近幾年，隨著數(shù)字孿生、高精度定位、5G技術(shù)的快速發(fā)展普及，傳統(tǒng)碼頭和鐵路堆場(chǎng)也逐步開展了自動(dòng)化、信息化改造，通過(guò)高新技術(shù)減少人工作業(yè)，提高工作效率，收集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)全過(guò)程把控。目前很多碼頭已經(jīng)完成全自動(dòng)化或半自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)了集裝箱裝卸的遠(yuǎn)程控制，其中遠(yuǎn)程調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)就是通過(guò)在門式起重機(jī)加裝北斗系統(tǒng)結(jié)合多種傳感器、智能識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝卸機(jī)械和貨物的高精度定位。對(duì)門式起重機(jī)的定位不僅可以掌握門式起重機(jī)位置，還可以據(jù)此推算出吊起的貨物位置，得到的位置信息不僅可以為門式起重機(jī)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制提供數(shù)據(jù)，也可用于貨物的數(shù)字化倉(cāng)儲(chǔ)管理。

目前鐵路的門式起重機(jī)自動(dòng)化改造較少，除了作業(yè)環(huán)境無(wú)法像港口那樣實(shí)現(xiàn)完全無(wú)人化外，較高的改造成本也是阻礙因素，但隨著數(shù)字化浪潮的來(lái)臨，鐵路堆場(chǎng)智能化發(fā)展的方向是大勢(shì)所趨，尋找一種較低成本的改造方式實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)門式起重機(jī)的自動(dòng)化改造勢(shì)在必行。

1、定位技術(shù)對(duì)比

目前，可用于門式起重機(jī)定位的技術(shù)主要有4種：差分定位、編碼器定位、激光測(cè)距、超寬帶定位，這幾種技術(shù)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，具體如下。

差分定位技術(shù)是在衛(wèi)星定位技術(shù)基礎(chǔ)上建立基準(zhǔn)站，利用基準(zhǔn)站已知的精密坐標(biāo)與接收機(jī)計(jì)算出的坐標(biāo)計(jì)算坐標(biāo)改正數(shù)，利用改正數(shù)對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行改正，降低誤差，提高定位精度。差分定位直接獲取三維坐標(biāo)，精度最高可達(dá)到厘米級(jí)，廣泛應(yīng)用于室外定位，但衛(wèi)星定位信號(hào)容易受遮擋影響，若將差分定位基站放置在門式起重機(jī)吊鉤上，則門式起重機(jī)框架本身會(huì)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生影響，目前有將差分定位基站置于門式起重機(jī)移動(dòng)小車上定位的應(yīng)用，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)吊具的高度測(cè)量。

編碼器定位是一種安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，將軸的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)的傳感器。編碼器定位以其高精度、高分辨力、高可靠性被廣泛應(yīng)用于各種位移測(cè)量，也是門式起重機(jī)定位應(yīng)用較為廣泛的一種方式。編碼器定位可以達(dá)到毫米級(jí)精度，能夠通過(guò)測(cè)量位移信號(hào)實(shí)現(xiàn)吊具三維坐標(biāo)的測(cè)量，但運(yùn)用編碼器定位需要對(duì)門式起重機(jī)進(jìn)行改造，同時(shí)需要連線供電。

激光測(cè)距定位技術(shù)通過(guò)激光對(duì)目標(biāo)進(jìn)行距離測(cè)定，測(cè)距速度快，精度高，誤差可控制在毫米級(jí)，抗干擾性較強(qiáng)，穿透性弱，被廣泛應(yīng)用于中遠(yuǎn)距離測(cè)距。

超寬帶定位技術(shù)是一種全新的高精度測(cè)距定位技術(shù)，其本質(zhì)是一種電磁波，通過(guò)測(cè)量定位標(biāo)簽之間的信號(hào)時(shí)間差推算距離，實(shí)現(xiàn)定位。超寬帶技術(shù)的特點(diǎn)是傳輸速率高、帶寬極寬、能量消耗少、抗干擾性強(qiáng)，信號(hào)傳播距離在百米左右，測(cè)距精度10~30 cm。超寬帶定位技術(shù)較廣泛地應(yīng)用于小范圍室內(nèi)一維、二維定位。

