一种基于定位导航的登机桥对接方法

本发明涉及登机桥轮位控制领域。具体而言，涉及一种登机桥在控制对接中如何依据登机桥当前位置与目标位置，去计算轮位控制角度和行进方向的方法。

背景技术：

登机桥是机场用以连接候机厅与飞机之间的可移动升降的通道，登机桥连接了候机楼和飞机舱门，旅客由对应登机口进出飞机。

随着计算机自动控制技术的发展，登机桥自动驾驶的技术也是呼之欲出。实现登机桥的自动驾驶对减少人工成本和提高对接效率有着重大的意义。在登机桥的自动驾驶中，随着导航定位技术的不断成熟和精度的不断提高，可以通过基于导航定位来进行对登机桥的行走路径来规划。对登机桥的控制，主要是对登机桥的轮架进行控制，通过导航定位系统获得登机桥轮架的坐标和目标点的坐标，则可以计算出登机桥轮位角度的最优角度和行走方向。

但是由于登机桥自身的特殊结构，比如，登机桥的轮位角度是轮架轮子的朝向与桥身延伸方向的夹角，由于登机桥的特殊结构，轮位角度被限制在了±90°(从俯视角度来看轮位朝向在左为正值角度，轮位朝向在右为负值角度)以内。这对登机桥的控制带来了一定的困难，比如在确定当前点和目标点的坐标之后，还需要判断轮架的行走方向和计算轮位最优角度。本发明则主要解决了该问题。

本发明所提出的计算方法需要在登机桥gps定位准确的情况下，获取当前登机桥轮架的gps坐标和桥身延伸方向相对于正北方向的航向角信息，并且还需要输入登机桥目标点的坐标信息，在综合以上信息后计算出登机桥由当前点运动到目标点的行进方向和轮位控制角度。

技术实现要素：

本发明目的在于提出一种登机桥自动对接的最佳轮位行进方向与控制角度的计算方法，通过gps定位信息并依据登机桥的当前属性计算出最佳的行走角度，目的是使得计算出登机桥在自动对接时的行进方向与最佳轮位控制角度，以此来使得自动对接过程更加快速准确。

本发明针对的登机桥的轮位进行控制，由于登机桥的特殊结构，轮位并不能360°旋转，轮位角度被限制在了±90°，而gps导航定位获取的是经纬度信息，所以需要发明一种计算方法，将经纬度信息转化到登机桥自身的坐标系统下，从而计算出使得登机桥轨迹规划需要调整轮位，并判断轮位行进方向。

本发明技术方案为一种基于定位导航的登机桥对接方法，该方法包括：

步骤1：获取登机桥轮架的gps位置，并获取登机桥轮架的经纬度信息、桥身沿线与gps正北方向的夹角；

步骤2：建立两个坐标系：

以立柱(不动点)为坐标原点，横轴正方向为正东方向(e轴)，纵轴正方向为正北方向(n轴)，建立东-北坐标系记为立柱坐标系，该坐标系与经纬方向一致；以轮架位置为坐标原点，纵轴(y轴)正方向为立柱点位置与轮架中心点位置连线方向，横轴(x轴)为纵轴顺时针旋转90°得到，建立轮架坐标系；

步骤3：设o点为桥立柱的位置，m和m’为初始轮架中心点和目标轮架中心点，h和h’为初始桥头中心和目标桥头中心；根据步骤1获得数据，在步骤2建立的立柱坐标系下实时计算∠hmm’，根据实时∠hmm’的大小控制轮位角度，使轮架中心点沿直线mm’行走，最终桥头中心点达到目标位置实现对接。

进一步的，所述步骤3中实时∠hmm’的大小控制轮位角度的方法为：

步骤3.1：实时判断轮架的行径方向；

当前位置轮架坐标系中，如果目标轮架中心点的纵坐标小于0，则为前进；如果目标轮架中心点的纵坐标大于0则为后退；如果目标位置的纵坐标等于0，则通过计算基于立柱坐标系下向量与向量的内积的正负来进行判断前进还是后退；

