一种旋流井行车自动装车模型控制算法
阅读说明：本技术 一种旋流井行车自动装车模型控制算法 (Control algorithm for automatic loading model of cyclone well travelling crane ) 是由 范来良 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种旋流井行车自动装车模型控制算法,包括(1)汽车斗三维模型建立；(2)汽车装料模型建立；(3)塌方斜率；(4)汽车装料物料高度判定；(5)装车点阵顺序；(6)装车模型计算。本发明将汽车斗内氧化铁皮料堆进行有限的物料空间网格化,并设计装车模型控制算法,实现了行车抓斗自动控制装车,包括装车位置自动选点、自动卸料、料满自动停止及每次放料后的料堆模型自动更新,通过画面显示汽车斗各装车点物料高度,动态显示车内物料状况。(The invention discloses a control algorithm of a model for automatic loading of a whirling well travelling crane, which comprises the following steps of (1) establishing a three-dimensional model of a car hopper; (2) establishing an automobile loading model; (3) a slump slope; (4) judging the height of the automobile charging material; (5) loading a dot matrix sequence; (6) and (5) calculating a loading model. The invention carries out limited material space gridding on the iron oxide scale material pile in the car hopper, designs a loading model control algorithm, realizes automatic control loading of the travelling crane grab bucket, and comprises automatic point selection of a loading position, automatic unloading, automatic stop after full material and automatic updating of the material pile model after each discharging, displays the material height of each loading point of the car hopper through a picture, and dynamically displays the material condition in the car.)
技术领域
本发明涉及一种计算方法，特别是一种适用于旋流井行车的自动装车模型控制算法。
背景技术
旋流井行车用于将井内渣料存取作业，前者包括抓取并存放到料池堆，后者包括从料池堆内实现物料的抓取和装车，然后通过汽车外运。为了提高生产效率，必须要解决自动装车控制的难题。
自动装车控制功能的技术难点主要在于：①汽车定位，②物料装车模型控制，③如何防撒料防碰撞安全控制。特别是物料的装车模型，是一个非常复杂的料堆模型，一般借助激光扫描辅助图像识别，通过复杂的计算机建模，对车内物料进行分析，确定最佳装车位置，并安全控制装车。这一过程控制复杂，开发周期长，成本高，故国内还未有成功的工业应用案例。
现有的自动装车功能，常规采用建中间仓的方法，将氧化铁片抓取到固定的物料仓内，通过仓底卸料实现装车功能。采用该方法需要建立中间仓，最关键的是一般的氧化铁皮旋流井行车高度为9米，仓高度+仓底汽车卸料高度+抓斗高度一般超过12米，导致现有技术中的自动装车功能无法借鉴至旋流井行车。正是如此，限制了氧化铁皮堆自动装车控制应用，现有直接抓斗装车一般常规采用人工手动操作控制行车抓斗来实现。
因此急需一种简单实用的氧化铁皮堆料的自动装车模型控制方法。
发明内容
本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，提供一种旋流井行车自动装车模型控制算法，通过该算法实现对氧化铁皮的装车模型控制，继而解决行车抓斗自动控制装车的技术问题。
本发明解决其技术问题的技术方案是：一种旋流井行车自动装车模型控制算法，其特征在于：包括汽车斗三维模型建立
(1)汽车斗三维模型建立；
(2)汽车装料模型建立：为一排装车点阵，点阵个数＝(汽车长度－2×抓斗与汽车安全距离)/抓斗宽度；点阵个数取整后为最终确定的点阵个数，根据确定的点阵个数，重新计算点阵宽度；对汽车装车的每个点阵，均记录物料高度；