以上幾種定位技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1定位技術(shù)參數(shù)對(duì)比

定位技術(shù)	差分定位	編碼器定位	激光測(cè)距儀	超寬帶定位
精度	1~10 cm	<10 mm	<10 mm	10~30 cm
范圍	>1 000 m	—	<500 m	<500 m
穿透性	較弱	—	無(wú)穿透性	較強(qiáng)
改造成本	只需布設(shè)基站，可自供電	需要改造門式起重機(jī)并布設(shè)供電線和數(shù)據(jù)線	只需布設(shè)傳感器，可自供電	只需布設(shè)基站，可自供電

對(duì)門式起重機(jī)吊具的定位不需要得到精確的經(jīng)緯度坐標(biāo)，只需要獲取吊具相對(duì)門式起重機(jī)和場(chǎng)地所處位置即可，現(xiàn)場(chǎng)人員、設(shè)備較多，情況復(fù)雜，因此需要定位技術(shù)具備穩(wěn)定性和一定的穿透性，并且應(yīng)盡可能避免對(duì)門式起重機(jī)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行改造或加設(shè)供電線。由表1可知，從精度、范圍、穿透性、改造成本等角度分析，超寬帶技術(shù)是最理想的定位技術(shù)。

2、超寬帶定位系統(tǒng)技術(shù)原理

2.1超寬帶測(cè)距算法選取

超寬帶測(cè)距算法主要有單邊雙向測(cè)距法(SS-TWR)、雙邊雙向測(cè)距法(DS-TWR)2種。單邊雙向測(cè)距是對(duì)單個(gè)往返消息時(shí)間上的簡(jiǎn)單測(cè)量，差值時(shí)間基于本地時(shí)鐘得到，不同設(shè)備的本地時(shí)鐘存在偏差，增加了飛行時(shí)間的計(jì)算誤差，使得超寬帶測(cè)距誤差增大。雙邊雙向測(cè)距方法通過(guò)記錄2個(gè)往返的時(shí)間戳，最后得到飛行時(shí)間。與單邊雙向測(cè)距法相比，雙邊雙向測(cè)距法雖然增加了響應(yīng)的時(shí)間，但極大減少了設(shè)備間的時(shí)鐘誤差，降低測(cè)距誤差，提高精度，因此選取雙邊雙向測(cè)距法作為測(cè)距算法。

2.2定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)包含4個(gè)定位模塊，利用4個(gè)定位模塊的測(cè)距數(shù)據(jù)構(gòu)建坐標(biāo)系獲取吊具坐標(biāo)。吊具定位示意圖如圖1所示。圖1中，C為主模塊，A，B，D為從模塊。A位于堆場(chǎng)端部，B位于門式起重機(jī)頂部端側(cè)，C位于門式起重機(jī)的活動(dòng)小車上，D位于門式起重機(jī)吊具上。A，B橫向坐標(biāo)一致；B，C縱向坐標(biāo)和高度一致；C，D橫縱坐標(biāo)一致，其中B，C高度為H1，A高度為H2。C與A，B，D之間分別一一測(cè)距，測(cè)得的距離為L_ac，Lbc，L_cd，利用已知量H1，H2和測(cè)量量L_ac，L_bc，L_cd即可得出吊具坐標(biāo)(x，y，z)。

