，而无需主控中心发来指令，省略了指令传输的时间，避免互相冲撞，提高生产安全性。

附图说明

图1为起重机自动巡航系统的结构示意图。

图2为三基站方式下起重机自动巡航系统中各部分结构图。

图3为单基站方式下起重机自动巡航系统中各部分结构图。

图4是单基站方式下北斗定位基站和主控平台工作流程图。

图5是单基站方式下定位循迹装置工作流程图。

图6是数码网拓扑结构的示意图。

图7是自组网信息防碰撞机制的示意图。

图8是利用虚拟基站技术时起重机自动巡航系统的结构示意图。

图9是三基站方式下主控平台工作流程图。

图10是三基站方式下北斗定位基站工作流程图。

图11是三基站方式下定位循迹装置工作流程图。

图12是RTG起重机自动巡航及纠偏过程的流程图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

(自动巡航系统的构成及各装置的功能)

本发明基于自组网方式的RTK北斗定位系统的起重机自动巡航系统，如图1所示，包括至少一个北斗定位基站10、至少一个定位循迹装置20和至少两个自组网通信装置30。北斗定位基站10接收北斗卫星的定位信号以获得北斗定位基站10的基站定位数据，其中包括基站的载波相位观测值。定位循迹装置20与起重机内的控制设备连接，用于接收北斗卫星的定位信号以获得定位循迹装置20的RTG起重机定位数据。由于北斗导航及定位在诸如航空，海运，大地勘测等领域的运用越来越广。本发明使用北斗定位基站10和定位循迹装置20构成高精度定位系统，北斗定位基站10和定位循迹装置20均可接收北斗卫星的定位信号，获得相应的基站定位数据和RTG起重机定位数据。每个自组网通信装置30分别与一个北斗定位基站10或一个定位循迹装置20连接，自组网通信装置30之间组建自组网。自组网通信装置30可选用多种通信模块实现，例如美国XTend模块(远距离无线透明传输模块)等硬件装置。自组网的组建方式包括点对多点模式(Point-to-Multipoint)、点对点模式(Point-to-Point)和数码网(Digi-mesh)等多种方式实现，本发明中使用的是数码网(Digi-mesh)方式进行自组网。由于自组网的硬件装置和组网方式具有多样性，本发明包括但不限于上述硬件型号及组网方式。

在该Digi-mesh自组网方式当中，北斗定位基站10通过自组网通信装置30使用广播寻址通信模式发送基站定位数据和载波相位观测值；定位循迹装置20之间使用广播寻址或点对点通信模式传递数据，定位循迹装置20通过自组网通信装置30获得基站的基站定位数据，并结合RTG起重机定位数据进行RTK定位校准以获得RTG起重机RTK坐标，控制设备根据RTG起重机RTK坐标和巡航算法实现自动巡航。

在该自动巡航系统中，进一步设置有主控平台40，主控平台40与北斗定位基站10分别与一个自组网通信装置30连接。北斗定位基站10和主控平台40分别使用一个自组网通信装置30通过自组网与定位循迹装置20通信，主控平台40设置起重机的预设路径，可要求单个或多个RTG起重机回传其坐标和轨迹，根据各起重机回传的RTG起重机RTK坐标实时监控与记录起重机的位置与轨迹。

图2显示的是三基站方式下起重机自动巡航系统中各部分结构图。其中，该定位循迹装置20包括：北斗移动定位模块21、数据处理器22和供电模块24。北斗移动定位模块21用于接收北斗卫星的定位信号以获得定位循迹装置20的RTG起重机定位数据。数据处理器22采用单片机、数字信号处理器、FPGA等硬件模块，数据处理器22与北斗移动定位模块21以及控制设备连接，实现控制定位循迹装置20的运行、数据处理以及RTK定位校准。北斗移动定位模块21与数据处理器22之间为UART接口连接。数据处理器22还与自组网通信装置30连接，用于通过数码网(Digi-Mesh)的自组网方式和自组网内其他自组网通信模块30与其他定位循迹装置20交换数据，也可以与北斗定位基站10和主控平台40通信，自组网通信装置30与数据处理器22之间为UART接口连接。供电模块24通过电源转换来为定位循迹装置20供电。

