抓斗机构摆幅GPS定位系统、方法及介质与流程

抓斗机构摆幅gps定位系统、方法及介质
技术领域
1.本发明涉及工业控制技术领域，具体地，涉及一种抓斗机构摆幅gps定位系统、方法及介质。


背景技术：

2.现有卸船机的作业方式有两种：手动方式和半自动方式。手动卸船方式效率完全取决于司机的熟练程度，容易引起抓斗的摇摆，受人为因素影响较大，作业效率不稳定。半自动作业方式有两个缺点：一方面，需要司机不断手动设定和更新作业参数，作业适应能力不强，且存在较大的安全风险。
3.因此国内外桥式抓斗卸船机开始向着无人化自动化发展。
4.在宝钢原料码头12u1及12u2桥式卸船机上，现有的工作方式为在卸船机上设置司机室，司机控制整个作业过程。抓斗在大梁上向海侧船只方向移动的过程中司机会切换为自动控制，到达海侧限位点后司机切换为手动模式，手动控制抓斗下降至船舱抓料。完成抓料后卸料至料斗内也为司机手动操作。为实现桥式抓斗卸船机的自动化，解决抓斗在抓料卸料时的实时定位和抓斗的摆幅检测，达到控制闭环的目的。如何实现在现场复杂的工况环境下进行对抓斗位置及摆幅的有效检测，成为了我们的首要任务。
5.gps设备：分为惯导式和非惯导式两种；
6.dtu设备：通讯方式为网络传输，采用插sim卡的形式，支持国内3大运营商网络。
7.专利文献cn108313870a(申请号：201810219737.0)公开了一种节能型桥式抓斗卸船机，包括抓斗、主钢结构、小车、起升机构系统和滑块设施；主钢结构包括前门架、后门架、大梁和钢轨；前门架和后门架支撑在码头上，前门架和后门架上设置有大梁，大梁位于码头和船舶的上方，大梁上设置有钢轨；小车的底部设置有钢轮，钢轮在钢轨上前后方向运行；抓斗的顶部设置有第一抓斗改向滑轮，第二抓斗改向滑轮和第三抓斗改向滑轮，第二抓斗改向滑轮和第三抓斗改向滑轮位于第一抓斗改向滑轮的两侧。节能型桥式抓斗卸船机是对抓斗及卸船机整体机械结构重新设计，侧重于机械结构方面的改造达到节能的目的，而本发明针对与抓斗的定位功能，对抓斗平台处进行改造和安装防护设备，目的是为了实现抓斗的实时定位功能，与上述节能型桥式抓斗卸船机方向不一致。


