基于編碼器與GPS的單機俯仰角度雙重定位系統的設計與實現

神華黃驊港務公司 楊文博

基于編碼器與GPS的單機俯仰角度雙重定位系統的設計與實現

神華黃驊港務公司 楊文博

在黃驊港堆料機已實現自動化作業背景下，針對在俯仰編碼器損壞或數據不準造成堆料機不能自動作業且無法及時恢復的情況，本文設計了基于GPS數據的俯仰值替代方案。在硬件及軟件設計完成的基礎上，經過實際應用和真實的數據分析，驗證了本方案的有效性，具有一定的實用價值。

堆料機；俯仰角度；編碼器；GPS

0 引言

本文設計GPS定位系統，將GPS信息引入堆料機自動控制程序中，當編碼器出現故障時，利用GPS俯仰角度值反推編碼器計數模擬值，并用模擬值替代真實編碼器計數，保證堆料機能夠繼續正常自動作業。在編碼器故障排除后，恢復利用編碼器的真實計數值，從而能夠提高堆料機自動化作業的效率。

1 總體設計

圖1 總體設計圖

該系統總體設計圖如圖1所示，其主要硬件結構包括編碼器數據采集單元、GPS定位系統和PLC控制系統[1]。編碼器數據采集單元用于獲得堆料機俯仰計數信號，作為堆料機常規俯仰控制數據來源，GPS定位系統用于獲得GPS數據，當編碼器出現問題時用以替代編碼器計數，ControlLogix PLC控制系統將兩種數據進行整合，參與到堆料機的自動控制程序中。

2 俯仰編碼器及使用中存在的問題

絕對值編碼器主要應用在運動控制方面，用來檢測角度和位置等參數并將其轉換為數字信號傳送至控制器。較早的編碼器多為旋轉增量編碼器，由于此類編碼器是通過計數器計算編碼器在轉動時輸出脈沖個數來測量當前位置，當編碼器停電或者不轉時，重新尋找零點非常困難，為解決此問題，即出現了絕對值編碼器。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制數據。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，由于黃驊港堆料機的俯仰角范圍較小（正常使用時在±15°以內），因此單機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、轉換模擬量輸出等[2]。因為并行輸出方式具有輸出即時，連接簡單的特點，黃驊港單機直接采用并行傳輸方式將編碼值傳至1756-IB32輸入模塊中，控制器根據編碼器數據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)編碼器與堆料機俯仰軸機構靠齒輪組相連，這就要求齒輪之間必須要有很好的同軸度，但在實際安裝過程中很難做到，因此在長時間使用之后便會出現編碼器齒輪變形甚至是斷齒的情況。齒輪因此運動傳遞出現誤差，進而導致編碼器出現大的編碼錯誤。

(2)由于現場作業環境惡劣，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問題，同樣會使編碼器編碼值出現誤差。

當編碼器計數出現不準導致堆料機不能自動作業且又不能及時恢復時，為了保證作業效率，有必要引入GPS信息來替代編碼器數據，保證堆料機能夠不受編碼器不準的影響。

3 GPS-RTK技術及其實現

GPS衛星定位系統的原理是利用GPS接收機接收從衛星播發的信息來確定觀測點位的三維坐標。RTK（Real Time Kinematic）也即實時動態測量系統，是GPS測量技術與數據傳輸技術相結合而構成的組合系統，是以載波相位觀測量為根據的實時差分測量技術。GPS測量工作的模式有多種，如靜態、快速靜態、準動態、動態相對定位等。但是，利用這些測量模式，如果不與數據傳輸系統相結合，其定位結果均需通過觀測數據的側后處理而獲得。由于觀測數據在測后處理，所以上述各種測量模式，不僅無法實時地給出觀測站的定位結果，而且也無法對基準站和用戶站觀測數據的質量進行實時地核實檢查，因而難免在數據處理中發現不合格的觀測結果。以前為解決這一問題，主要措施是延長觀測時間，以獲取大量的多余觀測量來保障測量結果的可靠性。但是這樣一來，便顯著地降低了GPS測量工作的效率[3]。