为了实现定位循迹装置20的巡航控制功能，在定位循迹装置20中进一步设置方向角计算模块25，方向角计算模块25与数据处理器22之间为UART接口连接，用于获取起重机的方向角数据；方向角计算模块25与数据处理器22连接，将方向角数据以20Hz的频率传输给数据处理器22。自组网通信装置30接收来自主控平台40的起重机的预设路径，存储在存储单元23中，数据处理器22根据RTG起重机RTK坐标和方向角数据估算出起重机的速度矢量数据以预判起重机的运动趋势，并根据起重机的预设路径对起重机进行控制调整，发出相应的控制指令给控制设备。供电模块24还进一步设置电源保护电路，保证定位循迹装置20的供电安全、持续、稳定。

自组网通信装置30配置有通信修复功能，若自组网内的其他通信模块损坏或关闭时，自组网通信装置30通过重新调整路由来自动恢复自组网，无需人工干预和设置。无需路由器的配合就可以组成一个通信网络。

自组网通信装置30配置有检测接收信号强度功能，以及配置有根据检测到的信号强度控制所述起重机避免冲撞的功能。各自组网通信装置之间传输信息时，会在传输的信息中间加入RSSI信息，该信息表征了接收到的信号的强弱，也即是发送端自组网通信装置与接收端自组网通信装置之间的距离。数据处理器22根据接收到的RSSI数值计算出发送端和接收端的自组网通信装置30之间的距离，如果该距离小于1.5个RTG起重机的车身长度，则与该自组网通信装置30连接的定位循迹装置20进行紧急制动，并将制动状态回传至主控中心，主控中心接收后重新规划路径。

该自动巡航系统中自组网的通信频率是915–925MHz。该频段不会和港区的其他通信设备的通信频率冲突，避免了由于通信频率冲突造成的干扰。该自组网络中，自组网通信装置无线发射峰值功率大约为1W左右，无障碍传输距离可达30Km，无盲区通信覆盖范围较GSM等通信模式而言更广，避免因港区内阻挡物较多造成通信效率减弱。

(实施例1)

图3显示的是本发明一较佳实施例，一个北斗定位基站10和主控平台40共同与一个自组网通信装置30连接，两者同时使用这个自组网通信装置30与各定位循迹装置20之间交换数据。并且将其他自组网通信装置30集成安装在各定位循迹装置20的内部，使得定位循迹装置20的整体功能更完善，更便于安装。各定位循迹装置20中进一步设置存储单元23，用于存储预设路径，坐标，数据处理结果等数据。

(自组网的拓扑及通信模式)

在本发明具体实施方式中，定位循迹装置20之间，或定位循迹装置20与主控平台40之间的各自连接的自组网通信装置30以数码网(Digi-Mesh)通信模式进行数据交换。如图6所示，该图描述了以Digi-Mesh方式组网的网络拓扑，图中自组网通信装置30a，30b，30c，和30d等均代表自组网中的一个节点。在该模式下，整个网络采用Peer-Peer(对等)拓扑，整个网络中的每个自组网通信装置都是一个节点，其中各结点没有主从设备的关系，每个结点都可以是主设备或从设备，每个节点的信息都可以通过任意一个节点进行传输到达目的节点，信息的传输依靠路由表和路径发现算法。图中自组网通信装置30a作为初始节点，由此源节点开始信息的广播或者是发送，自组网通信装置30b作为目的节点在接收到源节点的信息以后回送ACK信号，这是一种可靠的数据传输方式。在上述数码网的组网方式下支持广播寻址或者多播寻址模式的通信，整个自组网络是自愈的，这些节点在传递信息时所使用的路由是仅在需要传输信息时才会建立。该自组网的路由表用于决定下一跳要经过的节点，从而使每个定位循迹装置20能将自身坐标信息传回到主控平台40，并且保存在主控平台40的数据库中，由主控平台40对定位循迹装置20进行监控；在新增节点或者减少节点以后，路由表会发生变化，根据路径发现算法选择新的路径，而不会导致整个网络崩溃。

和主控平台40相连的自组网通信装置30在组建自组网的初始阶段会先进行路径发现，初始节点向全网广播RREQ(路由请求)信息，该信息将在全网中转发，每一个节点收到该信息以后都会回送ACK信号。由此，各节点都可以确定出该节点前后相连的节点信息，并生成各自的路由表。同时，在主控平台40也会生成路由表，在新增节点或者减少节点时，路由表也会相应改变，但不影响整个自组网的拓扑，而且路由表的形成无需数据处理器22的控制和人工的干预。

