CN109650089A - 一种堆场堆取料机与物料堆的防碰撞方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堆场堆取料机与场垛料堆的防碰撞方法，属于堆取料机无人化自动控制系统。本发明利用3D扫描仪对物料堆进行扫描，获取物料堆的三维点云数据，然后进行坐标变换，在堆场坐标系中建立物料堆的三维模型，利用待作业堆场的三维模型进行大机的自动作。在自动作业的过程中，获取与作业堆场的相邻物料堆的三维模型，实时计算出堆场单机空间三维姿态及动态三维模型。在一定的行走位置和俯仰角度下根据大机臂架的回转、俯仰角度，利用防碰撞检测方法，计算物料堆点云数据与大机臂架的距离，找到大机臂架的最大回转角度，主动避免物料堆与大机发生碰撞的风险，使得自动取料更加安全、高效。

Description

一种堆场堆取料机与物料堆的防碰撞方法

技术领域

本发明属于堆取料机无人化自动控制系统；涉及一种堆场堆取料机与物料堆的防碰撞方法。

背景技术

堆取料机是港口、矿山、电厂等企业运输煤炭、矿石的重要工具和设备。随着无人化自动堆取料控制技术的不断提高，企业越来越重视无人化堆场中自动作业设备的安全性，其中堆取料机与物料堆的碰撞时有发生，造成巨大的经济损失。为了解决这一技术问题，各散货港口采用多种方法用于防碰撞检测，例如拉绳检测法(当与物料堆接触时，拉绳牵引碰撞开关，输出报警，实现臂架与物料堆的0.5米范围内检测)、微波开关检测法(在臂架两侧各安装一对对射式微波开关，实现臂架与物料堆的1米范围内检测)、雷达测距检测法(在臂架上的关键位置安装高频雷达进行单点测量，实现臂架与物料堆的2-15米范围内检测)。由于以上检测手段大多为被动检测，受安装位置、安装精度及现场环境的影响，或设备费用较高(雷达需要多点布置)，并且仍然存在检测盲区，存在碰撞的风险，且后期维护难度较大，设备损坏后，其设备的维修换新成本较高。随着港口堆取料机自动化技术的发展，实现堆取料机自动控制的关键就是要获物料堆的三维模型，目前物料堆的三维模型仅用于当前作业物料堆的自动控制，而在堆取料机与与之相邻物料堆之间，尚未利用三维特征的主动检测及避让中使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种堆场堆取料机与物料堆的防碰撞方法，旨在通过三维建模技术，结合物料堆与堆取料机的三维特征，来确定堆取料机在自动作业过程中的最大回转角度，来达到主动避让的目的。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种堆场堆取料机与物料堆的防碰撞方法，其特征在于：其步骤如下：

在堆场安置堆取料机进行堆取料作业，利用3D扫描仪获取物料堆的点云数据，选出与堆取料机可能发生碰撞的物料堆的点云数据；在堆取料机所有回转角度下，计算选出的物料堆点云数据与堆取料机大机臂架的垂直距离，确定出在不碰撞安全距离下的最大回转角度；然后在实际回转角度小于最大回转角度的范围内控制堆取料机进行堆取料作业。

进一步的技术方案在于，其步骤如下：

(1)利用3D扫描仪获取物料堆的三维点云数据，将扫描到的数据坐标转化到堆场坐标系下；

(2)在堆场安置堆取料机，执行堆取料作业，选出与堆取料机可发生碰撞的物料堆的点云数据；在堆取料机所有回转角度下，计算选出的物料堆点云数据与堆取料机大机臂架的垂直距离，确定出在不碰撞安全距离下的最大回转角度；

(3)在堆取料机移动到指定位置进行堆取料作业时，将大机臂架实际回转角度与最大回转角度对比判断并作出碰撞规避动作，当实际回转角度大于最大回转角度，堆取料机大机臂架则自动回转或报警停机；否则继续作业。

进一步的技术方案在于，其具体步骤如下：

步骤1：根据中控下发的堆取料作业指令，堆取料机根据指令沿轨道衡水平运动，到达目标位置执行大机臂架俯仰操作；

步骤2：从数据库中选择相邻物料堆的点云数据，根据堆取料机的位置，大机臂架俯仰角度，计算此物料堆点云数据中可能与大机发生碰撞的数据与堆取料机所有回转角度下大机臂架的垂直距离，获到大机臂架可旋转的最大回转角度；

