CN1570796A - 基于差分gps技术轮胎吊自动驾驶及箱位管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于差分GPS技术轮胎吊自动驾驶及箱位管理系统，包括差分GPS基站和安装在轮胎吊大车上的差分GPS移动站，通过移动站的GPS天线和无线电台接收GPS信号和差分数据，得到实时的大车位置的经纬度数据，并将数据发送给控制器，控制器对大车编码器和整个轮胎吊的状态进行检测和记录，控制大车的运行。与现有技术相比，本发明实现了大车高性能、全天候的自动驾驶，定位准确可靠，提高了货物吞吐量，广泛适用于各集装箱码头中，具有极大的经济价值和市场前景。

Description

基于差分GPS技术轮胎吊自动驾驶及箱位管理系统

一、技术领域

本发明属于集装箱码头自动化控制领域，涉及一种计算机工业检测和控制系统，具体地说是一种用于控制轮胎式龙门集装箱起重机(简称轮胎吊RTG)的自动驾驶和箱位管理系统。

二、背景技术

目前GPS定位技术已应用在集装箱码头，采用的主要技术是差分GPS技术和轮胎吊大车编码器检测，用来确定轮胎吊大车的位置，辅助进行箱位管理。

“实时载波相位差分GPS技术(RTK)”是GPS定位技术中的一种，它以一个固定的GPS基站作为差分基准，在一定的范围内(方圆20KM以内)，安装在移动物体上的移动站可以通过无线数据电台和基站进行信号差分，以取得较高的相对定位精度，其RTK FIX状态的定位精度可以达到1～2cm，高精度GPS数据的有效率在90％以上，各个地域由于自然和地理条件的影响而有所不同。

“轮胎吊大车编码器检测”主要是对表征大车驱动电机马达的运转情况的编码器进行计数，以获得实时的大车驱动电机转动情况从而计算出大车轮胎的行进变化；在一定时间内来推算大车的行进情况，确定大车的大致位置。由于编码器推导有累积误差，所以其精度会越来越差。

现有的系统通过安装在轮胎吊大车上的两个GPS天线和无线电台接收GPS信号和差分数据，安装在电气房的GPS接收器经过解算获得实时的大车位置的经纬度数据；接收器将这些数据发送给控制器；控制器对GPS数据进行转换和推算，计算出当前大车在码头坐标系统中的位置，根据这个位置可以确定轮胎吊大车所在位置的具体箱位，并通过另外一个无线电台和码头箱位总控进行通信，实现集装箱箱位管理。在GPS数据无效的情况下，通过检测大车编码器的变化推导大车的实时位置，代替GPS数据进行箱位管理，但不能实现自动纠偏、自动驾驶。在GPS数据稳定有效的情况下，现有系统能根据当前大车的位置计算出大车和实际轨道的偏差，将这个偏差送给大车电控PLC，PLC能够根据这个偏差调整大车的运行，实现自动纠偏功能。

现有基于差分GPS技术轮胎吊自动驾驶及箱位管理系统存在的主要问题在于：

1、只能实现箱位管理和简单的大车自动驾驶。目前系统的自动驾驶的稳定性较差，自动驾驶没有达到真正实用的要求，主要依赖GPS定位数据，没有实现高稳定性、全天候的自动驾驶，而码头需要的是全天候高稳定性的自动驾驶，这样可以很大的减轻驾驶员的操作负担，提高工作效率，并提高轮胎吊工作的安全性能。

2、系统的稳定性不高。由于GPS的Fix有效性只有90％上下，单纯依靠GPS进行定位不能保证全天候有效；另外GPS数据经常产品短周期的跳动，目前的系统一旦碰到跳动就会停车，自动驾驶的有效性较差。