主控平台40和各定位循迹装置20之间的自组网通信装置30的通信模式是广播寻址模式或者点对点模式，和主控平台40相连的自组网通信装置30大部分时间通过广播寻址模式广播北斗定位基站的基站载波相位观测值，通信频率为50Hz。当网络中需要进行路径发现时自组网通信装置30会通过广播寻址模式广播路由请求信息，通过点对点模式给不同的定位循迹装置20发送各自的预设路径，广播寻址模式和点对点模式之间的切换通过数据处理器22发送AT命令里面的DT命令来设置不同的目的地址实现。例如，在广播寻址模式下，各自组网通信装置30的源地址均由其模块出厂序列号自动生成，与主控平台40相连的自组网通信装置30作为基本节点，数据处理器22发送DT命令设置其目的地址为0xFFFF，自组网中的其它节点接收到由基本节点发送的信息以后，将信息中所包含的基本节点的目的地址0xFFFF与自己的地址掩码进行与运算，得到结果为当前节点的地址掩码，因此判断出该数据包为广播数据包，之后所有节点会送ACK信号给主控中心40；在点到点模式下，各自组网通信装置30的源地址均由其模块出厂序列号自动生成，与主控平台40相连的自组网通信装置30作为基本节点，在发送预设路径信息时，设置其目的地址为相应节点的自组网通信装置源地址，网络中其它节点接收到基本节点信息以后，将信息中所包含的基本节点的目的地址与自己的地址掩码进行与运算，若不等于当前节点的地址掩码，因此判断出该数据包为点到点数据包，之后判断上述计算结果和自身节点的源地址是否相等，如果相等则该收到路径信息的节点会送ACK信号给主控中心40，如果在一定时间内主控中心40没有接收到该节点的ACK信息，则会再次发送预设路径信息到该节点，如果不相等则该节点继续转发此数据包，转发过程中进一步设定该信息包的跳数，每经过一个节点则跳数减一，当减为0之后该信息包被转发停止，以保证信息不会在全网中无限制的来回传输。在网络中，如果有节点从网络中退出，剩余节点也会根据路由表选择其它的节点进行数据的转发；如果有新增节点，该节点将在收到由北斗定位基站10广播的基站载波相位观测值以后，回传ACK信号至主控平台40，这样就建立了新增节点和其它节点之间的路由信息，减少节点和新增节点都不会改变网络拓扑。

在节点进行转发过程中，自组网通信装置30引入一种信息防碰撞机制，如图7所示，图中各无线通信模块均是自组网中的节点，最初开始广播信息的自组网通信装置30成为基本节点(Base Node)，中间的各层节点称为转发节点(Repeater Node)，最终收到信息的节点称为终止节点(End Node)。图中，基本节点301开始信息的广播，广播至转发节点302，303，304后，转发节点302再将信息广播至转发节点305，306，转发节点303将信息广播至转发节点307，308，节点304将信息广播至转发节点309和终止节点310。在这种组网方式中，首先，各无线通信模块分别自动设置一个地址，该地址是由不同通信模块的出厂序列号生成，因此，在全网中，每个无线通信模块都有唯一一个地址(ID)；广播时，信息的发送和接收会配置到不同的信道中去，两个节点之间的通信要求发送节点的发送和接收节点的接收使用同一个信道，同一节点的发送和接收分别占用不同的信道的，避免同一节点接收到广播来的信息后又广播回发送节点。如图，基本节点301的发送信道和转发节点302，303，304的接收信道占用同一信道，转发节点302的发送信道和转发节点305，306的接收信道占用同一信道，如此，信息便可以广播至全网中；发送的信息中包含一个信息发送起始标志，各节点收到的信息中一旦检测到信息发送起始标志，就开始广播发送信息，信息将逐字节从节点接收缓冲区中发出，直至接收缓冲区为空；终止节点在接收到信息后，不会再广播信息。不同的节点配置为不同的节点模式，例如每一个自组网通信装置30可以配置为基本节点，转发节点和终止节点，可根据实际使用情况进行调整。

(自动巡航功能)

基于以上自组网的通信方式，如图4所示，主控平台40通过相连的自组网通信装置30以广播寻址方式发送RREQ信息，根据路径发现算法，网络中各节点确定出路由表，从而获得自组网的所有通信节点。北斗定位基站以50Hz的频率通过自组网通信装置30以广播寻址方式发送基站定位数据到网络中的各节点。主控平台40会在电子地图中绘制出各RTG起重机的预设路径，主控平台40可进一步发送各定位循迹装置20的预设路径，并不影响发送基站定位数据。

