CN110333523A - 一种用于rtg自动行走系统的轨道线三维数据生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于RTG自动行走系统的轨道线三维数据生成方法，通过操控RTG沿场地轨道线行走，实时采集定位信息；利用定位信息生成轨道线水平位置和两侧轨道线高度差；并对场地实时形变监测。与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明不需额外标定设备，测量效率高，测量精度更好，能够实时监测场地形变。

Description

一种用于RTG自动行走系统的轨道线三维数据生成方法

技术领域

本发明涉及一种基于RTG自动行走系统应用的轨道线三维数据自动生成方法。

背景技术

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。随着集装箱码头吞吐量的不断提升，越来越多的集装箱码头公司关注或引进RTG自动化设备，通过提高RTG的自动化水平，进一步提高作业效率。

RTG自动行走功能原理为通过通信接口接收目标位置指令，并沿着RTG大车轨道线自动行走到目标位置，该功能是实现集装箱码头作业自动化的重要手段。实现RTG自动行走，需要事先获取集装箱码头大车轨道线数据作为基准，RTG大车轨道线数据包括场号、主车道线的起始点坐标和终点坐标、距主车道线不同距离处的两侧轨道高度差(RTG大车行走与轨道线绝对高度无关，而是与两侧车道线的相对高度密切相关)等。

目前测量集装箱码头RTG大车轨道线的常用方法是“GNSS定位+光学仪器相对测量”，其中利用GNSS定位获取RTG大车轨道线的各个端点位置，确定轨道线水平位置；利用光学仪器测量RTG大车两侧车道线的相对高度差(一般测量4—5组)，从而形成轨道线三维立体数据，将所有轨道线三维数据存入地图，为RTG大车自动行走提供位置参考。由于集装箱码头一般堆场较多，因此“GNSS定位+光学仪器相对测量”的测量方法工作量大，并且只能通过人工测量进行更新，因此无法对场地形变等情况进行实时监测和更新。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种用于RTG自动行走系统的轨道线三维数据生成方法，能够通过操控RTG沿场地轨道线行走，采集实时定位信息，即可标定出场地轨道线的精准三维数据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于RTG自动行走系统的轨道线三维数据生成方法，包括如下步骤：

步骤一、操控RTG沿场地轨道线行走，实时采集定位信息；

步骤二、生成轨道线水平位置；

步骤三、生成两侧轨道线高度差；

步骤四、对场地进行实时形变监测。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明综合利用GNSS精准定位技术和四GNSS天线测姿技术。利用RTG沿场地轨道线行走的定位信息进行直线拟合，计算出轨道线的精准位置参考信息；通过采集RTG行驶方向左右两侧的GNSS实时定位高度差，计算RTG两侧轨道线的高度差。具体优点如下：

1、不需额外标定设备

该方法所用标定设备即为大车自动行走系统，无需额外配备轨道线测量设备，实现了一台设备多重利用的目的。

2、测量效率高

只需要RTG沿车道起始点到终止点运行一遍，就可完成当前场地的标定，降低工作量的同时，也提高了测量效率。

3、测量精度更好

利用轨道线三维数据自动生成方法，能够实时获取RTG大车的位置和倾斜度，从而提高了轨道线采样点数量，即增加了位置信息测量个数，能获得比“GNSS定位+光学仪器相对测量”更真实的数据。

4、能够实时监测场地形变

利用四个GNSS天线可实时测量出RTG大车的位置信息和姿态信息，进而计算出轨道线各处的相对高度，并与地图中的数据进行对比，如果某段场地多次测量出高度异常情况，则可知此处地形发生沉降等变化。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为投影原理示意图；

图2为轨道线直线拟合原理示意图；

图3为实时形变检测原理。

具体实施方式

本发明提供了一种基于RTG自动行走系统应用的轨道线三维数据自动生成方法。该方法在不增加测量设备的前提下，利用RTG自动行走系统即可实现轨道线三维数据自动生成，为场地内所有RTG自动行走系统提供场地位置和相对高度基准。该方法还能够提供场地沉降监测功能。