3、不能适应轮胎吊大车自身状态的变化。如轮胎气压，换不同型号的轮胎，小车位置对轮胎造成的影响等等。

4、对轮胎吊的安全控制较差。由于系统稳定性不高，不能实现全天候的安全控制(大车行使时的偏差控制)。

三发明目的

本发明的目的在于实现高性能、全天候的轮胎吊大车自动驾驶，同时提高箱位管理的功能和稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于差分GPS技术轮胎吊自动驾驶及箱位管理系统，包括差分GPS基站和安装在轮胎吊大车上的差分GPS移动站；所述差分GPS基站由基站GPS天线、基站电台天线、基站GPS接收器、基站电台和基站线性电源组成，基站GPS接收器一端与基站GPS天线连接，另一端与基站电台相连接，基站电台的另一端与用来发射差分数据的基站电台天线连接，基站GPS接收器和基站电台均与基站线性电源连接；差分GPS移动站由移动站GPS天线、移动站电台天线、移动站GPS接收器、移动站控制器、移动站电台和移动站线性电源组成，移动站GPS天线和移动站电台天线分别与移动站GPS接收器和移动站电台连接，移动站GPS接收器一端与移动站控制器相互连接，另一端与移动站电台连接，移动站GPS接收器、移动站控制器和移动站电台均与移动站线性电源连接；其特征是：所述移动站控制器包括中央处理系统和编码器检测系统，用来对轮胎吊大车驱动电机编码器进行计数，并获得大车驱动电机转动情况和大车轮胎变化情况的编码器检测系统包括编码器双向计数模块、工业标准结构(ISA)总线通信控制模块、开关信号生成和控制模块、信号隔离模块；编码器双向计数模块和开关信号生成和控制模块的两端分别与工业标准结构总线通信控制模块和信号隔离模块相连接，工业标准结构总线通信控制模块与中央处理系统连接。

本发明中，编码器双向计数模块包括清空接口、编码器A相输入接口、编码器B相输入接口、置零接口、计数值输出接口，清空接口、置零接口和计数值输出接口与工业标准结构总线通信控制模块连接；编码器A相输入接口和编码器B相输入接口与信号隔离模块连接，其中，计数值输出接口用来计量主电机转动数据，可分为两个输出端，并通过数据总线与工业标准结构总线通信控制模块连接；编码器产生的方波信号通过编码器A相输入接口和编码器B相输入接口与信号隔离模块连接。

在本发明中，移动站控制器设有根据大车的自身特性和大车历史运动轨迹以及驱动电机的动力作用推导出的大车下一时间段的运动趋势模型。

本发明中，移动站控制器根据大车的实时位置数据计算出前后电机应有的转速，通过变频器直接对大车电机转速进行控制。在本发明前大车的电控方式为：GPS控制器计算出大车左右偏移量，将这个偏移量送给PLC，由PLC根据大车的状态和命令计算出应该采用的前后转速送给电机进行控制。它采用的是GPS定位部分和PLC纠偏控制部分分离的控制方式，GPS控制模块无法实时利用大车电机的反馈数据；由于PLC的局限性，很难实现对大车运行轨迹和行进历史数据的运用，无法实现大车运动建模，也无法实现自动学习功能，所以系统的整体运行效率不高。本发明采用直接控制电机转速的方式，GPS控制器从PLC读取大车状态、行走命令，根据实时大车的位置数据计算出前后电机应有的转速，通过PLC送给变频器进行控制。可以记录大车的运动轨迹，进行运动建模、编码器推导等；而且还实现了部分的自动学习功能。整个系统实现了比老系统通过PLC控制要快速稳定，并且能实现反馈式的自动控制，极大的提高了稳定性。解决了老系统的缺陷和问题，实现了完全实用的自动驾驶和高效的安全控制。

本发明在差分GPS基站中设有对基站的运行状态进行实时控制的基站控制器，该基站控制器与基站GPS接收器和基站线性电源连接。基站控制器中保存基站的配置，在基站配置受损坏的时候自动恢复配置，减少基站不能工作的时间。基站控制器还能实时检测基站的运行状况，并将运行状态通过、指示灯警报等方式送给码头管理中心，以备管理人员监控。

本发明可以在差分GPS移动站中设有两个移动站GPS接收器，分别安装在轮胎吊的两侧，也可以采用一个GPS接收器，安装在轮胎吊的小车中央。两个GPS接收器的系统比一个GPS的系统在稳定性和自动驾驶的效率上有一定的提高，但是成本较高。本发明可使用一个基站配合多个移动站工作。