图5是单基站方式下定位循迹装置工作流程图。与定位循迹装置20相连的自组网通信装置30接收到北斗定位基站10的基站定位信数据以后发送给定位循迹装置20内的数据处理器22，数据处理器22实时解算出RTG起重机RTK坐标，主控平台40可根据需要给某一定位循迹装置20发送RTG起重机预设路径，相应的RTG起重机开始自动纠偏巡航，纠偏依据是RTG起重机RTK坐标和方向角计算模块回传的方向角数据。主控平台40也可根据需要对各定位循迹装置发出回传指令，要求回传定位循迹装置20的当前坐标或接收到的轨迹，在主控平台40的监控下，各定位循迹装置20仅在收到主控平台40回传指令时才会将自己的坐标或轨迹进行上报，其余时间不进行上报，这样就避免了网络中可能出现的多个节点同时上报自己的坐标而有可能造成的信息碰撞和网络的拥塞，定位循迹装置20的坐标通过自组网通信模块30回传到主控平台。如果数据处理器22接收到与之相连的自组网通信装置30发送来的预设路径，那么RTG起重机将会在数据处理器22的控制下进行自动巡航和路径纠偏。纠偏算法是一种巡航算法，详见图12。经实际使用结果表明，上述做法能够实现RTG起重机的定位和自动巡航功能。其中，数据处理器22为微处理器(Micro Controller Unit，MCU)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)，FPGA等具有数据处理功能的装置。

在主控平台40发出回传指令时，如图5所示，自组网通信装置30接收到该指令以后，就会通过把定位循迹装置20的坐标和所接收到的路径信息回传给主控平台40，这样可以检验各定位循迹装置20的自组网通信装置30所接收到的预设路径是否正确，也可以监测当前RTG起重机的RTK坐标，主控平台40可以建立起自己的数据库，将RTG起重机的RTK坐标信息保存在数据库中进行统一记录。各定位循迹装置中集成的自组网通信装置可根据路由表选择最佳路径进行坐标的回传。

主控指令格式：

指令

数据(预设路径等)

CRC校验位

回传数据格式：

路径信息

定位循迹装置坐标

紧急制动标志位

CRC校验位

(基于RTK数据与方向角的自动巡航具体实现)

本具体实施方式中，数据处理器22采用RTG起重机RTK坐标和方向角数据对RTG起重机进行精确巡航控制。本实施例优选地采用RTK差分接收系统提高测量精度，将一台北斗定位基站10架设在港区，根据北斗定位基站10已知的精密坐标，计算出该北斗定位基站10的载波相位观测值。北斗定位基站10将基站的载波相位观测值通过广播发送自组网内的定位循迹装置20.。定位循迹装置20在进行RTK北斗观测的时候，也会接收到北斗定位基站10发出来的载波相位观测值，并对其定位结果进行修正提高定位的精度。所以在上述的基本定位原理中，主控平台40在收到的三维数据中再增加一个维度，即差分项，提高了接收的精度。其中涉及到差分改正数，本发明中涉及的差分改正数是基站的载波相位观测值。

数据处理器22根据RTK精确坐标和方向角这两个数据做出判断，估算出RTG起重机当前的速度矢量数据，判断下一时刻RTG起重机的运动趋势，在主控平台40的监控下，各定位循迹装置20仅在收到主控平台40回传指令时才会将自己的坐标或轨迹进行上报，各定位循迹装置中集成的自组网通信装置可根据路由表选择最佳路径进行坐标的回传。在RTG起重机由于各种原因出现不合理运动偏差时，可以通过数据处理器22及时发出控制命令纠正其姿态或者速度，控制命令发送到RTG起重机的控制设备(常被称为PLC模块)，保证整个工作过程的安全性和可靠性，后续进一步实现自动化控制。

RTG起重机的坐标可根据主控平台40的指令回传，其运行轨迹可实时在主控平台端的电子地图中显示，便于监控和管理。主控平台40可以方便地建立起自己的数据库，可以将RTG起重机的信息保存在数据库中进行统一记录。

(实施例2，三基站与虚拟基站技术)

如图8所示，本实施例中包括三个北斗定位基站11，12和13。北斗定位基站11和自组网通信装置311连接，北斗定位基站12和自组网通信装置312连接，北斗定位基站13和自组网通信装置313连接。三个北斗定位基站分布在港区内，其发射的信号覆盖整个港区，使得北斗卫星定位信息能够广播覆盖全网。主控平台40与自组网通信装置314连接。

