用于轮胎式龙门集装箱起重机的卫星定位系统移动站 【技术领域】
本发明涉及集装箱起重机，特别涉及一种用于轮胎式龙门集装箱起重机(RTG)的卫星定位系统(GPS)移动站。
背景技术
国际贸易，离不开集装箱运输，因而带动了集装箱装卸机械的发展。航运界激烈竞争，出现了集装箱船的大型化，促进了港口集装箱机械加速更新换代，其中，尤令人关注的是，轮胎式龙门集装箱起重机(RTG)的需求量近年来不断上升。与此同时，其技术参数也日益变大，譬如，起升高度从堆三过四、堆四过五一直提高到目前的堆五过六；现在堆六过七的RTG也开始出现。起升速度由过去的每分钟15～16米提高到20～23米，近年来又有加大到32米的趋势。起重量由吊具下30.5吨变为40吨，近年来出现了50吨和吊双箱趋势。同时，自动化要求也不断被提高，如小车和起升的半自动运行，以及司机作业自动管理软件等已逐渐变得普遍。
但是，与有轨道的装卸设备相比，RTG虽然有转场灵活的优点，却一直存在着下列两个问题：
1、位置监控
由于没有固定轨道，RTG无法用传统的编码器来检测其相对于堆场的位置，使码头管理软件无法得知当前集装箱的堆放位置，因而不利于实现箱位自动管理。如何监控RTG的大车位置，成为使箱位管理自动化从而提高工效的课题。
2、大车纠偏
由于没有固定轨道，且RTG本身结构地限制，大车在行驶时，司机必须不断进行纠偏。这样，一方面司机作业易受疲劳，另一方面随着堆码箱数的增加(如堆六过七)，司机将愈来愈困难地看清跑道基准线，尤其在晚上。
自RTG问世以来，制造厂和科研部门都在研究解决上述两个问题。比较有成效的大车位置监控方法，是在RTG跑道上每隔3～4米埋设代码传感器，并在机上安装感应设备，通过每个传感器的不同代码来鉴别RTG在堆场上的位置，然后再通过RTG自身的编码器来测知和控制箱位。其缺点是，需在码头上埋置传感器，其工作量大，且因传感器间隔埋置，无法连续监测大车位置；因RTG振动而发生信号读取不可靠的现象；在传感器损坏时不易更换，且软件修改困难。
自动纠偏通常采用两种方法：一是同上述大车位置监控系统相结合，通过感应设备检测与代码传感器的偏离来计算车轮偏移；二是在跑道上画黑白分明的两条基准线，并在机上装设两个摄像头。前者的缺点如上所述，代价高，可靠性差；后者的缺点是基准线易受污染，且系统无法同大车位置监控相结合。
目前市场上存在着不同规格和精度的全球卫星定位系统(GPS)接收设备，譬如接收频率有单频和双频的，处理精度有米、分米、厘米级和毫米级的，更新速率有20HZ、10HZ及更小的，还有内置处理技术分为差分定位系统(DGPS)和实时动态差分技术(RTK)的。这些规格的不同决定了GPS设备的精度、可靠性、稳定性和响应快慢，也将会对GPS在RTG的应用带来很大的差别。
【发明内容】
为了解决上述问题，本发明的任务是提供一种用于轮胎式龙门集装箱起重机的卫星定位系统移动站，它能使轮胎式龙门集装箱起重机(RTG)既保持转场灵活，又能象轨道式龙门起重机(RMG)一样保证大车运行稳定可靠，准确报告箱位，使箱位管理具有高度自动化。
本发明的技术方案如下：
一种用于轮胎式龙门集装箱起重机(RTG)的卫星定位系统移动站，它包括全球卫星定位系统(GPS)接收器和轮胎式龙门集装箱起重机上的大车编码器，所述移动站包括全球卫星定位系统接收器，无线接收电台，大车编码器以及控制处理器和可编程逻辑控制器(PLC)；所述移动站利用全球卫星定位系统的载波相位实时动态差分技术(RTK)，获得高精度的移动站三维坐标，送至控制处理器获得轮胎式龙门集装箱起重机的当前大车位置和大车车轮离大车跑道中心线的偏移量；同时控制处理器接收并计算由轮胎式龙门集装箱起重机上的大车编码器发出的信号，对前述利用全球卫星定位系统计算获得的轮胎式龙门集装箱起重机的大车位置和大车车轮偏移量进行检验，并推算由控制处理器获得的大车车轮偏移量，通过数模转换器(D/A)转换成4～20MA电流信号或直接通过串行口传输到可编程逻辑控制器，控制轮胎式龙门集装箱起重机实现大车自动纠偏；另一方面，由控制处理器计算获得的轮胎式龙门集装箱起重机的大车位置通过串行口传输到可编程逻辑控制器，实现轮胎式龙门集装箱起重机集装箱作业的自动记录。