与现有技术相比，本发明通过安装在轮胎吊大车上的GPS天线接收GPS信号，同时通过无线电台接收基站电台发出的差分数据，安装在电气房的GPS接收器经过解算获得实时的大车位置的经纬度数据，GPS接收器的数据更新率在1Hz以上；接收器将这些数据发送给控制器，控制器同时对大车编码器和整个轮胎吊的各有用状态进行检测和记录；控制器综合各种数据进行转换和推算，计算出当前大车在码头坐标系统中的位置以及大车的行进趋势；然后和预定的数字轨道进行比较，计算出大车当前的行使状态(和实际轨道的偏移以及行使方向)，根据这个行使状态和大车行进趋势来计算出下段时间大车前后电机应有的转速，控制大车下面的行进，进行实时纠偏，使得整个轮胎吊大车始终在沿着数字轨道行使，总体偏差在正负50mm以内。大车定位准确可靠，箱位管理也就更准确可靠。

本发明在原有差分GPS定位技术基础上，增强了轮胎吊大车编码器检测和推算，并新加大车运动建模、直接控制大车驱动电机和基站自动监控等技术，能够实现全天候、全地域、全环境的正常运行。它的优点是：

1、在集装箱码头应用本发明可以提高轮胎吊的操作效率，增加安全性，实现自动化箱位管理，同时降低轮胎吊操作员的疲劳度，缩短新操作员的学习时间等。

2、作为码头自动化的一部分，本发明可以加快集装箱码头的自动化进程，提高码头的货物吞吐量。

四、附图说明

图1是本发明结构框图；

图2是本发明中移动站控制器部分电路原理框图；

图3是编码器累加计数模块图；

图4是编码器电路逻辑示意图；

图5是大车运行轨迹图；

图6是大车运行轨迹推导示例图。

五、具体实施方式

一种本发明所述的基于差分GPS技术轮胎吊自动驾驶及箱位管理系统，轮胎吊大车的外观为，长宽高在7000mm×26000mm×28000mm左右，包括差分GPS基站1和安装在轮胎吊大车上的差分GPS移动站2。差分GPS基站1由基站GPS天线11、基站电台天线12、基站GPS接收器13、基站电台14、基站线性电源15和基站控制器16组成，基站GPS接收器13一端与基站GPS天线11连接，另一端与基站电台14相连接，基站电台14的另一端与用来发射差分数据的基站电台天线12连接，基站GPS接收器13、基站电台14和基站控制器16均与基站线性电源15连接，基站控制器16与基站GPS接收器13连接。为保证电压的稳定输出，基站线性电源15与基站UPS连接。差分GPS移动站2由移动站GPS天线21、移动站电台天线22、移动站GPS接收器23、移动站控制器24、移动站电台25和移动站线性电源26组成，移动站GPS天线21和移动站电台天线22分别与移动站GPS接收器23和移动站电台25连接，移动站GPS接收器23一端与移动站控制器24相互连接，另一端与移动站电台25连接，移动站GPS接收器23、移动站控制器24和移动站电台25均与移动站线性电源26连接；移动站控制器24包括中央处理系统和编码器检测系统，编码器检测系统用来对轮胎吊大车驱动电机编码器进行计数，并获得大车驱动电机转动情况和大车轮胎变化情况，它包括编码器双向计数模块、工业标准结构总线通信控制模块、开关信号生成和控制模块、信号隔离模块；编码器双向计数模块和开关信号生成和控制模块的两端分别与工业标准结构总线通信控制模块和信号隔离模块相连接，工业标准结构总线通信控制模块与中央处理系统连接。

在本发明中，编码器双向计数模块、ISA总线通信控制模块、开关信号生成和控制模块、信号隔离模块均设置在一块可编程逻辑阵列中。编码器双向计数模块(CPLD)的型号为：EPM7128SQC100-10；信号隔离模块器件型号为：HCPL-0600(隔离编码器信号)，TLP521-2(隔离PLC输入信号)；总线控制模块型号为：EPM7128SQC100-10(控制ISA总线)，16C2552(控制串口总线)；开关信号生成和控制模块型号为：TLP521-2(开关信号生成)，MC1413(指示灯控制)。

