基于北斗RTK的正面吊防碰撞系統(tǒng)的研究

周傳彬

（中鐵上海設(shè)計院集團有限公司，上海 200070）

1 基于北斗RTK的正面吊防碰撞系統(tǒng)架構(gòu)

基于北斗RTK的正面吊防碰撞系統(tǒng)包括信號采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)。其中，信號采集系統(tǒng)包括正面吊定位終端、定位安全帽和定位手持機；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用基于北斗RTK高精度定位算法和正面吊防碰撞算法；顯示系統(tǒng)為正面吊車載終端和鐵路貨運作業(yè)安全管理協(xié)同平臺。正面吊定位終端、定位安全帽、定位手持機和車載顯示屏可通過公網(wǎng)或者專網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互，防碰撞算法部署在車載終端中，可保障實時處理數(shù)據(jù)和告警輸出，所有告警日志和終端軌跡等數(shù)據(jù)可同步至鐵路貨運作業(yè)安全管理協(xié)同平臺，以便后續(xù)進行數(shù)據(jù)分析處理和使用。其總體框架圖如圖1所示。

圖1 總體框架圖

2 基于北斗RTK的高精度定位算法

基于北斗RTK的高精度算法是以載波相位為基礎(chǔ)的實時差分定位技術(shù)的北斗定位算法，利用兩臺及以上的北斗定位終端接收北斗信號，其中一臺安置在已知坐標(biāo)點上作為基站，其他接收機作為移動站[1,2]，通過公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)將其觀測值和觀測坐標(biāo)信息一起發(fā)送給移動站，基站通過RTK高精度算法對觀測數(shù)據(jù)進行實時處理，獲得接收機的定位結(jié)果。

基于北斗RTK的正面吊防碰撞系統(tǒng)需要對正面吊和工作人員進行定位，正面吊定位終端在正面吊上外置可延長天線，人員定位終端則采用內(nèi)置小型全方向天線的安全帽作為北斗定位終端，各定位終端偵測到北斗信號后通過公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)向正面吊終端設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，通過相對定位的原則實時計算并顯示各定位終端的坐標(biāo)，其精度可達厘米級。為保證各定位終端在室外環(huán)境安全、穩(wěn)定地運行，需要滿足復(fù)雜環(huán)境中長時間、高精度、高可靠性的應(yīng)用需求。

由于厘米級北斗RTK使用成本較高，且在本系統(tǒng)中正面吊定位和人員定位均需使用到該技術(shù)，故可采用差分共享的方法進行多終端單賬號運行，即通過定位終端設(shè)備從cors系統(tǒng)獲取到RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)共享給附近其他定位終端，在共享過程中需同時以子設(shè)備編號進行數(shù)據(jù)隔離，區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)來源的無線終端設(shè)備。

3 正面吊防碰撞算法的研究

3.1 正面吊防碰撞算法總體設(shè)計

正面吊防碰撞算法主要是針對正面吊作業(yè)期間與人員的碰撞風(fēng)險進行分析預(yù)測。通過可穿戴設(shè)備對正面吊作業(yè)輔助人員進行高精度定位，實時將人員位置回傳給系統(tǒng)后臺，但正面吊為大型作業(yè)機械，其本身體積遠大于亞米級，故僅僅依靠高精度定位不足以預(yù)測人員與機械之間的碰撞危險，需結(jié)合正面吊的外觀形態(tài)，在定位數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過算法建立正面吊輪廓外延的位置數(shù)據(jù)，即可模擬出所有可能發(fā)生碰撞的位置數(shù)據(jù)，從而判斷人員與其碰撞的可能性。

在判斷時首先需要對正面吊吊裝作業(yè)過程中和行駛過程中的整車運動姿態(tài)分別進行計算，模擬其碰撞范圍，以貼近鐵路貨場實際作業(yè)中出現(xiàn)碰撞風(fēng)險的場景。同時，針對不同型號正面吊的車身尺寸差別，可在算法公式中代入不同車型參數(shù)，更精確地計算出符合該車型特征的碰撞防護范圍。

