技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种基于GNSS和INS的RTG大车自动行走控制系统。
背景技术
[0002] 轮胎式集装箱
门式
起重机(RTG)是集装箱码头作业的重要机械，其效率、安全、作业正确性对码头作业有着重要影响。随着集装箱码头自动化的发展，越来越多的集装箱码头公司关注或引进RTG远程操控系统。RTG远程操控系统利用了多
传感器定位技术、通讯技术、自动控制技术等，实时获取堆场集装箱堆码信息以及RTG大车、小车和吊具的
位置与运动状态，进行远程监控显示并实现由一个操作员根据远程控制操作多台RTG进行作业，最终实现远程自动化的安全生产。
[0003] 远程操控RTG大车行走是远程操控RTG大车进行作业的重要环节，因此RTG行走控制技术对实现远程操控RTG大车进行作业来说不可或缺。为了提高远程操作RTG作业的效率，需要RTG行走满足高
精度、高效率和高场地适应性。
[0004] 目前由操作人员远程控制RTG大车进行大车行走仍存在精度、效率等方面的问题。首先，RTG行走过程中会受到结构形变，胎压
不平衡、地面沉降不平衡等因素影响，在远程控制RTG大车进行大车行走时，会容易出现跑偏、扭曲以及形变等情况，RTG大车的行走精度依赖于操作员的操作技术以及光线、天气等其他外部因素，因此大车行走精度的
稳定性较差；
其次，吊箱作业需要RTG大车准确停到目标贝位，操作人员远程控制RTG大车进行停车很难一次完成，需要进行再次微调才能准确停到目标贝位，因而效率方面仍有进一步提高的空间。
发明内容
[0005] 为了克服
现有技术的上述缺点，本实用新型提供了一种基于GNSS和INS的RTG大车自动行走控制系统，可实现RTG大车基于目标指令的自动行走，并能控制RTG
姿态跑正、精准停止到设定的目标贝位上，同时在行走过程中，进行大车自动纠偏，实现
车轮中心线与场地车道线偏差的自动修正功能，有效提高大车行进的安全性，提高RTG作业效率。
[0006] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于GNSS和INS的RTG大车自动行走控制系统，包括GNSS实时参考站设备和RTG测量控制设备，其中：
[0007] 所述GNSS实时参考站设备包括GNSS
信号接收天线、差分信息生成模
块、
差分信号播发模块、差分信号发射天线和供电模块；所述GNSS信号接收天线用于实时接收GNSS导航信息并发送给差分信息生成模块，所述差分信息生成模块用于生成GNSS差分修正信息并发送给差分信号播发模块，所述差分信号播发模块用于将生成的GNSS差分修正信息通过差分信号发射天线进行播发，所述供电模块用于实时为差分信息生成模块和差分信号播发模块供电；
[0008] 所述RTG测量控制设备包括差分信号接收天线、差分信号接收模块、定位测姿模块、大车行走控
制模块和供电模块；所述差分信号接收模块用于实时接收差分校正信息并发送给定位测姿模块，所述定位测姿模块用于实时测量RTG大车的位置、速度和姿态，并传输给大车行走
控制模块，所述大车行走控制模块用于控制大车按照预设的速度行走并纠偏，所述供电模块用于实时为差分信号接收模块、定位测姿模块和大车行走控制模块供电。
[0009] 与现有技术相比，本实用新型的积极效果是：
[0010] 本实用新型采用多GNSS天线精准定位、测姿技术，并且与惯性导航技术相结合，大大增加了系统的
冗余度，从而保障了RTG大车高精度定位、测姿的连续性；综合利用高精度定位测姿技术和先进的控制技术，能够控制RTG大车高效稳定行走及精准停车，提高作业效率。具体优点如下：
[0011] 1、利用4个GNSS天线安装在RTG的四个
角的顶端，依据天线与RTG的固连关系，基于多天线高精度定位及相对位置自适应估计技术，可以以几个天线的相对位置姿态来准确反映RTG的空间位置与姿态再结合精确的场地GIS地图以及GNSS/INS组合导航技术，能够有效降低遮、多径等复杂环境对定位连续性的影响，在保证定位测姿精度的同时，提高测量的连续性和稳定性。
[0012] 2、本系统融合了RTG大车自动行走和自动纠偏功能，能够实现基于目标指令的RTG大车自动行走和停车，从而降低操作员的作业强度。
[0013] 3、利用
速度曲线自适应选择技术，能够根据目标距离选择匹配的速度曲线，从而提高RTG大车自动行走效率。利用高精度定位测姿技术可进一步提高大车定位精度，结合先进的控制技术，能够保证RTG大车自动停车的精度，减少大车位置二次调整的概率。
[0014] 综上，本实用新型实现了RTG大车自动行走和停车功能，在降低RTG大车操作人员劳动强度的同时，能够有效提高作业效率。
附图说明
[0015] 本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0016] 图1为GNSS实时参考站设备组成和工作原理图；
[0017] 图2为RTG测量控制设备组成和工作原理图；
[0018] 图3为RTG测量控制设备的定位测姿模块组成及原理图；
[0019] 图4为RTG测量控制设备的大车行走控制模块组成及原理图。
具体实施方式
[0020] 本实用新型提供了一种基于GNSS和INS的RTG大车自动行走控制系统，可实现RTG大车基于目标指令的自动行走和精准停车，并且行走过程中实现车轮中心线与场地车道线偏差的自动修正。该控制系统在有效提高RTG大车行走、停车准确性的同时，提高RTG大车行走的效率，是RTG作业实现自动化的重要环节。
