阅读说明：本技术 一种斗轮机的全自动取料控制系统 (Full-automatic material taking control system of bucket wheel machine ) 是由 武文平 王鹏 段继明 刘东明 段坚 曲丽丹 王玉琳 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种斗轮机的全自动取料控制系统,包括设备端和控制室端,设备端主要包括图像点云数据采集设备、取料机姿态采集设备以及取料机PLC控制系统；控制室端主要包括：图像处理服务器、策略执行服务器以及中控室PLC控制系统。本发明改善了斗轮式取料机操作人员的工作环境,大幅度降低了人力成本,并且提高了生产效率。此外,应用本发明还有助于规范取料作业流程和操作,延长取料机的使用寿命。(The invention provides a full-automatic material taking control system of a bucket wheel machine, which comprises an equipment end and a control room end, wherein the equipment end mainly comprises an image point cloud data acquisition device, a reclaimer attitude acquisition device and a reclaimer PLC control system; the control chamber end mainly comprises: the system comprises an image processing server, a strategy execution server and a central control room PLC control system. The invention improves the working environment of operators of the bucket-wheel reclaimer, greatly reduces the labor cost and improves the production efficiency. In addition, the invention is beneficial to standardizing the material taking operation flow and operation and prolonging the service life of the material taking machine.)

一种斗轮机的全自动取料控制系统

技术领域

本发明涉及工程控制领域，尤其涉及一种用于散料堆场的斗轮式取料机/堆取料机进行取料作业的控制系统。

背景技术

目前在国内的散料场内，主要依靠取料机进行取料作业。取料机的种类较多，其中斗轮式取料机(亦称为“斗轮机”)在大型散料场内的应用率非常高。当前料场中的斗轮机的运行，正在朝着全自动化的方向发展。

常规自动取料一般在悬臂头部安装一套图像点云采集设备，用于获取料场内的点云坐标数据。同时采用编码器获取取料机的实时姿态。该方案在实际应用时，存在如下问题：第一，在采集点云数据时，悬臂需要配合回转或者俯仰，这样多机构的协同动作配合，且悬臂处存在应力变形等因素的影响，易产生误差累积，使所测点云数据偏差较大。第二，在采集点云数据时，无法做到同时采集双侧料场内的点云数据，导致采集效率较低。第三，由于采集设备距离斗轮较近，使得采集设备的清洁频率大为增加，为工业生产带来不便。最后，利用编码器作为取料机的姿态检测手段，受编码器自身的局限性影响，由于编码器存在打滑、跳变等现象，导致姿态检测的不准确。

发明内容

根据当前散料场内人工作业环境恶劣、成本高、作业规范程度及效率低下的问题，而提供一种斗轮机的全自动取料控制系统，本发明主要利用图像点云数据采集设备集散料场内料堆等物体的表面数据，利用取料机姿态采集设备提取取料机的实时姿态数据，结合智能化作业指令实现全自动取料作业。

本发明采用的技术手段如下：

一种斗轮机的全自动取料控制系统，包括设备端和控制室端，所述设备端主要包括：图像点云数据采集设备,其设置在斗轮式取料机的检修平台上，用于采集散料场内料堆的表面数据；数据融合设备，用于对料堆的三维点云数据进行数据融合转换，最终得到欧几里德坐标空间的料堆三维坐标；取料机姿态采集设备，用于实时测量取料机的姿态数据；以及取料机PLC控制系统，接收散料场内料堆的表面数据以及取料机的姿态数据，通过以太网通讯模块与中控室PLC控制系统之间进行数据和指令交互，并控制斗轮机各机构的驱动装置进行取料作业；所述控制室端主要包括：图像处理服务器，接收所述图像点云数据采集设备采集的数据并进行分析、滤波处理，并进行点云三维成像显示；策略执行服务器，从所述图像处理服务器中读取料场内料堆的表面数据，结合取料机的姿态数据，生成作业指令，并将所述作业指令实时发送至中控室PLC系统；以及中控室PLC控制系统，由所述策略执行服务器接收作业指令并与取料机PLC控制系统进行数据和指令交互。

进一步地，所述图像点云数据采集设备为搭载于旋转云台的二维激光扫描仪，将采集的料堆表面的二维点云数据及云台的对应角度进行三维化计算得到散料场内料堆的三维点云数据。

进一步地，所述旋转平台相对设置在所述检修平台的两侧。

进一步地，当散料场所不具有顶棚时，所述取料机姿态采集设备采用北斗/GPS系统；当散料场所不具有顶棚时，所述取料机姿态采集设备采用电磁式母线采集设备。

进一步地，所述系统的设备端还包括安全防碰设备，通过距离检测防止取料机与障碍物间的碰撞。

进一步地，所述策略执行服务器包括：策略计算单元，用于取料作业的首次作业目标值计算；工艺控制单元，用于取料作业的实时计算和控制；仿真模拟单元，用于软件的离线测试，以及系统的培训教学。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的斗轮机的全自动取料控制系统，通过全自动作业方式，改善了斗轮式取料机操作人员的工作环境，同时降低了人力成本，提高了生产效率。

