基于编码器与GPS的单机俯仰角度双重定位系统的设计与实现

神华黄骅港务公司 杨文博

基于编码器与GPS的单机俯仰角度双重定位系统的设计与实现

神华黄骅港务公司 杨文博

在黄骅港堆料机已实现自动化作业背景下，针对在俯仰编码器损坏或数据不准造成堆料机不能自动作业且无法及时恢复的情况，本文设计了基于GPS数据的俯仰值替代方案。在硬件及软件设计完成的基础上，经过实际应用和真实的数据分析，验证了本方案的有效性，具有一定的实用价值。

堆料机；俯仰角度；编码器；GPS

0 引言

本文设计GPS定位系统，将GPS信息引入堆料机自动控制程序中，当编码器出现故障时，利用GPS俯仰角度值反推编码器计数模拟值，并用模拟值替代真实编码器计数，保证堆料机能够继续正常自动作业。在编码器故障排除后，恢复利用编码器的真实计数值，从而能够提高堆料机自动化作业的效率。

1 总体设计

图1 总体设计图

该系统总体设计图如图1所示，其主要硬件结构包括编码器数据采集单元、GPS定位系统和PLC控制系统[1]。编码器数据采集单元用于获得堆料机俯仰计数信号，作为堆料机常规俯仰控制数据来源，GPS定位系统用于获得GPS数据，当编码器出现问题时用以替代编码器计数，ControlLogix PLC控制系统将两种数据进行整合，参与到堆料机的自动控制程序中。

2 俯仰编码器及使用中存在的问题

绝对值编码器主要应用在运动控制方面，用来检测角度和位置等参数并将其转换为数字信号传送至控制器。较早的编码器多为旋转增量编码器，由于此类编码器是通过计数器计算编码器在转动时输出脉冲个数来测量当前位置，当编码器停电或者不转时，重新寻找零点非常困难，为解决此问题，即出现了绝对值编码器。绝对值编码器的光码盘上刻有多条光通道线，每条刻线依次以 2、4、8、16 线等2n编排，这样对于编码器码盘上的每一位置，通过读取每道刻线的暗与通，便可得到一组从20到2n-1的唯一的格雷码二进制数据。绝对值编码器又有单圈绝对值编码器与多圈绝对值编码器之分，由于黄骅港堆料机的俯仰角范围较小（正常使用时在±15°以内），因此单机上采用的是单圈对值编码器。在绝对值编码器的输出方式方面，可分为并行输出、串行同步输出、串行异步总线式输出、转换模拟量输出等[2]。因为并行输出方式具有输出即时，连接简单的特点，黄骅港单机直接采用并行传输方式将编码值传至1756-IB32输入模块中，控制器根据编码器数据输出端的不同位的高低电平情况，就可获知编码值。

但在编码器的使用过程中也存在着诸多的问题：

(1)编码器与堆料机俯仰轴机构靠齿轮组相连，这就要求齿轮之间必须要有很好的同轴度，但在实际安装过程中很难做到，因此在长时间使用之后便会出现编码器齿轮变形甚至是断齿的情况。齿轮因此运动传递出现误差，进而导致编码器出现大的编码错误。

(2)由于现场作业环境恶劣，在煤尘与水汽的侵蚀下，编码器的电气连接也会不同程度的出现问题，同样会使编码器编码值出现误差。

当编码器计数出现不准导致堆料机不能自动作业且又不能及时恢复时，为了保证作业效率，有必要引入GPS信息来替代编码器数据，保证堆料机能够不受编码器不准的影响。

3 GPS-RTK技术及其实现

GPS卫星定位系统的原理是利用GPS接收机接收从卫星播发的信息来确定观测点位的三维坐标。RTK（Real Time Kinematic）也即实时动态测量系统，是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统，是以载波相位观测量为根据的实时差分测量技术。GPS测量工作的模式有多种，如静态、快速静态、准动态、动态相对定位等。但是，利用这些测量模式，如果不与数据传输系统相结合，其定位结果均需通过观测数据的侧后处理而获得。由于观测数据在测后处理，所以上述各种测量模式，不仅无法实时地给出观测站的定位结果，而且也无法对基准站和用户站观测数据的质量进行实时地核实检查，因而难免在数据处理中发现不合格的观测结果。以前为解决这一问题，主要措施是延长观测时间，以获取大量的多余观测量来保障测量结果的可靠性。但是这样一来，便显著地降低了GPS测量工作的效率[3]。