步骤3.2：将立柱坐标系下的向量坐标转换为轮架坐标系下的坐标，转换后实时计算出∠hmm’，根据∠hmm’控制轮架行走方向，最终达到目标轮架中心点。

进一步的，所述步骤3.1的具体方法为：

设m点经纬度坐(mx,my),记为当前位置，m’点经纬度坐标(m'x,m'y)，记为目标位置；做向量判断的符号从而决定行进方向，具体如下：

1.如果则前进；

2.如果则后退；

3.如果此类特殊情况下，计算若结果大于0则控制目标轮位角则为﹢90°行进方向前进；否则控制目标轮位角则为-90°行进方向前进。

进一步的，所述步骤3.2中∠hmm’的求解方法为：

步骤3.2.1：判断m点处于立柱坐标轴的哪一个象限，根据步骤1获取的数据得到航向角∠nom，m点经纬度坐(mx,my),m’点经纬度坐标(m'x,m'y)；

步骤3.2.2：若m点处于立柱坐标轴第一象限或第二象限；得到：向量在立柱坐标系下的坐标为(m'x-mx,m'y-my)；在立柱坐标系下，向量与正东方向夹角为tan(90°-∠nom)；

步骤3.2.3：以下计算中不为选取立柱坐标系基向量(0,1)^t，(1,0)^t；

选取轮架坐标系基向量为：

(c,tan[90°(1+b/2)-∠nom])^t，(tan[90°(1+b/2)-∠nom],-c)^t

对进行坐标变换：

(m,n)为在轮架坐标系下的坐标；

由于由基向量组成，所以其可逆；

所以：

则轮位角为：

步骤3.2.4：若m点处于立柱坐标轴第三象限、第四象限、立柱坐标系横轴负方向时，向量在立柱坐标系下的坐标为(-1,tan(90°-∠nom))，选取轮架坐标系基向量为(-1,tan(90°-∠nom))^t，(tan(90°-∠nom),1)^t，即c＝-1,b＝0；其他步骤不变；

位于立柱坐标系纵轴正方向时，即航向角为0或360度时，向量在立柱坐标系下的坐标为(0,1)，选取轮架坐标系基向量为(0,1)^t，(1,0)^t，即c＝0,b＝-1；其他步骤不变；

位于立柱坐标系纵轴负方向时，即航向角为180度时，向量在立柱坐标系下的坐标为(0,-1)，选取轮架坐标系基向量为(0,-1)^t，(-1,0)^t，即c＝0,b＝1；其他步骤不变。

本发明通过gps数据，首先初始判断轮架的移动方向，再通过将初始轮架中心移动到目标轮架中心的过程中实时计算最佳移动反向和轮架坐标系下的y轴正方向的夹角，通过该夹角来实时判断移动方向的正确性，从而实现适时调整轮架移动方向，达到对接的目的；从而具有移动时间段，移动路线最佳的技术效果，。

附图说明

图1为登机桥立柱坐标系第一象限移动数学模型；

图2为登机桥立柱坐标系第二象限移动数学模型；

图3为登机桥立柱坐标系第三象限移动数学模型；

图4为登机桥立柱坐标系第四象限移动数学模型；

图5登机桥模型与推荐安装位置图。

具体实施方式

本发明提出的登机桥轮位控制方向与角度的计算方法，需要确保登机桥轮架的gps位置准确稳定，并获取到登机桥轮架的经纬度信息和通过双天线测向技术获取桥身航向角(即桥身沿线与gps正北方向的夹角，此夹角为正北方向顺时针至桥身沿线方向的夹角，范围为0°～360°)。

在已知以上前提下，对登机桥的运动过程进行分析；因为登机桥轮位的控制是在水平方向上的角度，所以对登机桥对接过程的水平方向进行分析建模。如图1所示，本发明在控制登机桥轮位时，建立两个坐标系：以立柱(不动点)为坐标原点，横轴正方向为正东方向(e轴)，纵轴正方向为正北方向(n轴)，建立东-北坐标系记为立柱坐标系，该坐标系与经纬方向一致；以轮架位置为坐标原点，纵轴(y轴)为立柱点位置与轮架点位置连线方向，正方向为向量方向，横轴(x轴)为纵轴顺时针旋转90°得到，建立轮架坐标系。

登机桥移动模型如图1所示。图中实线所描绘的是登机桥的一种位置，记为位置1；图中虚线所绘制的登机桥的另一个位置，记为位置2，这两个状态以及中间的过渡状态均满足所说明的前提条件；其中o点为桥立柱的位置，m和m’为桥的原轮架中心点和目标轮架中心点，h和h’为原桥头中心和目标桥头中心；从图1可以看出线段mm’路程最短，即为最佳行走路径；如果由位置1移动到位置2，则此时∠hmm’则为需要控制的轮位角度。控制登机桥的轮位角打出相应的角度，然后控制轮位沿该角度直线行驶，若偏离路线也可以在行进过程中不断计算新的∠hmm’或∠hmm’，从而控制登机桥沿着直线移动到目标位置；

