創(chuàng)新者：郝 成 尚名羽

基于慣性導(dǎo)航的卸料小車定位系統(tǒng)

創(chuàng)新者：郝 成 尚名羽

基于集成度與實(shí)用性考慮，提出一種新的能夠完全不受外界干擾的礦廠卸料小車航位推算裝置設(shè)計(jì)，既基于慣性導(dǎo)航的卸料小車定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用加速度傳感器對小車的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行采集，再通過STM32F103VET6單片機(jī)對加速度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行慣性導(dǎo)航推算，同時(shí)利用接近開關(guān)排除慣性導(dǎo)航算法的延時(shí)誤差，將小車的航跡信息顯于TFTLCD上。通過實(shí)地實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)的測試結(jié)果滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

在大型礦廠中，堆料設(shè)備一般露天生產(chǎn)，揚(yáng)塵大，泥水多等惡劣條件無法避免加上設(shè)備本身的震動(dòng)等的干擾等，這樣就對卸料小車的定位裝置有著工作可靠、檢測準(zhǔn)確、經(jīng)久耐用等基本的要求；實(shí)踐證明激光、旋轉(zhuǎn)編碼器、行程開關(guān)無法滿足長期的生產(chǎn)應(yīng)用。相比而言，格雷母線，安裝簡單，抗污染能力強(qiáng)，防水，但電磁感應(yīng)線圈的鋪設(shè)成本過高。鑒于近年來全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，作者曾考慮將球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于卸料小車的定位，然而全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)會(huì)因?yàn)樾盘栒趽醭霈F(xiàn)定位精度下降甚至無法進(jìn)行方位解算的情況。所以研發(fā)一套能夠獨(dú)立完成定位，可靠性高的，穩(wěn)定性良好的系統(tǒng)是市場亟需的。

結(jié)合到慣性航位推算算法本身是一種獨(dú)立的航位推算算法的特點(diǎn)而且完成該推算過程的單片機(jī)體積只需晶片大小，能夠使卸料小車完全不受外界干擾的，同時(shí)具有很高的集成度，于是設(shè)計(jì)出這樣一套實(shí)用性高的卸料小車慣性導(dǎo)航推算裝置。它使用加速度計(jì)傳感器采集卸料小車運(yùn)動(dòng)信息，采用具有ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103VET6單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理單元，同時(shí)采用卡爾曼濾波對航位信息進(jìn)行濾波處理。最終將卸料小車航位推算信息通過載波通信技術(shù)輸送給總控室或顯示于TFTLCD顯示屏上。同時(shí)考慮到航位推算技術(shù)自身的延時(shí)誤差，計(jì)劃在航位推算技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合接近開關(guān)來矯正誤差。

慣性導(dǎo)航定位設(shè)備數(shù)據(jù)更新速度快、短期精度高、穩(wěn)定性好，抗污染能力強(qiáng)，防水、油、灰塵等，這樣就克服了以上困難。而且像加速度傳感器等，現(xiàn)在市場已經(jīng)有了比較成熟的慣性導(dǎo)航定位裝置，這些裝置體積精小，投資小，便于安裝，維護(hù)簡便。

系統(tǒng)組成與工作原理

該卸料小車航向推算裝置具體的組成框圖如圖1所示，包括傳感器模塊、接近開關(guān)模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、處理模塊以及電力線載波通信模塊組成。

