神華黃驊港務(wù)公司 楊文博

基于編碼器與GPS的單機(jī)俯仰角度雙重定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

神華黃驊港務(wù)公司 楊文博

在黃驊港堆料機(jī)已實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)背景下，針對在俯仰編碼器損壞或數(shù)據(jù)不準(zhǔn)造成堆料機(jī)不能自動作業(yè)且無法及時(shí)恢復(fù)的情況，本文設(shè)計(jì)了基于GPS數(shù)據(jù)的俯仰值替代方案。在硬件及軟件設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用和真實(shí)的數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了本方案的有效性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

堆料機(jī)；俯仰角度；編碼器；GPS

0 引言

本文設(shè)計(jì)GPS定位系統(tǒng)，將GPS信息引入堆料機(jī)自動控制程序中，當(dāng)編碼器出現(xiàn)故障時(shí)，利用GPS俯仰角度值反推編碼器計(jì)數(shù)模擬值，并用模擬值替代真實(shí)編碼器計(jì)數(shù)，保證堆料機(jī)能夠繼續(xù)正常自動作業(yè)。在編碼器故障排除后，恢復(fù)利用編碼器的真實(shí)計(jì)數(shù)值，從而能夠提高堆料機(jī)自動化作業(yè)的效率。

1 總體設(shè)計(jì)

圖1 總體設(shè)計(jì)圖

該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示，其主要硬件結(jié)構(gòu)包括編碼器數(shù)據(jù)采集單元、GPS定位系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)[1]。編碼器數(shù)據(jù)采集單元用于獲得堆料機(jī)俯仰計(jì)數(shù)信號，作為堆料機(jī)常規(guī)俯仰控制數(shù)據(jù)來源，GPS定位系統(tǒng)用于獲得GPS數(shù)據(jù)，當(dāng)編碼器出現(xiàn)問題時(shí)用以替代編碼器計(jì)數(shù)，ControlLogix PLC控制系統(tǒng)將兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，參與到堆料機(jī)的自動控制程序中。

2 俯仰編碼器及使用中存在的問題

絕對值編碼器主要應(yīng)用在運(yùn)動控制方面，用來檢測角度和位置等參數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送至控制器。較早的編碼器多為旋轉(zhuǎn)增量編碼器，由于此類編碼器是通過計(jì)數(shù)器計(jì)算編碼器在轉(zhuǎn)動時(shí)輸出脈沖個(gè)數(shù)來測量當(dāng)前位置，當(dāng)編碼器停電或者不轉(zhuǎn)時(shí)，重新尋找零點(diǎn)非常困難，為解決此問題，即出現(xiàn)了絕對值編碼器。絕對值編碼器的光碼盤上刻有多條光通道線，每條刻線依次以 2、4、8、16 線等2n編排，這樣對于編碼器碼盤上的每一位置，通過讀取每道刻線的暗與通，便可得到一組從20到2n-1的唯一的格雷碼二進(jìn)制數(shù)據(jù)。絕對值編碼器又有單圈絕對值編碼器與多圈絕對值編碼器之分，由于黃驊港堆料機(jī)的俯仰角范圍較?。ㄕＪ褂脮r(shí)在±15°以內(nèi)），因此單機(jī)上采用的是單圈對值編碼器。在絕對值編碼器的輸出方式方面，可分為并行輸出、串行同步輸出、串行異步總線式輸出、轉(zhuǎn)換模擬量輸出等[2]。因?yàn)椴⑿休敵龇绞骄哂休敵黾磿r(shí)，連接簡單的特點(diǎn)，黃驊港單機(jī)直接采用并行傳輸方式將編碼值傳至1756-IB32輸入模塊中，控制器根據(jù)編碼器數(shù)據(jù)輸出端的不同位的高低電平情況，就可獲知編碼值。

