摘要： 介紹了利用激光的方向性好、亮度高、相干性好的特性實現(xiàn)的港口集裝箱定位系統(tǒng)。利用ATmega8單片機(jī)實現(xiàn)了小功率激光束的調(diào)制與解調(diào)，大大簡化了硬件設(shè)計；同時還加上了無線遙控裝置，方便了吊橋上的工作人員進(jìn)行停車位置切換。
目前，碼頭上大多采用的是人工指揮集裝箱的裝載。其缺點(diǎn)是效率很低，影響集裝箱的裝卸速度，不利于整個港口的高速運(yùn)作。若在橋吊兩側(cè)安裝“人眼”(攝像頭)，在集裝箱卡車(以下簡稱集卡)內(nèi)安裝接收設(shè)備，則使成本大大增加。這里所設(shè)計的集裝箱車輛碼頭裝卸定位系統(tǒng)與人工方式或視頻定位方式相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：定位精確、反應(yīng)速度快、成本低、操作方便、減小了工人的工作強(qiáng)度，并顯著提高了工作效率。
1 系統(tǒng)設(shè)計方案
根據(jù)上海港口機(jī)械場提供的資料，集裝箱有20英尺和40英尺兩種型號，卡車可能的目標(biāo)位置有三個(前車、中車、后車)，所以系統(tǒng)在相應(yīng)的位置上都安裝了位置探測裝置，可由橋吊司機(jī)通過無線遙控鍵盤來選擇當(dāng)前車所要停的目標(biāo)位置，而其他位置上的探測裝置則處于休眠狀態(tài)以降低功耗，延長系統(tǒng)使用壽命。
為了使司機(jī)能快速停準(zhǔn)位置，提高整個港口的運(yùn)行效率，本系統(tǒng)在每個目標(biāo)位置前6米、l米處分別發(fā)出第一、第二預(yù)警信號，告訴司機(jī)目標(biāo)位置正逐步接近。萬一集卡超出定點(diǎn)位置，將給出對應(yīng)提示(紅綠燈)，要求司機(jī)適當(dāng)?shù)管嚕敝恋竭_(dá)正確位置。
系統(tǒng)組成框圖如圖l所示，由處理系統(tǒng)、無線發(fā)射模塊和顯示系統(tǒng)組成。本系統(tǒng)在第一預(yù)告區(qū)采用了紅外檢測的方法，若紅外光被反射回來，說明可能有集卡駛?cè)?，點(diǎn)亮紅燈，并啟動第二預(yù)告區(qū)的檢測裝置；該裝置采用了激光檢測方法，光敏檢測管若檢測到從集卡上的特殊反射鏡(該鏡面可以使得任意發(fā)射方向的激光按照原路返回)反射回的信號，則說明的確有集卡進(jìn)入(其他物體反射回的光很弱，對本系統(tǒng)無干擾，即使是平面鏡，由原路返回的概率也很小，很難引起誤觸發(fā))，點(diǎn)亮黃燈，以提示司機(jī)離目標(biāo)位置還有1m，同時啟動目標(biāo)位置定位裝置，若在一定時間內(nèi)沒有檢測到被反射回的信號，則說明進(jìn)入第一預(yù)告區(qū)的不是集卡，系統(tǒng)自動復(fù)位；目標(biāo)位置的定位也是通過激光來實現(xiàn)的，若集卡經(jīng)過目標(biāo)位置一次，則紅燈點(diǎn)亮一次(200ms)，若集卡停在了目標(biāo)位置，則紅燈一直亮著，司機(jī)即可從紅燈的亮暗來判斷是否到達(dá)目標(biāo)位置。當(dāng)集卡裝卸完畢后，系統(tǒng)自動復(fù)位。
2 硬件設(shè)計 本系統(tǒng)利用ATmega8L實現(xiàn)小功率激光和紅外的調(diào)制與解調(diào)，與專用編解碼芯片(5026、5027，PT2262、PT2272等)相比，前者靈活度更好，速度更快。例如PT2262和PT2272，對0、l編碼是固定的，每個編碼的長度為1.31ms，12個編碼作為一組，每次重復(fù)發(fā)送兩組編碼(PT2272兩次都接收正確才認(rèn)可)，間隔大約為5ms，這樣每組編碼維持的時間有將近40ms，若反射鏡寬度為5cm，為保證正確接收，車速最高為O.05m／0.08s=0.625m/s，這樣對于以大于lm/s速度行駛的汽車，漏撿率就很高，因此要縮短編碼時間，減少編碼位數(shù)。
