田相才 王懷志

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

隨著無人駕駛和智能化發(fā)展的逐漸成熟,國內(nèi)已建成多個高度智能化的自動化碼頭,例如廈門遠海自動化碼頭、青島新前灣自動化碼頭、洋山四期自動化碼頭等。上述碼頭的自動化導(dǎo)引車都采用磁釘導(dǎo)航技術(shù),需要在港口水平運輸區(qū)域的地面埋設(shè)大量的磁釘,對于碼頭基建要求較高。分布在車輛前后端底部的定位磁釘天線價格昂貴,維修成本也比較高。隨著老碼頭升級改造成自動化碼頭需求的日益增長,磁釘定位方案已經(jīng)不適用。

為解決以上問題,設(shè)計一種自動化碼頭導(dǎo)引車(以下簡稱IGV)車載組合定位系統(tǒng)的標定方法。該方法有效利用PDCA質(zhì)量改進方法工具,提升標定質(zhì)量;標定成功后,可以利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航組合的方式與里程計信息輸入融合,最終獲得穩(wěn)定可靠的高精度導(dǎo)航定位信息。

2 組合定位系統(tǒng)技術(shù)

衛(wèi)星慣性導(dǎo)航組合定位系統(tǒng)主要是指衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航與里程計三者的信息融合[1]。在自動化碼頭實際作業(yè)中,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)采用高精度的RTK(Real Time Kinematic,實時動態(tài))定位技術(shù),在IGV中心位置部署數(shù)據(jù)傳輸模塊,可以實時從網(wǎng)絡(luò)獲取碼頭基準站的差分數(shù)據(jù),結(jié)合分布在IGV 4個角的天線數(shù)據(jù),通過衛(wèi)星導(dǎo)航板卡計算,最后解算輸出精度達2～5 cm的RTK定位結(jié)果。其中衛(wèi)星導(dǎo)航天線與板卡的配置結(jié)構(gòu)關(guān)系見圖1。

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備整機框圖

在衛(wèi)星導(dǎo)航更新時刻,融合單元會通過卡爾曼濾波算法[2]修正慣性導(dǎo)航設(shè)備的誤差,并對里程計等外部輸入的刻度因數(shù)進行估計,其余時刻慣性導(dǎo)航設(shè)備進行機械編排來獲取設(shè)備位置、速度和姿態(tài)的變化量;在車輛靜止時,融合單元會使用零速修正算法,對各種誤差進行修正;當IGV車輛行駛在衛(wèi)星導(dǎo)航信號質(zhì)量較差區(qū)域時,融合單元會利用車前向和側(cè)向輸出的速度信息,與慣導(dǎo)設(shè)備計算的行進速度融合,從而有效抑制誤差發(fā)散[3]。

3 多天線定位設(shè)備安裝與計算

3.1 單天線衛(wèi)星慣性導(dǎo)航組合設(shè)備

為了對比分析衛(wèi)星慣性導(dǎo)航組合定位系統(tǒng)的性能,在相同慣導(dǎo)器件的情況下,選擇單天線版本在開闊環(huán)境進行跑車測試,未進行里程計融合。經(jīng)過測試,單天線衛(wèi)星慣性導(dǎo)航組合設(shè)備在開闊環(huán)境下,航向與基準的誤差不超過0.28°,定位結(jié)果與基準位置的誤差在25 cm以內(nèi)。如果在碼頭的堆場和裝卸作業(yè)區(qū)域,導(dǎo)航性能會更差,不能滿足港口IGV的運行要求,故采用多天線布置方案。

3.2 多天線定位設(shè)備安裝

在IGV的車體4個角安裝衛(wèi)星天線,將相應(yīng)的衛(wèi)星天線電纜連接到衛(wèi)星天線的TNC插座上。因為車輛和衛(wèi)星天線支架存在加工誤差,為保證衛(wèi)星定向結(jié)果與車輛方向一致,需要在安裝衛(wèi)星天線之后對衛(wèi)星天線支架進行調(diào)整。借助全站儀或者其他設(shè)備,將左前左后衛(wèi)星天線的連線與車輛一側(cè)的方向偏差調(diào)整到0.1°以內(nèi)。衛(wèi)星天線支架安裝位置,要與車體保持安全距離,防止異常情況下被放下的集裝箱砸壞。

3.3 中心坐標計算

設(shè)備內(nèi)接收機能夠獲取4個天線在大地坐標系下的高精度定位。車輛靜止時,采集一段時間的靜態(tài)定位數(shù)據(jù),然后采取平滑后的定位數(shù)據(jù)作為準確定位。假設(shè)天線的坐標為:左前天線(x1,y1)、左后(x2,y2)、右后(x3,y3)和右前(x4,y4)。計算相鄰兩點的距離p1、p2。最后以矩形中心(即設(shè)備安裝位置)為原點,確定4個天線的桿臂坐標值,左前天線桿臂(p1/2,-p2/2)、左后天線(-p1/2,-p2/2)、右后天線(-p1/2,p2/2)和右前(p1/2,p2/2)(見圖2)。

