一種多天線北斗導航定位技術的標定方法

田相才 王懷志

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

隨著無人駕駛和智能化發展的逐漸成熟,國內已建成多個高度智能化的自動化碼頭,例如廈門遠海自動化碼頭、青島新前灣自動化碼頭、洋山四期自動化碼頭等。上述碼頭的自動化導引車都采用磁釘導航技術,需要在港口水平運輸區域的地面埋設大量的磁釘,對于碼頭基建要求較高。分布在車輛前后端底部的定位磁釘天線價格昂貴,維修成本也比較高。隨著老碼頭升級改造成自動化碼頭需求的日益增長,磁釘定位方案已經不適用。

為解決以上問題,設計一種自動化碼頭導引車(以下簡稱IGV)車載組合定位系統的標定方法。該方法有效利用PDCA質量改進方法工具,提升標定質量;標定成功后,可以利用北斗導航系統與慣性導航組合的方式與里程計信息輸入融合,最終獲得穩定可靠的高精度導航定位信息。

2 組合定位系統技術

衛星慣性導航組合定位系統主要是指衛星導航、慣性導航與里程計三者的信息融合[1]。在自動化碼頭實際作業中,北斗衛星導航技術采用高精度的RTK(Real Time Kinematic,實時動態)定位技術,在IGV中心位置部署數據傳輸模塊,可以實時從網絡獲取碼頭基準站的差分數據,結合分布在IGV 4個角的天線數據,通過衛星導航板卡計算,最后解算輸出精度達2～5 cm的RTK定位結果。其中衛星導航天線與板卡的配置結構關系見圖1。

圖1 衛星導航設備整機框圖

在衛星導航更新時刻,融合單元會通過卡爾曼濾波算法[2]修正慣性導航設備的誤差,并對里程計等外部輸入的刻度因數進行估計,其余時刻慣性導航設備進行機械編排來獲取設備位置、速度和姿態的變化量;在車輛靜止時,融合單元會使用零速修正算法,對各種誤差進行修正;當IGV車輛行駛在衛星導航信號質量較差區域時,融合單元會利用車前向和側向輸出的速度信息,與慣導設備計算的行進速度融合,從而有效抑制誤差發散[3]。

3 多天線定位設備安裝與計算

3.1 單天線衛星慣性導航組合設備

為了對比分析衛星慣性導航組合定位系統的性能,在相同慣導器件的情況下,選擇單天線版本在開闊環境進行跑車測試,未進行里程計融合。經過測試,單天線衛星慣性導航組合設備在開闊環境下,航向與基準的誤差不超過0.28°,定位結果與基準位置的誤差在25 cm以內。如果在碼頭的堆場和裝卸作業區域,導航性能會更差,不能滿足港口IGV的運行要求,故采用多天線布置方案。

3.2 多天線定位設備安裝

在IGV的車體4個角安裝衛星天線,將相應的衛星天線電纜連接到衛星天線的TNC插座上。因為車輛和衛星天線支架存在加工誤差,為保證衛星定向結果與車輛方向一致,需要在安裝衛星天線之后對衛星天線支架進行調整。借助全站儀或者其他設備,將左前左后衛星天線的連線與車輛一側的方向偏差調整到0.1°以內。衛星天線支架安裝位置,要與車體保持安全距離,防止異常情況下被放下的集裝箱砸壞。

3.3 中心坐標計算

設備內接收機能夠獲取4個天線在大地坐標系下的高精度定位。車輛靜止時,采集一段時間的靜態定位數據,然后采取平滑后的定位數據作為準確定位。假設天線的坐標為:左前天線(x1,y1)、左后(x2,y2)、右后(x3,y3)和右前(x4,y4)。計算相鄰兩點的距離p1、p2。最后以矩形中心(即設備安裝位置)為原點,確定4個天線的桿臂坐標值,左前天線桿臂(p1/2,-p2/2)、左后天線(-p1/2,-p2/2)、右后天線(-p1/2,p2/2)和右前(p1/2,p2/2)(見圖2)。

圖2 尺寸示意圖

只要在使用前完成4個天線的相對位置標定,即可在以后的使用中通過衛星定位得到4個天線的坐標,推算出精確的IGV車輛中心點坐標,實現可靠定位。

4 多天線安裝標定

4.1 天線標定前

設備安裝完成后,在正常使用前,需要進行衛星導航4個天線基線及夾角的標定。標定過程需將車輛停放在開闊區域進行,保證衛星導航4個天線無信號遮擋、干擾,并且整個過程保持車輛靜止,以達到更高的標定精度。

4.2 天線標定中

在標定軟件中查看衛星導航板卡RTK解狀態,4個天線全部顯示為綠色正常,否則為灰色。狀態都顯示正常后,將工作模式設置為標定模式,然后開始標定。從“天線標定開始”狀態到“天線標定中”需等待大約60 s;天線標定中狀態持續300 s,期間顯示標定計數與時間信息,直到顯示“天線標定完成”信息。

同時計算得到的參數如天線基線及夾角信息將在顯示框中顯示,確認參數后保存標定,可查看北斗解算狀態(見表1)。解算狀態若顯示為1或2,則定位可信度較高,允許導引車IGV加入使用。

表1 北斗衛星解算狀態表

4.3 天線標定后

根據方差判斷定位精度,位置的方差越小,定位精度越高。在實際使用中可根據位置方差的大小來判斷定位結果的精度,決定是否對其進行使用。表2顯示衛星慣性導航定位結果的方差所對應的位置精度。

表2 衛星慣性導航定位結果方差狀態位說明

表2中狀態位的解釋如下:1指衛星導航RTK結果為固定解,衛星慣性導航和里程計三者組合定位,輸出精度高;2指衛星導航RTK結果為固定解,衛星慣性導航兩者組合定位,輸出精度高;3指衛星導航RTK結果為浮點解或單點解,衛星導航RTK輸出精度不穩定,誤差最大可達1～2 m;4代表其他解衛星慣性導航組合,指衛星導航RTK結果為浮點解或單點解,衛星導航RTK輸出精度不穩定,誤差最大可達1～2 m;5為純慣性與里程計組合,指衛星導航無定位,慣導與里程計組合輸出,位置保持精度:400 cm/5 s,航向0.5°/5 min;6代表衛星導航無定位,純慣性推算,精度快速發散,發散速度約10 cm/s;除上述狀態位以外,當組合出現異常,重新進入準備或對準狀態。

4.4 標定結果

標定完成后,首先檢查天線之間的夾角,4個角度分別為0°,90°±0.5°,180°±0.5°,90°±0.5°,說明天線夾角標定正確。然后查看解算狀態(Status1),解算為1或2,定位精度比較高;最后檢查定位坐標、橫坐標、縱坐標,在航向靜態情況下跳變幅度比較小,坐標復位小于3 cm,航向角幅度小于0.02°,即可認為標定合格。

5 結語

對復雜環境下自動化碼頭碼頭導引車IGV的北斗衛星慣性導航融合定位技術使用及其標定方法進行了介紹。該技術使用北斗高精度RTK位置、速度和定向信息,并且可以對慣性導航的位置、速度、航向等信息進行融合校正并估計其誤差,最終輸出可靠穩定的導航信息。

該方法標定過程節約人工和時間,標定成功后穩定性高,如果安裝天線的位置沒有發生變動,不需要再次標定。在某自動化碼頭IGV上對該方法進行實踐應用,現場IGV可獲得較高的定位精度,保證IGV作業的穩定性,提升了自動化集裝箱碼頭的系統質量。