2、应用本发明方案，有助于规范取料作业流程和操作，延长取料机的使用寿命。

3、本发明优选二维激光扫描仪搭载旋转云台，经过软件算法计算，组成三维激光扫描仪，降低了系统搭建成本，提高了数据采集精度。

基于上述理由本发明可在斗轮机系统中广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明斗轮式取料机的全自动取料控制系统功能框图。

图2为实施例中图像点云数据采集设备的安装位置示意图。

图3为实施例中自动取料控制系统结构示意图。

图中：1、取料机电气室；2、图像点云数据采集设备；3、数据融合设备；4、机上以太网交换机；5、取料机姿态采集设备；6、卷筒滑环箱；7、电缆卷筒；8、地面接线箱；9、中控室；10、第一中继器；11、回转变频器；12、回转编码器；13、俯仰编码器；14、第二中继器；15、走行编码器；16、走行变频器；17、走行变频器；18、图像处理服务器；19、策略执行服务器；20、以太网交换机；21、安全防碰设备；

101、图像点云数据采集装置；102、第一移动站；103、第二移动站；104、俯仰铰点机构；105、悬臂机构；106、回转平台机构；107走行机构；108、配重机构；109、斗轮机构。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种斗轮机的全自动取料控制系统，包括设备端和控制室端，设备端主要包括图像点云数据采集设备、取料机姿态采集设备、数据融合设备以及取料机PLC控制系统；控制室端主要包括：图像处理服务器、策略执行服务器以及中控室PLC控制系统。

具体来说，图像点云数据采集设备可采用的硬件设备包括三维激光扫描仪、测距雷达、TOF相机等。该设备用于采集散料场内料堆等物体的表面数据，这些数据将传输到数据融合设备中。

作为一种较佳的实施方式，采用二维激光扫描仪搭载旋转云台组合而成三维激光扫描仪。这样做的优点是可以大幅降低硬件成本，利用相应的点云数据融合方法，将二维点云数据及云台的对应角度进行三维化计算，计算的结果即是料对的三维(长度坐标、宽度坐标、高度坐标)点云数据，可用于全自动取料算法的计算。这样大幅度降低了利用三维激光扫描仪而产生的高昂成本，同时也改善了应用二维激光扫描仪或者其他测距传感器以降低模型维度和精度为代价进行全自动控制的情况。

在进一步的实施方式中，采用两套设备，双侧对称安装在斗轮式取料机的第二高的检修平台上。采用这样的设置方式，由于安装位置较高，可以尽可能地减小扫描盲区；采用两套设备对称安装可以同时扫描本台取料机的双侧料场，数据干扰性小，扫描效率高。

数据融合设备主要用于将图像点云数据采集设备采集到的数据，进行数据融合转换，最终转换成欧几里德坐标空间的三维坐标。在进一步的实施方式中，以二维激光扫描仪搭配旋转云台作为图像点云数据采集设备，数据融合设备根据二维点云数据和云台旋转角度数据进行融合，从而得到能够反映料场表面位置的三维坐标。

本发明中图像点云数据采集设备与数据融合设备在均安装于取料机本体上，也就是说，在取料机本机上完成扫描的点云数据的算法处理，而处理完成后的点云数据，再传输至中控室的图像处理服务器中。如此，在中控室进行多台取料机的智能化控制时，将大幅减轻图像处理服务器的计算负荷，使得图像处理服务器的显示效率更高，查询统计更流畅。鉴于以往做法，均是将图像点云数据采集设备扫描得到的点去数据直接传输至图像点云数据采集设备进行算法处理，对图像处理服务器的配置性能要求高，使得图像处理服务器内部数据处理显示等算法性能要求不能达到满足。本申请能够有效降低中控室的图像处理服务器的运算负荷，从而提升系统的整体性能。

取料机姿态采集设备，主要用于实时测量取料机的三个姿态数据(走行位置、回转角度、俯仰角度)的实时测量，这些实时测量数据将传输到策略执行服务器中，参与全自动取料算法的计算和指令控制。其可采用的硬件设备包括北斗/GPS系统、格雷母线、倾角仪等。本发明中取料机姿态采集设备，应分两种工业场景进行配置，即散料场是否具有顶棚。