x=L_bc（1）

y =[ L²_ac– L²_bc -( H₁– H₂)²]^1/2 （2）

z=H₁–L_cd（3）

三維坐標(biāo)中，x，z可由測(cè)量值直接得出或測(cè)量值與固定值經(jīng)過(guò)運(yùn)算得出；y坐標(biāo)由2個(gè)測(cè)量值L_ac，L_bc和2個(gè)固定值經(jīng)過(guò)勾股定理計(jì)算得到。由于2個(gè)測(cè)量值L_ac，L_bc存在測(cè)量誤差，因此計(jì)算得到的y坐標(biāo)也存在誤差。當(dāng)y的值與L_ac量級(jí)接近，即門式起重機(jī)距離A較遠(yuǎn)時(shí)，經(jīng)過(guò)勾股定理計(jì)算的y誤差與L_ac誤差接近；當(dāng)y的值與Lac量級(jí)相差較大時(shí)，即門式起重機(jī)與A相聚較近時(shí)經(jīng)過(guò)勾股定理計(jì)算后，因y與Lac存在量級(jí)的差距，Lac的誤差值經(jīng)過(guò)平方再開方后對(duì)y計(jì)算值影響較大，造成y誤差較大，使得最終數(shù)據(jù)偏離實(shí)際值。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)在A通過(guò)其他輔助方式進(jìn)行近端測(cè)量，彌補(bǔ)近端誤差較大的不足。

圖1吊具定位示意圖

2.3定位設(shè)備構(gòu)成

定位模塊包含超寬帶模塊、電池、無(wú)線模塊、天線、遠(yuǎn)程開關(guān)、外殼。電池使得模塊實(shí)現(xiàn)自供電，免除了布置供電線的麻煩，通過(guò)低功耗設(shè)計(jì)可以使模塊運(yùn)行較長(zhǎng)的時(shí)間，超寬帶模塊負(fù)責(zé)模塊間的通信及時(shí)間戳的記錄，測(cè)距功能完成，測(cè)量結(jié)束后，主基站通過(guò)無(wú)線模塊將定位數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，天線增加了信號(hào)傳播距離。定位設(shè)備構(gòu)成如圖2所示。

圖2定位設(shè)備構(gòu)成

超寬帶模塊基于DWM1000開發(fā)，在此基礎(chǔ)上集成了STM32主控芯片、通信接口、三軸陀螺儀、加速度計(jì)、天線，可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多測(cè)距通信，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步濾波處理。超寬帶模塊參數(shù)如表2所示。

表2超寬帶模塊參數(shù)

參數(shù)	指標(biāo)
數(shù)據(jù)頻率/Hz	200
通訊距離/m	100
信號(hào)波段/GHz	3.5~6.5
最大數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度/b	1023

3、定位試驗(yàn)測(cè)試

超寬帶信號(hào)實(shí)質(zhì)是電磁波，其傳播途中會(huì)受到環(huán)境干擾，在復(fù)雜的局域環(huán)境下，超寬帶定位精度、穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)重復(fù)性都可能會(huì)受到電磁信號(hào)、人體遮擋、環(huán)境遮擋等多種因素影響，為驗(yàn)證系統(tǒng)是否能在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，針對(duì)這些可能的影響因素，設(shè)計(jì)相應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)定位信號(hào)精度、穩(wěn)定性、重復(fù)性進(jìn)行驗(yàn)證和相應(yīng)改進(jìn)優(yōu)化。

3.1信號(hào)穩(wěn)定性測(cè)試

為測(cè)試信號(hào)穩(wěn)定性，采集測(cè)距數(shù)據(jù)，采用信號(hào)穩(wěn)定性測(cè)量系統(tǒng)，由2個(gè)超寬帶模塊進(jìn)行一對(duì)一測(cè)距。信號(hào)穩(wěn)定性測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示。

圖3信號(hào)穩(wěn)定性測(cè)量系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，3個(gè)方向的測(cè)量距離范圍主要在10~20 m和40~100 m范圍內(nèi)，2個(gè)模塊相距18.2 m，18.2 m信號(hào)原始數(shù)據(jù)如圖4所示，圖中信號(hào)波動(dòng)范圍25 cm左右，穩(wěn)定性較差，噪聲較為明顯。