(自动巡航功能)

如图9所示，主控平台40通过相连的自组网通信装置30以广播寻址方式发送RREQ信息，根据路径发现算法，网络中各节点确定出路由表，从而获得自组网的所有通信节点。主控平台40会在电子地图中绘制出各RTG起重机的预设路径，主控平台40可进一步发送各定位循迹装置20的预设路径，并不影响发送基站定位数据。

本实施例中，定位循迹装置211，212内集成有自组网通信装置，定位循迹装置211，212能够在自组网内交换数据。主控平台40和各北斗定位基站不共用一个自组网通信装置。各北斗定位基站根据北斗卫星定位得到基站定位数据，并将上述信息通过相连的自组网通信装置以广播方式传输给定位循迹装置211，212。定位循迹装置根据RTG起重机RTK坐标和方向角计算模块回传的方向角数据进行RTG起重机循迹纠偏。参见图11，定位循迹装置211，212从北斗卫星得到RTG起重机定位数据，然后接收来自三个北斗定位基站的基站定位数据，用与之相连的数据处理器22以虚拟基站算法(Virtual Reference Station，VRS算法)进行实时解算，计算出一个距离定位循迹装置211，212本身很近的虚拟基站的载波相位观测值，定位循迹装置211，212用自己的RTG起重机定位数据和虚拟基站的载波相位观测值计算出一个高精度的北斗定位RTG起重机RTK坐标。

在以上多基站模式下，自组网仍然采用Digi-Mesh方式进行组网，在该方式下，由于网络中只能有一个基本节点，因此各北斗定位基站在广播各自的基站定位数据时采取分时广播方式，由数据处理器控制广播的时间。例如，如图10所示，北斗定位基站11作为基本节点完成广播以后，将该北斗定位基站11配置成转发节点，并每隔一定时间间隔就将下一个北斗定位基站设置为基本节点再进行广播，时间间隔可由港区覆盖的面积和实际使用情况所决定。以面积约为25平方公里的港区为例，广播的时间间隔设为0.2s，广播的设置同单基站中广播方式的设置。按照北斗卫星授时的时间校正本地时间，确定三个北斗定位基站广播基站定位数据的顺序。定位循迹装置211，212根据主控平台40发送的坐标回传指令上报自己的坐标，各定位循迹装置中集成的自组网通信装置可根据路由表选择最佳路径进行坐标的回传。关于本实施例中路由表的形成算法都与上一单基站的具体实施方式中算法基本相同，RTG起重机的纠偏过程基本相同。在主控平台40发出回传指令时，自组网通信装置30接收到该指令以后就会把定位循迹装置20的RTG起重机RTK坐标和所接收到的路径信息回传给主控平台40，与单个北斗定位基站方式具有相同的指令格式和回传数据格式。本实施例中的指令格式和回传数据格式分别如以下所示：

主控指令格式：

指令

数据(预设路径等)

CRC校验位

回传数据格式：

路径信息

定位循迹装置坐标

紧急制动标志位

CRC校验位

(基于RTK数据与方向角的自动巡航具体实现)

本具体实施方式中，数据处理器22采用RTG起重机RTK数据和方向角数据对RTG起重机进行精确巡航控制。本实施例优选地采用RTK差分接收系统提高测量精度，将三台北斗定位基站10架设在港区，根据北斗定位基站10已知的精密坐标，计算出该北斗定位基站10的载波相位观测值。北斗定位基站10将基站的载波相位观测值通过广播发送自组网内的定位循迹装置20。定位循迹装置20在进行RTK北斗观测的时候，接收来自三个北斗定位基站的基站定位数据，用与之相连的数据处理器22以虚拟基站算法(Virtual Reference Station，VRS算法)进行实时解算，计算出一个距离定位循迹装置211，212本身很近的虚拟基站的载波相位观测值，并对其定位结果进行修正提高定位的精度，最终得到RTG起重机RTK坐标。