步骤3：堆取料机开始回转大机臂架，堆取料工作开始执行；当大机臂架实际旋转角度大于最大回转角度时，就认为大机臂架与相邻物料堆将发生碰撞，然后大机臂架往回旋转或停止工作并进行报警；当大机臂架实际旋转角度小于最大回转角度时就认为煤堆与堆取料机在一个安全工作距离内，继续执行堆取料作业；

步骤4：当前位置的堆取料作业完成后，判断是否完成整个煤堆的堆取料作业，如果完成就停止工作，如果没有完成就从步骤2开始继续执行。

进一步的技术方案在于，所述堆取料机上安装3D激光扫描仪；对物料堆进行扫描，获取到物料堆的三维点云数据，然后进行坐标变换。

进一步的技术方案在于，在无人机上安装3D激光扫描仪，对物料堆进行扫描，获取到物料堆的三维点云数据，然后进行坐标变换。

进一步的技术方案在于：所述物料堆为煤堆。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明利用堆取料机上安装的3D扫描仪对物料堆进行扫描，获取物料堆的三维点云数据，然后进行坐标变换，在堆场坐标系中建立物料堆的三维模型，由中控指令下发作业堆场，利用待作业堆场的三维模型进行大机的自动作。在自动作业的过程中，获得与作业堆场的相邻的物料堆的三维模型，结合单机的行走、俯仰、回转的位置信息及机械尺寸，实时计算出堆场单机空间三维姿态及动态三维模型。在一定的行走位置和俯仰角度下根据大机臂架的回转、俯仰角度，利用防碰撞检测方法，计算物料堆点云数据与大机臂架的距离，找到大机臂架的最大回转角度，主动避免物料堆与大机发生碰撞的风险，使得自动取料更加安全、高效。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明堆场坐标系；

图2是本发明操作流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明所述方法具体技术方案如下：以煤堆堆取料为例。

一、建立直角坐标系

要想找到大机臂架的最大回转角度，就需要找到煤堆与大机臂架碰撞时大机臂架的回转角度，这就要求我们计算煤堆点云数据与全部回转角度下大机臂架的距离。首先要建立煤场坐标系，如图1所示，其中PQ为大机臂架。3D激光扫描仪可以安装在大机臂架上，也可以安装在无人机上，本发明需要的就是获取可能与大机臂架碰撞范围内的煤堆的点云数据。3D扫描仪是用来获取煤堆点云数据的，但是用整个煤堆数据进行防碰撞计算可能会耗时太长，降低作业效率，因此我们找到了可能与大机臂架碰撞的区域的煤堆点云数据。

二、计算煤堆点到大机臂架的距离

假设大机移动距离为t，大机臂架高度为h，回转角度为α，俯仰角度为θ，大机臂架长度为l，煤堆上的点M为(x₀,y₀,z₀)，则大机的位置坐标为(a,t,0)，大机臂架旋转轴Q点的坐标为(a,t,h)，则大机臂架PQ直线的点向式公式如式1所示，其方向向量

则

点M到大机臂架PQ的距离d为：

化简后

大机臂架PQ直线的参数方程为：

由于其过点Q(a,t,h)，则其方向向量为

则

所以

上式表明能够根据大机臂架旋转轴位置坐标(a,t,h)，回转角度为α，俯仰角度为θ，计算得到煤堆上一点(x₀,y₀,z₀)与大机臂架的距离d。当堆取料机在自动作业时，大机位置和俯仰角度确定，我们可以通过扫描煤堆点云数据与所有回转角度下大机臂架的距离d，设定安全阈值threshold，找到d<threshold的最大回转角度α_max，此时认为煤堆与大机即将发生碰撞。一旦大机回转角度α大于α_max，就认为即将发生碰撞，大机自动回转或报警停机。

三、实例验证

本文使用的点云数据为X轴和Y轴方向中每米平均选取5个点，然后针对每个X，Y坐标搜索其煤堆高度，也就是Z轴的值。然而要将每个点云数据与大机臂架进行计算会浪费很多时间和内存，因此我们选择相邻煤堆中合适的范围，其Z轴范围选择[h,h+lsinθ]。在此，是选择哪个区间范围内的煤堆。

在选择Z轴范围的基础上，找到该Z轴范围内煤堆下底X轴最大值X_dmax，上底X轴最大值X_umax，为了保证选择的点可以准确的计算得出防碰撞区间，本文选择X轴范围为[a,X_dmax]，选择Y轴范围为