3.2 正面吊防碰撞體積建模設(shè)計

（1）在正面吊進行原地吊裝作業(yè)過程中，可將車上所有點近似地看作以兩個非轉(zhuǎn)向輪中心點為圓心的圓周運動，本研究暫不考慮非轉(zhuǎn)向輪，因為輪胎側(cè)偏角而產(chǎn)生的回正力矩會導(dǎo)致在轉(zhuǎn)彎時存在的少量側(cè)偏角，僅從正面吊整體轉(zhuǎn)向動作進行模擬。正面吊原地吊裝作業(yè)范圍如圖2所示。

圖2 正面吊原地吊裝作業(yè)范圍

由于吊臂可伸縮，車前碰撞范圍會根據(jù)吊臂伸縮量變動，在正交坐標(biāo)系中，圓心到吊具邊緣最遠點的距離為r，當(dāng)?shù)醣圻_到最大長度時，該距離可通過（MAX臂－軸距）和夾具的半長（1/2MAX F）兩者數(shù)，通過勾股定理計算出具體算式為r=(L2+(1/2MAX F)2)1/2。

正面吊后方碰撞范圍則可近似看作一端在圓心，長度為L'（車長－車輪半徑）的線段，沿圓心旋轉(zhuǎn)所覆蓋的區(qū)域，考慮到正面吊操作規(guī)范中對車后人員最小離車距離為8 m的要求，該線段在實際計算中應(yīng)代入（L'+8 m）。

由于整個吊裝作業(yè)涉及的作業(yè)面有可能超過180°，故無法以單一的車前或車后碰撞范圍為唯一判斷依據(jù)，在最安全方案選擇情況下，可以兩者中較大者為最終安全范圍的判斷參數(shù)。正面吊行駛影響范圍如圖3所示。

圖3 正面吊行駛影響范圍

（2）在正面吊非旋轉(zhuǎn)作業(yè)的過程中，無論直線行駛還是處于原地未熄火狀態(tài)，正面吊更接近于一個矩形碰撞物體。對于非圓形的碰撞物體，需確認每條邊范圍才可確定整個碰撞范圍。由于基于北斗RTK定位的位置信息為單點的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，故需采集正面吊中心軸上至少2個點位的定位信息，才能實時模擬出正面吊的行進方向及碰撞范圍。本研究中擬將RTK的2個定位天線分別外置固定于正面吊的尾部和夾具前端與中心軸相交的位置，其中Ant01代表車頭方向，Ant02代表車尾方向。這樣中心軸先后穿過Ant01、Ant02向外延伸8 m處，與中心軸垂直的線即為尾部安全線，在Ant01處與中心軸垂直的線為前方碰撞線，中心軸分別往兩邊平移（夾具半長+8 m）可得到兩側(cè)作業(yè)安全線。由此4根直線組成矩形的正面吊碰撞防范區(qū)。

在直角坐標(biāo)系中，不同的點面是否相交算法也可通過常用的射線法進行自動判定，基本原理為從人員定位點出發(fā)引一條射線，看這條射線和正面吊碰撞范圍所有邊的交點數(shù)目，如果有奇數(shù)個交點，則說明在內(nèi)部，如果有偶數(shù)個交點，則說明在外部。

（3）以上兩個算法的共同特點是，可根據(jù)不同型號的車輛可設(shè)定不同的吊具最大寬度、軸距、最大吊臂長等基本參數(shù)，模擬出該車型真實的碰撞范圍，而不是采用固定值進行判斷，同時可通過對閾值余量調(diào)整，在不同碰撞風(fēng)險臨界點通過系統(tǒng)記錄或輸出不同告警。如不加碰撞距離余量則可模擬出任意一個定位終端是否在正面吊作業(yè)的絕對碰撞范圍（實際可能觸達的范圍）內(nèi)，這是碰撞事故是否發(fā)生的臨界點，一般作為追溯事故原因或極限告警使用，而加了8 m的安全作業(yè)距離的閾值可作為風(fēng)險告警或違規(guī)記錄的算法變量代入值。正面吊碰撞算法判斷流程如圖4所示。

圖4 正面吊碰撞算法判斷流程

4 顯示系統(tǒng)

