冒蓉

（中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán) 北方信息控制研究院集團(tuán)有限公司，江蘇 南京211153）

許多物料廠(chǎng)普遍存在物料成堆存放，貨車(chē)進(jìn)出料場(chǎng)采用刷卡有一定監(jiān)管過(guò)程，鏟車(chē)向貨車(chē)堆貨缺乏監(jiān)管，造成貨車(chē)與鏟車(chē)司機(jī)串通對(duì)物料廠(chǎng)造成巨大損失，物料廠(chǎng)24 小時(shí)作業(yè)，采用人工監(jiān)管手段需耗費(fèi)大量人力，采用定位方式識(shí)別記錄鏟車(chē)的位移，可以把控物料的管理。技術(shù)的關(guān)鍵是定位方式，目前市面上通用定位技術(shù)有衛(wèi)星定位，WiFi 定位等，衛(wèi)星定位應(yīng)用最普遍，GPS 對(duì)民用領(lǐng)域限制，精度僅達(dá)到10m 左右，北斗定位系統(tǒng)可達(dá)到2.5m 的精度，配合地面基站增強(qiáng)定位，選用北斗可以很好的監(jiān)測(cè)鏟車(chē)軌跡。

1 衛(wèi)星定位導(dǎo)航原理

衛(wèi)星定位采用無(wú)線(xiàn)電測(cè)距方式，光速量級(jí)很大需要測(cè)得時(shí)延精確，衛(wèi)星原子鐘誤差可達(dá)到每2000 萬(wàn)光年1 秒，但原子鐘價(jià)格昂貴，一般用戶(hù)采用石英晶振，但誤差比原子鐘大1 萬(wàn)倍。定位要指導(dǎo)用戶(hù)經(jīng)緯度與時(shí)鐘，每顆衛(wèi)星可測(cè)一次距離，需同時(shí)收到四顆衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)。衛(wèi)星原子鐘每日通過(guò)地面校準(zhǔn)，傳播時(shí)延收到天氣等多種因素影響[1]。

采用單純衛(wèi)星定位精度只能到米級(jí)，衛(wèi)星定位收到多種因素影響產(chǎn)生誤差，衛(wèi)星軌道誤差的影響對(duì)定位精度影響最大?？刹捎貌罘侄ㄎ患夹g(shù)，在已知精確坐標(biāo)點(diǎn)建立地面觀(guān)測(cè)基站，通過(guò)衛(wèi)星坐標(biāo)得到坐標(biāo)數(shù)據(jù)，與已知數(shù)據(jù)插值作修正值發(fā)送終端用戶(hù)，可通過(guò)修正值修正自身位置信息，使精度達(dá)到亞米級(jí)。

鏟車(chē)軌跡識(shí)別系統(tǒng)框架

RTK 差分定位技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，RTK 是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分測(cè)量技術(shù)，可以測(cè)得觀(guān)測(cè)站指定坐標(biāo)系中三維定位結(jié)果，最早應(yīng)用于GPS 高精度定位，在北斗高精度定位中得到快速推廣?；鶞?zhǔn)站將測(cè)得載波相位值通過(guò)廣播發(fā)送終端用戶(hù)，采用動(dòng)態(tài)差分算法求得與基準(zhǔn)站相對(duì)位置，根據(jù)坐標(biāo)值求得用戶(hù)瞬時(shí)坐標(biāo)位置，可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的廣播。RTK 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是誤差可達(dá)厘米級(jí)，具有超高的作業(yè)效率，采用RTK 技術(shù)可達(dá)到全天候測(cè)量，其缺點(diǎn)是受電離層影響，衛(wèi)星狀況限制，基站覆蓋范圍受到無(wú)線(xiàn)通信距離影響。實(shí)際工作中要對(duì)使用儀器設(shè)備有充分的了解，合理規(guī)劃作業(yè)流程。

2 鏟車(chē)軌跡識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于北斗衛(wèi)星定位的鏟車(chē)軌跡識(shí)別系統(tǒng)包括監(jiān)控中心，地面增強(qiáng)基站與車(chē)載終端設(shè)備。首先，確定物料堆放范圍，定義物料范圍近似圓，絕對(duì)坐標(biāo)可通過(guò)衛(wèi)星定位精確得到。其次，確定鏟車(chē)位置及物料堆的關(guān)系，通過(guò)鏟車(chē)位移判斷鏟車(chē)行駛方向，根據(jù)鏟車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡判斷運(yùn)動(dòng)階段，通過(guò)分析鏟車(chē)運(yùn)動(dòng)階段識(shí)別鏟車(chē)裝載行為。

衛(wèi)星系統(tǒng)以北斗導(dǎo)航為主，目前衛(wèi)星導(dǎo)航模塊大多支持北斗模式，地面基站可租用現(xiàn)有基站服務(wù)，主要按月繳納數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)費(fèi)用。自行搭建基站成本較高，監(jiān)控中心主要由計(jì)算機(jī)與物料廠(chǎng)WiFi 玩兩個(gè)覆蓋系統(tǒng)組成，設(shè)備終端以嵌入式先進(jìn)精簡(jiǎn)指令集微處理器芯片為核心組成車(chē)載智能化設(shè)備。鏟車(chē)軌跡識(shí)別設(shè)備以ARM芯片處理器為核心，包括傾角傳感器模塊IC 讀卡器模塊，語(yǔ)音合成播報(bào)模塊，顯示器模塊[2]。