轨道线三维数据自动生成方法包括轨道线水平位置生成和两侧轨道线高度差生成。RTG自动行走只需一条轨道线作为基准，因此该方法只生成一条轨道线的水平位置；另外,场地两侧轨道线相对高度差与RTG自动行走的精度密切相关，因此该方法实现了测量两侧轨道线高度差的功能。

该轨道线三维数据自动生成方法需要预先进行如下安装和标定：(1)四个GNSS天线分别安装于RTG顶部框架的四个角点上，并且通过安装和标定技术保证四个天线高度一致。(2)对RTG大车胎压进行调校，保证RTG空载时两侧车轮在大车运行过程中形变量相同。(3)通过机械图纸和实际测量相结合的方法得到大车的跨距L、GNSS天线相对场地平面的高度H。

轨道线自动生成算法包含GNSS测量值投影转换、轨道线直线拟合、轨道线相对高度差测量以及场地实时形变模块。其中，利用GNSS测量值投影转换、轨道线直线拟合、轨道线相对高度差测量可标定出轨道线三维数据，形成场地地图文件；场地实时形变监测是在RTG大车自动行走过程中，将轨道线实际高差与地图数据进行对比，计算轨道线形变。

一、GNSS测量值投影转换

利用多天线高精度冗余定位技术，能够实时测量出RTG顶部框架的准确位置，同时利用多天线联合测姿技术，能够实时测量RTG大车的水平姿态和航向。理想情况下，将GNSS天线在场地内直接投影，即可计算出RTG轨道线的坐标值。但是由于排水的需要，集装箱堆场建设时带有一定的坡度，并且随着使用时间增长，场地会发生沉降，导致GNSS天线在场地平面内的投影与轨道线发生偏差。

基于上述情况，设计了GNSS坐标值自适应投影算法，算法原理如图1所示。以二维投影为例，已知天线安装高度H和当前RTG大车倾斜角γ，以车轮点为圆点建立坐标系XOZ，则GNSS天线由于场地倾斜引起的投影分量为该投影原理同样适用于三维情况。

当某一时刻，GNSS天线直接投影位置为P_GNSS，利用多天线测姿技术获得当前姿态信息为(ψ,θ,γ)，则可计算出当前大车坐标到场地坐标的投影转换矩阵结合GNSS天线距地面的高度可进一步可算出GNSS的投影误差补偿量根据上述信息则可计算出当前大车在场地坐标内的实际位置信息P_标记点＝P_GNSS-ΔP。

以下对本模块的具体算法说明如下：

1、RTG大车精准定位

在开阔无遮挡的已知点架设基准站，并实时播发差分信息；RTG大车上的GNSS接收机可利用差分信息和实时观测信息进行实时载波相位差分(RTK)，精度可达2cm。

2、RTG大车姿态测量

定义地理坐标系为n系，载体坐标系为b系。n系到b系的坐标转换矩阵为b系到n系的坐标转换矩阵为设某一基线向量在n系下的分量为X_n，在b系下的分量为X_b。

若RTG大车的实际航向(RTG方位角)、俯仰(RTG前倾)、横滚(RTG侧倾)角度分别为(ψ,θ,γ)，可表示为：

则根据坐标系转换关系，X_b和X_n的转换关系可表示为：

由上式可知，每一个独立的基线向量可以构成一个方程，N条独立基线可构成N个方程。

可组成矩阵M_b，可组成矩阵M_n，M_b和M_n都为3×N矩阵。

因此，当独立基线个数大于等于3个时，利用最小二乘原理，则可解算姿态矩阵各个元素值：

根据式2-1和2-4，可从矩阵中可计算出RTG大车的姿态信息：

3、GNSS投影误差补偿

假设RTG大车水平时，GNSS天线在RTG车轮正上方，GNSS天线与车轮底面(车轮所在地面)高度差为ΔH，即在RTG大车载体坐标系下高度差为(0,0,ΔH)^T，此时天线在地面的投影点与车轮重心重合。当RTG大车姿态变化以后，GNSS天线在地面的投影会发生偏移，从而无法准确计算车轮的实际位置，此时应计算RTG大车姿态变化引起的投影点偏移量，从而对投影点进行补偿。