(3)塌方斜率：坡面塌方斜率为tag(α)，选取α大小在30°～70°之间；汽车装料时，相邻点阵的斜率(＝高度差/点阵距离)≤tag(α)；
(4)汽车装料物料高度判定：放料时，抓斗闭合状态下降落，直至抓斗重量减为0时，抓斗的高度即为物料高度；
(5)装车点阵顺序：隔点装车；当某个点的物料高度≥(汽车斗栏板高度－防撒料安全卸料高度)，则将跳过该点，向下一个点阵装料，直至所有点阵均装满料，装料结束；
(6)装车模型计算：扩散点增加高度h与扩散点到合闭轴的距离遵循正态分布曲线：车内平面卸料时，在扩散半径r＝抓斗张开宽度/3的范围内，所卸物料占本次抓斗总卸料量的80％；坡面堆料时，卸料各点增加高度正态分布函数为：
其中，上坡面σ的取值按公式：(1-λk)r＝1.3σ计算，其中：k为坡面斜率＝抓斗中心点卸料高度与原点阵高度差/两点间距离，λ为坡面系数范围，在0.3～0.7之间；下坡面σ的取值按公式：(1+λk)r＝1.3σ计算，其中k为坡面斜率，λ为坡面系数范围，在1～3之间；
抓斗中心点两侧点阵高度修正高度为：
上述的汽车斗三维模型建立方法为根据汽车停放固定的左侧位置、后部监测位置，以确定汽车右下角绝对位置，再根据输入的汽车斗长度、宽度、地板高度、栏板高度，汽车斗的三维位置模型即可获得。
上述的点阵宽度计算公式：点阵宽度＝(汽车长度－2×抓斗与汽车安全距离)/点阵个数。
上述的汽车装料物料高度判定中，低于汽车底板高度，重量还未减少，系统将发出故障报警，并停止放料。
与现有技术相比较，本发明具有以下突出的有益效果：
1、本发明通过激光测距及划线停车，自动获取汽车斗位置；
2、本发明将汽车斗内氧化铁皮料堆进行有限的物料空间网格化，并设计装车模型控制算法，实现了行车抓斗自动控制装车，包括装车位置自动选点、自动卸料、料满自动停止及每次放料后的料堆模型自动更新，通过画面显示汽车斗各装车点物料高度，动态显示车内物料状况；
3、实现了防撒料防碰撞的安全控制。
附图说明
图1是本发明的汽车位置检测示意图。
图2是本发明的平面堆料物料分布图。
图3本发明的斜面堆料物料分布图。
图4是本发明的装车画面显示图。
图5是本发明的装车工艺控制过程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明通过汽车位置检测，获得汽车斗空间位置区域，建立汽车料堆模型，并设计一种汽车堆料模型控制算法，实现行车自动装车功能。
1、汽车定位
要实现对汽车的自动装料，必须能得到汽车车斗立体空间区域，而汽车位置停放存在一定的随机性，且汽车类型不一致，导致宽度、长度、高度各不相同，如不能掌握这些信息，则抓斗装车就存在抓斗砸车、刮车、撒料等安全问题。
其定位检测图如图1所示，为得到汽车精确定位，要求汽车停放时一定要与行车平行(大车或小车方向，与现场布置有关)，这通过管理手段可以解决；为方便汽车停放，在汽车左侧，划一条汽车左轮压线带，要求司机停车时，汽车左轮必须紧靠压线带停放，这样即保证了汽车左侧/右侧平行停放，又确定了车斗左侧/右侧栏板位置。如果确定了汽车后部位置，根据输入的汽车斗长度、宽度、底板高度、拦板高度后，整个汽车斗空间区域就可以获得，所以需要检测汽车后部位置，方法为在汽车的后部，安装一台激光测距仪，监测汽车后板位置，这样就实现了汽车斗空间位置检测。
2、物料装车模型
(1)汽车斗三维模型
根据汽车停放固定的左侧位置、后部监测位置，可以确定汽车右下角绝对位置，再根据输入的汽车斗长度、宽度、地板高度、栏板高度，一个汽车斗的三维位置模型即可获得。
(2)汽车装料模型
卡车宽度一般在2.2米～2.5米之间，抓斗张开宽度为1.8米～2米，这个宽度正好能容纳抓斗放料宽度，所以汽车模型划分为一排装车点阵，点阵个数根据汽车长度确定，每个汽车斗两端点阵必须留出足够的安全距离，以确保装车时，抓斗不会触碰到汽车斗头尾拦板，实现了防碰撞安全控制。
点阵个数＝(汽车长度－2×抓斗与汽车安全距离)/抓斗宽度
上述公式获得的点阵个数需要取整，取整后为最终确定的点阵个数，根据确定的点阵个数，重新计算点阵宽度，计算公式如下：
点阵宽度＝(汽车长度－2×抓斗与汽车安全距离)/点阵个数
对汽车装车的每个点阵，均记录物料高度，这样将汽车斗物料构建为一个三维区域的数学模型。
(3)塌方斜率
对汽车一次装车后，可能引发料堆部分区域发生崩塌。料堆崩塌时料堆坡面斜角α就是堆料最大坡度，根据氧化铁皮特性，选取α大小在30°～70°之间，优化方案中为35°～50°，坡面塌方斜率为tag(α)。
汽车装料时，相邻点阵的斜率(＝高度差/点阵距离)≤tag(α)。
(4)汽车装料物料高度
放料时，抓斗闭合状态下降落，直至抓斗重量减为0时，表示抓斗已触碰到物料，这时抓斗的高度即为物料高度。
如果放料时，低于汽车底板高度，重量还未减少，说明抓斗未触碰到汽车地板，说明装车点未停放汽车，系统将发出故障报警，并停止放料，确保安全。如果首次放料时，抓斗位置高度≥汽车斗栏板高度，说明装料点触碰到汽车斗栏板，说明汽车定位存在问题，系统发出故障报警，并停止放料。通过抓斗卸料高度判断，可以排除汽车定位不准或汽车不在停车位置的一些特殊情况，有效地保证了装车安全。实现了特殊情况下的防撒料防碰撞的安全控制。