但在編碼器的使用過程中也存在著諸多的問題：

(1)編碼器與堆料機(jī)俯仰軸機(jī)構(gòu)靠齒輪組相連，這就要求齒輪之間必須要有很好的同軸度，但在實(shí)際安裝過程中很難做到，因此在長時(shí)間使用之后便會出現(xiàn)編碼器齒輪變形甚至是斷齒的情況。齒輪因此運(yùn)動傳遞出現(xiàn)誤差，進(jìn)而導(dǎo)致編碼器出現(xiàn)大的編碼錯(cuò)誤。

(2)由于現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境惡劣，在煤塵與水汽的侵蝕下，編碼器的電氣連接也會不同程度的出現(xiàn)問題，同樣會使編碼器編碼值出現(xiàn)誤差。

當(dāng)編碼器計(jì)數(shù)出現(xiàn)不準(zhǔn)導(dǎo)致堆料機(jī)不能自動作業(yè)且又不能及時(shí)恢復(fù)時(shí)，為了保證作業(yè)效率，有必要引入GPS信息來替代編碼器數(shù)據(jù)，保證堆料機(jī)能夠不受編碼器不準(zhǔn)的影響。

3 GPS-RTK技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的原理是利用GPS接收機(jī)接收從衛(wèi)星播發(fā)的信息來確定觀測點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。RTK（Real Time Kinematic）也即實(shí)時(shí)動態(tài)測量系統(tǒng)，是GPS測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合而構(gòu)成的組合系統(tǒng)，是以載波相位觀測量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分測量技術(shù)。GPS測量工作的模式有多種，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、準(zhǔn)動態(tài)、動態(tài)相對定位等。但是，利用這些測量模式，如果不與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)相結(jié)合，其定位結(jié)果均需通過觀測數(shù)據(jù)的側(cè)后處理而獲得。由于觀測數(shù)據(jù)在測后處理，所以上述各種測量模式，不僅無法實(shí)時(shí)地給出觀測站的定位結(jié)果，而且也無法對基準(zhǔn)站和用戶站觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)地核實(shí)檢查，因而難免在數(shù)據(jù)處理中發(fā)現(xiàn)不合格的觀測結(jié)果。以前為解決這一問題，主要措施是延長觀測時(shí)間，以獲取大量的多余觀測量來保障測量結(jié)果的可靠性。但是這樣一來，便顯著地降低了GPS測量工作的效率[3]。

實(shí)時(shí)動態(tài)測量的基本原理：在基準(zhǔn)站上安裝一臺GPS接收機(jī)，對所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)地觀測，并將其數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶觀測站。在用戶觀測站上，GPS接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號的同時(shí)，通過無線電輸出設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位的原理，實(shí)時(shí)地計(jì)算并顯示用戶的三維坐標(biāo)，其精度可達(dá)厘米級。這樣通過實(shí)時(shí)計(jì)算的定位結(jié)果，便可檢測基準(zhǔn)站與用戶站觀測結(jié)果的質(zhì)量和結(jié)算結(jié)果的收斂情況，從而可實(shí)時(shí)地判定結(jié)算結(jié)果是否成功，以減少冗余觀察，縮短觀測時(shí)間，保證觀測結(jié)果的實(shí)時(shí)性。

在具體實(shí)施中，本方案基準(zhǔn)站選擇中海達(dá)VNet6專業(yè)型參考站接收機(jī)，它基于天寶BD970主板，支持北斗B1/B2+GPS L1/L2/ L5 + GLONASS L1/L2+ SBAS，是目前市場真正支持高精度的多頻多星CORS系統(tǒng)專用接收機(jī)?？梢酝ㄟ^RS232接口或網(wǎng)線接口進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)借助于高性能的內(nèi)置處理器，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)20Hz的數(shù)據(jù)采樣率。移動基站選擇中海達(dá)雙頻 RTK 定位定向儀ZDT820，它是一款一機(jī)雙天線平板電腦，該平板為android系統(tǒng)采用國際名牌天寶 OEM 主板，集高精度GNSS，電臺，3G模塊為一體，三星多頻，定位精度高，信號接收穩(wěn)定，提供實(shí)時(shí)高精度GNSS 定位定向數(shù)據(jù)，可全天候?qū)崟r(shí)記錄數(shù)據(jù)。具有超長距離 RTK 作業(yè)技術(shù)，突破傳統(tǒng) RTK 作業(yè)距離，發(fā)揮更高經(jīng)濟(jì)效益。無需量取定向基線長度，也無需定位和定向天線在同一水平位置。平面上定位精度能達(dá)到±8mm+1ppm，高程上RTK靜態(tài)、快速靜態(tài)平面精度達(dá)到± 2.5mm+1ppm。靜態(tài)、快速靜態(tài)高程精度達(dá)到±5mm+1ppm。