从原理上讲，当两个坐标系发生相对旋转，则在某一坐标系下的恒定向量在另一坐标系下投影点会发生移动，投影点变化量取决于向量和角度旋转量。在RTG应用中，角度旋转量即为RTG的实际姿态(ψ,θ,γ)，对应的坐标转换矩阵为

由于姿态变化引起的地面水平投影点变化量即为

此时GNSS实际位置加上该补偿量即为RTG大车车轮真实位置。

二、轨道线直线拟合

轨道线直线拟合原理如图2所示。RTG大车实际水平轨道线为直线，当RTG大车司机通过手动纠偏控制大车沿轨道线行走，大车行走轨迹为曲线。但是从整个场地运行过程看，大车行走轨迹沿理想轨道线左右摆动，这是能够利用RTG大车实际行走轨迹进行直线拟合，从而计算轨道线位置数据的理论依据。

RTG大车沿轨道线行走后可得到一系列原始位置测量值，通过投影转换可计算得到对应的场地坐标系下的位置P₁,P₂,…,P_n(其中P_i(x_i,y_i)为场地水平面二维坐标值)。利用P₁,P₂,…,P_n进行最小二乘直线拟合即可得到轨道线的方程y＝kx+b。筛选P₁,P₂,…,P_n中的最小值和最大值，再加上一定阈值，作为该场地轨道线的边界，从而避免与其他场地数据重合。

以下为对本模块的具体算法说明：

轨迹点拟合基于GNSS测量值与轨道实际值存在随机可控偏差的事实，采用最小二乘拟合来计算轨道线参数最优解。

假设轨道线方程为y＝kx+b，过投影转换可计算得到对应的场地坐标系下的位置P₁,P₂,…,P_n(其中P_i(x_i,y_i)为场地水平面二维坐标值)，则可列出以下方程组。

将上式写成矩阵形式为：

如果测量误差V为随机误差(实际误差满足该假设)，则直线方程系数的最小二乘解为：

[kb]^T＝(G^TG)^-1G^TY (式4-3)

三、轨道线相对高度差测量

由于四个GNSS天线通过安装和校正以后高度一致，RTG大车胎压进行调校后形变相同，因此在水平场地下GNSS天线的高度测量值相同。

当RTG大车沿轨道线运动时，如果当前所在场地量测轨道线存在高度差，则大车也会沿跨距方向发生倾斜，此时GNSS跨距两侧的天线高度差即反应场地轨道线的相对高差。由于轨道线自动生成方法中相对高度差测量值采用等间隔采样，即采样点沿RTG轨道方向等间隔均匀排布。由于GNSS定位频率可达到10Hz，因此该方法实际采集的样本点相对密集，所以该方法比“GNSS定位+光学仪器相对测量”方法更真实地反应场地轨道线相对起伏。

如果高度差测量值样本点过多，可根据具体场地的起伏，采用抽样的方法降低测量数据个数，从而降低地图文件的大小。

四、场地实时形变监测

随着场地使用时间的增长，不可避免会发生沉降，从而引起轨道线相对高度变化。

场地实时形变监测原理是，在RTG大车自动运行过程中，每隔固定距离记录轨道线两侧高度差，并与地图数据进行对比，从而找出与地图文件中高度差变化较大的地方，并进行记录。

RTG轮胎气压会随着时间变化，导致实际测量的高度差与地图高度差有恒定差值，因此实际高差与地图高差做差以后的差值是有偏的，难以用方差形式求出误差变化的区域。因此对该误差求导数，可得到误差变化率，反应测量的高度差与地图高度差的不一致情况。

形变监测采用滑动窗方差法，即以恒定的采样窗宽度(实际对应沿轨道方向的固定长度)在轨道上滑动，分别求出采样窗内高度差变化率的方差，如果某点存在场地沉降，则该处的高度差变化率较大，采样窗内高度差变化率的方差也会变大，当方差超过一定阈值，即可认为该处发生沉降等形变。

形变监测数据对比方法如图3所示：RTG大车行走时可实时测量轨道线两侧高度差，地图中存有预先标定的轨道线两侧高度差；两者进行做差，得到高度差误差曲线，将误差曲线减去误差均值形成无偏的误差变化曲线；对离散的误差变化曲线沿轨道方向求差分，得到高度误差变化趋势曲线，变化趋势越大，代表高度误差变化越快；分别利用2L、5L、10L(L为地图中相对高程差采样间隔)作为窗口宽度，求高度误差变化趋势曲线的均方根，以测量不同长度、不同坡度的沉降，如果某一段距离的误差均方根值都超过一定阈值，则该位置发生较大的沉降。

