堆取料机防碰撞系统
第1章  系统简介
1.1  概述
　　随着水路运输业的快速发展，现代港口规模和吞吐量不断增长，港口各种装卸设备数量不断增加，如何高效可靠使用这些装卸设备是各港口单位关心的问题。港口装卸设备中主要的斗轮堆取料机又称悬臂式堆取料机，是散货堆场作业的核心设备。它是堆取料合一的机械，即是一种挖取和堆存煤炭、矿石、砂石等松散物料的高效率机械。它不仅适用于电厂，而且在码头、港口也很适用，大多数的转运煤及松散物料的码头、港口都采用斗轮堆取料机。斗轮堆取料机的采用，大大缩短了堆取时间，提高了工作效率，减轻了工人劳动强度。
　　为提高装卸均化作业的效率和安全问题，应保证堆取料机具备寻堆认址、定位,  自动确定各层料堆起点、终点及位置跟踪、终点记忆、料流对中心、电缆保护、整机自动堆取料，从而实现流畅和高效的堆取料自动作业。同时中控室能够对作业过程进行监视。所以有必要对堆取料机大机位置进行连续跟踪、悬臂三维位置实时检测，解决堆取料作业过程中空间防碰撞的难题。
1.2  目前大机采用的定位方式
　　目前堆取料机位置检测大多采用的是人眼定位、光电编码器装置（光码盘）、激光位移传感器、行走限位开关、RFID方式。光电编码器装置，整套装置安装在驱动电机前部的一个金属壳体内，由盘状齿轮与定位车齿条啮合，通过驱动轴驱动编码器。盘状齿轮的圆周与定位车驱动小齿轮的圆周相同。编码器由传动齿轮自下而上通过减速机、联轴节驱动，实现定位车的位置检测。这几种检测位置的方式均存在一定缺陷，具体表现如下：
1)  人眼定位受制于眼睛健康状况和精神状态，环境影响比较大，作业时间长；
2)  光电编码器装置在车轮打滑就会形成累计误差,  相对定位的机械接触工作方式；
3)  激光位移传感器在不洁净环境会失去作用，轨道沉降导致车辆走行抖动会使反光板靶位不准，亦会导致位置检测不准；
4)  行走限位开关由于是点定位，对连续性位置检测存在盲区；
5)  RFID方式是无线点定位，存在漏读现象,  延时较大；
　　故这几种传感器在检测位置时多数为机械式、灵敏度低、寿命短、故障率高、可靠性低，操作繁锁，而且存在溜放环节(即失控区)，致使半自动操作难以可靠稳定运行。由于堆取料机是较大的设备，其惯性较大，在启动和停止时也是硬性的，所以在工作过程中会产生很大的撞击和震动，噪音污染严重，严重影响其安全性和有关零部件的寿命，易于损坏设备，由此设备精确位置控制显得尤为重要。
1.3  悬臂采用的检测技术
　　通常的悬臂空间位置反馈都是采用行走、旋转、俯仰三个旋转编码器的数值计算得出的，对悬臂的空间位置计算过程非常复杂，该计算过程需要结合行走、俯仰、旋转三个编码器的数值进行空间建模，而这三个编码器都有不同程度的误差，这就造成累积误差，故悬臂空间坐标的准确性不高。现有的防碰撞方法是根据两台堆取料机是否处于同一个场垛进行判断，如果两台堆取料机不在同一个场垛就可以正常作业。两台堆取料机进入一个场垛进行作业时，就对两台堆取料机同时进行锁定，使其不能工作，由此避免堆取料机之间发生碰撞，这严重影响了堆取料机的同场作业。
　　由于以上原因，当前都采用人工监控的方法来避免空间碰撞事故。现有的防碰撞方法无法有效避免堆取料机空间防碰撞问题，使得两台堆取料机无法同时在同一个堆场中安全作业，严重影响效率。
1.4  本系统采用的GNSS定位技术
　　本系统采用在堆场合适位置建立基准站，在堆取料机的回转中心和悬臂中部或者头部中心点安装GPS流动站。通过GPS的位置信息和空间几何算法，得出两台堆取料机之间的最小距离，从而可以判断出堆取料机发生碰撞的可能性，使得作业人员进行相应处理。本系统可以实时计算出堆取料机悬臂的相对位置和距离，实现多台堆取料机在同一个场垛中安全作业。该系统包括：大机及悬臂位置反馈系统、空间数据算法系统、空间防碰撞预警控制系统。
第2章  GNSS定位系统
2.1  GNSS系统组成
　　GNSS是全球卫星导航系统的总称,包括GPS（美国）、GLONASS（俄罗斯）、伽利略（欧盟）、北斗（中国）总共四套导航系统。而目前在轨运行并能真正实现民用定位功能的只有GPS和GLONASS两套定位系统。
　　主要特点：具有全球覆盖、全天候、高精度、实时导航定位等优点。

2.2  GNSS系统介绍
　　GNSS系统主要由三部分构成：空间卫星部分、地面监控部分、用户GNSS接收机部分。
      卫星部分主要是再轨运行的专门用于导航的卫星，目前GPS和GLONASS在轨运行的卫星总共有60多颗，每颗卫星均在不间断地向地球播发调制在两个频段上的卫星信号。在地球上任何一点，均可连续地同步观测至少4颗GNSS卫星，从而保障了全球、全天候的连续地三维定位，而且具有良好的抗干扰性和保密性。地面监控部分主要是控制卫星姿态、参数设置等得主控站和测控站，都是有政府部门控制的。第三部分就是我们用户接收机部分，这部分就是我们通常所说的GPS接收机。
2.3  GNSS定位原理
　　一般来说，在平面上要确定某点的位置，需要两个要素。而在空间上，要确定某