圖2 尺寸示意圖

只要在使用前完成4個天線的相對位置標定,即可在以后的使用中通過衛(wèi)星定位得到4個天線的坐標,推算出精確的IGV車輛中心點坐標,實現(xiàn)可靠定位。

4 多天線安裝標定

4.1 天線標定前

設(shè)備安裝完成后,在正常使用前,需要進行衛(wèi)星導(dǎo)航4個天線基線及夾角的標定。標定過程需將車輛停放在開闊區(qū)域進行,保證衛(wèi)星導(dǎo)航4個天線無信號遮擋、干擾,并且整個過程保持車輛靜止,以達到更高的標定精度。

4.2 天線標定中

在標定軟件中查看衛(wèi)星導(dǎo)航板卡RTK解狀態(tài),4個天線全部顯示為綠色正常,否則為灰色。狀態(tài)都顯示正常后,將工作模式設(shè)置為標定模式,然后開始標定。從“天線標定開始”狀態(tài)到“天線標定中”需等待大約60 s;天線標定中狀態(tài)持續(xù)300 s,期間顯示標定計數(shù)與時間信息,直到顯示“天線標定完成”信息。

同時計算得到的參數(shù)如天線基線及夾角信息將在顯示框中顯示,確認參數(shù)后保存標定,可查看北斗解算狀態(tài)(見表1)。解算狀態(tài)若顯示為1或2,則定位可信度較高,允許導(dǎo)引車IGV加入使用。

表1 北斗衛(wèi)星解算狀態(tài)表

4.3 天線標定后

根據(jù)方差判斷定位精度,位置的方差越小,定位精度越高。在實際使用中可根據(jù)位置方差的大小來判斷定位結(jié)果的精度,決定是否對其進行使用。表2顯示衛(wèi)星慣性導(dǎo)航定位結(jié)果的方差所對應(yīng)的位置精度。

表2 衛(wèi)星慣性導(dǎo)航定位結(jié)果方差狀態(tài)位說明

表2中狀態(tài)位的解釋如下:1指衛(wèi)星導(dǎo)航RTK結(jié)果為固定解,衛(wèi)星慣性導(dǎo)航和里程計三者組合定位,輸出精度高;2指衛(wèi)星導(dǎo)航RTK結(jié)果為固定解,衛(wèi)星慣性導(dǎo)航兩者組合定位,輸出精度高;3指衛(wèi)星導(dǎo)航RTK結(jié)果為浮點解或單點解,衛(wèi)星導(dǎo)航RTK輸出精度不穩(wěn)定,誤差最大可達1～2 m;4代表其他解衛(wèi)星慣性導(dǎo)航組合,指衛(wèi)星導(dǎo)航RTK結(jié)果為浮點解或單點解,衛(wèi)星導(dǎo)航RTK輸出精度不穩(wěn)定,誤差最大可達1～2 m;5為純慣性與里程計組合,指衛(wèi)星導(dǎo)航無定位,慣導(dǎo)與里程計組合輸出,位置保持精度:400 cm/5 s,航向0.5°/5 min;6代表衛(wèi)星導(dǎo)航無定位,純慣性推算,精度快速發(fā)散,發(fā)散速度約10 cm/s;除上述狀態(tài)位以外,當組合出現(xiàn)異常,重新進入準備或?qū)薁顟B(tài)。

4.4 標定結(jié)果

標定完成后,首先檢查天線之間的夾角,4個角度分別為0°,90°±0.5°,180°±0.5°,90°±0.5°,說明天線夾角標定正確。然后查看解算狀態(tài)(Status1),解算為1或2,定位精度比較高;最后檢查定位坐標、橫坐標、縱坐標,在航向靜態(tài)情況下跳變幅度比較小,坐標復(fù)位小于3 cm,航向角幅度小于0.02°,即可認為標定合格。

5 結(jié)語

對復(fù)雜環(huán)境下自動化碼頭碼頭導(dǎo)引車IGV的北斗衛(wèi)星慣性導(dǎo)航融合定位技術(shù)使用及其標定方法進行了介紹。該技術(shù)使用北斗高精度RTK位置、速度和定向信息,并且可以對慣性導(dǎo)航的位置、速度、航向等信息進行融合校正并估計其誤差,最終輸出可靠穩(wěn)定的導(dǎo)航信息。

該方法標定過程節(jié)約人工和時間,標定成功后穩(wěn)定性高,如果安裝天線的位置沒有發(fā)生變動,不需要再次標定。在某自動化碼頭IGV上對該方法進行實踐應(yīng)用,現(xiàn)場IGV可獲得較高的定位精度,保證IGV作業(yè)的穩(wěn)定性,提升了自動化集裝箱碼頭的系統(tǒng)質(zhì)量。