Claims (6)

1.一种用于RTG自动行走系统的轨道线三维数据生成方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、操控RTG沿场地轨道线行走，实时采集定位信息；

步骤二、生成轨道线水平位置；

步骤三、生成两侧轨道线高度差；

步骤四、对场地进行实时形变监测。

2.根据权利要求1所述的一种用于RTG自动行走系统的轨道线三维数据生成方法，其特征在于：步骤一所述实时采集定位信息的方法为：

(1)天线安装：

将四个GNSS天线分别安装于RTG顶部框架的四个角点上，确保四个天线高度一致；

(2)胎压调校：

对RTG大车胎压进行调校，确保RTG空载时两侧车轮在大车运行过程中形变量相同；

(3)确定RTG大车的跨距L、GNSS天线相对场地平面的高度H；

(4)对RTG大车进行精准定位：

在开阔无遮挡的已知点架设基准站，并实时播发差分信息；操控RTG沿轨道起始点到终止点运行一遍，RTG大车上的GNSS接收机利用差分信息和实时观测信息进行实时载波相位差分，实时获得GNSS坐标值作为RTG大车的实时定位信息。

3.根据权利要求2所述的一种用于RTG自动行走系统的轨道线三维数据生成方法，其特征在于：步骤二所述生成轨道线水平位置的方法为：

(1)计算RTG大车的姿态信息：

定义地理坐标系为n系，载体坐标系为b系，n系到b系的坐标转换矩阵为b系到n系的坐标转换矩阵为设某一基线向量在n系下的分量为X_n，在b系下的分量为X_b，

若RTG大车的方位角、俯仰角、横滚角度分别为(ψ,θ,γ)，则为：

建立X_b和X_n的坐标转换关系：

利用N条独立基线构成如下N个方程：

令组成矩阵M_b，组成矩阵M_n，M_b和M_n均为3×N矩阵；

当独立基线个数大于等于3个时，利用最小二乘原理解算姿态矩阵各个元素值：

利用矩阵计算出RTG大车的姿态信息如下：

(2)GNSS投影误差补偿

按下式计算

计算姿态变化引起的地面水平投影点变化量：

此时GNSS实际位置加上ΔP即为RTG大车车轮真实位置；

(3)轨迹点拟合：

设轨道线方程为y＝kx+b，P₁,P₂,…,P_n为对应的场地坐标系下的位置，其中P_i(x_i,y_i)为场地水平面二维坐标值，建立以下方程组：

将方程组写成矩阵形式为：

其中，测量误差V为随机误差，则直线方程系数的最小二乘解为：

[k b]^T＝(G^TG)^-1G^TY。

4.根据权利要求3所述的一种用于RTG自动行走系统的轨道线三维数据生成方法，其特征在于：步骤三所述生成两侧轨道线高度差的方法为：当RTG大车沿轨道线运动时，若大车沿跨距方向发生倾斜，则GNSS跨距两侧的天线高度差即为两侧轨道线高度差。

5.根据权利要求4所述的一种用于RTG自动行走系统的轨道线三维数据生成方法，其特征在于：相对高度差测量值采用等间隔采样，GNSS定位频率为10Hz。

6.根据权利要求4所述的一种用于RTG自动行走系统的轨道线三维数据生成方法，其特征在于：步骤四所述对场地进行实时形变监测的方法为：

(1)RTG大车行走时实时测量轨道线两侧高度差；

(2)将实时测量的轨道线两侧高度差与地图中预存的轨道线两侧高度差进行做差，得到高度差误差曲线；

(3)将误差曲线减去误差均值形成误差变化曲线；

(4)对离散的误差变化曲线沿轨道方向求差分，得到高度误差变化趋势曲线；

(5)分别利用2L、5L、10L作为窗口宽度，求高度误差变化趋势曲线的均方根；

(6)当某一段距离的误差均方根值都超过设定的阈值时，则判断该位置发生较大的沉降。