本发明在进行全球卫星定位系统(GPS)选型时，充分考虑了RTG的如下特点：
1、对大车速度反映快
目前大车速度普遍处于90米/分钟～120米/分钟，即1.5～2米/秒钟。故GPS的位置反应速度应不低于1HZ，以保证大车位置的及时更新。
2、检测精度要高
码头堆场的箱位布置通常都比较紧凑，相邻箱区的两台RTG在交错时，安全间距在750毫米左右。故本发明要求GPS在起重机上的位置检测精度应不大于2厘米，以适用于大车位置监控和自动纠偏控制。
3、初始化时间要短
GPS系统在启动初期，需要一段时间用于跟踪锁定卫星以获得位置精度。一般这个时间不大于3分钟，司机操作必须服从这个习惯。
本发明的GPS系统可以实现如下功能：
1、箱位管理
码头堆场集装箱的箱位管理，根据理货部门的规定都有自己的习惯，各港不尽相同，但是一般都呈如下模式：理货操作部把当日要装卸的集装箱，根据原先计划安排好并储存在码头主机中的位置，通过对讲机系统(有些码头通过无线电系统把信息显示在司机室监控屏上)，把箱子代码和位置(如几号箱区几号位置等信息)告知司机，司机再把车开到对应位置操作。其缺点是，RTG控制系统因缺乏大车的位置而无法把客观的箱位情况反馈给码头管理系统。配备了GPS系统以后，RTG就能够自动检测当前所处位置，并能够对正在装卸的集装箱实现位置和箱位的相互转换输出。这样，就达到以下目的：一是获得RTG每次装卸的箱子位置，实现自动统计；二是防止误操作，确认装卸计划与实际执行相一致，即保证集装箱被装/卸到了指定位置。
2、大车自动纠偏功能
利用GPS的位置信号，再通过可编程逻辑控制器(PLC)软件编程，使RTG能够在码头堆场大车行驶时进行自动纠偏。
3、辅助半自动功能
配备了GPS系统，有利于实现RTG包括起升、小车和大车的半自动功能，为今后更高自动化创立条件。
【附图说明】
图1是本发明的一种用于轮胎式龙门集装箱起重机的卫星定位系统移动站的组成示意图。
图2是本发明的一种用于轮胎式龙门集装箱起重机的卫星定位系统移动站的控制原理框图。
【具体实施方式】
本发明选用的是具有载波相位实时差分(RTK)技术的GPS系统，其配置如下：
配备一个GPS基准站，具体包括一个GPS双频接收器和一个调制无线发射电台，用于提供基准位置信号给起重机上的GPS移动站。
配置一个GPS移动站，具体硬件包括两个GPS接收器和一个公共无线接收电台，用于检测当前起重机所处位置，并接收基准站差分信号，从而获得厘米级的检测精度。位置信号将在主机运算后送至机上PLC，进一步进行箱位管理和自动纠偏等处理。
整个GPS系统结构精巧，安装简单，系统具有很强的独立性，对RTG的设计不产生任何结构上的影响。
移动站安装在RTG电气房内部，主要由GPS模块ST-CTL-0728-GPS(ST1001)、微处理器单元CTL-0728-CU(ST1002)、通信电台(ST1003)、交流稳压电源(ST1006)等组成，在RTG上还包括GPS天线(ST1004)、通信电台天线(ST1005)、通信电缆等。GPS接收差分基站的信息，将精度1～2cm的地理坐标信息，通过串行口发送到微处理器单元，微处理器同时采集编码数据，处理数据。面板上设有各种状态指示灯，表明设备加电、工作、定位、数据传输可靠性、链路质量等信息。偏移信息控制量转化为4～20MA的模拟信号给PLC控制部分，也可以根据用户需要通过标准RS232串行口输出数字量，控制大车沿预定的轨迹行使，并控制在有效精度范围内。
载波相位实时动态定位技术又称为实时动态差分技术(RTK)，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的，其实质就是载波相位测量相对定位。
GPS相对定位的方法是：将两台GPS接收机分别安置在基线的两端，同步观测GPS卫星以确定基线端点在协议坐标系中的相对位置或基线向量。由于有二台接收机同步观测卫星，同时卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差及电离层和对流层的折射误差对观测量的影响具有相关性，因此可以利用这些观测量的不同组合进行相对定位，可有效地消除或减弱上述误差，从而提高定位精度。