為提高信號(hào)的穩(wěn)定性，需要通過(guò)低通濾波器來(lái)濾除高頻噪聲，得到更平滑穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，濾波效果既要保證高頻雜波的濾除也要盡可能減小對(duì)低頻信號(hào)的衰減。在此選取了一階低通濾波器，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)測(cè)試，確定了濾波器參數(shù)，18.2 m信號(hào)濾波數(shù)據(jù)如圖5所示，信號(hào)波動(dòng)范圍大大減小，基本能夠達(dá)到濾除噪聲的目的，穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖4 18.2 m信號(hào)原始數(shù)據(jù)

圖5 18.2 m信號(hào)濾波數(shù)據(jù)

50?m信號(hào)濾波數(shù)據(jù)如圖6所示，100?m信號(hào)濾波數(shù)據(jù)如圖7所示，原始數(shù)據(jù)信號(hào)波動(dòng)范圍在20?cm以內(nèi)，濾波后信號(hào)波動(dòng)范圍在5?cm左右。

圖6 50 m信號(hào)濾波數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)結(jié)果可知，測(cè)距信號(hào)波動(dòng)誤差不隨測(cè)試距離變化，經(jīng)過(guò)濾波后全范圍內(nèi)誤差基本保持穩(wěn)定。

3.2人體遮擋試驗(yàn)

電磁波遇到障礙物會(huì)發(fā)生衍射，改變?cè)械膫鞑シ较?。有研究結(jié)果表明，超寬帶信號(hào)在傳播過(guò)程中遇到人體的遮擋時(shí)，一部分信號(hào)會(huì)通過(guò)體表爬行波的形式沿著人體的表面進(jìn)行傳播，從人體的一側(cè)傳播到另一側(cè)，這樣使得傳播時(shí)間變長(zhǎng)，可能會(huì)造成測(cè)量數(shù)據(jù)大于實(shí)際距離數(shù)據(jù)。當(dāng)人體沒(méi)有處在超寬帶模塊的直線傳播路徑上時(shí)，不會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響，但人體處在超寬帶模塊的直線傳播路徑上時(shí)會(huì)使超寬帶信號(hào)產(chǎn)生衍射，影響數(shù)據(jù)精確性，同時(shí)，人體遮擋時(shí)與超寬帶模塊的距離大小也可能對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果產(chǎn)生不同程度的影響。為驗(yàn)證人體遮擋對(duì)信號(hào)的影響因素和影響力度，采用人體遮擋測(cè)量系統(tǒng)，由人體遮擋在超寬帶模塊信號(hào)傳播路徑上，改變?nèi)梭w與模塊的距離進(jìn)行多組試驗(yàn)，以觀察不同距離的影響大小。人體遮擋測(cè)量系統(tǒng)如圖8所示。人體與模塊距離0.3?m時(shí)遮擋測(cè)距信號(hào)如圖9所示，圖中虛線左邊為無(wú)遮擋數(shù)據(jù)，虛線右邊為遮擋后數(shù)據(jù)，遮擋后測(cè)量數(shù)據(jù)比實(shí)際值增大約1.3?m。

圖7 100 m信號(hào)濾波數(shù)據(jù)

圖8人體遮擋測(cè)量系統(tǒng)

為探究人體與超寬帶模塊距離大小對(duì)信號(hào)的影響，選取0.3 m，1 m，2 m，3 m，5 m，6 m共6種距離分別進(jìn)行了試驗(yàn)，人體遮擋測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果如

圖9人體與模塊距離0.3 m時(shí)遮擋測(cè)距信號(hào)

圖10所示。由圖10可知，人體遮擋會(huì)增大距離測(cè)量結(jié)果，但對(duì)數(shù)據(jù)的波動(dòng)性影響不大，除了0.3 m時(shí)測(cè)距誤差和波動(dòng)較大，人體與模塊距離大于1 m時(shí)，誤差基本穩(wěn)定在0.6 m左右。因此可以得出結(jié)論，人體遮擋會(huì)使超寬帶模塊測(cè)量距離偏大，人體距離超寬帶模塊1 m以上時(shí)，誤差基本穩(wěn)定在0.6 m，距離小于1 m時(shí)，誤差更大。

