CN112672282A - 基于imu的地排车输送窑车用实时定位***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***及方法，其中，定位***包括电源模块、CPU模块、无线通信模块、IMU传感器模块；电源模块为各个模块供电；IMU传感器模块将地排车运动的位置值发送至CPU模块；CPU模块上写入有车位数、位置值、车辆数，并对车位数、车辆数进行校对，判断二者是否一致，还获取IMU传感器模块的加速度数据且将其发送至无线通信模块，根据上述校对结果及加速度数据，通过无线通信模块向PLC发送运动指令，控制地排车向存储区内的指定区间输送窑车。其目的是为了提供一种结构简单、成本低且能够对地排车实现精准位移控制的基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***及方法。
Description
技术领域
本发明涉及惯性导航技术领域，特别是涉及一种基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***及方法。
背景技术
随着我国科学技术的不断进步，生产生活中各式各样的设备产品都在朝着智能化、物联化的方向发展。在窑厂工作环境中，地排车作为重要的传送单元，负责完成窑车的搬运工作，如果要实现整个窑厂的智能化、物联化，首要研发任务便是能够实现对地排车的精准定位。
目前，针对窑车的定位技术均依靠场强或限位开关来实现，二者各有弊病。通过场强的强弱完成定位信息采集的方案的不足之处表现在：安装困难，一台地排车需要至少三个节点定位模块；功耗大，需要时刻维持场强，还需要保证整个过程场强的功率不衰减；精度差，场强的范围为0～100，正常情况分辨率为米级。通过限位传感器完成定位信息采集的方案的不足之处则表现在：成本高，根据定位点的需求要使用大量的传感器实现定位；数据冗杂，如果检测点过多，会使得整个***变得冗杂；精度差，根据传感器的多少确定定位精度。
可见，上述两种方法存在很大的缺陷，无法对地排车实现精准的位移控制，从而无法让整个窑厂厂区实现真正的智能化。因此，无论从成本还是智能化角度看，发明一种精准的地排车定位方法对工厂的生产实践都具有非常重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低且能够对地排车实现精准位移控制的基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***，包括电源模块、CPU模块、无线通信模块，还包括IMU传感器模块；
所述电源模块用于为上述各个模块供电；
所述IMU传感器模块将地排车运动的位置值发送至CPU模块；
所述CPU模块上写入有表示存储区内可存放窑车的车位数据的车位数、地排车输送过程中的位置值、缓存区的车辆数，并对车位数、车辆数进行校对，判断二者是否一致；还获取IMU传感器模块的加速度数据且将该数据发送至所述无线通信模块；
根据上述校对结果及加速度数据，所述CPU模块通过所述无线通信模块向PLC发送运动指令，控制地排车向存储区内的指定区间输送窑车。
本发明基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***，还包括窑车检测模块，所述窑车检测模块与电源模块电连接，所述窑车检测模块用于在地排车经过窑车时向CPU模块提供一个跳变电压供CPU模块检测，CPU模块检测到地排车经过时，通过所述无线通信模块向PLC发送解除运动指令，停止输送窑车。
本发明基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***，所述IMU传感器模块主芯片的型号为MPU6050，所述无线通信模块的型号为HLK-M35的UART-WiFi集成模块。
本发明基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***，所述电源模块主芯片的型号为AMS1117。
本发明基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***，所述CPU模块主芯片的型号为STM32F103C8T6。
第二方面，本发明提供了一种基于IMU的地排车输送窑车用实时定位方法，包括如下步骤：
S1：串口发送AT指令配置无线通信模块；
S2：上层***发送需要新窑车进窑的任务指示，权利要求1-5中任一项所述的基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***启动，获取地排车当前的位置值，所述位置值为地排车当前位置与缓存区内待进窑的末辆窑车所在位置之间的距离k，用该位置值除以单辆窑车的车长得出地排车前方缓存区待进窑的车辆数；