礦山堆場卸料小車堆料示意圖如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

圖2　卸料車堆料示意圖

由于礦廠惡劣的環(huán)境，在給小車定位的過程中，由于接觸式的機(jī)械裝置本身固有的不穩(wěn)定性，我們期許非接觸式的機(jī)械裝置。慣性導(dǎo)航定位是獨(dú)立的算法，慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)就是這樣一種非接觸式的機(jī)械裝置。但所有的導(dǎo)航推算本身都有延時(shí)誤差，我們采用安裝接觸開關(guān)的方式來對小車的位置進(jìn)行矯正。小車需要停留時(shí)使小車停留在接觸開關(guān)的感應(yīng)處，避免慣性導(dǎo)航運(yùn)算的延時(shí)出錯(cuò)。關(guān)于通信，如果是用無線通信，一定會(huì)會(huì)有信號遮擋；使用有線的話，如果再接根通信電纜，電纜本身不結(jié)實(shí)，長時(shí)間往復(fù)，電纜很容易破損?？紤]到小車上部故有一根電源線用于給小車提供電源，用有線載波通信是最佳選擇。傳感器模塊上為加速度計(jì)MMA7455以及用于數(shù)據(jù)處理的單片機(jī)STM32F103VET6。實(shí)際工作時(shí)，加速度傳感器模塊很小，可以很容易的安裝于小車上，用于采集小車前后方向上的加速度；傳感器采集來的原始數(shù)據(jù)通過單片機(jī)STM323F103VET6進(jìn)行航位推算初步處理。數(shù)據(jù)處理模塊核心在與傳感器模塊串口通信的同時(shí)，將航位推算所需的數(shù)據(jù)通過文件系統(tǒng)存于SD卡中；通訊采用載波電流與數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)通信。顯示模塊采用的是TFTLCDILI9320，當(dāng)工作人員需要查看小車當(dāng)前的航位信息，單片機(jī)負(fù)責(zé)文件系統(tǒng)從SD卡中調(diào)出原始數(shù)據(jù)，推算出小車的航位信息，最終將小車的位置信息在TFTLCDILI9320顯示。

硬件設(shè)計(jì)

主從單片機(jī)都采用ST公司生產(chǎn)的具有ARM Cortex-M3內(nèi)核的工業(yè)級控制芯片STM323F103VET6傳感器模塊設(shè)計(jì)。加速度計(jì)采用MMA745可在2.16～3.6V低電壓下正常工作，其量程為8g。接近開關(guān)模塊采用獅威（LIONPOWER）的接近開關(guān)TL-Q5MC1。在小車定位過程中，接近開關(guān)的位置需要區(qū)分開來以確定小車的不同位置，一次要給接近開關(guān)的感應(yīng)區(qū)編碼，需要特別說明的是，本系統(tǒng)接近開關(guān)感應(yīng)區(qū)編碼采用格雷碼。雖然自然二進(jìn)制碼可以直接經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換成為模擬信號，但是在某些情況下，例如十進(jìn)制的3轉(zhuǎn)變?yōu)?時(shí)，二進(jìn)制碼的每一位都需要改變，而在實(shí)際電路中，四位的變化不可能絕對同時(shí)發(fā)生，因?yàn)樵谀承┣闆r下就導(dǎo)致電路狀態(tài)產(chǎn)生錯(cuò)誤，而格雷碼就格雷碼就沒有這個(gè)缺點(diǎn)，可以避免這種錯(cuò)誤。負(fù)責(zé)航位推算的主單片機(jī)與加速度傳感器模塊上的從單片機(jī)通過串口進(jìn)行通信，它們被設(shè)置為相同的波特率。顯示模塊采用Ilitek公司生產(chǎn)的ILI9320。

軟件設(shè)計(jì)

航跡推算原理

航位推算系統(tǒng)是一種完全可以不受外界干擾的定位系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是可以通過自身集成的慣性傳感器計(jì)算出汽車的速度和位置信息，短時(shí)間內(nèi)測量的數(shù)據(jù)是可靠的，因此可以應(yīng)用于卸料小車的定位。

慣性導(dǎo)航推算（DR，又稱航位推算）系統(tǒng)是由測量距離和測量航向角的傳感器構(gòu)成。慣性導(dǎo)航推算是一種獨(dú)立的定位方法，其基本原理如圖3所示。

