近幾年，隨著數字孿生、高精度定位、5G技術的快速發(fā)展普及，傳統(tǒng)碼頭和鐵路堆場也逐步開展了自動化、信息化改造，通過高新技術減少人工作業(yè)，提高工作效率，收集數據實現生產作業(yè)全過程把控。目前很多碼頭已經完成全自動化或半自動化改造，實現了集裝箱裝卸的遠程控制，其中遠程調度的關鍵技術就是通過在門式起重機加裝北斗系統(tǒng)結合多種傳感器、智能識別技術實現裝卸機械和貨物的高精度定位。對門式起重機的定位不僅可以掌握門式起重機位置，還可以據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的遠程自動控制提供數據，也可用于貨物的數字化倉儲管理。

目前鐵路的門式起重機自動化改造較少，除了作業(yè)環(huán)境無法像港口那樣實現完全無人化外，較高的改造成本也是阻礙因素，但隨著數字化浪潮的來臨，鐵路堆場智能化發(fā)展的方向是大勢所趨，尋找一種較低成本的改造方式實現對傳統(tǒng)門式起重機的自動化改造勢在必行。

1、定位技術對比

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

差分定位技術是在衛(wèi)星定位技術基礎上建立基準站，利用基準站已知的精密坐標與接收機計算出的坐標計算坐標改正數，利用改正數對定位結果進行改正，降低誤差，提高定位精度。差分定位直接獲取三維坐標，精度最高可達到厘米級，廣泛應用于室外定位，但衛(wèi)星定位信號容易受遮擋影響，若將差分定位基站放置在門式起重機吊鉤上，則門式起重機框架本身會對衛(wèi)星信號產生影響，目前有將差分定位基站置于門式起重機移動小車上定位的應用，但無法實現吊具的高度測量。

編碼器定位是一種安裝在轉動軸上，將軸的機械位移轉換為電脈沖信號或者數字信號的傳感器。編碼器定位以其高精度、高分辨力、高可靠性被廣泛應用于各種位移測量，也是門式起重機定位應用較為廣泛的一種方式。編碼器定位可以達到毫米級精度，能夠通過測量位移信號實現吊具三維坐標的測量，但運用編碼器定位需要對門式起重機進行改造，同時需要連線供電。

激光測距定位技術通過激光對目標進行距離測定，測距速度快，精度高，誤差可控制在毫米級，抗干擾性較強，穿透性弱，被廣泛應用于中遠距離測距。

超寬帶定位技術是一種全新的高精度測距定位技術，其本質是一種電磁波，通過測量定位標簽之間的信號時間差推算距離，實現定位。超寬帶技術的特點是傳輸速率高、帶寬極寬、能量消耗少、抗干擾性強，信號傳播距離在百米左右，測距精度10~30 cm。超寬帶定位技術較廣泛地應用于小范圍室內一維、二維定位。

以上幾種定位技術參數對比如表1所示。

表1定位技術參數對比

定位技術	差分定位	編碼器定位	激光測距儀	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	—	無穿透性	較強
改造成本	只需布設基站，可自供電	需要改造門式起重機并布設供電線和數據線	只需布設傳感器，可自供電	只需布設基站，可自供電

對門式起重機吊具的定位不需要得到精確的經緯度坐標，只需要獲取吊具相對門式起重機和場地所處位置即可，現場人員、設備較多，情況復雜，因此需要定位技術具備穩(wěn)定性和一定的穿透性，并且應盡可能避免對門式起重機等現場設備進行改造或加設供電線。由表1可知，從精度、范圍、穿透性、改造成本等角度分析，超寬帶技術是最理想的定位技術。

2、超寬帶定位系統(tǒng)技術原理

2.1超寬帶測距算法選取

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

2.2定位系統(tǒng)設計

定位系統(tǒng)包含4個定位模塊，利用4個定位模塊的測距數據構建坐標系獲取吊具坐標。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位于堆場端部，B位于門式起重機頂部端側，C位于門式起重機的活動小車上，D位于門式起重機吊具上。A，B橫向坐標一致；B，C縱向坐標和高度一致；C，D橫縱坐標一致，其中B，C高度為H1，A高度為H2。C與A，B，D之間分別一一測距，測得的距離為L_ac，Lbc，L_cd，利用已知量H1，H2和測量量L_ac，L_bc，L_cd即可得出吊具坐標(x，y，z)。