堆取料机防碰撞系统的工作流程图，如下图2所示：

具体实现步骤如下：

步骤1：根据中控下发的作业指令，堆取料机开始作业。利用中控下发作业指令，比如在哪个煤堆取料，取料的量，怎么取，等等相关作业要求。

步骤2：堆取料机根据指令沿轨道衡水平运动，到达目标位置执行俯仰操作。

步骤3：从数据库中选择相邻煤堆中可能与大机臂架发生碰撞的点云数据，根据大机的位置、俯仰角度，计算得到煤堆数据与所有回转角度下大机臂架之间的距离d，找到大机臂架可旋转的最大角度α_max。

步骤4：大机开始回转大机臂架，堆取料工作开始执行。当大机旋转角度α＞α_max时就认为煤堆与堆取料机即将发生碰撞，然后大机臂架往回旋转或停止工作并进行报警；当α<α_max时就认为煤堆与堆取料机在一个安全工作距离内，继续执行堆取料作业。

步骤5：当前位置的堆取料作业完成后，判断是否完成整个煤堆的堆取料作业，如果完成就停止工作，如果没有完成就从步骤2开始继续执行。

Claims (6)

1.一种堆场堆取料机与物料堆的防碰撞方法，其特征在于：其步骤如下：

在堆场安置堆取料机进行堆取料作业，利用3D扫描仪获取物料堆的点云数据，选出与堆取料机可能发生碰撞的物料堆的点云数据；在堆取料机所有回转角度下，计算选出的物料堆点云数据与堆取料机大机臂架的垂直距离，确定出在不碰撞安全距离下的最大回转角度；然后在实际回转角度小于最大回转角度的范围内控制堆取料机进行堆取料作业。

2.根据权利要求1所述的一种堆场堆取料机与物料堆的防碰撞方法，其特征在于：其步骤如下：

(1)利用3D扫描仪获取物料堆的三维点云数据，将扫描到的数据坐标转化到堆场坐标系下；

(2)在堆场安置堆取料机，执行堆取料作业，选出与堆取料机可发生碰撞的物料堆的点云数据；在堆取料机所有回转角度下，计算选出的物料堆点云数据与堆取料机大机臂架的垂直距离，确定出在不碰撞安全距离下的最大回转角度；

(3)在堆取料机移动到指定位置进行堆取料作业时，将大机臂架实际回转角度与最大回转角度对比判断并作出碰撞规避动作，当实际回转角度大于最大回转角度，堆取料机大机臂架则自动回转或报警停机；否则继续作业。

3.根据权利要求2所述的一种堆场堆取料机与物料堆的防碰撞方法，其特征在于：其具体步骤如下：

步骤1：根据中控下发的堆取料作业指令，堆取料机根据指令沿轨道衡水平运动，到达目标位置执行大机臂架俯仰操作；

步骤2：从数据库中选择相邻物料堆的点云数据，根据堆取料机的位置，大机臂架俯仰角度，计算此物料堆点云数据中可能与大机发生碰撞的数据与堆取料机所有回转角度下大机臂架的垂直距离，获到大机臂架可旋转的最大回转角度；

步骤3：堆取料机开始回转大机臂架，堆取料工作开始执行；当大机臂架实际旋转角度大于最大回转角度时，就认为大机臂架与相邻物料堆将发生碰撞，然后大机臂架往回旋转或停止工作并进行报警；当大机臂架实际旋转角度小于最大回转角度时就认为煤堆与堆取料机在一个安全工作距离内，继续执行堆取料作业；

步骤4：当前位置的堆取料作业完成后，判断是否完成整个煤堆的堆取料作业，如果完成就停止工作，如果没有完成就从步骤2开始继续执行。

4.根据权利要求3所述的一种堆场堆取料机与物料堆的防碰撞方法，其特征在于：所述堆取料机上安装3D激光扫描仪；对物料堆进行扫描，获取到物料堆的三维点云数据，然后进行坐标变换。

5.根据权利要求3所述的一种堆场堆取料机与物料堆的防碰撞方法，其特征在于：在无人机上安装3D激光扫描仪，对物料堆进行扫描，获取到物料堆的三维点云数据，然后进行坐标变换。

6.根据权利要求1-4任一项权利要求所述的一种堆场堆取料机与物料堆的防碰撞方法，其特征在于：所述物料堆为煤堆。