[0021] 本实用新型所需设备包含GNSS实时参考站设备和RTG测量控制设备。GNSS实时参考站设备安装于固定、开阔、无遮挡环境下，为RTG定位提供位置修正信息，从而提高RTG定位精度；RTG测量控制设备安装于RTG大车上，用来测量RTG大车的精准位置和姿态，并控制RTG大车进行自动行走和停车。
[0022] GNSS实时参考站设备主要由GNSS天线、差分信息生成模块、信号播发模块、供电模块、避雷设备等组成，其组成和工作原理如图1所示。其中差分信息生成模块通过高精度3系统GNSS接收机实时接收GNSS导航信息，并生成GNSS差分修正信息；信号播发模块为通信电台，负责将生成的GNSS差分修正信息进行播发；供电模块采用UPS，实时为差分信息生成模块和信号播发模块供电，并且能够保证在断电后保证设备连续工作；避雷器为设备提供额外的防
雷击保护。
[0023] RTG测量控制设备由差分信息接收模块、定位测姿模块、大车行走控制模块、供电模块和避雷设备组成，其组成和工作原理如图2所示。
[0024] 差分信息接收模块接收来自实时参考站播发的差分校正信息，并将差分校正信息发送到定位测姿模块，用以精准定位；定位测姿模块能够实时测量RTG大车的位置、速度和姿态，并将导航信息传输给大车行走控制模块，大车行走控制模块根据当前RTG大车的位置和速度，结合预设的速度曲线，估计出下一时刻的大车行走速度控制指令；同时根据定位信息和场地信息进行对比，判断RTG大车偏离车道线的距离，生成对应的速度差控制指令，从而实现行走过程中的自动纠偏功能；UPS保证RTG测量控制设备断电情况下的连续运行；避雷器为设备提供额外的防雷击保护。
[0025] (1)定位测姿模块
[0026] 定位测姿模块由精密定位子模块、惯导子模块(IMU)以及信息融合处理器组成，如图3所示。精密定位模块包括2个高精度GNSS接收机和4个GNSS天线，4个天线分别安装于RTG的四个角落的
顶点上，结合差分信息接收模块的差分修正信息，对RTG四个点位进行精确定位；惯性测量模块测量RTG的角度变化和速度变化，能够提供短时间高精度的导航信息，从而与GNSS导航信息进行互补；信息融合处理器接收精密定位模块的定位信息以及惯性测量模块的惯性信息，结合GNSS的定位精度高和惯导信号连续的特点，并将两种信息进行融合，最终得到RTG的连续准确位置、速度和姿态信息。
[0027] (2)大车行走控制模块
[0028] 大车行走控制模块根据当前位置和目标贝位的距离，自适应规划RTG行走速度曲线，然后控制大车按照预设的速度行走和纠偏。如图4所示，其由核心控制板卡和通信
底板组成，其中通信底板包含USB、RS232、Modbus等多种通信
接口，能够为核心控制板卡与RTG大车以及定位测姿模块的通信提供
硬件支持；核心控制板卡(例如MBTWO板卡)接收来自控制室的RTG目标贝位信息、来自定位测姿模块的定位测姿信息、来自PLC的大车实际运动信息，融合计算出大车的速度控制量。
[0029] 本实用新型的具体实现如下：
[0030] 一、GNSS实时参考站设备安装
[0031] 基准站GNSS天线需要安装在开阔地点，如办公楼楼顶。安装时应保证其周围两百米范围内没有较高的遮拦物和影响GNSS正常工作的
电磁干扰源。实现高精度RTK定位的基准站差分有效距离约10Km，一个基准站可满足整个码头作业区的差分需要。
[0032] 二、RTG测量控制设备安装
[0033] RTG移动站的4个GNSS天线安装于RTG顶部
框架大梁4个顶端上，尽量保持与大车
侧梁平行，四个天线的
水平高度一致，并设置其中一侧的两个天线为主天线；电台同样安装于RTG大梁上，且需要开阔无遮挡；惯导、GNSS板卡以及大车速度控制模块安装于电气房，4个GNSS天线通过同轴
电缆与GNSS板卡相连。
[0034] 三、GNSS定位原理
[0035] GNSS卫星导航定位技术可以全天候的运行，不受天气情况的影响，不需要依赖场内参照物。3频RTK差分定位的实现模式是在一个已知精确位置点上架设GNSS的基准站，连续
跟踪所有可见卫星，生成载波
相位(RTK)差分改正数据并播发，移动站的GNSS接收机接收到基准站的载波相位(RTK)差分改正数据，与自观测
卫星信号数据进行解算处理，从而得到移动站的8mm+1ppm(RMS)精度的实时位置。
[0036] 本系统采用了多卫星
导航系统融合定位技术，包括北斗、GPS、GLONASS等卫星导航定位系统，极大的提升了卫星定位的稳定性和连续性。本系统创新采用4个GNSS天线来检测RTG的空间位置与姿态，通过多天线融合定位，可获得高精度的位置、航向、姿态等信息，且4天线互为校验互为融合，确保2个天线正常工作时，系统可稳定连续工作，提供系统的鲁棒性。
[0037] 四、INS定位原理
[0038] 惯性测量单元(IMU)由三轴
陀螺仪和三轴
加速度组成，能够实时测量载体的
角速度和加速度信息，经积分运算得到载体的速度、位置和姿态等导航信息。惯性导航技术的特点是，组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内，工作时不依赖外界信息，也不向外界
辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。
[0039] 惯性导航系统能够在短时间内提供稳定的高精度速度、位置和姿态信息。因此在GNSS信号短暂失效时，能够连续输出RTG的位置和航向信息，从而提高RTG自动行走和纠偏的连续性。
