CN103879741B - 一种用于散货料场的激光防碰撞预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于散货料场的激光防碰撞预警系统，所述散货料场分布有具有悬臂的堆/取料机，该系统包括：两台分别安装在所述堆/取料机的悬臂两侧的激光扫描仪，所述激光扫描仪在其扫描范围内获取障碍物信息，并输出含有该障碍物信息的扫描点位数据；以及与所述激光扫描仪网络连接的防碰撞装置，该装置包括：单片机。本发明通过激光扫描仪实时采集堆/取料机悬臂两侧设定范围内的障碍物信息，并通过防碰撞装置中的单片机对含有障碍物信息的扫描点位数据进行处理，最终将相应的报警信号输出至堆/取料机PLC系统中，以使堆/取料机及时减速或停车，从而能有效防止发生碰撞事故。

Description

一种用于散货料场的激光防碰撞预警系统

技术领域

本发明涉及一种用于散货料场的激光防碰撞预警系统。

背景技术

煤、矿石码头在堆、取料作业过程中，堆/取料机悬臂须不停地走行、回转与俯仰，因此，悬臂与料堆、相邻大堆/取料机之间的悬臂，以及悬臂与其它物体之间容易出现碰撞现象，从而造成安全生产事故。

典型的散货条形堆场堆/取料机的布置形式可如图1所示，其中，条形堆场宽400米左右，长700-1000米，其中分布有多条轨道，堆料机悬臂长35米，取料机悬臂长55米，且取料机按照“一线双机”布置（即一条轨道上分布大、小两部取料机），从分布图上可以看出，如果在堆/取料机在轨道上走行、回转时，不及时调整悬臂角度，则极易发生大机之间或者大机与料堆之间碰撞。

由于散货料场无人化作业是一种必然的发展趋势，因此，在研发无人堆取料控制系统的过程中，亟需建立设备安全运行监控及报警体系，尤其针对大堆/取料机的防碰撞预警更是重中之重。

当前，几乎所有散货料场中的堆/取料机的防碰预警方式都是采用PLC系统获取大堆/取料机的绝对坐标进行几何计算而得出相对位置，即获取大机的走行位置、悬臂旋回角度、悬臂俯仰角度，得出悬臂的空间坐标，从而进行防碰预警的。然而，由于PLC系统空间计算能力有限，通常需要将相邻大机的悬臂同时投影到平面坐标，在同一个面中进行相对距离的计算。这种方式存在两个重要的不足：

一、堆/取料机的位置编码器机械累计误差较大，防碰预警位置不够精确，基于坐标的误差、投影的误差，放大了空间位置，从而会演算出很多误报警情况，造成相邻大机作业时，容易受到信号连锁影响而无法作业；

二、此防碰预警方式只能解决相邻大机之间的防碰撞，而无法解决大机悬臂与货物大垛料堆之间、悬臂与其它障碍物（如其它流动作业机械等）之间的防碰撞问题。

另有单独采用激光扫描仪进行防碰撞报警的方法，即直接将激光扫描仪输出数据接入PLC系统数据模块上。然而这种方法只能获取数字量报警信号，而无法获取障碍物的实时距离和方位信息，更重要的是该数字量信号无法体现障碍物大小识别的功能，因此在多粉尘多颗粒状工况条件下的散货料场，极易发生误报警，影响作业。

因此，鉴于上述现有技术存在的不足，现在需要研发一种新的防碰撞装置，以解决上述问题。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种用于散货料场的激光防碰撞预警系统，以在智能无人化堆/取料作业过程中，实现无人值守的精准防碰撞预警功能。

本发明所述的一种用于散货料场的激光防碰撞预警系统，所述散货料场分布有具有悬臂的堆/取料机，该系统包括：

两台分别安装在所述堆/取料机的悬臂两侧的激光扫描仪，所述激光扫描仪在其扫描范围内获取障碍物信息，并输出含有该障碍物信息的扫描点位数据；以及

与所述激光扫描仪网络连接的防碰撞装置，该装置包括：

单片机，其接收并根据所述扫描点位数据，获取距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离以及距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位，并根据所述距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离、所述距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位，以及外围输入的障碍物与悬臂之间的距离报警阈值和障碍物相对于悬臂所在的方位报警阈值，向外围的堆/取料机PLC系统输出相应的用于控制所述堆/取料机减速或停车的报警信号。