本系統(tǒng)采用了兩片ATmega8單片機(jī)分別進(jìn)行軟件編碼與解碼，編碼解碼可根據(jù)要求自定義(詳見軟件部分)，不僅提高了效率，而且大大減少了外圍器件，整個系統(tǒng)簡潔而且功能性強(qiáng)。硬件框圖如圖2所示。
2．1 紅外探測單元
紅外發(fā)射管采用常用的發(fā)射管，接收采用市場上極其普遍的紅外接收模塊(只有三只引腳)，簡單易調(diào)，能夠?qū)?0kHz調(diào)制信號直接解調(diào)，其電路圖如圖3所示。
2．2 激光檢測單元
可見光接收沒有現(xiàn)成模塊，本系統(tǒng)采用了2CU作為光敏接收管，CX20106作為前置放大芯片。它可以完成對遙控信號的前置放大、限幅放大、帶通濾波、峰值檢波和波形整形等，其電路圖如圖4所示。
2．3 無線發(fā)射接收單元
發(fā)射部分采用進(jìn)口聲表諧振器穩(wěn)頻，頻率一致性非常好，穩(wěn)定度極高，工作頻率為315MHz。接收部分采用超再生接收方式，具有電路簡單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛采用。
3 軟件設(shè)計 整個系統(tǒng)的軟件構(gòu)架分為發(fā)送和接收兩大模塊，由兩塊ATmega8芯片分別控制。發(fā)送單片機(jī)主要用來發(fā)送調(diào)制過的紅外編碼信息，而接收單片機(jī)主要用來解調(diào)由反射介質(zhì)反射回的紅外編碼信號并根據(jù)收到的無線接收模塊信息控制整個系統(tǒng)工作，判斷是否有物體進(jìn)入紅外預(yù)檢區(qū)、第二預(yù)檢區(qū)和第三預(yù)檢區(qū)，并根據(jù)當(dāng)前物體狀態(tài)在顯示單元上作出相應(yīng)的指示。其詳細(xì)軟件流程如圖5、圖6所示。
3．1 編碼格式
由計數(shù)器l產(chǎn)生40kHz的PWM波，設(shè)置PWM的比較值即可改變占空比，在該系統(tǒng)中設(shè)置占空比為1：4，這樣可使系統(tǒng)功耗降低，激光管、紅外管的壽命延長。編碼格式如圖7所示。
兩位編碼與一位停止碼組成一幀，每次發(fā)送一幀，幀與幀間有1ms的間隔。因此一次發(fā)送的編碼將近2ms的長度，比硬件PT2262編碼的長度大大減小。編碼都是經(jīng)40kHz的方波調(diào)制后才發(fā)送的。
3．2 解碼方法
接收到的信號為發(fā)送信號的反碼，先檢測有沒有接收到信息，當(dāng)有時就去檢測高電平的長度是否為1ms然后才開始解碼，每個碼的長度都是400μs左右。每一個編碼都是由低電平開始然后到高電平又到低電平又回到高電平的，從1ms的高電平后開始，檢測到下降沿時就延時300μs讀取接收的狀態(tài)，若為高電平則為O碼。反之則為l碼。
3.3 睡眠方式
發(fā)送單片機(jī)采用的是掉電方式，由接收單片機(jī)觸發(fā)發(fā)送單片機(jī)的外部中斷從而喚醒發(fā)送單片機(jī)。接收單片機(jī)采用的是空閑方式睡眠，由內(nèi)部定時中斷喚醒。探測外部是否有車輛通過，若無，則繼續(xù)睡眠，同時控制發(fā)送單片機(jī)睡眠、喚醒。
3．4 無線遙控接收
PT2262解調(diào)無線接收模塊接收到的信號，發(fā)送中斷觸發(fā)接收單片機(jī)，接收單片機(jī)切換模擬開關(guān)通道。
本系統(tǒng)已在上海某港口現(xiàn)場調(diào)試過，目前沒有發(fā)現(xiàn)任何問題。無論是遙控器還是200w的白炙燈，對本系統(tǒng)都是沒有干擾的，而且反應(yīng)速度極快。