作为一种较佳的实施方式，当散料场所不配有顶棚时，采用北斗/GPS系统为姿态采集设备，并配置编码器及倾角仪等设备用于校验，例如在行走轮上布置走行编码器，在回转轴上布置回转编码器或者在俯仰轴上布置俯仰编码器或者倾角仪。当散料场所配有顶棚时，采用格雷母线等电磁式母线采集设备，并配置编码器及倾角仪等设备用于校验。这样，解决了现有技术中采用走行编码器、回转编码器、俯仰编码器进行取料机的姿态采集时，由于编码器在运行过程中发生打滑现象，而导致数据误采集给全自动取料控制带来安全隐患的问题。

在进一步的实施方式中，取料机姿态采集设备为北斗/GPS系统，应选用两套北斗/GPS系统，以便形成差分定位检测系统，可以检测俯仰角度和回转角度。差分定位检测系统应在地面布置基站，在取料机上布置两个移动站。优选的，将移动站安装于悬臂梁拉杆上部检测平台处以及悬臂梁上且距斗轮约1/3处。上述是推荐的移动站安装位置，但安装位置并不仅限于此。将基准站的相位观测数据及坐标信息通过数据链方式及时发送给用户，用户将收到的数据链同自采集的相位观测数据进行实时差分处理，从而获得用户的实时三维位置。

在另外一种实施方式中，取料机姿态采集设备为格雷母线等电磁式母线采集设备，安装位置应视现场具体情况而定，一般地，应沿走行轨道附近、回转平台外周敷设母线。

取料机PLC控制系统，主要用于接收散料场内料堆的表面数据以及取料机的姿态数据，通过以太网通讯模块与中控室PLC控制系统之间进行数据和指令交互，并控制斗轮机各机构的驱动装置进行取料作业。取料机PLC控制系统6和中控室PLC控制系统7均应配置以太网通讯模块。

图像处理服务器，主要用于接收所述图像点云数据采集设备采集的数据并进行分析、滤波处理，并进行点云三维成像显示。图像处理服务器搭载点云分析处理软件，软件将控制图像点云数据采集设备进行数据采集，并将针对图像点云数据采集设备采集到的料场内的点云数据，进行相应的分析、滤波等计算并存储。具体来说，图像处理服务器能够进行点云数据的压缩存储，优选采用PCL(Point Cloud Library)方法进行大量点云数据的存储和处理，以便在图像处理服务器中进行物料统计分析和历史数据查询。此外，图像处理服务器还能够进行滤波去噪，并在图像处理服务器中进行点云三维成像显示。

策略执行服务器，主要用于从图像处理服务器中读取料场数据，进行料堆模型的计算以及堆取料模型计算，进而自动生成智能化作业指令、与中控室PLC系统进行实时通讯。具体而言，取料机的建模主要通过目前通用的机器人建模的方法实现，比如可选地采用D—H方法等。机器人建模的方法并不唯一，但不论采用何种机器人建模方法，最终都会得到取料机悬臂头部，即斗轮边缘某点的三维坐标公式。然后进一步结合料堆的三维点云坐标，通过计算斗轮边缘某点的三维坐标是否与料堆的三维点云坐标重合，来判断取料机是否与料堆发生了切入，如果判断为切入，则在已知此时的斗轮边缘某点的三维坐标的前提下，通过上述所采用的建模方法的逆过程，推导出此时取料机的走行位置和回转角度。

在策略执行服务器中将搭载取料机全自动软件控制平台，该平台软件包括策略计算、工艺控制、仿真模拟三部分。其中策略计算用于全自动取料作业的首次作业目标值的计算，主要包括进行全自动取料作业时的首次走行停靠位置、首次回转角度、首次俯仰角度、层数、每层长度及起终点的长度坐标值、每层允许作业的安全位置等。工艺控制用于全自动取料作业的实时计算和控制，主要包括每次回转取料的切入点角度和切出点角度、走行进尺的距离等。仿真模拟平台用于软件的离线测试，即在无PLC网络支持、无姿态检测设备支持的情况下离线测试软件；亦可用于全自动取料控制系统的培训教学。

具体应用时，策略计算是作业动作执行之前的预计算。策略计算的结果可以直接进行工艺控制，工艺控制内部的运行机制是，由实时模型计算得到取料机的姿态值，通过PLC系统控制取料机的作业动作。同样地，策略计算的结果也可以直接进行仿真模拟，仿真模拟内部的运行机制是，由实时模型计算得到取料机的姿态值，通过仿真程序(例如可由SIMULINK软件、虚拟PLC仿真软件等进行开发)模拟PLC系统来测试全自动取料控制系统的安全性。鉴于以往做法，均是在服务器中装载控制流程的软件算法，将计算与控制集成杂糅到一起，这种做法虽然操作简便，但是可控性低、不确定性较高，会给使用者带来不安全感。本申请将计算与控制由不同的功能模块实现，提高了系统的运行精度和控制效果。