编码器双向计数模块包括清空接口①、编码器A相输入接口②、编码器B相输入接口③、置零接口④、两个计数值输出接口⑤、⑥，清空接口①、置零接口④和计数值输出接口e、f通过数据线与工业标准结构总线通信控制模块连接；编码器A相输入接口②和编码器B相输入接口③与信号隔离模块连接。其中，计数值输出接口⑤、⑥用来计量主电机转动数据，编码器产生的方波信号通过编码器A相输入接口②和编码器B相输入接口③与信号隔离模块连接。

在本发明中，移动站控制器24设有根据大车的自身特性和大车历史运动轨迹以及驱动电机的动力作用推导出的大车下一时间段的运动趋势模型。

在本发明的增强轮胎吊大车编码器检测系统中，轮胎吊大车编码器对大车驱动电机编码器进行计数，以获得实时的大车驱动电机转动情况从而计算出大车轮胎的行进变化；并获得由于轮胎吊小车和吊具位置不同、轮胎变化对大车两侧驱动电机动力作用的影响，能够自适应各种大车本身的状态变化。

轮胎吊大车编码器是一种利用光电转换原理来记录驱动电机的运转情况的电子设备，电机每转一次，编码器都会输出一定个数的有相位差的多路脉冲，根据脉冲的相位差异情况可以判断电机是正转还是反转，而根据脉冲的个数可以计算出电机转过的圈数和角度。由于大车轮胎和电机之间是链条式硬驱动，所以电机转过的圈数、角度和轮胎转过的圈数、角度有固定的比例关系，由此可以推算轮胎走过的距离。由于RTG大车自身钢结构和小车的位置对前后轮胎造成的压力不同导致了前后轮胎的实际大小有所区别，所以大车的直线行走要求前后轮胎采用不同的转速。现有的系统在控制行走和纠偏时没有考虑这一因素，所以纠偏的效果不是很好。新的系统运用编码器计数实时的更新这一因素，纠偏效果得到增强。更新前后轮胎差的方法是：实时检查大车的行进距离，累计超过100米，就计算前后两侧编码器累计计数的比值，将这一比值用作以后的控制和推导。在一定长(100米)的距离中，可以近似的认为前后轮胎行进的距离是相同的。在以后计算输出的前后轮胎转速时，时钟保持前后轮胎的转速时这一比值的倒数，这样可以保证大车前后轮胎行走的距离一致，大车的行走就更加贴近轨道直线。

增强后的“轮胎吊大车编码器检测”通过编码器计数实时计算前后轮胎应采用的速度比值，能自动适应大车轮胎的变化，自动行走和纠偏的效果更好。增强后的“轮胎吊大车编码器检测”还增加了在单个GPS控制纠偏的时候运用编码器推导大车行进方向的技术。本系统编码器部分的设计电路见图2、图3和图4。

轮胎吊大车的轮胎是固定方向的，在正向行走的时候轮胎不能自由转动，只能延一条直线正反行使。但在自动纠偏或者大车行走的时候，轮胎吊大车的前后轮胎在同一时间内如果行进不同的距离，那么就会造成大车行进方向的变化。大车行进方向对大车是否能够沿着轨道行走有着很重要的作用，所以能否获得实时的大车方向对自动纠偏影响很大。一秒时间内，检测到的前后电机编码器的计数值，再消去前后轮胎的速度比例的影响后还有差异，说明这一秒后大车的方向和一秒前不同。将大车在行进方向上两个轮胎和轨道的距离之差定义为大车的行进方向，这个行进方向和一秒内的前后编码器计数之差有一定的比例关系，这个比例关系用以下的方法计算：

1、确定大车前后轮胎在直线行走时的差异，就是上述的比例管理。对大车行走进行记录，每行走100米，则将这100米过程种前后编码器的计数进行比较和计算。假设这100米内前后轮胎走过的距离基本一致，那么前后编码器计数值的比例关系就是的倒数就是在以后的行走控制中，前后马达所用转速的比例，定义为encoder-ratio。这个比例关系一般是固定的，变化很少。一般大车每行走1000米系统重新计算一次；