载波相位实时动态相对定位采用的是GPS接收机的载波相位观测值，即测定的是接收机基准信号与接收机收到的卫星载波信号之间的相位差。由于GPS卫星发射的载波频率高(L1载波：1575.42MHZ，L2载波：1227.6MHZ)，波长短(L1载波：19.05CM，L2载波：24.45CM)，所以，载波相位实时动态定位的精度可以达到很高。基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给移动站，移动站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时解算出移动站的三维坐标，并达到厘米级的高精度定位结果。
由于GPS接收机收到的卫星信号在通过大气层过程中受到了电离层的衍射、折射，影响了GPS定位精度，而系统本身又固有一些误差，导致单个GPS定位精度达到10M。为了减少并消除部分误差，提高定位精度，国际上通用的方法是差分。差分主要有两种：伪距差分和载波相位差分。本系统采用美国JPS公司的GPS来实现实时动态载波相位差分定位，以达到1～2CM的定位精度要求。
参看图1，本发明的控制系统主要包括控制中心、差分基站和移动站。
基准站接收卫星信号，采用GPS接收机的载波相位观测值，测定的是接收机基准信号与接收机收到的卫星载波信号之间的相位差。基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给移动站，移动站接收GPS卫星的载波相位和来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时解算出移动站的三维坐标。GPS数据通过串行口实时传输到工控机，工控机计算出当前点相对基准线的偏差，从而计算出控制量。该控制量通过D/A转换电路转换成4～20MA的电流信号送到PLC，或直接通过串行口将数据传输到PLC，控制RTG实现自动纠偏。另一方面，通过串行口输出当前RTG的位置坐标到PLC，通过计算机通信系统将数据发送到控制中心。
控制中心建立存储所有的集装箱位置的数据库，包括场箱位和高程信息以及货物、货主的信息；建立存储所有的轮胎吊轨道信息的数据库，包括基于地理坐标的场区的轮廓数据、轮胎吊行驶路线数据、集装箱运载卡车行驶路线数据、场箱位数据；建立当前轮胎吊位置信息和工作状态的数据库，表明当前轮胎吊处于空闲还是执行任务状态，轮胎吊的信息可以通过中心和轮胎吊之间的通信链路传输。所有这些位置数据都在控制中心的计算机屏幕上直观地显示出来。控制中心可以根据需要搬运的集装箱位置选择合适的空闲轮胎吊，并将集装箱位置和最佳行驶路线信息发送到轮胎吊。
差分基站接收卫星信号，生成差分GPS信息并通过230M或450或2.4G的通信链路广播出去，为保证可靠性可采用扩频技术。基站天线要架设在较高、较空旷的地点，可以保证差分信息的准确性，基站发送功率可根据场地范围做调整。
参看图2，移动站自动控制原理如下：
移动站由全球卫星定位系统(GPS)、工业微处理机(PC)、可编程逻辑控制器(PLC)以及D/A电路(根据不同的用户需要可选配)组成。由于车辆运行速度能达到2米/秒，所以要求GPS每秒输出1次位置数据，才能较好的控制其运行状态。GPS接收差分基站的信息，每秒输出1次精度1～2cm的地理坐标信息，通过串行口发送到PC机；同时采用编码器辅助控制，1秒内可输出由编码计数数据推导的偏差量，辅助控制轮胎吊大车更精确地行驶。
PC机中存储堆场信息，根据GPS信息，引导轮胎吊沿直线方向运行，辅助驾驶员的操作。途中根据GPS输出信息和道路信息实时显示大车位置、堆场状况和小车相对位置。经PC机运算后的大车位置偏移信息通过串行口传输到PLC，或通过D/A转换成模拟信号(电流)送到PLC。同时设备提供运行状态监控灯，表明设备加电、工作、定位可靠性等信息。
本系统具有扩展性，以备用于今后计算机通信(包括堆场X、Y位置信号)和地面主控中心通信，轮胎吊在工作过程中将工作状态及时反馈到控制中心。