實時動態測量的基本原理：在基準站上安裝一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛星進行連續地觀測，并將其數據通過無線電傳輸設備，實時地發送給用戶觀測站。在用戶觀測站上，GPS接收機在接收GPS衛星信號的同時，通過無線電輸出設備，接收基準站傳輸的觀測數據，然后根據相對定位的原理，實時地計算并顯示用戶的三維坐標，其精度可達厘米級。這樣通過實時計算的定位結果，便可檢測基準站與用戶站觀測結果的質量和結算結果的收斂情況，從而可實時地判定結算結果是否成功，以減少冗余觀察，縮短觀測時間，保證觀測結果的實時性。

在具體實施中，本方案基準站選擇中海達VNet6專業型參考站接收機，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系統專用接收機。可以通過RS232接口或網線接口進行實時數據傳輸，同時借助于高性能的內置處理器，可以實現高達20Hz的數據采樣率。移動基站選擇中海達雙頻 RTK 定位定向儀ZDT820，它是一款一機雙天線平板電腦，該平板為android系統采用國際名牌天寶 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，信號接收穩定，提供實時高精度GNSS 定位定向數據，可全天候實時記錄數據。具有超長距離 RTK 作業技術，突破傳統 RTK 作業距離，發揮更高經濟效益。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到±8mm+1ppm，高程上RTK靜態、快速靜態平面精度達到± 2.5mm+1ppm。靜態、快速靜態高程精度達到±5mm+1ppm。

為了獲取堆料機大臂的俯仰角度信息，需要安裝兩個GPS天線，根據根據“兩點確定一條直線”原理，可計算得到俯仰角度。GPS天線選擇中海達GNSS雙頻高增益天線，兩個天線分別安裝在堆、取料機大臂的護欄外側。為保證傳輸信號不受障礙物干擾，安裝高度大于大臂護欄1.5米。天線設備通過專用通訊電纜與ZDT820主機相連，實時提供位置、方向等信息。為確保通訊的可靠性，GPS基站和堆料機之間采用兩個獨立的通訊方式，無線電通訊與以太網通訊，其中 UHF無線電作為主要通訊方式，以太網Ethernet為第二通訊方式。在RTK作業模式下，移動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，同時還采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結果，歷時不到一秒鐘。移動基站通過MOXA串口服務器與交換機與PLC相連，將移動基站解算后的定位結果傳入PLC控制系統。

4 軟件設計與實現

當堆料機的俯仰數據出現不準甚至錯亂致使堆料機報故障不能自動作業的情況下，根據編碼器計數值計算得到堆料機俯仰角度值的過程和方法，對GPS測得的俯仰角度值進行反推，得到編碼器的模擬計數值N7[81]，用模擬計數值N7[81]替代編碼器真實計數值N7[80]并參與到堆料機的PLC控制中。本文中GPS反推程序采用了add-on模塊化設計，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上推廣。

5 試驗數據分析

為了驗證本方法的可行性，對堆料機在作業過程中兩種數據進行了對比分析，在編碼器正常的情況下，程序上線后經過兩個小時觀察，兩者差值N7[79]值在±6之間，對應角度誤差在0.26°之間，符合堆料機現場作業的要求。

6 結論

經測試本文設計的堆料機俯仰角度GPS替代編碼器方案，具有實時性高，數據準確的優點，且在編程時引入add-on模塊化程序設計，使本方案具有很高的可移植性。在堆料機俯仰編碼器不準的情況下，能夠及時用GPS反推值進行替代，保證堆料機能夠繼續自動作業，具有一定的應用價值。

[1]徐麗霞．基于GPS和光電編碼器的車輛定位裝置的設計與實現．

[2]陳志同．基于SSI協議的絕對值編碼器通信接口研究．

[3]全球定位系統(GPS)實時動態(RTK)技術在公路勘測設計中的應用研究．