S3：读取CPU模块中的flash存储数据，得到所述位置值、车辆数以及车位数，先将所述车辆数与单辆窑车车长的乘积和所述位置值进行校对，使该乘积与位置值相匹配，接着将所述车辆数与车位数之和跟地排车每次托运的窑车的最大数量值进行校对，判断二者是否一致，不一致，发出报警信号；车辆数、车位数一致且数值在1～最大数量值之间，IMU传感器模块的数据解算功能开启，并通过I2C通信方式获取地排车运动过程中的加速度信号，通过加速度求出线速度，进而求出位移量；
S4：所述CPU模块控制无线通信模块向PLC发送开启运动控制指令，控制所述地排车将窑车从缓存区向存储区的指定区间运输，所述实时定位***进入实时位置解算模式，CPU模块不断读取IMU传感器模块传入的加速度信息，通过加速度信息计算得出理论位置值，当理论位置值与实际的位置值相等时，再次通过无线通信模块向PLC发送解除运动控制指令，停止数据解算，停止输送窑车；
S5：更新flash存储数据中的车位数，并写入地排车的新的位置值与缓存区新的车辆数，判断此时车辆数是否为零，不为零，重复步骤S2-S4；为零，则通过无线通信模块向PLC发送开启运动控制指令，再次进入实时位置解算模式，抓取就近的N辆窑车进入缓存区；
S6：重复步骤S2-S4，直至窑车检测模块检测到第5辆车到达存储区，通过无线通信模块向PLC发送解除运动控制指令，停止数据解算，停止输送窑车；
S7：更新flash存储数据，保存地排车最终位置值后，CPU模块通过无线通信模块向PLC发送指令，开启返程运动，将地排车从窑内退出；地排车退回到指定位置，再次更新flash存储数据，写入当前地排车的位置值，***进入等待模式，等待下一次运输任务指示。
本发明基于IMU的地排车输送窑车用实时定位方法，所述步骤S1还包括：
检测无线通信模块是否进入透传模式，未进入，重启无线通信模块进行二次配置。
本发明基于IMU的地排车输送窑车用实时定位方法，所述步骤S3中，通过加速度求出线速度，进而求出位移量，包括如下步骤：
对加速度信号加入一个一阶插值信号，再对融合后的信号进行二重积分，获取加速度数据以获得位置信息，将加速度信号与一阶插值信号融合后进行二重积分，融合后新的信号表达式如下：
其中，Arean为第n次求得的修正后的位移量，Samplen为第n次求得的计算位移量，Δx为采样的时间间隔。
第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一基于IMU的地排车输送窑车用实时定位方法的步骤。
第四方面，本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上执行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一基于IMU的地排车输送窑车用实时定位方法的步骤。
与现有技术相比，上述技术方案至少具有以下有益效果：
本发明基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***及方法，将IMU传感器模块应用到窑厂厂区地排车定位中，能够实时精准获取地排车的位置信息以及地排车运行轨道上的窑车分布情况(即存储区、缓存区的窑车分布情况)，并对窑车位置信息进行实时记录，在位置信息获取完成之后，将数据上传至地排车区域的PLC，辅助该PLC完成对地排车输送窑车全程的闭环控制，搭建起地排车位移智能控制***，实现了窑厂地排车的自动化运行，显著提高了窑车输送效率。同时，整个实时定位***使用的传感器少、结构简单、安装方便、功耗低，显著降低了使用成本，而且，参与交换的数据量减小，***运行速度更快，精度更高。
下面结合附图对本发明的基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***及方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明中地排车的运行环境示意图；
图2为本发明基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***的结构示意图；
图3为本发明基于IMU的地排车输送窑车用实时定位方法的工作流程图；
图4为本发明中加速度信号的积分运算示意图；
图5为本发明中后加速度法积分运算示意图；
图6为本发明中前加速度法积分运算示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明提供了一个实施例，基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***，包括电源模块、CPU模块、无线通信模块、IMU传感器模块、窑车检测模块。
考虑到上述各个模块的独立性，供电部分选择12V锂电池。
电源模块主芯片选择AMS1117，采用独立可充电电池供电，避免有线电源限制地排车1移动，同时，本申请的电源模块还将电池电压转换至上述各个模块可接受的工作电压，以便为这些模块稳定供电。