在上述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统中，所述单片机包括：

主控制模块；

与所述主控制模块连接的数据采集模块，其接收并向所述主控制模块输出所述扫描点位数据；

与所述主控制模块连接的报警阈值设置模块，其接受并向所述主控制模块输出所述障碍物与悬臂之间的距离报警阈值以及所述障碍物相对于悬臂所在的方位报警阈值；以及

与所述主控制模块连接的防碰撞预警处理模块，其包括：

扫描点除噪单元，其接收所述主控制模块输出的所述扫描点位数据，并去除所述扫描点位数据中的噪点数据，并输出含有障碍物信息的有效扫描数据；

与所述扫描点除噪单元连接的障碍物识别单元，其接收并根据所述有效扫描数据，计算障碍物的尺寸，并提取所述障碍物信息；以及

与所述障碍物识别单元连接的报警单元，其接收并根据所述障碍物信息，获取所述距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离以及距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位，还接收所述主控制模块输出的所述障碍物与悬臂之间的距离报警阈值以及所述障碍物相对于悬臂所在的方位报警阈值，并根据所述距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离、所述距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位，以及所述障碍物与悬臂之间的距离报警阈值和所述障碍物相对于悬臂所在的方位报警阈值，输出所述报警信号。

在上述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统中，所述单片机还包括：与所述报警单元连接并用于向所述堆/取料机PLC系统输出所述报警信号的信号输出模块，该信号输出模块还与所述主控制模块连接。

在上述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统中，所述防碰撞装置还包括：连接在所述信号输出模块与所述堆/取料机PLC系统之间用于传输所述报警信号的开关量传输模块。

在上述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统中，所述防碰撞装置还包括：连接在所述单片机与所述激光扫描仪之间的以太网模块，该以太网模块还与外围的上位机网络连接。

在上述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统中，所述单片机还包括：与所述以太网模块连接的网络通讯模块，该网络通讯模块还与所述主控制模块、数据采集模块、所述报警阈值设置模块以及所述信号输出模块连接。

在上述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统中，所述网络通讯模块包括：TCP/IP协议解析单元、扫描仪数据协议解析单元以及自定义网络通讯协议解析单元。

在上述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统中，所述单片机还包括：连接在所述主控制模块与所述网络通讯模块之间的系统状态监测模块。

在上述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统中，所述防碰撞装置还包括：与所述信号输出模块连接并用于向所述堆/取料机PLC系统输出所述距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离以及距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位的模拟量传输模块。

在上述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统中，所述防碰撞装置还包括：与所述单片机连接的存储器。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过激光扫描仪实时采集堆/取料机悬臂两侧设定范围内的障碍物信息，并通过防碰撞装置中的单片机对含有障碍物信息的扫描点位数据进行噪点去除、障碍物识别、障碍物相对于悬臂的距离与方位计算等处理，最终将相应的报警信号输出至堆/取料机PLC系统中，以使堆/取料机及时减速或停车，从而能有效防止发生碰撞事故。本发明完全依靠自身探测范围内的预警处理，避免了传统的依靠堆/取料机位置编码器计算防碰的不精准性，同时避免了单纯依靠激光扫描仪识别障碍物的模糊性和误报警问题，实现了防碰撞报警的精准性和及时性；另外，本发明还通过采用以太网模块实现网络连接，从而避免了增加计算机设备、长距离路由等通讯装置，节约了建设成本。本发明既可应用于智能化无人堆取料控制系统中，也可以单独应用于散货堆场堆/取料机防碰撞预警领域。

附图说明

图1是典型的散货条形料场堆/取料机的布置示意图；

图2是本发明一种用于散货料场的激光防碰撞预警系统的结构框图；

图3是本发明中激光扫描仪的安装示意图；

图4是本发明中防碰撞装置中单片机的内部结构框图；

图5是正向直线的内外点提取方法的原理示意图之一；

图6是正向直线的内外点提取方法的原理示意图之二。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

请参阅图2-图4，本发明，即一种用于散货料场的激光防碰撞预警系统，包括：两台激光扫描仪1以及与激光扫描仪1网络连接的防碰撞装置2。

激光扫描仪1安装在分布于散货料场的堆/取料机的悬臂3上，且每个悬臂3的两侧固定位置分别安装有一台激光扫描仪1，激光扫描仪1用于在其扫描范围A内获取障碍物4的信息（包括障碍物的距离和方位），并以通讯报文形式将含有该障碍物信息的扫描点位数据通过以太网实时传输至防碰撞装置2；在本实施例中，激光扫描仪1采用德国SICK LMS511系列产品。