在给定目标位置后，首先需要判断登机桥前进还是后退，在满足两个前提下，根据实际登机桥部署方向与工作区域，有如下四类情况，如图1-图4所示：

1.当前轮架位置处于立柱坐标系第一象限，图1。

2.当前轮架位置处于立柱坐标系第二象限，图2。

3.当前轮架位置处于立柱坐标系第三象限，图3。

4.当前轮架位置处于立柱坐标系第四象限，图4。

参照图1不难发现，在当前位置轮架坐标系中，如果目标位置的纵坐标小于0；则为前进；如果目标位置的纵坐标大于0则为后退；如果目标位置的纵坐标等于0，则通过计算基于立柱坐标系下向量与向量的内积的正负来进行判断前进还是后退；在判断完行进方向后，通过坐标变换，将立柱坐标系下的向量坐标转换为轮架坐标系下的坐标，转换后与轮架坐标系y轴的锐夹角正负号取反即为需要调整到的轮位角度；以图1m运动到m’为例，具体计算过程如下：

已知：m点处于立柱坐标轴第一象限，航向角∠nom，m点经纬度坐(mx,my),m’点经纬度坐标(m'x,m'y)；

求：轮位行进方向和∠hmm'；

解：

向量在立柱坐标系下的坐标为(m'x-mx,m'y-my)；

在立柱坐标系下，向量与正东方向夹角为tan(90°-∠nom)；

设与向量平行，为方便计算假设向量在立柱坐标系下的坐标为(c,tan[90°(1+b/2)-∠nom])，c在此取1，b取0；

向量和向量的内积与向量和向量的内积同号；

·如果则前进；

·如果则后退；

·如果则两向量垂直；此类特殊情况下，计算与的内积，若结果大于0则说明在的左侧，控制目标轮位角则为﹢90°行进方向前进；否则为右侧，控制目标轮位角则为-90°行进方向前进；计算结束；

以下计算中不为

选取立柱坐标系基向量(0,1)^t，(1,0)^t；

选取轮架坐标系基向量为：

(c,tan[90°(1+b/2)-∠nom])^t，(tan[90°(1+b/2)-∠nom],-c)^t

对进行坐标变换：

(m,n)为在轮架坐标系下的坐标；

由于由基向量组成，所以其可逆；

所以：

由于提前进行过特殊情况判断，所以不会出现(m,n)与轮架坐标系的横轴平行；

则轮位角为：

通过以上的分析计算过程便得到了目标轮位角(∠hmm')的角度，也就是在以上情景下控制登机桥对接的最佳轮位角度；

第二象限、立柱坐标系横轴正方向与第一象限计算方法完全一致，不再赘述；第三象限、第四象限、立柱坐标系横轴负方向时，向量在立柱坐标系下的坐标为(-1,tan(90°-∠nom))，选取轮架坐标系基向量为(-1,tan(90°-∠nom))^t，(tan(90°-∠nom),1)^t，(即c＝-1,b＝0)其他步骤不变，不再赘述；位于立柱坐标系纵轴正方向时，即航向角为0或360度时，向量在立柱坐标系下的坐标为(0,1)，选取轮架坐标系基向量为(0,1)^t，(1,0)^t，(即c＝0,b＝-1)其他步骤不变；位于立柱坐标系纵轴负方向时，即航向角为180度时，向量在立柱坐标系下的坐标为(0,-1)，选取轮架坐标系基向量为(0,-1)^t，(-1,0)^t，(即c＝0,b＝1)其他步骤不变。至此包含了所有的情况。

本发明主要应用在登机桥的自动驾驶的情景下，依靠gps引导登机桥移动到目标位置。在gps定位准确的情况下，本发明可以很精确的计算出，由当前位置移动到目标位置轮位的行进方向与最佳控制角度。本发明可以仅通过一次计算便可以得到轮位行进方向以及最佳控制角度(相对于立柱坐标系)和轮位行进方向，之后沿该角度直线行驶则可直线到达目标点。在实际对接过程中，若出现轮架偏离路线的情况，可以通过多次计算轮位相对于轮架的控制角度，调整登机桥沿最佳路径行走，经过实际测试本发明的计算方法可以使得登机桥准确快速地移动到目标点。