終端用戶(hù)設(shè)備核心選用ARM處理器，可選用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列芯片，如搭載操作系統(tǒng)做算法處理，選用S3C2440ARM處理器。采用哈佛架構(gòu)體系，具備內(nèi)存管理單元，具有豐富的片上外設(shè)資源。傾角傳感器用于判斷車(chē)碧所處角度，判斷鏟車(chē)物料動(dòng)作狀態(tài)，選用SCA100T-002 高精度傳感器芯片，具有較高的精度。高精度定位定向模塊是鏟車(chē)軌跡識(shí)別的關(guān)鍵硬件， 應(yīng)選擇高性能的多模式定位芯片。GT-1612-MTBD 模塊，可切換定位模式為GPS 與北斗雙模。

電子指南模塊選用GY-26 芯片，是平面數(shù)字羅盤(pán)模塊，工作原理是通過(guò)磁傳感器相互垂直軸感應(yīng)磁場(chǎng)磁分量得出方位角度，芯片具有重新標(biāo)定功能，具有硬件校準(zhǔn)功能，適應(yīng)不同的工作環(huán)境。IC 卡讀卡器模塊用于讀取IC 中的信息，將需要寫(xiě)入的信息寫(xiě)入IC 卡中，選用MFRC522 芯片，體積小，成本低。語(yǔ)音模塊發(fā)送鏟車(chē)司機(jī)的重要信息語(yǔ)音播報(bào)，如司機(jī)到錯(cuò)誤物料堆區(qū)域發(fā)出警告，語(yǔ)音合成模塊由語(yǔ)音合成芯片，揚(yáng)聲器組成。

3 北斗高精度定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證

可采用中心打點(diǎn)法測(cè)得中心坐標(biāo)位置，要保證高精度增強(qiáng)基站與WiFi 網(wǎng)絡(luò)建成，將車(chē)載定位設(shè)備放置在物料堆中心點(diǎn)，保證設(shè)備供電正常，設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，通過(guò)靜態(tài)位置測(cè)試得到精度高的位置信息，可達(dá)到10cm 的精度。

計(jì)算鏟車(chē)位置角度數(shù)據(jù)以正北方向?yàn)?°角為基準(zhǔn)，不同地點(diǎn)磁偏角不同，監(jiān)控中心修正值修整設(shè)備上傳方位信息，終端設(shè)備上傳方位信加修正值為實(shí)際需要的方位信息。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)天線(xiàn)采用高精度地質(zhì)羅盤(pán)定北，要先校正當(dāng)?shù)氐拇牌?，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)，指北針結(jié)果較為粗略。軌跡識(shí)別模塊基本完成基本工程實(shí)現(xiàn)。

采用GNSS 測(cè)量天線(xiàn)，固定解輸出定位信息，選擇間隔約101 的固定點(diǎn)測(cè)試，用谷歌地球1m 分辨率加標(biāo)尺測(cè)量點(diǎn)偏差距離。在500m 內(nèi)精度可達(dá)到厘米級(jí)。100m 范圍內(nèi)采用GNSS 測(cè)量天線(xiàn)，用谷歌地球1m 分辨率分析，用合眾UP871 作基準(zhǔn)站。去除車(chē)輛行走中的搖擺等因素，流動(dòng)站定位精度達(dá)到10cm 左右。

鏟車(chē)車(chē)載終端讀取IC 卡信息，監(jiān)控中心從地圖中獲取II中心絕對(duì)經(jīng)緯度坐標(biāo)PU 及物料II 最大區(qū)域半徑為25m，鏟車(chē)運(yùn)行速度大于1km/h，判斷鏟車(chē)向物料II 區(qū)前進(jìn)。鏟車(chē)速度小于1km/h，通過(guò)車(chē)載設(shè)備定位定向模塊獲取鏟車(chē)實(shí)際方位角φ 為83.34°，通過(guò)鏟車(chē)位置信息O 及物料中心位置信息，計(jì)算鏟車(chē)指向物料中心角度為33.69°，分析得到φ2 為78.69°，可判斷鏟車(chē)裝載物料錯(cuò)誤，避免鏟車(chē)司機(jī)錯(cuò)裝物料。

鏟車(chē)車(chē)載讀取IC 卡信息，監(jiān)控中心從地圖獲取IV 中心絕對(duì)經(jīng)緯度坐標(biāo)P 及物料最大區(qū)域半徑為20m，鏟車(chē)速度小于1km/h，通過(guò)車(chē)載設(shè)備定位定向模塊獲取鏟車(chē)實(shí)際方位角φ 為100.53°，通過(guò)鏟車(chē)位置信息O 及物料中心位置信息，計(jì)算鏟車(chē)指向物料中心角度為82.7975°，分析得到φ2 為127.7975°，可判斷鏟車(chē)裝載物料正確。鏟車(chē)速度大于1km/h，判斷鏟車(chē)向貨車(chē)卸載物料IV。鏟車(chē)裝載累計(jì)次數(shù)達(dá)到裝載次數(shù)5。避免司機(jī)多裝物料。通過(guò)反復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)取得良好效果，效率高，防止了人工管理造成各種糾紛，未發(fā)生明顯差錯(cuò)事故，切實(shí)保障了貨場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)利益。