如圖，在平面二維中研究運(yùn)動(dòng)中的車輛，當(dāng)給出車輛的起始點(diǎn)位置（x0，y0），就可以運(yùn)用加速度計(jì)獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算出車輛的行駛距離的變化量，從而可以推算出任何時(shí)刻車輛的具體位置。本研究中是運(yùn)行中過的車輛，由于其一直變化，所以計(jì)算過程中，要分別對車輛的速度和距離進(jìn)行分解。具體解算過程如下：

分解距離

圖3　航位推算原理圖

圖4　ILI932顯示讀取的加速度值

所以此時(shí)θi-1全為0。因此可得：

分解速度

卸料小車在行進(jìn)的過程中一般只做前后的運(yùn)動(dòng)，x軸有速度，y軸沒有速度，

依次推算，可得：

實(shí)例仿真

該實(shí)驗(yàn)設(shè)定一秒內(nèi)讀取加速度計(jì)100次，如圖4，之后取平均值，然后調(diào)用慣性導(dǎo)航算法計(jì)算實(shí)際運(yùn)行的路程。

慣性導(dǎo)航運(yùn)用的環(huán)境是在GPS無法接收到信號時(shí)，包括料堆、隧道有遮擋的情景，而且這種場合下慣性推算導(dǎo)航運(yùn)行的成本不會(huì)太長。所以，在有限的時(shí)間內(nèi)，要盡可能的使數(shù)據(jù)處理的更準(zhǔn)確。根據(jù)以上測試要求，本文設(shè)計(jì)了如下的測試方案。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：筆記本電腦一部，一輛簡易四輪車，慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)一套。

實(shí)驗(yàn)過程：跑道測試場為從聯(lián)大實(shí)驗(yàn)樓到科技樓一段直線馬路，用粉筆做一個(gè)420米長的直線軌道，在測試起點(diǎn)，啟動(dòng)慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并連接到筆記本上采集數(shù)據(jù)。

用計(jì)算機(jī)把加速度計(jì)的輸出信息變換到平面坐標(biāo)系，然后計(jì)算出載體的速度信息，并在Visual Studio 2008程序的客戶端區(qū)設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換顯示。由于卸料小車為在軌道上運(yùn)動(dòng)，通常都是直線，因此客戶端向左為設(shè)備運(yùn)動(dòng)的初始方向X，建立設(shè)備的坐標(biāo)系，進(jìn)行繪圖。

采用按像素點(diǎn)比例的方法解決客戶區(qū)范圍不足的問題，在軟件平臺(tái)建立慣性導(dǎo)航推算模型。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)STM32開發(fā)板把加速度計(jì)輸出信息變換到平面坐標(biāo)系，然后計(jì)算載體的速度，并通過出串口在Visual Studio 2008客戶區(qū)進(jìn)行顯示。

從圖6可以看出，從起點(diǎn)到重點(diǎn)的實(shí)際距離是420m，而世實(shí)際所測距離為423m，誤差是3m，誤差概率是0.71％。由此可見，慣性導(dǎo)航推算存在誤差，

而這些誤差是不可忽視的。如果要更精確的實(shí)現(xiàn)小車定位，那么就需要研究慣性導(dǎo)航推算的同時(shí)結(jié)合濾波算法，這也是今后努力的方向。

圖5　實(shí)地跑車的界面

圖6　獲取的實(shí)際結(jié)果

結(jié)語

本文介紹了基于慣性導(dǎo)航的卸料小車定位裝置的航位算法，對加速度傳感器數(shù)據(jù)的采集和航跡推算，采用單片機(jī)與微慣性器件搭建的系統(tǒng)，集成度高、實(shí)用性強(qiáng)、成本低，易于維護(hù)。

投入運(yùn)行后，能提高自動(dòng)化程度和裝備水平，一定程度上避免人工操作的失誤，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作利用率，提高工作質(zhì)量，減少檢修、維護(hù)工作。可以為未來相似載體位置檢測技術(shù)提供技術(shù)依據(jù)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.025