CN109307874A - 一种rtg大车定位测姿系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种RTG大车定位测姿系统，包括基准站子系统和移动站子系统，其中：所述基准站子系统包括GNSS接收机、差分信息生成模块和通信播发模块；所述移动站子系统包括定位模块、惯性测量模块和定位测姿模块，所述定位模块包括两台GNSS接收机，每台GNSS接收机分别连接两个三系统全向天线，所述定位测姿模块利用四个三系统全向天线的位置信息和RTG的角速度、加速度信息进行融合计算，得到RTG的准确位置和姿态信息。与现有技术相比，本发明的积极效果是：即使有个别天线短暂失效(如被遮挡)也不会影响RTG的定位测姿效果，大大增加了系统的冗余度，从而保障了RTG大车高精度定位测姿的连续性。

Description

一种RTG大车定位测姿系统
技术领域
本发明涉及一种基于GNSS(卫星导航系统)和INS(惯性导航系统)的远程操控RTG大车的高精度定位测姿。
背景技术
轮胎式集装箱门式起重机(RTG)是集装箱码头作业的重要机械，其效率、安全、作业正确性对码头作业有着重要影响。随着集装箱码头自动化的发展，越来越多的集装箱码头公司关注或引进RTG远程操控系统。RTG远程操控系统利用了多传感器定位技术、通讯技术、自动控制技术等，实时获取堆场集装箱堆码信息以及RTG大车、小车和吊具的位置与运动状态，进行远程监控显示并实现由一个操作员根据远程控制操作多台RTG进行作业，最终实现远程自动化的安全生产。
RTG大车高精度定位测姿是RTG远程操控系统的重要环节，同时也是难点之一。目前市场上多选用大车定位传感器获得大车的定位或测姿，如编码器、磁钉、格雷母线、GNSS卫星定位等。依靠单一传感器定位测姿，容易发生信号丢失或失效，无法保证连续性的高精度数据，导致系统故障。为了保证定位、测姿的连续性和可靠性，采用两种或多种定位传感器进行融合定位成为了发展趋势。
目前，GNSS定位测姿技术是常用且有效的大车定位、测姿手段，其基本实现方法是采用载波相位差分GNSS技术，应用1或2个GNSS天线，实现RTG大车高精度定位测姿。但存在以下显著缺点：GNSS短暂失效(天线被遮挡)导致定位测姿短暂故障；GNSS野值时会造成系统误判，严重时可能会导致事故。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种RTG大车定位测姿系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种RTG大车定位测姿系统，包括基准站子系统和移动站子系统，其中：
所述基准站子系统包括GNSS接收机、差分信息生成模块和通信播发模块，所述GNSS接收机利用GNSS天线实时接收GNSS导航信息，并发送给差分信息生成模块，所述差分信息生成模块利用GNSS导航信息生成差分修改信息并发送给通信播发模块，所述通信播发模块负责将生成的差分修改信息进行播发；
所述移动站子系统包括定位模块、惯性测量模块和定位测姿模块，所述定位模块包括两台GNSS接收机，每台GNSS接收机分别连接两个三系统全向天线，所述定位模块利用四个三系统全向天线接收到的基准站子系统播发的差分修改信息计算出四个三系统全向天线的位置信息并发送给定位测姿模块；所述惯性测量模块用于测量RTG的角速度和加速度信息，并传送给定位测姿模块；所述定位测姿模块利用四个三系统全向天线的位置信息和RTG的角速度、加速度信息进行融合计算，得到RTG的准确位置和姿态信息。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明采用两台GNSS接收机和惯性导航技术相结合，每台GNSS接收机连接两个三系统全向天线，每台GNSS接收机既能独立工作，又能联合推算进行定位测姿，这样即使有个别天线短暂失效(如被遮挡)也不会影响RTG的定位测姿效果，大大增加了系统的冗余度，从而保障了RTG大车高精度定位测姿的连续性。本发明的优点具体表现如下：
1、基于四天线分布策略，最大程度降低遮挡对RTG定位测姿的影响。
2、自适应估计任意两个天线之间的基线的多天线之间的夹角问题，在任意两个天线有效时，能够完成其他天线基线以及位置的映射(原理是：四个天线之间的位置关系是固定的，近似是刚性体上，只要知道其中两个，即可推算出另外两个)。
3、基于信息冗余和融合技术，能够在卫星信号阻塞环境下维持定位测姿的精度和稳定性，增强了定位测姿的有效性。