实时动态测量的基本原理：在基准站上安装一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续地观测，并将其数据通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户观测站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电输出设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户的三维坐标，其精度可达厘米级。这样通过实时计算的定位结果，便可检测基准站与用户站观测结果的质量和结算结果的收敛情况，从而可实时地判定结算结果是否成功，以减少冗余观察，缩短观测时间，保证观测结果的实时性。

在具体实施中，本方案基准站选择中海达VNet6专业型参考站接收机，它基于天宝BD970主板，支持北斗B1/B2+GPS L1/L2/ L5 + GLONASS L1/L2+ SBAS，是目前市场真正支持高精度的多频多星CORS系统专用接收机。可以通过RS232接口或网线接口进行实时数据传输，同时借助于高性能的内置处理器，可以实现高达20Hz的数据采样率。移动基站选择中海达双频 RTK 定位定向仪ZDT820，它是一款一机双天线平板电脑，该平板为android系统采用国际名牌天宝 OEM 主板，集高精度GNSS，电台，3G模块为一体，三星多频，定位精度高，信号接收稳定，提供实时高精度GNSS 定位定向数据，可全天候实时记录数据。具有超长距离 RTK 作业技术，突破传统 RTK 作业距离，发挥更高经济效益。无需量取定向基线长度，也无需定位和定向天线在同一水平位置。平面上定位精度能达到±8mm+1ppm，高程上RTK静态、快速静态平面精度达到± 2.5mm+1ppm。静态、快速静态高程精度达到±5mm+1ppm。

为了获取堆料机大臂的俯仰角度信息，需要安装两个GPS天线，根据根据“两点确定一条直线”原理，可计算得到俯仰角度。GPS天线选择中海达GNSS双频高增益天线，两个天线分别安装在堆、取料机大臂的护栏外侧。为保证传输信号不受障碍物干扰，安装高度大于大臂护栏1.5米。天线设备通过专用通讯电缆与ZDT820主机相连，实时提供位置、方向等信息。为确保通讯的可靠性，GPS基站和堆料机之间采用两个独立的通讯方式，无线电通讯与以太网通讯，其中 UHF无线电作为主要通讯方式，以太网Ethernet为第二通讯方式。在RTK作业模式下，移动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，同时还采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到一秒钟。移动基站通过MOXA串口服务器与交换机与PLC相连，将移动基站解算后的定位结果传入PLC控制系统。

4 软件设计与实现

当堆料机的俯仰数据出现不准甚至错乱致使堆料机报故障不能自动作业的情况下，根据编码器计数值计算得到堆料机俯仰角度值的过程和方法，对GPS测得的俯仰角度值进行反推，得到编码器的模拟计数值N7[81]，用模拟计数值N7[81]替代编码器真实计数值N7[80]并参与到堆料机的PLC控制中。本文中GPS反推程序采用了add-on模块化设计，add-on具有较好的可移植性，因此可以方便本方法在其他单机上推广。

5 试验数据分析

为了验证本方法的可行性，对堆料机在作业过程中两种数据进行了对比分析，在编码器正常的情况下，程序上线后经过两个小时观察，两者差值N7[79]值在±6之间，对应角度误差在0.26°之间，符合堆料机现场作业的要求。

6 结论

经测试本文设计的堆料机俯仰角度GPS替代编码器方案，具有实时性高，数据准确的优点，且在编程时引入add-on模块化程序设计，使本方案具有很高的可移植性。在堆料机俯仰编码器不准的情况下，能够及时用GPS反推值进行替代，保证堆料机能够继续自动作业，具有一定的应用价值。

[1]徐丽霞．基于GPS和光电编码器的车辆定位装置的设计与实现．

[2]陈志同．基于SSI协议的绝对值编码器通信接口研究．

[3]全球定位系统(GPS)实时动态(RTK)技术在公路勘测设计中的应用研究．