数据处理器22根据RTK精确坐标和方向角这两个数据做出判断，估算出RTG起重机当前的速度矢量数据，判断下一时刻RTG起重机的运动趋势，在主控平台40的监控下，各定位循迹装置20仅在收到主控平台40回传指令时才会将自己的坐标或轨迹进行上报，其余时间不进行上报，回传路径由前文的路径发现算法确定。在RTG起重机由于各种原因出现不合理运动偏差时，可以通过数据处理器22及时发出控制命令纠正其姿态或者速度，控制命令发送到RTG起重机的控制设备(常被称为PLC模块)，保证整个工作过程的安全性和可靠性，后续进一步实现自动化控制。

RTG起重机的坐标可根据主控平台40的指令回传，其运行轨迹可实时在电子地图中显示，便于监控和管理。主控平台40可以方便地建立起自己的数据库，可以将RTG起重机的信息保存在数据库中进行统一记录。

(方向角计算模块)

在上述两个具体实施方式中，定位循迹装置20已能根据RTG起重机RTK坐标和预设路径完成RTG起重机的定位和自动巡航功能。本发明的较佳实施例中，在对RTG起重机进行自动巡航的过程中引入方向角数据，使其巡航精度得到提高，对起重机的运动控制更为精准。

本发明的定位循迹装置20内部设置有方向角计算模块25。方向角计算模块可采用惯性导航模块、电子罗盘模块、陀螺仪，加速度计等来计算RTG起重机的方向角。以下上述各种模块的功能进行详细说明，本发明的方向角计算模块25可采用上述模块中的任意一个或多个的任意组合。

以惯性导航模块为例，惯性导航模块至少包括计算机及含有加速度计、陀螺仪或其他运动传感器的平台(或模块)。开始时，由外界(操作人员及全球地定系统接收器等)给惯性导航系统提供初始位置及速度，此后惯性导航系统通过对运动传感器的信息进行整合计算，不断更新当前位置及速度。惯性导航模块的优势在于给定了初始条件后，不需要外部参照就可确定当前位置、方向角和姿态变化(绕三个轴的旋转角度)等参数。现代惯性导航系统使用各种信号(例如全球定位系统及磁罗盘等)对其进行修正，采取控制论原理对不同信号进行权级过滤，保证惯性导航系统的精度及可靠性。

以陀螺仪为例，陀螺在惯性参照系中用于测量系统的角速率。通过以惯性参照系中系统初始方位作为初始条件，对角速率进行积分，就可以时刻得到系统的当前方向。通过跟踪系统当前角速率及相对于运动系统测量到的当前线加速度，就可以确定参照系中系统当前线加速度。以起始速度作为初始条件，应用正确的运动学方程，对惯性加速度进行积分就可得到系统惯性速率，然后以起始位置座作初始条件再次积分就可得到惯性位置。

以电子罗盘为例，电子罗盘可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘。三维电子罗盘克服了平面电子罗盘在使用中的严格限制，在其内部加入了倾角传感器，如果电子罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿，这样即使罗盘发生倾斜，航向数据依然准确无误。为了克服温度漂移，罗盘内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。三维电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和微处理器MCU构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场，倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿；MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。向前的方向称为X方向的传感器检测地磁场在X方向的矢量值；向左或Y方向的传感器检测地磁场在Y方向的矢量值；向下或Z方向的传感器检测地磁场在Z方向的矢量值。每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上地磁场的分矢量调整到最佳点，并具有非常低的横轴灵敏度。传感器产生的模拟输出信号进行放大后送入MCU进行处理。磁场测量范围为±2Gauss。通过采用12位A/D转换器，磁力仪能够分辨出小于1mGauss的磁场变化量，通过该高分辨力可准确测量出200-300mGauss的X和Y方向的磁场强度。仅用地磁场在X和Y的两个分矢量值便可确定方位值：Azimuth＝arctan(Y/X)。该关系式是在检测仪器与地表面平行时才成立。当仪器发生倾斜时，方位值的准确性将要受到很大的影响，该误差的大小取决于仪器所处的位置和倾斜角的大小。为减少该误差的影响，采用双轴倾角传感器来测量俯仰和侧倾角，这个俯仰角被定义为由前向后方向的角度变化；而侧倾角则为由左到右方向的角度变化。电子罗盘将俯仰和侧倾角的数据经过转换计算，将磁力仪在三个轴向上的矢量在原来的位置“拉”回到水平的位置。

(自动巡航中的纠偏过程)