4、利用INS短时间稳定性高的特点，能够对差分GNSS定位信息进行有效性判定，从而降低GNSS野值对RTG运行的影响(原理是：INS短时间稳定，所以在相邻测点或相邻很近的测点INS测量的误差是准的，如果这时GNSS定位的信息误差很大，就以INS测量为准)。
5、能够自适应估计场地的沉降和坡度信息，增强RTG对不同场地环境的适应性。
本发明有效地解决了RTG大车高精度定位测姿的问题，提高了RTG大车定位测姿有效性和连续性，可扩展应用于RTG大车定位、大车位置监控、大车自动纠偏、大车自动停车、RTG形变监测、场地平整性检测、大车自动驾驶等子系统。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为基准站逻辑图；
图2为移动站逻辑图。
具体实施方式
一种RTG大车定位测姿系统，如图1和图2所示，包括基准站子系统和移动站子系统，其中：
基准站子系统包括GNSS接收机、差分信息生成模块和通信播发模块，其中：所述GNSS接收机为一块高精度三系统GNSS接收机，利用GNSS天线实时接收GNSS导航信息，并发送给差分信息生成模块，所述差分信息生成模块利用GNSS导航信息生成差分修改信息并发送给通信播发模块，所述通信播发模块利用码头网络或电台链路，负责将生成的差分修改信息进行播发。
移动站子系统包括通信接收模块、精密定位模块、惯性测量模块以及定位测姿模块。其中：通信接收模块负责接收基准站子系统播发的差分修改信息，供接收机精密定位；精密定位模块包含两块三系统GNSS接收机，每个GNSS接收机连接两个三系统全向天线，这两个天线定义其中一个为主天线另一个为从天线，则测量位置姿态就是以主天线位置为定位值，以从天线与主天线的相对姿态关系为测姿输出值；4个天线分别安装于RTG的四个角落的顶点上，通过接收到的差分修改信息进行载波相位差分，以对RTG四个点位进行精确定位；惯性测量模块靠近GNSS主天线安装，并且实现测量得到距主天线相位中心的相对位置，由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成，用于测量RTG的角速度和加速度信息；定位测姿模块接收精密定位模块的精确定位信息以及惯性测量模块的惯性信息，并将两种信息进行融合，最终得到RTG的准确位置和姿态信息。
定位测姿模块实时接收惯性测量模块测量到的RTG的角速度信息和加速度信息，并通过惯性导航算法计算得到位置、速度、姿态信息，作为卡尔曼滤波器的状态量；同时，定位测姿模块接收来自精密定位模块的四个GNSS接收机天线的位置信息，并根据四个GNSS天线定位情况计算出RTG准确的航向、位置、速度信息，作为卡尔曼滤波器的观测量；将以上两种信息输入卡尔曼滤波器进行信息融合，得出RTG当前的最优位置、速度、姿态解，并估计出惯性测量器件的器件误差，从而加以修正。
在RTG运行于水平地面的理想状态下，GNSS天线位置在地面的竖直投影点位于RTG轮胎行进的轨迹上，因此GNSS天线位置能够反应RTG轮胎的位置，这为RTG自动行走提供理论支持。但是由于RTG可能存在转场作业，同时，场地随着时间可能存在沉降的可能，导致GNSS天线位置在地面上的竖直投影偏离RTG轮胎行进路线，引起RTG实际位置测量误差。针对此问题，该高精度定位测姿方法采用了位置投影点误差实时估计算法，该算法动态估算RTG大车的侧向倾斜角，结合GNSS天线距地面的高度信息，能够实时计算出由于RTG大车倾斜引起的GNSS天线位置到地面的位置投影误差，并进行实时误差补偿。该方法能够克服不同作业场地倾斜度和沉降会引起不同的大车位置地面投影误差，进一步提升了RTG对作业环境的适应能力。
RTG大车运行过程中，受到遮挡、多径等影响，载波相位差分GNSS存在周跳的可能，从而导致定位信息产生野值，进而对RTG的位置、姿态正常测量产生影响。此时的测量信息作为RTG大车自动行走的参考值，会产生难以估计的后果。针对此问题，本发明采用了GNSS野值实时监测的算法，即利用INS短时间稳定性高的特点，对差分GNSS定位信息进行有效性判定，找出GNSS的定位野值点并加以剔除，从而降低GNSS对RTG运行的影响。
由于RTG实际作业时，会受到周围遮挡等影响，可能导致四GNSS天线中一个或者多个发生失锁(失锁是GNSS定位中的术语，指定位失效，本质是收到的卫星信号无法稳定检测锁定)，从而影响位置、航向的正常获取，进一步影响定位测姿。针对该情况，设计了GNSS与INS组合滤波自适应切换功能，能够根据当前GNSS天线的定位状态，确定当前的GNSS位置、姿态可用性，并自适应的进行GNSS与INS组合滤波，在保证定位、测姿连续性的同时，进一步提高了定位、测姿的精度。