IMU传感器模块将地排车1运动的位置值发送至CPU模块；优选的，IMU传感器模块主芯片选择MPU6050，其能够将地排车1运动的初始参数数据(包括上述位置值)通过I2C的通信方式发送至CPU模块。
优选的，无线通信模块选择型号为HLK-M35的UART-WiFi集成模块，通过AT指令将其配置为透传模式，完成实时定位***到PLC的无线数据传输，在供电稳定时，其传输距离可达100米，能够切实满足本申请的数据传输需求。
CPU模块上写入有表示存储区内可存放窑车的空车位数据的车位数、地排车输送过程中的位置值、缓存区待拖入存储区内的窑车的车辆数，并对车位数、车辆数进行校对，判断二者是否一致；同时，CPU模块还接收、获取IMU传感器模块的加速度数据并将该数据发送至无线通信模块；优选的，CPU模块主芯片选择STM32F103C8T6。
根据上述车位数、车辆数校对结果及加速度数据，CPU模块通过无线通信模块向PLC发送运动指令，控制地排车1向存储区内的指定区间输送窑车2。
窑车检测模块在地排车1经过窑车2时向CPU模块提供一个跳变电压供CPU模块检测，CPU模块检测到地排车1经过时，通过无线通信模块向PLC发送解除运动指令，停止输送窑车2。优选的，窑车检测模块为常用的行程开关。
结合图3所示，本申请还提供了一个实施例，基于IMU的地排车输送窑车用实时定位方法，包括如下步骤：
S1：串口发送AT指令配置无线通信模块；
执行步骤S1之前，需进行***初始化，即***上电和CPU模块、IMU传感器模块和无线通信模块的初始化。
在配置无线通信模块时，还需检测无线通信模块是否进入透传模式，未进入，重启无线通信模块，串口发送AT二次配置wifi，直至进入透传模式。
S2：上层***发送需要新窑车进窑的任务指示，上述基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***启动，通过传感器获取地排车1当前的位置值，该位置值为地排车1当前位置与缓存区内待进窑的末辆窑车所在位置之间的距离k，用该位置值除以单辆窑车的车长得出地排车1前方缓存区待进窑的车辆数；
S3：读取CPU模块中的flash存储数据，flash存储数据为实时定位***之前工作产生的累计值，出厂时初始值为零，在运行中不断更新、存储，flash存储数据包括车位数(即存储区内可存放窑车的空车位的数量)、地排车输送过程中的位置值、缓存区的车辆数。通过读取flash存储数据即可得到上述位置值、车辆数以及车位数。其中，车辆数是由程序加减操作计算得来，而位置值是由传感器计算得来，可能会因为误差导致车辆数与单辆窑车车长的乘积跟位置值存在差异，故需先将读取的车辆数与单辆窑车车长的乘积与地排车1在当前位置的位置值进行校对，使二者一致，接着，将该车辆数与存储区可用的车位数之和跟数字“5”(“5”为本实施例中地排车1每次托运的窑车2的最大数量值)进行校对，判断二者是否一致(即判断二者之和是否等于5)，不一致，发出报警信号。上述车辆数与单辆窑车车长的乘积和地排车1在当前位置的位置值一致时，缓存区的车辆数也与存储区的车位数一致，反之，缓存区的车辆数与存储区的车位数不一致时，前述乘积与位置值也不一致，需要人工调整。具体的，当发现车辆数与单辆窑车车长的乘积与当前的位置值不匹配(即不一致)时，启动人工修改校验参数步骤，申请人工读出地排车的当前位置值与缓存区的车辆数，根据现场实际情况对CPU模块中错误的位置数据、车辆数据进行修改，使上述车辆数与单辆窑车车长的乘积与位置值相匹配，消除测量过程中产生的误差，以便获得准确数据，确保后续精确控制窑车2的输送。在实际操作中，可采用串口通信方式对***的位置信息、车辆信息进行查询，若信息有误，可再次利用串口通信的方式将修正数据写入***。
如上述车辆数、车位数一致且数值在1～5之间，即地排车1的当前位置与存储区的指定区间之间存在1～5个车位，则开启IMU传感器模块的数据解算功能，并通过I2C通信方式获取地排车运动过程中的加速度信号，通过加速度求出线速度，进而求出位移量，为了进一步提高定位的精确性，对加速度信号加入一个一阶插值信号，再对融合后的信号进行二重积分，以此来获得更为精准的位移量，获取加速度数据以获得位置信息，整个位移量计算过程如下：
加速度信号的积分运算，即通过加速度量求解速度量，在连续时间过程中，计算公式如公式1所示。其中
表示带有方向性的速度值，
表示带有方向性的加速度值，即通过对加速度量关于时间上的积分求得整个运动过程中的速度值。
位移信号的积分运算，即通过速度量求解位移量，在连续时间构成中，计算公式如公式2所示。其中
表示带有方向性的位移量，即通过对速度量关于时间上的积分求得整个运动过程中的位移量。
关联公式1,2后，在连续时间内，可以直接利用加速度量求解出位移量，关联公式如公式3所示。