在笛卡尔平面直角坐标系中，点和直线的关系可以用一组线性关系式描述。据此，数据处理器22将RTG起重机视作点，预设路径看成折线，可拆分成线段，则可以判断出点在分段线段的上、下、左或是右，然后就可以进行调整，将RTG起重机调整逼近到预设路径上去。本发明的实际应用中，容易地将任意路径折线化，每一路径都可以视为一段或者是多段直线的组合，由于本发明中所有坐标系都是用高斯平面坐标系，所以RTG起重机在高斯平面坐标系中的位置与路径在高斯平面坐标系中的位置之间的关系可以用线性模型描述。在这样的线性模型下，RTG起重机的循迹纠偏指标包括，RTG起重机距离预设路径的垂直距离，RTG起重机的速度方向角和预设路径的方向角之间的差值，本发明设定了一种巡航算法，该算法中规定巡航的指标是，RTG起重机偏离路径最大垂直距离为5cm，RTG起重机方向角偏离路径方向角最大角度为±5°。

本发明中采用的预设路径是线性目标函数，线性约束条件是RTG起重机不能够偏离轨迹左右5cm的距离，在这样的条件下要让RTG起重机尽可能地逼近该路径，逼近的过程是对RTG起重机的速度进行控制的过程，当RTG起重机偏离路径垂直距离大于5cm时，调整RTG起重机的速度，使之逐渐减速并朝着靠近路径的方向旋转同时前进。当RTG起重机在路径所在的直线左右5cm的范围内的时候，判定RTG起重机已经在该路径上面，此时RTG起重机逐渐加速，沿预设路径行进，行进速度为15cm/s。当RTG起重机在路径所在的直线左右5cm的范围内的时候，认为RTG起重机已经在该路径上面，具体自动巡航及纠偏过程参照以下具体实施过程。

如图12所示，RTG起重机等待启动指令，直到接收到启动指令开始运动，由方向角计算模块25计算RTG起重机的预设路径的目标方向角，由数据处理器22命令控制设备使得RTG起重机进行旋转，令RTG起重机的方向角趋近于目标方向角的角度。如果RTG起重机的方向角和目标方向角之间的差别在规定范围5°以内，则对RTG起重机进行微调，使得RTG起重机逼近预设路径，否则继续较大地调整方向角直至完成起重机方向角和路径方向角之间差值小于5°为止。当完成角度调整之后，驱动RTG起重机沿该方向行进，直到RTG起重机沿该方向移动到距离折线线段的终点5cm处停止。以上判断是否纠偏的角度值5°，以及判断是否到达折线线段终点的距离5cm均为本具体实施方式中的具体数值，该数值均可根据实际使用情况进行调整。

当预设路径为多条折线组成时，如果两段路径之间有一定的夹角，RTG起重机将通过自身的旋转来实现姿态的调整，从而实现在折线上的循迹。若两段路径之间的夹角是钝角，RTG起重机以10rad/s的速度旋转，改变其方向角使其朝向下一段路径的方向角，开始沿下一段路径循迹。若两段路径之间的夹角是锐角，则RTG起重机以6rad/s的速度旋转，改变其方向角使其朝向下一段路径的方向角，开始沿下一段路径循迹，由于当两段路径之间的夹角是锐角时，容易造成由于RTG起重机旋转速度较大而产生过冲现象，因此特殊地规定在两段路径之间的夹角是锐角时，RTG起重机的旋转速度应低于夹角是钝角时的RTG旋转速度。同时，为了避免过冲现象，特殊地规定无论两段路径之间的夹角是钝角或锐角，当RTG起重机旋转到路径所在方向角±10°时就开始缓慢减速，减缓旋转的速度直至RTG起重机旋转到路径所在方向角±5°时，认为RTG起重机方向角与路径一致，然后开始在下一段路径上开始循迹。当RTG起重机沿下一段折线开始行进时，重复上述步骤对其方向角进行纠偏、行进和停止的控制，直到RTG起重机行进到终点位置，完成RTG起重机的自动巡航功能。以上旋转速度的数值可按实际情况调整，本发明不仅仅保护以上具体数值。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (10)