本发明还提供了一种RTG大车定位测姿方法，包括如下内容：
一、坐标系设定：
1、载体坐标系(BFS)
2、当地水平坐标系(LLS)
3、地心地固坐标系(ECEF)
二、坐标转换
1、WGS-84坐标转到LLS坐标
目的：因为实际解算出来的天线坐标是WGS-84坐标，需要将天线坐标转换为LLS坐标；
转换公式：
对于空间任意一点M，其WGS-84坐标与当地水平坐标之间的关系，写成矩阵形式：
式中：λ，分别为H点(LLS坐标系原点、即主天线的相位中心)的大地经度和大地纬度；和分别为H点和M点在WGS-84坐标系中的坐标。
2、LLS坐标转到BFS坐标
目的：因为LLS与BFS的坐标原点一致，所以二者之间的转换实际上就是三个欧拉角(Ψ，θ，)---(偏航角，俯仰角，横滚角)；又知LLS与BFS之间的转换关系，所以由此关系可以求解三个姿态角。
LLS坐标与BFS坐标之间的转换关系：
式中：XB表示BFS坐标系下的基线向量；XL表示LLS坐标系下的基线向量。Rx(θ)，Rz(ψ)分别表示绕Y轴，X轴，Z轴的旋转矩阵；其中XB是已知量，XL可以实时解算得出。
令则
XB＝R XL (2-3)
其中：
三、最小二乘法计算姿态角
由上面公式(2-3)：XB＝R XL可知，每一个独立的基线可以构成一个方程，N条独立基线可构成N个方程。则XB为3×N矩阵。根据最小二乘原理，则：
记矩阵R中的元素为Rij，则姿态角可由下式估计：
在每个历元都可以解算出N条基线，通过这些已知值，可以求解Rij，进而利用公式(2-4)求解姿态角。
初始确定：天线1、2、3、4在RTG坐标系下的坐标(xi，yi，zi)BFS，基线13，基线12，基线14在RTG坐标系下都是已知值，且在天线安装固定以后为恒量。
姿态解算方法：利用GPS载波相位测量，解算出基线13，基线12，基线14在WGS-84坐标系下的值，通过公式(2-1)转换得到基线13，基线12，基线14在LLS坐标系下的值。
待求解：姿态角(Ψ，θ，)---(偏航角，俯仰角，横滚角)
求解方法：公式(2-4)
四、天线位置和航向映射
当四个天线都有效定位时，实时估计任意两个天线之间的基线，以及基线之间的夹角，其中基线计算方法为公式3-1。
其中，为载体坐标系下i天线到j(i,j＝1,2,3,4，下同)天线基线的长度，R为当地水平坐标系到载体坐标系的转换矩阵，ΔPe,ΔPn,ΔPu分别为ij基线在当地水平坐标系的分量。
基线之间的夹角计算方法为公式3-2。
其中，表示基线ji在当地水平坐标系的水平分量(ΔPe,ΔPn)，表示的长度，Aijk表示基线和之间的夹角。
如果已知基线ji的航向，由于基线之间的夹角已经实时估计得出，则容易计算出任意其他基线的航向。
如果已知机天线的位置Pi，则Pj的位置可根据公式3-3求取。
五、场地沉降、倾斜度校正
如果已知天线相位中心距地面高度为L和当前RTG大车的姿态，则可计算得出当地水平坐标系到载体坐标系的转换矩阵R，则由于场地沉降、倾斜引起的位置校正量如公式3-4。
ΔP＝RTL (3-4)
六、GNSS与INS组合模式切换
1、当四个天线都有效定位时(即四个天线都有有效的信号输出)，将任意两个天线组成一对，实时估计其基线长度，并估计任意两个基线之间的夹角；此时，将主天线的位置信息作为位置观测信息，将主天线与行进方向同侧的天线之间的基线航向作为航向观测信息。
2、当有两个或三个天线有效定位时，根据固定的选择算法，选取其中的两个天线，计算其航向值；利用预先估计的基线长度信息、基线之间的夹角信息，结合当前惯性导航输出的姿态信息，能够将任意基线和位置映射到1中所述的位置和基线上，进而求得等效的位置和航向观测信息。
3、当有且只有一个天线有效定位时，此时无法提供航向观测信息，只能根据2中所述方法计算出等效的位置观测信息。
4、当四个天线都不定位，则将载体运动约束作为卡尔曼滤波方程的观测量。此时，卡尔曼滤波器仍能够在一段时间内估计出一定精度的位置和航向信息(10s内位置误差0.1m，航向误差0.3°)。当四个天线都不定位时间超出10s后，系统报警，并提醒切换为手动纠偏模式。

Claims (10)

1.一种RTG大车定位测姿系统，其特征在于：包括基准站子系统和移动站子系统，其中：
所述基准站子系统包括GNSS接收机、差分信息生成模块和通信播发模块，所述GNSS接收机利用GNSS天线实时接收GNSS导航信息，并发送给差分信息生成模块，所述差分信息生成模块利用GNSS导航信息生成差分修改信息并发送给通信播发模块，所述通信播发模块负责将生成的差分修改信息进行播发；