圖10人體遮擋測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

3.3定位系統(tǒng)可靠性測(cè)試

實(shí)現(xiàn)門式起重機(jī)吊具精確定位要求定位系統(tǒng)誤差小，重復(fù)性強(qiáng)，同一位置定位數(shù)據(jù)誤差應(yīng)該在0.5?m以內(nèi)，為驗(yàn)證定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠性，依據(jù)圖1吊具定位示意在門式起重機(jī)上搭建定位系統(tǒng)、實(shí)際測(cè)試定位精度和重復(fù)性，選定8?m×8?m的區(qū)域標(biāo)記16個(gè)定點(diǎn)位置，測(cè)試區(qū)域示意圖如圖11所示，相鄰點(diǎn)之間的距離為2m，在地面以白色貼紙標(biāo)記位置，以激光垂直向下打點(diǎn)的方式讓吊具對(duì)準(zhǔn)位置，以左上角第一個(gè)點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)，將吊具挪動(dòng)到相應(yīng)位置后記錄定位數(shù)據(jù)，通過(guò)反復(fù)挪動(dòng)，每個(gè)位置均收集到10組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)間均經(jīng)歷了門式起重機(jī)移動(dòng)再?gòu)?fù)位，測(cè)試散點(diǎn)坐標(biāo)圖如圖12所示。

圖11測(cè)試區(qū)域示意圖

圖12測(cè)試散點(diǎn)坐標(biāo)圖

圖12中，測(cè)試散點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)位置誤差最大約為20 cm，約半數(shù)誤差在10 cm以內(nèi)，可知雖然吊具經(jīng)過(guò)挪動(dòng)和變換，但同一位置測(cè)量數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，誤差在可接受范圍內(nèi)。

3.4定位系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)樣機(jī)在卷鋼堆場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，首先在堆場(chǎng)的門式起重機(jī)上布置定位模塊，一個(gè)模塊放置在地面，3個(gè)模塊分別放置在門式起重機(jī)端部、移動(dòng)小車底部、吊具上，確定好定位模塊位置后對(duì)4個(gè)模塊相對(duì)位置進(jìn)行了測(cè)量，確定了坐標(biāo)系原點(diǎn)及卷鋼坐標(biāo)計(jì)算公式和參數(shù)。定位系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖13所示。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，定位系統(tǒng)的測(cè)距數(shù)據(jù)與激光測(cè)距儀測(cè)量數(shù)據(jù)相比誤差在20?cm以內(nèi)，且數(shù)據(jù)波動(dòng)小，現(xiàn)場(chǎng)工況對(duì)定位數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性不構(gòu)成影響。

圖13定位系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

4、結(jié)束語(yǔ)

基于超寬帶測(cè)距定位技術(shù)，提出了一種適用于門式起重機(jī)的低成本吊具定位解決方案，方案依托高精度測(cè)距技術(shù)圍繞門式起重機(jī)建立三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)吊具三維坐標(biāo)的定義和獲取。針對(duì)方案設(shè)計(jì)試制硬件模塊，對(duì)模塊性能進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試和優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明，超寬帶定位技術(shù)用做門式起重機(jī)吊具定位合理可行，精度高、誤差小、重復(fù)性強(qiáng)，不易受到外界環(huán)境干擾，但人體在傳播路徑上的遮擋仍會(huì)造成一定影響，使得測(cè)距結(jié)果偏大，定位數(shù)據(jù)偏離實(shí)際值。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)通過(guò)合理架設(shè)模塊，避免使用過(guò)程中人體的遮擋影響，保證定位系統(tǒng)的可靠性和精確性。