x=L_bc（1）

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

z=H₁–L_cd（3）

三維坐標中，x，z可由測量值直接得出或測量值與固定值經過運算得出；y坐標由2個測量值L_ac，L_bc和2個固定值經過勾股定理計算得到。由于2個測量值L_ac，L_bc存在測量誤差，因此計算得到的y坐標也存在誤差。當y的值與L_ac量級接近，即門式起重機距離A較遠時，經過勾股定理計算的y誤差與L_ac誤差接近；當y的值與Lac量級相差較大時，即門式起重機與A相聚較近時經過勾股定理計算后，因y與Lac存在量級的差距，Lac的誤差值經過平方再開方后對y計算值影響較大，造成y誤差較大，使得最終數據偏離實際值。因此，在實際應用時，應在A通過其他輔助方式進行近端測量，彌補近端誤差較大的不足。

圖1吊具定位示意圖

2.3定位設備構成

定位模塊包含超寬帶模塊、電池、無線模塊、天線、遠程開關、外殼。電池使得模塊實現自供電，免除了布置供電線的麻煩，通過低功耗設計可以使模塊運行較長的時間，超寬帶模塊負責模塊間的通信及時間戳的記錄，測距功能完成，測量結束后，主基站通過無線模塊將定位數據發(fā)送至服務器，天線增加了信號傳播距離。定位設備構成如圖2所示。

圖2定位設備構成

超寬帶模塊基于DWM1000開發(fā)，在此基礎上集成了STM32主控芯片、通信接口、三軸陀螺儀、加速度計、天線，可以實現一對多測距通信，可以對信號進行初步濾波處理。超寬帶模塊參數如表2所示。

表2超寬帶模塊參數

參數	指標
數據頻率/Hz	200
通訊距離/m	100
信號波段/GHz	3.5~6.5
最大數據包長度/b	1023

3、定位試驗測試

超寬帶信號實質是電磁波，其傳播途中會受到環(huán)境干擾，在復雜的局域環(huán)境下，超寬帶定位精度、穩(wěn)定性、數據重復性都可能會受到電磁信號、人體遮擋、環(huán)境遮擋等多種因素影響，為驗證系統(tǒng)是否能在復雜環(huán)境下穩(wěn)定運行，針對這些可能的影響因素，設計相應試驗測試，對定位信號精度、穩(wěn)定性、重復性進行驗證和相應改進優(yōu)化。

3.1信號穩(wěn)定性測試

為測試信號穩(wěn)定性，采集測距數據，采用信號穩(wěn)定性測量系統(tǒng)，由2個超寬帶模塊進行一對一測距。信號穩(wěn)定性測量系統(tǒng)如圖3所示。

圖3信號穩(wěn)定性測量系統(tǒng)

現場應用中，3個方向的測量距離范圍主要在10~20 m和40~100 m范圍內，2個模塊相距18.2 m，18.2 m信號原始數據如圖4所示，圖中信號波動范圍25 cm左右，穩(wěn)定性較差，噪聲較為明顯。

為提高信號的穩(wěn)定性，需要通過低通濾波器來濾除高頻噪聲，得到更平滑穩(wěn)定的數據，濾波效果既要保證高頻雜波的濾除也要盡可能減小對低頻信號的衰減。在此選取了一階低通濾波器，經過校準測試，確定了濾波器參數，18.2 m信號濾波數據如圖5所示，信號波動范圍大大減小，基本能夠達到濾除噪聲的目的，穩(wěn)定性增強。