(5)装车点阵顺序
抓斗装车时，不是按点阵顺序装车，而是隔点装车。例如汽车装车点阵个数为5个，则装车点阵顺序为：1→3→5→2→4→1……，如此循环往复。
按此顺序装车好处为在两个堆峰间放料，抓斗放料不易倾倒，同时防撒料效果较好。
当某个点的物料高度≥(汽车斗栏板高度－防撒料安全卸料高度)，则该点已装满，不能再进行装料，否则物料将漫过栏板，向外撒料，这时，将跳过该点，向下一个点阵装料，直至所有点阵均装满料，装料结束。
(6)装车模型计算
抓斗在车内装料时，物料分布区域是以抓斗合闭轴为中心线，在抓斗张开方向，向两侧扩散。扩散点增加高度h与扩散点到合闭轴的距离遵循正态分布曲线：在扩散半径r＝抓斗张开宽度/3的范围内，所卸物料占本次抓斗总卸料量的80％。到2r时，卸料高度基本为零。正态分布图见图2。
在坡面堆料时，物料卸料向下坡面一侧进行倾斜卸料，所以堆料区域分布中，上坡面影响区域比较小，所以分布曲线向中心靠拢，下坡面方差σ较大，影响区域扩大，分布曲线向外围扩张，分布图见图3。
卸料各点增加高度正态分布函数为：
hmax为最高卸料点高度。x为卸料点到合闭轴的距离。σ为方差。e为自然常数。
如果在车内平面卸料，卸料半径r＝抓斗宽度/3的区域内，物料分布占比80％计算，查表得到x＝1.3σ，即r＝1.3σ，则σ＝r/1.3。
如果在坡面卸料，σ获取则需要分析是否为上坡面或下坡面，计算如下：上坡面：σ的取值按公式：(1-λk)r＝1.3σ计算，其中：k为坡面斜率(抓斗中心点卸料高度与原点阵高度差/两点间距离)，λ为坡面系数，λ根据氧化铁皮的特性，范围为0.3～0.7之间。λ根据物料粘性、含污泥数量有关，每个旋流井的物料及污泥含量变化不大，但不同的旋流井则有差别，所以加入该变量，当物料粘性较大或污泥含量较多时，λ取值大，反之取值小。例如λ取0.3，k取1时，则平面卸料时σ＝r/1.3。在σ不变的情况下，卸料半径减为0.7r。下坡面：σ的取值按公式：(1+λk)r＝1.3σ计算，其中k为坡面斜率，λ为坡面系数，λ根据氧化铁皮的特性，范围为1～3之间。例如λ取1，k取1时，则平面卸料时σ＝r/1.3。在σ不变的情况下，卸料半径增为2r。
抓斗中心点两侧点阵高度修正高度为：
修正后点阵高度＝调整后原高度+
a)调整后原高度
如果抓斗中心卸料点与点阵之间的斜率未超过高度塌方斜率，取原点阵高度，否则以抓斗中心点卸料高度为基准点，按塌方斜率进行修正。即：
若，物料坡面满足不崩塌的斜率，则该值取原点阵高度；
若，坡面斜率大于崩塌斜率，以抓斗中心点卸料高度为基准点，按塌方斜率反推高度。
b)中心点卸料增加高度hmax
中心卸料点增加的高度最大，计算公式为：
hmax＝抓斗卸料重量/氧化铁皮密度/铺料面积
抓斗卸料重量为抓斗卸料前后的重量差。氧化铁由于是铁粉和铁屑，氧化铁皮密度取2.75t/m3。
铺料面积＝抓斗深度×4r2计算，其中r＝抓斗张开宽度/3。
(7)装车停止模式
装车停止方式有三种：装满模式、重量模式、装车次数模式。
①装满模式：即所有点阵装料高度≥(汽车斗栏板高度-防撒料安全卸料高度)；
②重量模式：装料重量超过设定重量值停止，如果达到装满模式条件也将停止；
③装车次数模式：抓斗装车次数超过设定值停止，如果达到装满模式条件也将停止。
(8)汽车装料物料高度显示
根据装料模型，自动获取汽车各点阵高度，并参比栏板高度，显示物料在斗内栏板高度占比，并按占比显示物料高度，这样能直观显示物料在斗内的分布情况及料面高度情况，画面显示见图4。
具体实施方式如下：
行车在进行一次装车动作后，系统自动根据抓斗的位置、高度、重量，自动对点阵进行高度修正，以确保堆料点阵高度的准确性。
如图5所示，过程控制详细描述如下：
(1)实时数据获取
实时读取行车大小车位置、抓斗高度、抓斗重量、抓斗高度数据。
(2)获取装车点阵位置
按隔点装车顺进行装车，如果该点阵高度≥(汽车斗栏板高度－防撒料安全卸料高度)，则跳过该点，寻找下个点，直至找到满足条件的点阵。
(3)控制行车到装车卸料点位置
(4)抓斗放料
行车运行到汽车装车点后，抓斗开始下降，当抓斗重量开始减轻时，表示抓斗触碰到物料，这时通过抓斗高度可以较准确地得到堆料点物料高度，然后抓斗提升到一定高度后停止，闭合缆继续提升，开始放料，直至抓斗完全张开，放料结束。
(5)汽车料堆模型更新
放料结束后，抓斗上升到安全平移高度，根据装车模型控制算法，对汽车内各点阵高度进行修正，完成车内物料模型控制。
需要说明的是，本实施例中未作详细说明之处，为本领域公知的技术。在上文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明申请实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
本发明的特定实施方案已经对本发明进行了详细描述，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。