技术实现要素：

8.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种抓斗机构摆幅gps定位系统、方法及介质。
9.根据本发明提供的抓斗机构摆幅gps定位系统，包括：
10.抓斗机构、防护罩、惯导gps设备、dtu通讯模块、供电电池、地面gps差分基站、地面计算机和摆幅检测系统；
11.所述抓斗机构、惯导gps设备、dtu通讯模块和供电蓄电池之间互连，都安装在防护罩内；
12.所述地面计算机链接一个dtu通讯模块，抓斗机构上移动站链接一个dtu通讯模块，通过两个dtu通讯模块点对点之间的通讯完成gps定位数据的收集；
13.所述dtu通讯模块链接地面gps差分基站，接收差分信号进行差分处理，得到用于计算的gps定位数据；
14.所述摆幅检测系统与dtu通讯模块链接，对收集的gps定位数据进行算法计算，实时判断抓斗机构的状态。
15.优选的，所述判断抓斗机构的状态包括：通过摆幅检测系统检测摆幅是否控制在30cm内，若摆幅控制在30cm内，则判定为检测合格，抓斗机构正常运行；反之，判定为检测不合格，对抓斗机构进行改善直至检测合格。
16.优选的，惯导gps设备选用ins-d，工作参数为：工作温度-40℃～ 70℃，供电电压为9v～36vdc，功耗2.6w，通讯接口包括rs-232，rs-422和rs-485，尺寸120mm
×
50mm
×
53mm，重量320g。
17.优选的，所述dtu通讯模块一端链接惯导gps设备ins-d，另一端链接地面gps差分基站，对抓斗机构上回传的gps定位出的经度、纬度、高程信息进行差分处理。
18.优选的，抓斗机构上设备供电采用蓄电池供电的方式，选用蓄电池容量20ah。
19.优选的，蓄电池成套封装外设有两个外接口，同时满足惯导gps设备和dtu通讯模块的供电需求。
20.优选的，利用设备停机时间，从抓斗机构安装支架卡槽取出原有电池换上备用电池后，重新将惯导gps设备及dtu通讯模块电源插座接到蓄电池插口上，完成电池更换。
21.优选的，所述防护罩内部惯导gps设备、dtu通讯模块、供电电池均采用焊接和膨胀螺丝打孔固定的方式连接；防护罩通过在防护罩底板四角打孔，螺丝固定的方式和抓斗机构连接。
22.根据本发明提供的抓斗机构摆幅gps定位方法，包括：
23.获取经度、纬度步骤：获取抓斗机构gps定位的实时数据；
24.坐标还原步骤：根据gps的实时数据包括定位的经度、纬度坐标进行坐标还原，得到本地的东北天坐标；
25.接收小车位置数据步骤：通过和plc通信，获取小车的位置信息；
26.摆幅计算步骤：通过本地的东北天坐标获取抓斗在小车方向的实时位置，摆动绳长，通过和小车的实时位置进行计算，换算出抓斗机构相对于小车的摆幅。
27.根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
28.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
29.1、本发明提供一种抓斗摆幅gps定位系统，通过对摆幅的计算和换算，实现卸船机自动卸船过程中的抓斗精确定位及摆幅检测，有效形成控制闭环，防止自动卸船时抓斗撞击船舱；
30.2、本发明提高了作业精度，降低了劳动强度；
31.3、本发明的gps定位系统粒度最小工作单元，其功能内聚且相对独立，可在相似的桥式抓斗卸船机上进行推广。
附图说明
32.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
33.图1为抓斗平台示结构意图；
34.图2为安装防护罩结构示意图；
35.图3为安装防护罩结构示意图；
36.图4为安装防护罩设计图；
37.图5为摆幅检测系统架构图；
38.图6为测试程序图，纵坐标表示的是抓斗移动的距离，横坐标表示的时间。
具体实施方式
39.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
40.实施例1：
41.本发明主要解决的技术问题是提供一种抓斗摆幅gps定位系统，该系统由抓斗机构安装支架防护罩、惯导gps设备及天线、dtu通讯模块、供电蓄电池、地面gps差分基站、摆幅检测系统组成。
42.针对卸船机的复杂工况设计了防尘、防振的安装支架防护罩来容纳惯导gps设备、dtu通讯模块、供电蓄电池。需保持gps天线及dtu天线直立牢固，选取最佳安装位置，减少来自顶部阻挡的影响。地面计算机链接dtu设备，通过两个dtu点对点之间的通讯完成数据的收集。地面计算机摆幅检测系统对gps位置信息进行算法计算，实时判断抓斗状态是否达到摆幅控制在30cm内。
43.算法如下：
44.pi＝3.1415926535897932
45.earth_a＝6378137.00
…………
//地球椭圆长半轴
46.earth_b＝6356752.3142
…………
//地球椭圆短半轴
47.earth_e＝sqrt(1-pow((earth_b/earth_a),2))
…………
//地球第一偏心距
48.squared_e＝(1-pow((earth_b/earth_a),2))
…………
//地球第一偏心距的平方
49.doublew,s,g；//w：经度，g：纬度，s：高度
50.l＝w*pi/180；
51.b＝s*pi/180；
52.h＝g；
53.doublen＝earth_a/sqrt(1-squared_e*sin(b)*sin(b))；