圖4 18.2 m信號原始數據

圖5 18.2 m信號濾波數據

50?m信號濾波數據如圖6所示，100?m信號濾波數據如圖7所示，原始數據信號波動范圍在20?cm以內，濾波后信號波動范圍在5?cm左右。

圖6 50 m信號濾波數據

由試驗結果可知，測距信號波動誤差不隨測試距離變化，經過濾波后全范圍內誤差基本保持穩(wěn)定。

3.2人體遮擋試驗

電磁波遇到障礙物會發(fā)生衍射，改變原有的傳播方向。有研究結果表明，超寬帶信號在傳播過程中遇到人體的遮擋時，一部分信號會通過體表爬行波的形式沿著人體的表面進行傳播，從人體的一側傳播到另一側，這樣使得傳播時間變長，可能會造成測量數據大于實際距離數據。當人體沒有處在超寬帶模塊的直線傳播路徑上時，不會對信號產生影響，但人體處在超寬帶模塊的直線傳播路徑上時會使超寬帶信號產生衍射，影響數據精確性，同時，人體遮擋時與超寬帶模塊的距離大小也可能對數據結果產生不同程度的影響。為驗證人體遮擋對信號的影響因素和影響力度，采用人體遮擋測量系統(tǒng)，由人體遮擋在超寬帶模塊信號傳播路徑上，改變人體與模塊的距離進行多組試驗，以觀察不同距離的影響大小。人體遮擋測量系統(tǒng)如圖8所示。人體與模塊距離0.3?m時遮擋測距信號如圖9所示，圖中虛線左邊為無遮擋數據，虛線右邊為遮擋后數據，遮擋后測量數據比實際值增大約1.3?m。

圖7 100 m信號濾波數據

圖8人體遮擋測量系統(tǒng)

為探究人體與超寬帶模塊距離大小對信號的影響，選取0.3 m，1 m，2 m，3 m，5 m，6 m共6種距離分別進行了試驗，人體遮擋測試試驗結果如

圖9人體與模塊距離0.3 m時遮擋測距信號

圖10所示。由圖10可知，人體遮擋會增大距離測量結果，但對數據的波動性影響不大，除了0.3 m時測距誤差和波動較大，人體與模塊距離大于1 m時，誤差基本穩(wěn)定在0.6 m左右。因此可以得出結論，人體遮擋會使超寬帶模塊測量距離偏大，人體距離超寬帶模塊1 m以上時，誤差基本穩(wěn)定在0.6 m，距離小于1 m時，誤差更大。

圖10人體遮擋測試試驗結果

3.3定位系統(tǒng)可靠性測試

實現門式起重機吊具精確定位要求定位系統(tǒng)誤差小，重復性強，同一位置定位數據誤差應該在0.5?m以內，為驗證定位系統(tǒng)數據可靠性，依據圖1吊具定位示意在門式起重機上搭建定位系統(tǒng)、實際測試定位精度和重復性，選定8?m×8?m的區(qū)域標記16個定點位置，測試區(qū)域示意圖如圖11所示，相鄰點之間的距離為2m，在地面以白色貼紙標記位置，以激光垂直向下打點的方式讓吊具對準位置，以左上角第一個點為原點建立坐標，將吊具挪動到相應位置后記錄定位數據，通過反復挪動，每個位置均收集到10組數據，每組數據間均經歷了門式起重機移動再復位，測試散點坐標圖如圖12所示。

圖11測試區(qū)域示意圖

圖12測試散點坐標圖

圖12中，測試散點的位置數據與標準位置誤差最大約為20 cm，約半數誤差在10 cm以內，可知雖然吊具經過挪動和變換，但同一位置測量數據重復性較好，誤差在可接受范圍內。

3.4定位系統(tǒng)現場試驗

為驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)樣機在卷鋼堆場進行系統(tǒng)測試，首先在堆場的門式起重機上布置定位模塊，一個模塊放置在地面，3個模塊分別放置在門式起重機端部、移動小車底部、吊具上，確定好定位模塊位置后對4個模塊相對位置進行了測量，確定了坐標系原點及卷鋼坐標計算公式和參數。定位系統(tǒng)現場測試如圖13所示?，F場實測中，定位系統(tǒng)的測距數據與激光測距儀測量數據相比誤差在20?cm以內，且數據波動小，現場工況對定位數據穩(wěn)定性、準確性不構成影響。

圖13定位系統(tǒng)現場測試

4、結束語

基于超寬帶測距定位技術，提出了一種適用于門式起重機的低成本吊具定位解決方案，方案依托高精度測距技術圍繞門式起重機建立三維坐標，實現對吊具三維坐標的定義和獲取。針對方案設計試制硬件模塊，對模塊性能進行了試驗測試和優(yōu)化。試驗結果表明，超寬帶定位技術用做門式起重機吊具定位合理可行，精度高、誤差小、重復性強，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造成一定影響，使得測距結果偏大，定位數據偏離實際值。因此，在實際應用中，應通過合理架設模塊，避免使用過程中人體的遮擋影響，保證定位系統(tǒng)的可靠性和精確性。