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集装箱车辆码头装卸定位系统

供稿:工控网 2008/3/31 16:03:00

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摘要: 介绍了利用激光的方向性好、亮度高、相干性好的特性实现的港口集装箱定位系统。利用ATmega8单片机实现了小功率激光束的调制与解调,大大简化了硬件设计;同时还加上了无线遥控装置,方便了吊桥上的工作人员进行停车位置切换。 目前,码头上大多采用的是人工指挥集装箱的装载。其缺点是效率很低,影响集装箱的装卸速度,不利于整个港口的高速运作。若在桥吊两侧安装“人眼”(摄像头),在集装箱卡车(以下简称集卡)内安装接收设备,则使成本大大增加。这里所设计的集装箱车辆码头装卸定位系统与人工方式或视频定位方式相比有许多突出的优点:定位精确、反应速度快、成本低、操作方便、减小了工人的工作强度,并显著提高了工作效率。

1 系统设计方案

根据上海港口机械场提供的资料,集装箱有20英尺和40英尺两种型号,卡车可能的目标位置有三个(前车、中车、后车),所以系统在相应的位置上都安装了位置探测装置,可由桥吊司机通过无线遥控键盘来选择当前车所要停的目标位置,而其他位置上的探测装置则处于休眠状态以降低功耗,延长系统使用寿命。

为了使司机能快速停准位置,提高整个港口的运行效率,本系统在每个目标位置前6米、l米处分别发出第一、第二预警信号,告诉司机目标位置正逐步接近。万一集卡超出定点位置,将给出对应提示(红绿灯),要求司机适当倒车,直至到达正确位置。

系统组成框图如图l所示,由处理系统、无线发射模块和显示系统组成。本系统在第一预告区采用了红外检测的方法,若红外光被反射回来,说明可能有集卡驶入,点亮红灯,并启动第二预告区的检测装置;该装置采用了激光检测方法,光敏检测管若检测到从集卡上的特殊反射镜(该镜面可以使得任意发射方向的激光按照原路返回)反射回的信号,则说明的确有集卡进入(其他物体反射回的光很弱,对本系统无干扰,即使是平面镜,由原路返回的概率也很小,很难引起误触发),点亮黄灯,以提示司机离目标位置还有1m,同时启动目标位置定位装置,若在一定时间内没有检测到被反射回的信号,则说明进入第一预告区的不是集卡,系统自动复位;目标位置的定位也是通过激光来实现的,若集卡经过目标位置一次,则红灯点亮一次(200ms),若集卡停在了目标位置,则红灯一直亮着,司机即可从红灯的亮暗来判断是否到达目标位置。当集卡装卸完毕后,系统自动复位。



2 硬件设计

本系统利用ATmega8L实现小功率激光和红外的调制与解调,与专用编解码芯片(5026、5027,PT2262、PT2272等)相比,前者灵活度更好,速度更快。例如PT2262和PT2272,对0、l编码是固定的,每个编码的长度为1.31ms,12个编码作为一组,每次重复发送两组编码(PT2272两次都接收正确才认可),间隔大约为5ms,这样每组编码维持的时间有将近40ms,若反射镜宽度为5cm,为保证正确接收,车速最高为O.05m/0.08s=0.625m/s,这样对于以大于lm/s速度行驶的汽车,漏捡率就很高,因此要缩短编码时间,减少编码位数。

本系统采用了两片ATmega8单片机分别进行软件编码与解码,编码解码可根据要求自定义(详见软件部分),不仅提高了效率,而且大大减少了外围器件,整个系统简洁而且功能性强。硬件框图如图2所示。


  2.1 红外探测单元

红外发射管采用常用的发射管,接收采用市场上极其普遍的红外接收模块(只有三只引脚),简单易调,能够将40kHz调制信号直接解调,其电路图如图3所示。

  2.2 激光检测单元

可见光接收没有现成模块,本系统采用了2CU作为光敏接收管,CX20106作为前置放大芯片。它可以完成对遥控信号的前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检波和波形整形等,其电路图如图4所示。



  2.3 无线发射接收单元

发射部分采用进口声表谐振器稳频,频率一致性非常好,稳定度极高,工作频率为315MHz。接收部分采用超再生接收方式,具有电路简单、成本低廉的优点,所以被广泛采用。3 软件设计

整个系统的软件构架分为发送和接收两大模块,由两块ATmega8芯片分别控制。发送单片机主要用来发送调制过的红外编码信息,而接收单片机主要用来解调由反射介质反射回的红外编码信号并根据收到的无线接收模块信息控制整个系统工作,判断是否有物体进入红外预检区、第二预检区和第三预检区,并根据当前物体状态在显示单元上作出相应的指示。其详细软件流程如图5、图6所示。



  3.1 编码格式

由计数器l产生40kHz的PWM波,设置PWM的比较值即可改变占空比,在该系统中设置占空比为1:4,这样可使系统功耗降低,激光管、红外管的寿命延长。编码格式如图7所示。

  两位编码与一位停止码组成一帧,每次发送一帧,帧与帧间有1ms的间隔。因此一次发送的编码将近2ms的长度,比硬件PT2262编码的长度大大减小。编码都是经40kHz的方波调制后才发送的。

  3.2 解码方法

   接收到的信号为发送信号的反码,先检测有没有接收到信息,当有时就去检测高电平的长度是否为1ms然后才开始解码,每个码的长度都是400μs左右。每一个编码都是由低电平开始然后到高电平又到低电平又回到高电平的,从1ms的高电平后开始,检测到下降沿时就延时300μs读取接收的状态,若为高电平则为O码。反之则为l码。

  3.3 睡眠方式

  发送单片机采用的是掉电方式,由接收单片机触发发送单片机的外部中断从而唤醒发送单片机。接收单片机采用的是空闲方式睡眠,由内部定时中断唤醒。探测外部是否有车辆通过,若无,则继续睡眠,同时控制发送单片机睡眠、唤醒。

  3.4 无线遥控接收

   PT2262解调无线接收模块接收到的信号,发送中断触发接收单片机,接收单片机切换模拟开关通道。

  本系统已在上海某港口现场调试过,目前没有发现任何问题。无论是遥控器还是200w的白炙灯,对本系统都是没有干扰的,而且反应速度极快。

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