54.origin[0]＝(n h)*cos(b)*cos(l)；
[0055]
origin[1]＝(n h)*cos(b)*sin(l)；
[0056]
origin[2]＝(n*(1-squared_e) h)*sin(b)；
[0057]
doubler[3][3]；
[0058]
doublex1,y1,z1；
[0059]
x1＝(n h)*cos(b)*cos(l)-origin[0]；
[0060]
y1＝(n h)*cos(b)*sin(l)-origin[1]；
[0061]
z1＝(n*(1-squared_e) h)*sin(b)-origin[2]；
[0062]
r[0][0]＝-sin(b)*cos(l)；
[0063]
r[0][1]＝-sin(b)*sin(l)；
[0064]
r[0][2]＝cos(b)；
[0065]
r[1][0]＝-sin(l)；
[0066]
r[1][1]＝cos(l)；
[0067]
r[1][2]＝0；
[0068]
r[2][0]＝cos(b)*cos(l)；
[0069]
r[2][1]＝cos(b)*sin(l)；
[0070]
r[2][2]＝sin(b)；
[0071]
localpos[3]；
…………
//返回局部坐标
[0072]
localpos[0]＝r[1][0]*x1 r[1][1]*y1；
[0073]
localpos[1]＝r[0][0]*x1 r[0][1]*y1 r[0][2]*z1；
[0074]
localpos[2]＝r[2][0]*x1 r[2][1]*y1 r[2][2]*z1。
[0075]
计算公式：摆动距离＝localpos[1]-小车实际位置；换算公式：摆幅角度＝arcsin(摆动距离/摆动绳长)。
[0076]
实施例2：
[0077]
根据本发明提供的抓斗机构摆幅gps定位系统，包括：
[0078]
惯导gps设备选用ins-d，其工作参数为：工作温度-40℃～ 70℃，供电电压9v～36vdc，功耗2.6w，通讯接口rs-232，rs-422，rs-485。尺寸120mm
×
50mm
×
53mm，重量320g。用dtu设备连接地面基站接收差分信号进行差分处理。dtu通讯模块一端连接ins-d，gps本体，另一端链接地面基站、工控机，对抓斗平台上回传信息进行处理，两个dtu通讯模块之间点对点通讯。
[0079]
因抓斗平台上存在供电困难的问题，经过研究设计后，在抓斗平台上设备供电采用蓄电池供电的方式，选用蓄电池容量20ah，可供gps设备及dtu设备使用48小时以上。蓄电池成套封装外设有两个外接口，可同时满足gps和dtu设备的供电需求。蓄电池充电周期为7小时，按现场生产模式为4班两运转考虑，一班时间为12小时，为配合现场生产模式，对供电蓄电池进行维护更换操作。配套2套备用蓄电池用作更换。更换操作简易，班组轮换时，利用设备停机时间，仅需操作人员从抓斗平台支架卡槽取出原有电池换上备用电池后，重新将gps设备及dtu设备电源插座接到蓄电池插口上即可。
[0080]
所述的抓斗平台如图1所示。安装支架防护罩如图2、3所示。防护罩机械设计图如图4所示。
[0081]
其中防护罩内部gps模块、通讯模块、电池等均采用焊接和膨胀螺丝打孔固定的方式连接。防护罩和整个抓斗平台连接，同样通过在防护罩底板四角打孔，螺丝固定的方式和抓斗平台连接。
[0082]
摆幅检测系统流程图如图5所示。
[0083]
获取经度、纬度模块：用于获取gps定位的实时数据。
[0084]
坐标还原模块：根据gps定位的经、纬度坐标进行坐标还原，得到本地的东北天坐标。
[0085]
接收小车位置数据模块：通过和plc通信，获取小车的位置信息。
[0086]
摆幅计算模块：通过坐标还原数据模块获取抓斗在小车方向的实时位置，通过和小车的实时位置进行计算，换算出抓斗相对于小车的摆幅。
[0087]
输出抓斗摆幅给控制系统，控制系统根据抓斗的摆幅进行相应的防摇策略。
[0088]
测试的数据如图6所示，纵坐标s表示的是抓斗移动的距离，横坐标t表示的时间。通过数据分析可以知道抓斗从零点静止然后经过一段时间加速，然后匀速移动，最后在一个取料点上方来回摆动，这和实际抓斗的轨迹是相符的。最终得出惯导gps能够很好的检测到摆动的抓斗的位置。
[0089]
在宝钢原料码头12u1处根据基本设计和相关技术要求，完成了gps定位系统抓斗摆幅检测相关测试工作。惯导式gps设备、供电蓄电池、dtu通信模块成套安装在卸船机抓斗平台处。地面计算机链接dtu设备，通过两个dtu点对点之间的通讯完成数据的收集。地面计算机对gps位置信息进行算法计算，实时判断抓斗状态。通过图6的数据，可以得出，gps定位误差在5cm范围内，定位精度满足卸船机抓斗定位要求。
[0090]
防摇策略是指计算机将来自dtu的gps，信息反馈给自动控制系统后，自动控制系统接收到抓斗摆幅位置信息，判断当前抓斗状态，从控制上对抓斗发出减速、等待等指令，将摇动控制在工艺允许的误差范围之内后再进行抓斗的下降抓料等后续工艺动作。
[0091]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0092]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
[0093]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。