（1）車載報警設(shè)備。當(dāng)人員與正面吊的任意一點相對距離小于操作規(guī)范要求的安全距離（一般為8 m）時，車載主機通過RS-485接口或藍牙等無線方式控制車外聲光報警器進行報警輸出，同時車載屏彈窗提示風(fēng)險，司機可通過任意一個報警輸出及時進行避險操作。

（2）安全帽與手持機語音報警。安全帽與手持機除定位功能外，還可集成集群對講等基本能力，遇到碰撞風(fēng)險可由車載主機通過藍牙或Wi-Fi方式下發(fā)報警指令，安全帽或手持機輸出震動及語音提示報警信號。

（3）正面吊緊急制動。車載報警設(shè)備可與正面吊操作系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，在人員與正面吊的位置處于已進入緊急制動區(qū)域時，若正面吊司機未進行手動操作則由車載主機發(fā)起緊急制動指令，避免發(fā)生事故。

5 與其他防碰撞技術(shù)對比

（1）ADAS攝像頭防撞系統(tǒng)。ADAS攝像頭防撞系統(tǒng)通過攝像頭圖像傳感器（完成圖像處理與視覺識別）獲取環(huán)境影像信息，是機器視覺在車輛上的應(yīng)用，是汽車獲取環(huán)境信息的第二大來源。如果應(yīng)用在正面吊上，在路徑偏離、行人識別、限速標(biāo)識牌識別方面具有獨到之處，同時可以疊加障礙物種類識別，能捕捉物體形狀及細節(jié)，適用于對復(fù)雜駕駛環(huán)境的分析和處理。但是在正面吊的作業(yè)環(huán)境中，行駛環(huán)境相對簡單，行車速度有限，主要偏重對作業(yè)過程的防碰撞設(shè)計，所以該系統(tǒng)的優(yōu)勢難以發(fā)揮，且其對環(huán)境亮度要求較高，雨霧天氣視距縮短的短板比較明顯。

（2）激光雷達防撞系統(tǒng)。多線激光雷達可獲取環(huán)境空間的三維尺寸信息，激光雷達傳感器的目標(biāo)識別效果取決于掃描激光線束的多少，它是通過多線束對環(huán)境進行2D或者3D掃描，通過從物體反射回來的激光來確定物體的距離，激光發(fā)射線束越多，一定時間內(nèi)對目標(biāo)的信息采集就越多。由于激光雷達會受粉塵、雨霧天氣影響，一般在汽車上多線激光雷達會結(jié)合其他傳感器來實現(xiàn)避障，且產(chǎn)品規(guī)格多，3D掃描激光雷達成本較高，距離越遠線束越多成本就越高，受雨雪霧霾粉塵等影響明顯，所以也不適合使用在正面吊防碰撞系統(tǒng)中。

另外還有單線激光雷達技術(shù)，通過發(fā)射激光線束進行探測，并根據(jù)區(qū)域內(nèi)各點與掃描儀的相對位置返回由極坐標(biāo)表達的測量值即測量物體與掃描儀掃描中心之間的距離和相對角度。但其探測范圍很有限，僅用于測距，一般不單獨用于環(huán)境感知，或者僅用于特定環(huán)境場合。

綜合來看，通過分析各種技術(shù)本身的優(yōu)劣勢可知，北斗RTK高精度定位技術(shù)最大的特點在于可以實時采集車輛、人員等作業(yè)場景中主要元素的絕對地理位置，而不是只通過分析以上主要元素的相對位置來預(yù)測碰撞風(fēng)險。

6 結(jié)束語

本文設(shè)采用基于北斗RTK的高精度定位算法和正面吊防碰撞算法，采用了基于北斗RTK的高精度定位算法和正面吊防碰撞算法。當(dāng)正面吊在鐵路貨場進行集裝箱裝卸作業(yè)時，能夠通過告警或者緊急制動對可能發(fā)生的事故進行預(yù)警和控制，可以有效地防止正面吊在行駛和裝卸過程中與作業(yè)人員碰撞的事故發(fā)生，避免因此產(chǎn)生的人員傷亡和經(jīng)濟損失，不僅提升了貨場綜合管理能力和安全作業(yè)管控能力，而且進一步提高了鐵路貨運在信息化物流行業(yè)的綜合地位。■