基于慣性導航的卸料小車定位裝置設計※

郝成，尚名羽

（華北理工大學 電氣工程學院，唐山063009）

引 言

在大型礦廠中，堆料設備一般露天生產，揚塵大、泥水多等惡劣條件無法避免，加上設備本身的震動等干擾等，就要求卸料小車的定位裝置工作可靠、檢測準確、經久耐用等，實踐證明激光、旋轉編碼器、行程開關無法滿足長期生產應用的要求。鑒于近年來全球衛星定位導航系統的迅猛發展，曾考慮將全球衛星定位導航系統技術應用于卸料小車的定位，因為信號遮擋會出現定位精度下降甚至無法進行方位解算的情況，所以研發一套能夠獨立完成定位、可靠性高的、穩定性良好的系統是市場亟需的。

慣性航位推算算法是一種獨立算法，該推算過程的單片機體積只需晶片大小，就能夠使卸料小車完全不受外界干擾，同時具有很高的集成度，于是設計出一套實用性強的卸料小車慣性導航推算裝置。它使用加速度計傳感器采集卸料小車運動信息，采用具有ARM Cortex-M3內核的STM32F103VET6單片機作為數據處理單元，同時采用卡爾曼濾波對航位信息進行處理，最終將卸料小車航位推算信息通過載波通信技術傳送給總控室或顯示于TFTLCD顯示屏上?？紤]到航位推算技術自身的延時誤差，計劃在航位推算技術的基礎上結合接近開關來矯正誤差。

慣性導航定位設備數據更新速度快、短期精度高、穩定性好，抗污染能力強，且防水、油、灰塵等。現在市場已經有了比較成熟的慣性導航定位裝置，這些裝置體積小、投資少、便于安裝、維護簡便。

1 系統組成與工作原理

該卸料小車航位推算裝置具體的組成框圖如圖1所示，包括傳感器模塊、接近開關模塊、數據轉換模塊、數據處理模塊以及電力線載波通信模塊。

圖1 系統組成框圖

由于礦廠惡劣的環境，在給小車定位的過程中，接觸式的機械裝置不穩定，所以需要非接觸式的機械裝置。慣性導航定位系統就是一種非接觸式的機械裝置，但所有的導航推算本身都有延時誤差，采用安裝接觸開關的方式來對小車的位置進行矯正。小車需要停留時，讓其停留在接觸開關的感應處，從而避免慣性導航運算的延時出錯。關于通信，如果采用無線通信，一定會產生信號遮擋；如果使用有線通信，電纜本身不結實，長時間往復，電纜很容易破損。考慮到小車上部固有一根電源線用于給小車提供電源，所以采用有線載波通信是最佳選擇。

傳感器模塊上有加速度計MMA7455以及用于數據處理的單片機STM32F103VET6。加速度傳感器模塊很小，可以很容易地安裝于小車上，用于采集小車前后方向上的加速度，采集來的原始數據通過STM323F103VET6進行航位推算初步處理。

數據處理模塊核心在與傳感器模塊串口通信的同時，將航位推算所需的數據通過文件系統存儲于SD卡中，通信采用載波電流與數據處理模塊進行通信。顯示模塊采用的是TFTLCDILI9320，當工作人員需要查看小車當前的航位信息，負責從SD卡中調出原始數據，推算出小車的航位信息，并最終顯示在TFTLCDILI9320上。

2 硬件設計

主從單片機都采用ST公司生產的具有ARM Cortex-M3內核的工業級控制芯片STM323F103VET6的傳感器模塊設計。加速度計采用MMA7455，其可在2.16～3.6 V低電壓下正常工作，量程為8g。

接近開關模塊采用獅威（LIONPOWER）的接近開關TL-Q5MC1。在小車定位過程中，接近開關的位置需要區分開來，以確定小車的不同位置，要完成一次給接近開關的感應區編碼，需要特別說明的是，本系統接近開關感應區編碼采用格雷碼。