但在实际过程中，加速度、速度量并不是对应时间完全连续的，需要将其转换到数字信号当中去处理，由求和公式代替原来的积分公式。如公式4所示。其中，a、b为一次运动过程的起始时间与终止时间，f(x)表示加速度、速度随时间的变化函数，通过对时间积分后分别求出速度、位移量；f(xi)为数字信号中不同采样点时刻i对应的加速度、速度值，Δx为采样的间隔时间。
实际情况下，地排车1的运动过程分为加速、匀速、减速三个过程。对运动过程中的加速度量采集如图4所示，此时以加速过程为例进行计算分析，其它过程同理。如图5所示，在按照图5中矩形框进行求和运算时，每进行一次求和，***都会与原积分信号产生一个类似于三角形的误差，虽然在实际情况中，Δx足够小会使得三角形误差忽略不计，但***在长时间运行之后还是会存在一定误差，为了消除这一误差，将加速度信号与一阶插值信号融合后进行二重积分，融合后新的信号表达式如公式5所示。其中，Arean为第n次求得的修正后的位移量，Samplen为第n次求得的计算位移量，Δx为采样的时间间隔。
如图6所示，相比于直接进行双重积分，融合后***误差可以忽略不计。
S4：CPU模块控制无线通信模块向PLC发送开启运动控制指令，控制地排车1将窑车2从缓存区向存储区的指定区间运输，地排车1的行进距离等于上述位移量，实时定位***进入实时位置解算模式，CPU模块不断读取IMU传感器模块传入的加速度信息，通过加速度信息计算得出理论位置值(常见通用算法，公式见上文所述)，当理论位置值与地排车1的实际位置值相等时，CPU模块再次通过无线通信模块向PLC发送解除运动控制指令，停止数据解算，地排车1停止输送窑车2；
S5：更新flash存储数据中的车位数，并写入地排车1的新的位置值与缓存区新的车辆数，判断此时车辆数是否为零，不为零，重复步骤S2-S4；为零，则CPU模块通过无线通信模块向PLC发送开启运动控制指令，再次进入实时位置解算模式，抓取就近的5辆窑车进入缓存区；
S6：重复步骤S2-S4，直至窑车检测模块检测到第5辆车到达存储区，CPU模块通过无线通信模块向PLC发送解除运动控制指令，停止数据解算，停止输送窑车2；
S7：更新flash存储数据，保存地排车1最终位置值后，CPU模块通过无线通信模块向PLC发送指令，开启返程运动(即反向运动)，将地排车1从窑内退出；地排车1退回到指定位置，再次更新flash存储数据，写入当前地排车1的位置值，等待下次运输任务指示。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述实施例中提供的方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上执行的计算机程序，处理器执行程序时实现上述实施例中提供的方法的步骤。
本申请中，由于地排车1的负载能力有限，设置地排车1每次托运的窑车2的最大数量为5辆，当上层***要求新窑车进窑时，地排车1开始查询地排车前方缓冲区中窑车2的数量，如果数量大于等于1，则将就近的一辆窑车2运送到指定区域，并在此时再次查询缓冲区中的窑车数量，如果为零，则向后运动，抓取就近的五辆窑车进入缓冲区域。如此往复循环，直至将所有窑车运送入存储区。
本发明以窑厂厂区内的每个地排车1为单位，采用整个实时定位***实现对每一辆地排车1进行实时定位，通过IMU传感器模块结合优化的积分路径计算，实现了对地排车1的精准定位，相对于背景技术中提到的场强等其他定位方式，大幅降低了成本、提高了精度，保证了上层***对地排车1输送窑车2全程的精准控制。而且，本申请的定位***及方法还适用于其他常见的依托轨道运行的传输装置，应用场景多，实用性强。另外，本申请利用物联网技术，采用无线方式传输，解决了布线带来的一系列不利问题。如果在上层***中嵌入常见的组态软件，还能够及时观察地排车1的运行状态，便于实时监控。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***，包括电源模块、CPU模块、无线通信模块，其特征在于，还包括IMU传感器模块；
所述电源模块用于为上述各个模块供电；
所述IMU传感器模块将地排车运动的位置值发送至CPU模块；
所述CPU模块上写入有表示存储区内可存放窑车的车位数据的车位数、地排车输送过程中的位置值、缓存区的车辆数，并对车位数、车辆数进行校对，判断二者是否一致；还获取IMU传感器模块的加速度数据且将该数据发送至所述无线通信模块；
根据上述校对结果及加速度数据，所述CPU模块通过所述无线通信模块向PLC发送运动指令，控制地排车向存储区内的指定区间输送窑车。
2.根据权利要求1所述的基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***，其特征在于，还包括窑车检测模块，所述窑车检测模块与电源模块电连接，所述窑车检测模块用于在地排车经过窑车时向CPU模块提供一个跳变电压供CPU模块检测，CPU模块检测到地排车经过时，通过所述无线通信模块向PLC发送解除运动指令，停止输送窑车。