1.一种基于自组网方式的RTK北斗定位系统的起重机自动巡航系统，其特征在于，包括：

至少一个北斗定位基站(10)，其接收北斗卫星的定位信号以获得所述北斗定位基站(10)的基站定位数据，包括基站的载波相位观测值；

至少一个定位循迹装置(20)，其与起重机内的控制设备连接，用于接收北斗卫星的定位信号以获得所述定位循迹装置(20)的RTG起重机定位数据；及

至少两个自组网通信装置(30)，其分别与所述北斗定位基站(10)和所述定位循迹装置(20)通信，所述自组网通信装置(30)之间组建自组网；

在所述自组网当中，所述北斗定位基站(10)通过所述自组网通信装置(30)发送所述基站定位数据，其中包括基站载波相位观测值；所述定位循迹装置(20)之间传递数据，所述定位循迹装置(20)通过所述自组网通信装置(30)获得所述基站的载波相位观测值，并结合所述RTG起重机定位数据进行RTK定位校准以获得RTG起重机RTK坐标，所述控制设备根据所述RTG起重机RTK坐标与巡航算法实现自动巡航。

2.如权利要求1所述的起重机自动巡航系统，其特征在于，所述定位循迹装置(20)包括：

北斗移动定位模块(21)，其接收北斗卫星的定位信号以获得所述定位循迹装置(20)的RTG起重机定位数据；

数据处理器(22)，其与所述北斗移动定位模块(21)以及所述控制设备连接，实现控制所述定位循迹装置(20)的运行、数据处理以及RTK定位校准；

存储单元(23)，其与所述数据处理器(22)连接，用于存储接收到的预设路径信息，载波相位信息和实时解算出的RTG起重机RTK坐标信息；及

供电模块(24)，其通过电源转换来提供所述定位循迹装置(20)的工作电流。

3.如权利要求2所述的起重机自动巡航系统，其特征在于，所述定位循迹装置(20)中进一步设置方向角计算模块(25)，用于获取所述起重机的方向角数据；所述方向角计算模块(25)与所述数据处理器(22)连接，将方向角数据传输给所述数据处理器(22)。

4.如权利要求3所述的起重机自动巡航系统，其特征在于，所述数据处理器(22)根据所述RTG起重机RTK坐标和所述方向角数据计算出所述起重机的速度矢量数据以预判所述起重机的运动趋势，并根据所述起重机的预设路径对所述起重机进行控制调整一一纠偏，生成控制指令发送给所述控制设备。

5.如权利要求2所述的起重机自动巡航系统，其特征在于，所述供电模块(24)进一步设置电源保护电路。

6.如权利要求1所述的起重机自动巡航系统，其特征在于，所述自组网通信装置(30)配置有通信修复功能；当自组网内的其他通信模块损坏或关闭时，所述自组网通信装置(30)通过重新调整路由来自动恢复自组网。

7.如权利要求1所述的起重机自动巡航系统，其特征在于，所述自组网通信装置(30)配置有检测接收信号强度功能，以及配置有根据检测到的信号强度控制所述起重机避免相互冲撞的功能。

8.如权利要求3所述的起重机自动巡航系统，其特征在于，进一步设置有主控平台(40)，所述主控平台(40)与一个自组网通信装置(30)连接并接入所述自组网，实现与所述北斗定位基站(10)和/或所述定位循迹装置(20)连接；所述主控平台(40)配置有起重机的预设路径，可以根据需求，要求各起重机回传RTG起重机RTK坐标，实时监控与记录所述起重机的位置。

9.一种起重机自动巡航方法，利用如权利要求8所述的起重机自动巡航系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：所述北斗定位基站(10)和所述定位循迹装置(20)之间通过所述自组网通信装置(30)组建自组网，所述北斗定位基站(10)发送所述基站定位数据，其中包括基站载波相位观测值；

步骤二：所述定位循迹装置(20)获得所述基站的基站定位数据，并结合所述RTG起重机定位数据进行RTK定位校准以获得RTG起重机RTK坐标；

步骤三：所述主控平台(40)通过所述自组网通信装置(30)发送所述RTG起重机的预设路径；

步骤四：所述定位循迹装置(20)将所述RTG起重机RTK坐标传输至所述数据处理器(22)，所述方向角计算模块(25)将起重机当前的方向角数据传输至所述数据处理器(22)；

步骤五：所述数据处理器(22)根据所述RTG起重机RTK坐标和所述方向角数据计算出所述起重机的速度矢量数据以预判所述起重机的运动趋势，并根据所述起重机的预设路径对所述起重机进行纠偏；

步骤六：与所述定位循迹装置相连的控制设备根据定位循迹装置发出的控制指令控制对所述起重机进行自动巡航。

10.如权利要求9所述的起重机自动巡航方法，其特征在于，所述步骤五中，当所述起重机的方向角数据相对于所述预设路径方向角的偏移量大于5°时，对所述起重机进行纠偏。