雖然二進制碼可以直接經過D/A轉換成為模擬信號，但是在某些情況下，例如十進制的3轉變為4時，二進制碼的每一位都需要改變，而在實際電路中，四位的變化不可能絕對同時發生，因為在某些情況下會導致電路狀態產生錯誤，而格雷碼可以避免這種錯誤。

負責航位推算的主單片機與加速度傳感器模塊上的從單片機通過串口進行通信，它們被設置為相同的波特率。顯示模塊采用Ilitek公司生產的TFTLCDILI9320。

3 軟件設計

航位推算系統是一種完全可以不受外界干擾的定位系統。它的優點是可以通過自身集成的慣性傳感器計算出汽車的速度和位置信息，短時間內測量的數據是可靠的，因此可以應用于卸料小車的定位。

慣性導航推算（DR，又稱航位推算）系統是由測量距離和測量航向角的傳感器構成。慣性導航推算是一種獨立的定位方法，其基本原理如圖2所示。

圖2 航位推算原理圖

如圖2所示，在二維平面中研究運動中的車輛，當給出車輛的起始點位置（x0，y0），就可以運用加速度計獲得的數據計算出車輛行駛距離的變化量，從而可以推算出任何時刻車輛的具體位置。本研究中的車輛一直變化，所以在計算過程中，要分別對車輛的速度和距離進行分解。具體解算過程如下：

（1）分解距離

依次推算，可得：

（2）分解速度

卸料小車在行進的過程中一般只做前后運動，x軸有速度，y軸沒有速度，依次推算，可得：

4 實例仿真

該實驗設定一秒內讀取加速度計100次，之后取平均值，然后調用慣性導航算法計算實際運行的路程。顯示結果如圖3所示。

圖3 ILI932顯示讀取的加速度值

慣性導航算法運用的環境是在GPS無法接收到信號時（包括料堆、隧道有遮擋的情景），這種場合下慣性推算導航運行的成本不會太高。所以，在有限的時間內，要盡可能地使數據處理的更準確。根據以上測試要求，本文設計了如下的測試方案。

實驗設備：筆記本電腦一部，簡易四輪車一輛，慣性導航定位系統一套。

實驗過程：跑道測試場為從聯大實驗樓到科技樓一段直線馬路，用粉筆做一個420 m長的直線軌道，在測試起點，啟動慣性導航定位系統，并連接到筆記本上采集數據。

用計算機把加速度計的輸出信息變換到平面坐標系，然后計算出載體的速度信息，并在Visual Studio 2008程序的客戶端區設備進行轉換顯示。

由于卸料小車在軌道上運動，通常都是直線，因此客戶端向左為設備運動的初始方向X，建立設備的坐標系，進行繪圖。

采用按像素點比例的方法解決客戶區范圍不足的問題，在軟件平臺建立慣性導航推算模型。通過軟件編程實現STM32F103VET6開發板把加速度計輸出信息變換到平面坐標系，然后計算載體的速度，并通過串口在Visual Studio 2008客戶端進行顯示。實地跑車的界面圖略——編者注。

從起點到終點的實際距離是420 m，而實際所測距離為423 m，誤差是3 m，誤差概率是0.71%，實際結果測試圖略——編者注。由此可見，慣性導航推算存在誤差，而且這些誤差是不可忽視的。如果要更精確地實現小車定位，就需要在研究慣性導航推算的同時結合濾波算法，這也正是今后努力的方向。

結 語

本文介紹了基于慣性導航的卸料小車定位裝置的航位算法，采用單片機與微慣性器件搭建的系統，集成度高、實用性強、成本低、易于維護。投入運行后，能提高自動化程度和裝備水平，能夠在一定程度上避免人工操作的失誤，減輕工人的勞動強度，提高工作利用率和工作質量，減少檢修、維護工作，為未來相似載體位置檢測技術提供了技術依據。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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