2、根据GPS数据计算出大车每秒的实时位置，记录这一位置坐标；前后每2秒的行进方向上的位置差异就是大车行进方向，而这一秒的行进方向和前一秒的行进方向之间有差异，将这一差异和前一秒内前后编码器的差异对应起来比较得到一个比值，这个比值定义为e-d-relation；

3、在大车初始配置的时候，由司机手动驾驶大车行走蛇行，系统自动不断计算e-d-relation，并把这一段时间内的所有e-d-relation去噪音然后取平均就得到最终的e-d-relation，这个比值将来以后的方向推导中使用；

4、单靠大车行使轨迹来确定大车方向有滞后性，而利用e-d-relation可以进行大车行进方向的实时推导，并将此推导值和由行进轨迹确定的方向值加权平均，能够取得一个更加精确实时的大车行进方向，并用这个行进方向来控制大车的自动纠偏。

在本发明中，大车运动趋势模型是这样来完成的：根据大车的自身特性和大车历史运动轨迹以及驱动电机的动力作用来推导大车下一段时间的运动趋势。

图5是一段大车行走方向图。三角形线表示大车实时行进方向，菱形线表示根据行进轨迹推导出的大车方向。图中可以看出，在大车的行进方向上，前后根据大车行走轨迹上的两个点所形成的方向和大车实际行走的方向在大多数时候基本一致，所以可以利用前后点的方向来推导大车行进方向。定义大车左右两个点之间的相对轨道位置差为大车方向，在行进方向上来看就有大车头尾之分，例如大车向右行使，则右边为头，左边为尾。大车运动建模的关键在于如何选取前后点？新系统是根据大车行走的大方向(向左还是向右)、行走速度、加速过程等因素来动态确定这两个点的，达到的效果是这两个点正好能够反应实时的大车方向，也就是实时反映大车头尾的方向差。例如：大车在匀速行使过程中，有一个GPS安装在大车中间，取到实时的GPS点(是大车中点)，根据行车速度计算时间取到大车行进反方向上大车尾部的另一个点。这两个点的差的代表一个方向，而这个方向并不是实际的大车实时方向，需要乘以2才能得到近似的大车行进时实时的头尾方向。用这个方向和编码器推导的方向进行加权平均，来控制后面的纠偏计算。

图6是一个简化的推导示例图，图左边是RTG大车简图，下方是驾驶室；图中的曲线表示轮胎吊的运行轨迹，两圆点间的线段表示轮胎吊；中间的十字点是表示大车中点；箭头表示实时的大车行进方向。图中3个大车示意分别表示3个时刻的大车位置，α1，α2，α3表示三个时刻的大车行进方向，α0表示根据大车行进模型推导的在第三时候的大车近似行进方向。这里是一个简单的示例，采用前后时候大车的中点位置连线所成的方向作为下一时刻大车的行进方向。

本发明中设有基站控制器16，对GPS差分基站1进行实时自动监控。基站控制器16中保存基站的配置，在基站配置受损坏的时候自动恢复配置，减少基站不能工作的时间。基站控制器16还能实时检测基站的运行状况，并将运行状态通过、指示灯警报等方式送给码头管理中心，以备管理人员监控。

本发明采用直接电控方式，GPS控制器从PLC读取大车状态、行走命令，根据实时大车的位置数据计算出前后电机应有的转速，通过PLC送给变频器进行控制。可以记录大车的运动轨迹，进行运动建模、编码器推导等；而且还实现了部分的自动学习功能。使得整个系统比通过以前的系统通过PLC控制要快速稳定，并且能实现反馈式的自动控制，极大的提高了稳定性。解决了老系统的缺陷和问题，实现了完全实用的自动驾驶和高效的安全控制。

本发明在实施过程中，要达到最佳效果，应注意以下三方面问题：

1、基站的设立。基站的设立对差分的效果有很大的影响，设立基站的时候应注意基站电台天线的高度和可见度，周围最好不要有大的遮蔽物，并且不要靠近其他大功率的无线电台；

2、轮胎吊上移动站接收器的安装和设置。移动站的GPS天线需要安装在高处，有良好的仰角(小于15度)周围不能有遮挡，最好也不要有同等高度的其他物体，以减少GPS信号的多路径反射。