3.根据权利要求2所述的基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***，其特征在于，所述IMU传感器模块主芯片的型号为MPU6050，所述无线通信模块的型号为HLK-M35的UART-WiFi集成模块。
4.根据权利要求3所述的基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***，其特征在于，所述电源模块主芯片的型号为AMS1117。
5.根据权利要求4所述的基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***，其特征在于，所述CPU模块主芯片的型号为STM32F103C8T6。
6.基于IMU的地排车输送窑车用实时定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：串口发送AT指令配置无线通信模块；
S2：上层***发送需要新窑车进窑的任务指示，权利要求1-5中任一项所述的基于IMU的地排车输送窑车用实时定位***启动，获取地排车当前的位置值，所述位置值为地排车当前位置与缓存区内待进窑的末辆窑车所在位置之间的距离k，用该位置值除以单辆窑车的车长得出地排车前方缓存区待进窑的车辆数；
S3：读取CPU模块中的flash存储数据，得到所述位置值、车辆数以及车位数，先将所述车辆数与单辆窑车车长的乘积和所述位置值进行校对，使该乘积与位置值相匹配，接着将所述车辆数与车位数之和跟地排车每次托运的窑车的最大数量值进行校对，判断二者是否一致，不一致，发出报警信号；车辆数、车位数一致且数值在1～最大数量值之间，IMU传感器模块的数据解算功能开启，并通过I2C通信方式获取地排车运动过程中的加速度信号，通过加速度求出线速度，进而求出位移量；
S4：所述CPU模块控制无线通信模块向PLC发送开启运动控制指令，控制所述地排车将窑车从缓存区向存储区的指定区间运输，所述实时定位***进入实时位置解算模式，CPU模块不断读取IMU传感器模块传入的加速度信息，通过加速度信息计算得出理论位置值，当理论位置值与实际的位置值相等时，再次通过无线通信模块向PLC发送解除运动控制指令，停止数据解算，停止输送窑车；
S5：更新flash存储数据中的车位数，并写入地排车的新的位置值与缓存区新的车辆数，判断此时车辆数是否为零，不为零，重复步骤S2-S4；为零，则通过无线通信模块向PLC发送开启运动控制指令，再次进入实时位置解算模式，抓取就近的N辆窑车进入缓存区；
S6：重复步骤S2-S4，直至窑车检测模块检测到第5辆车到达存储区，通过无线通信模块向PLC发送解除运动控制指令，停止数据解算，停止输送窑车；
S7：更新flash存储数据，保存地排车最终位置值后，CPU模块通过无线通信模块向PLC发送指令，开启返程运动，将地排车从窑内退出；地排车退回到指定位置，再次更新flash存储数据，写入当前地排车的位置值，***进入等待模式，等待下一次运输任务指示。
7.根据权利要求6所述的基于IMU的地排车输送窑车用实时定位方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：
检测无线通信模块是否进入透传模式，未进入，重启无线通信模块进行二次配置。
8.根据权利要求7所述的基于IMU的地排车输送窑车用实时定位方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过加速度求出线速度，进而求出位移量，包括如下步骤：
对加速度信号加入一个一阶插值信号，再对融合后的信号进行二重积分，获取加速度数据以获得位置信息，将加速度信号与一阶插值信号融合后进行二重积分，融合后新的信号表达式如下：
其中，Arean为第n次求得的修正后的位移量，Samplen为第n次求得的计算位移量，Δx为采样的时间间隔。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求6-8任一项所述的基于IMU的地排车输送窑车用实时定位方法的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上执行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求6-8任一项所述的基于IMU的地排车输送窑车用实时定位方法的步骤。
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Citations (8)
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2020
- 2020-12-25 CN CN202011557176.9A patent/CN112672282A/zh active Pending
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