另外，系统还包括中控室PLC控制系统，由所述策略执行服务器接收作业指令并与取料机PLC控制系统进行数据和指令交互。

进一步地，系统的设备端还包括安全防碰设备，具体来说，安全防碰设备可采用的硬件设备包括激光型检测设备、雷达型检测设备、微波型检测设备等。用于防止取料机与其他障碍物(例如同轨道的堆取料设备、相邻轨道的堆取料设备、料场内的流机设备、料堆等)之间的碰撞。这种防碰撞的功能，主要通过距离检测来实现。

应用上述控制系统进行全自动取料作业的过程包括：

步骤1、由图像点云数据采集设备采集料场内的表面点云数据，优选使用二维激光扫描仪配合旋转云台的方式进行数据采集。

步骤2、将采集到的数据传输到数据融合设备中，进行融合算法的计算，以便形成三维点云数据，并通过TCP/IP等可靠的通讯方式传输到图像处理服务器中。

步骤3、图像处理服务器将根据三维点云数据进行料场的三维成像显示、历史数据查询和料场数据统计。

步骤4、由取料机姿态采集设备检测堆取料设备的走行位置、俯仰角度、回转角度等实时姿态信息，并将这些信息通过TCP/IP或者现场总线等可靠的通讯方式传输到策略执行服务器中。

步骤5、策略执行服务器将接受上层管理系统发来的调度指令和作业指令，这些指令将明确取料范围、取料重量、取料流量等信息，同时也接受全自动系统的界面操作工人输入的作业参数，策略执行服务器中的全自动取料策略算法将通过TCP/IP等可靠的通讯方式从图像处理服务器中读取取料范围内的三维点云数据，并结合设备模型和控制模型进行全自动化的策略计算，同时与中控室PLC控制系统之间通过TCP/IP等可靠的通讯方式进行数据交互。

步骤6、安全防碰设备的检测信号通过TCP/IP或者现场总线等可靠的通讯方式传输到取料机PLC控制系统或者策略执行服务器中，在策略执行服务器和中控室PLC控制系统通过数据交互来进行全自动策略计算和控制的过程中，应使策略执行服务器实时处理与安全防碰设备相关的变量值，保证全自动策略的安全执行。

步骤7、斗轮式取料机本体根据取料机PLC控制系统下发给各机构的驱动装置的指令来完成全自动取料作业动作。

下面通过具体的应用实例，对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

图2-3所示，为本实施例提供的全自动取料控制系统，其实施对象是华能曹妃甸港务公司QL6000.55型斗轮取料机，其主要包括俯仰铰点机构、悬臂机构、回转平台机构、走行机构、配重机构、斗轮机构以及自动取料控制系统；所述回转平台机构设置在斗轮机中部位置，并能够在水平方向内做回转运动；所述悬臂机构通过俯仰铰点机构连接于所述回转平台机构上，所述悬臂机构的末端设置有斗轮机构；所述走行机构设置于回转平台机构下方；所述配重机构设置在与所述悬臂机构的延伸方向相反的方向上，保持所述斗轮机的平衡。

本实施例中，图像点云数据采集设备布置在悬臂梁拉杆上部检测平台上，其包括两个对称设置在平台两侧的数据采集组，用以采集取料机两侧的点云数据。将第一移动站和第二移动站分别安装在悬臂梁拉杆上部检测平台处以及悬臂梁上且距斗轮约1/3处。将俯仰编码器或者倾角仪安装在俯仰铰点机构，将回转编码器安装在回转平台机构，将走行编码器安装在走行机构处，并通过机上PLC系统采集上述采集元件提取的数据，并通过地面控制系统与中控室中的服务器系统连接，进行进一步的处理运算。

如图3，系统工作时，图像点云数据采集装置2采集的数据，经数据融合设备3进行融合处理成三维点云坐标数据后，传输到中控室内的图像处理服务器18中，以便进行数据归类存储和图像显示。取料机姿态采集设备5将检测到的取料机姿态数据传输到中控室的策略执行服务器19中。根据不同的姿态采集设备的配置，也可以考虑采用其他的数据传递方式，例如也可以将取料机姿态采集设备5的检测值传输到取料机电气室内的PLC系统中。

本实施例中，采用回转编码器12、俯仰编码器13、走行编码器15来进行取料机的姿态校验。上述三个编码器的检测值传输到取料机电气室内的PLC系统中。姿态校验装置也可以采用其他有类似功能的硬件设备来完成，例如可以采用射频识别(RFID)设备代替走行编码器15来进行走行位置的校验。

此外，安全防碰设备21的检测值传输到电气室内的PLC系统中。根据不同的安全防碰设备的配置，也可以考虑采用其他的数据传递方式，例如也可以将安全防碰设备21的检测值传输到策略执行服务器19中。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。