3、软件的设置。软件的设置关系到自动纠偏的效果，在实际调试的时候要按照规律仔细调整，以求达到最好的效果。

本发明可使用一个基站配合多个移动站工作。目前已有香港国际货柜码头HIT、迪拜港务局DPA、香港亚洲货柜码头ACT、宁波港务局等码头采用本发明所述的基于差分GPS技术轮胎吊自动驾驶及箱位管理系统，在集装箱码头应用中，可以提高轮胎吊的操作效率，增加安全性，实现自动化箱位管理。同时降低轮胎吊操作员的疲劳度，缩短新操作员的学习时间等；作为码头自动化的一部分，该系统还可以加快集装箱码头的自动化进程。提高码头的货物吞吐量。本发明在使用过程中，提高了轮胎吊的工作效率，极大的方便了集装箱管理，受到用户好评。

Claims (6)

1、一种基于差分GPS技术轮胎吊自动驾驶及箱位管理系统，包括差分GPS基站(1)和安装在轮胎吊大车上的差分GPS移动站(2)；所述差分GPS基站(1)由基站GPS天线(11)、基站电台天线(12)、基站GPS接收器(13)、基站电台(14)和基站线性电源(15)组成，基站GPS接收器(13)一端与基站GPS天线(11)连接，另一端与基站电台(14)相连接，基站电台(14)的另一端与用来发射差分数据的基站电台天线(12)连接，基站GPS接收器(13)和基站电台(14)均与基站线性电源(15)连接；差分GPS移动站(2)由移动站GPS天线(21)、移动站电台天线(22)、移动站GPS接收器(23)、移动站控制器(24)、移动站电台(25)和移动站线性电源(26)组成，移动站GPS天线(21)和移动站电台天线(22)分别与移动站GPS接收器(23)和移动站电台(25)连接，移动站GPS接收器(21)一端与移动站控制器(24)相互连接，另一端与移动站电台(25)连接，移动站GPS接收器(23)、移动站控制器(24)和移动站电台(25)均与移动站线性电源(26)连接；其特征是：所述移动站控制器(24)包括中央处理系统和编码器检测系统，用来对轮胎吊大车驱动电机编码器进行计数，并获得大车驱动电机转动情况和大车轮胎变化情况的编码器检测系统包括编码器双向计数模块、工业标准结构总线通信控制模块、开关信号生成和控制模块、信号隔离模块；编码器双向计数模块和开关信号生成和控制模块的两端分别与工业标准结构总线通信控制模块和信号隔离模块相连接，工业标准结构总线通信控制模块与中央处理系统连接。

2、根据权利要求1所述的基于差分GPS技术轮胎吊自动驾驶及箱位管理系统，其特征是：所述编码器双向计数模块包括清空接口①、编码器A相输入接口②、编码器B相输入接口③、置零接口④、计数值输出接口⑤、⑥，清空接口①、置零接口④和计数值输出接口⑤、⑥均与工业标准结构总线通信控制模块连接；编码器A相输入接口②和编码器B相输入接口③均与信号隔离模块连接。

3、根据权利要求1所述的基于差分GPS技术轮胎吊自动驾驶及箱位管理系统，其特征是：所述移动站控制器(24)设有根据大车的自身特性和大车历史运动轨迹以及驱动电机的动力作用推导出的大车下一时间段的运动趋势模型。

4、根据权利要求1所述的基于差分GPS技术轮胎吊自动驾驶及箱位管理系统，其特征是：移动站控制器(24)根据大车的实时位置数据计算出前后电机应有的转速，并通过变频器直接对大车电机转速进行控制。

5、根据权利要求1所述的基于差分GPS技术轮胎吊自动驾驶及箱位管理系统，其特征是：在差分GPS基站(1)中设有对基站的运行状态进行实时控制的基站控制器(16)，该基站控制器(16)与基站GPS接收器(13)和基站线性电源(15)连接。

6、根据权利要求1所述的基于差分GPS技术轮胎吊自动驾驶及箱位管理系统，其特征是：在差分GPS移动站(2)中设有两个移动站GPS接收器(23)，分别安装在轮胎吊的两侧。

Images