為了獲取堆料機(jī)大臂的俯仰角度信息，需要安裝兩個(gè)GPS天線，根據(jù)根據(jù)“兩點(diǎn)確定一條直線”原理，可計(jì)算得到俯仰角度。GPS天線選擇中海達(dá)GNSS雙頻高增益天線，兩個(gè)天線分別安裝在堆、取料機(jī)大臂的護(hù)欄外側(cè)。為保證傳輸信號不受障礙物干擾，安裝高度大于大臂護(hù)欄1.5米。天線設(shè)備通過專用通訊電纜與ZDT820主機(jī)相連，實(shí)時(shí)提供位置、方向等信息。為確保通訊的可靠性，GPS基站和堆料機(jī)之間采用兩個(gè)獨(dú)立的通訊方式，無線電通訊與以太網(wǎng)通訊，其中 UHF無線電作為主要通訊方式，以太網(wǎng)Ethernet為第二通訊方式。在RTK作業(yè)模式下，移動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，同時(shí)還采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級定位結(jié)果，歷時(shí)不到一秒鐘。移動基站通過MOXA串口服務(wù)器與交換機(jī)與PLC相連，將移動基站解算后的定位結(jié)果傳入PLC控制系統(tǒng)。

4 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

當(dāng)堆料機(jī)的俯仰數(shù)據(jù)出現(xiàn)不準(zhǔn)甚至錯(cuò)亂致使堆料機(jī)報(bào)故障不能自動作業(yè)的情況下，根據(jù)編碼器計(jì)數(shù)值計(jì)算得到堆料機(jī)俯仰角度值的過程和方法，對GPS測得的俯仰角度值進(jìn)行反推，得到編碼器的模擬計(jì)數(shù)值N7[81]，用模擬計(jì)數(shù)值N7[81]替代編碼器真實(shí)計(jì)數(shù)值N7[80]并參與到堆料機(jī)的PLC控制中。本文中GPS反推程序采用了add-on模塊化設(shè)計(jì)，add-on具有較好的可移植性，因此可以方便本方法在其他單機(jī)上推廣。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證本方法的可行性，對堆料機(jī)在作業(yè)過程中兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，在編碼器正常的情況下，程序上線后經(jīng)過兩個(gè)小時(shí)觀察，兩者差值N7[79]值在±6之間，對應(yīng)角度誤差在0.26°之間，符合堆料機(jī)現(xiàn)場作業(yè)的要求。

6 結(jié)論

經(jīng)測試本文設(shè)計(jì)的堆料機(jī)俯仰角度GPS替代編碼器方案，具有實(shí)時(shí)性高，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，且在編程時(shí)引入add-on模塊化程序設(shè)計(jì)，使本方案具有很高的可移植性。在堆料機(jī)俯仰編碼器不準(zhǔn)的情況下，能夠及時(shí)用GPS反推值進(jìn)行替代，保證堆料機(jī)能夠繼續(xù)自動作業(yè)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

[1]徐麗霞．基于GPS和光電編碼器的車輛定位裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．

[2]陳志同．基于SSI協(xié)議的絕對值編碼器通信接口研究．

[3]全球定位系統(tǒng)(GPS)實(shí)時(shí)動態(tài)(RTK)技術(shù)在公路勘測設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究．