所述移动站子系统包括定位模块、惯性测量模块和定位测姿模块，所述定位模块包括两台GNSS接收机，每台GNSS接收机分别连接两个三系统全向天线，所述定位模块利用四个三系统全向天线接收到的基准站子系统播发的差分修改信息计算出四个三系统全向天线的位置信息并发送给定位测姿模块；所述惯性测量模块用于测量RTG的角速度和加速度信息，并传送给定位测姿模块；所述定位测姿模块利用四个三系统全向天线的位置信息和RTG的角速度、加速度信息进行融合计算，得到RTG的准确位置和姿态信息。
2.根据权利要求1所述的一种RTG大车定位测姿系统，其特征在于：所述四个三系统全向天线分别安装于RTG的四个角落的顶点上，每台GNSS接收机的两个三系统全向天线均分为主天线和从天线。
3.根据权利要求2所述的一种RTG大车定位测姿系统，其特征在于：所述惯性测量模块由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成，靠近主天线安装。
4.根据权利要求1所述的一种RTG大车定位测姿系统，其特征在于：所述基准站子系统的GNSS接收机为三系统GNSS接收机。
5.根据权利要求1所述的一种RTG大车定位测姿系统，其特征在于：所述定位测姿模块实时接收惯性测量模块测量到的RTG的角速度信息和加速度信息，并通过惯性导航算法计算得到RTG的位置、速度、姿态信息，作为卡尔曼滤波器的状态量；所述定位测姿模块接收来自定位模块的四个三系统全向天线的位置信息，并计算出RTG准确的航向、位置、速度信息，作为卡尔曼滤波器的观测量；将以上两种信息输入卡尔曼滤波器进行信息融合，计算得到RTG当前的最优位置、速度、姿态解，并估计出惯性测量模块的器件误差，从而加以修正。
6.根据权利要求5所述的一种RTG大车定位测姿系统，其特征在于：采用如下方法计算RTG的姿态：设天线1、2、3、4在RTG坐标系下的坐标(xi，yi，zi)BFS，基线13，基线12，基线14在RTG坐标系下均为已知值，且在天线安装固定以后为恒量；
(1)首先利用GPS载波相位测量，解算出基线13，基线12，基线14在WGS-84坐标系下的值；
(2)然后利用如下公式转换得到基线13，基线12，基线14在LLS坐标系下的值：
式中：λ，分别为H点的大地经度和大地纬度；和分别为H点和M点在WGS-84坐标系中的坐标；
(3)利用如下公式求解姿态角：
7.根据权利要求6所述的一种RTG大车定位测姿系统，其特征在于：采用如下方法计算RTG的航向：
(1)采用如下公式计算任意两个天线之间的基线：
其中，为载体坐标系下i天线到j天线基线的长度，R为当地水平坐标系到载体坐标系的转换矩阵，ΔPe,ΔPn,ΔPu分别为ij基线在当地水平坐标系的分量；
(2)采用如下公式计算基线之间的夹角：
其中，表示基线ji在当地水平坐标系的水平分量(ΔPe,ΔPn)，表示的长度，Aijk表示基线和之间的夹角；
(3)利用已知基线ji的航向，和实时估计得出的基线之间的夹角，计算出任意其他基线的航向；
(4)利用已知天线的位置Pi，按如下公式计算天线Pj的位置：
8.根据权利要求7所述的一种RTG大车定位测姿系统，其特征在于：按如下公式计算由于场地沉降、倾斜引起的位置校正量：ΔP＝RTL，其中：L为天线相位中心距地面的高度，R为当地水平坐标系到载体坐标系的转换矩阵。
9.根据权利要求7所述的一种RTG大车定位测姿系统，其特征在于：GNSS与INS的组合模式切换方法为：
(1)当四个天线都有效定位时，将任意两个天线组成一对，实时估计其基线长度，并估计任意两个基线之间的夹角；将主天线的位置信息作为位置观测信息，将主天线与行进方向同侧的天线之间的基线航向作为航向观测信息；
(2)当有两个或三个天线有效定位时，选取其中的两个天线，计算其航向值；利用预先估计的基线长度信息、基线之间的夹角信息，结合当前惯性导航输出的姿态信息，将任意基线和位置映射到(1)中所述的位置和基线上，求得等效的位置和航向观测信息；
(3)当仅有一个天线有效定位时，根据(2)中所述方法计算出等效的位置观测信息；
(4)当四个天线都不定位，将载体运动约束作为卡尔曼滤波方程的观测量。
10.根据权利要求9所述的一种RTG大车定位测姿系统，其特征在于：当四个天线都不定位时间超出10s后，系统报警，提醒切换为手动纠偏模式。
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