防碰撞装置2包括：依次连接的以太网模块21、单片机22（在本实施例中，单片机22可采用带嵌入式操作系统的处理器实现）以及储存器23，以及与单片机22连接的开关量传输模块24和模拟量传输模块25，其中，以太网模块21还分别与激光扫描仪1以及外围的上位机5（即远程人机界面HMI）连接，开关量传输模块24通过控制网与外围的堆/取料机PLC系统6中的DI（数字量输入）模块61连接，模拟量传输模块25通过控制线与堆/取料机PLC系统6中的AI（模拟量输入）模块62连接。

在本发明中，以太网模块21使用全双工模式，完成业务数据的网络传输，包括了与激光扫描仪1的信令交互和数据采集，以及测量数据和报警信息的网络应用，如实现上位机5的数据采集与远程防碰撞报警监控。单片机22用于控制以太网模块21进行网络数据的传输及处理，进行防碰撞业务数据处理（包括扫描点除噪、障碍物识别、防碰撞预警处理等）与数据存储，并将数据处理结果及报警信息通过以太网模块21以及开关量、模拟量传输模块24、25输出。存储器23用于存储单片机1的程序和防碰撞业务数据及数据处理结果等。

具体来说：单片机22通过以太网模块21接收激光扫描仪1输出的扫描点位数据，并根据该扫描点位数据获取距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离以及距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位，然后根据距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离、所述距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位，以及外围输入的障碍物与悬臂之间的距离报警阈值和障碍物相对于悬臂所在的方位报警阈值，通过开关量传输模块24向堆/取料机PLC系统6中的DI模块61输出相应的用于控制堆/取料机减速或停车的报警信号，同时，还通过模拟量传输模块25向堆/取料机PLC系统6中的AI模块62输出距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离以及距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位。当然，单片机22也可以将上述报警信号、距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离以及距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位通过以太网模块21传输至上位机5，以便于上位机5进行数据采集与报警监控。

在本发明中，单片机22具体包括：主控制模块201、分别与主控制模块201连接的数据采集模块202、报警阈值设置模块203、防碰撞预警处理模块204、信号输出模块205、系统状态监测模块206以及网络通讯模块207，其中，防碰撞预警处理模块204还与信号输出模块205连接，信号输出模块205还与开关量传输模块24以及模拟量传输模块25连接，网络通讯模块207还分别与数据采集模块202、报警阈值设置模块203、信号输出模块205、系统状态监测模块206以及以太网模块21连接。

具体来说，主控制模块201用于控制其他与之连接的模块的运作以及控制各模块之间的协作。

数据采集模块202依次通过网络通讯模块207和以太网模块21进行信令与数据传输，并按照激光扫描仪1规定的数据采集信令流程，从激光扫描仪1采集其实时输出的扫描点位数据，最终将该扫描点位数据输出至主控制模块201。

报警阈值设置模块203依次通过网络通讯模块207和以太网模块21（即通过网络自定义通讯协议）接受外围输入的障碍物与悬臂之间的距离报警阈值以及障碍物相对于悬臂所在的方位报警阈值（例如可通过上位机5经由网络进行这些阈值的设置）。

防碰撞预警处理模块204具体包括：依次连接的扫描点除噪单元241、障碍物识别单元242以及报警单元243，其中：

扫描点除噪单元241接收主控制模块201输出的扫描点位数据，并去除扫描点位数据中的噪点数据（即，将堆/取料机的悬臂抖动和激光扫描仪表面污损所产生的不符合要求的点去除），并输出含有障碍物信息的有效扫描数据；

障碍物识别单元242接收并根据上述有效扫描数据，计算障碍物的尺寸，并提取障碍物信息（其原理将在下文中详细描述）；

报警单元243接收并根据上述障碍物信息，获取距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离以及距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位，同时接收主控制模块201输出的障碍物与悬臂之间的距离报警阈值以及所述障碍物相对于悬臂所在的方位报警阈值，并根据距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离、距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位，以及障碍物与悬臂之间的距离报警阈值和障碍物相对于悬臂所在的方位报警阈值，通过信号输出模块205向堆/取料机PLC系统6中的DI模块61输出相应的报警信号（其原理将在下文中详细描述）；同时，还通过信号输出模块205向堆/取料机PLC系统6中的AI模块62输出距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离、距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位。

信号输出模块205除了可以将障碍物距离和方位这两路D/A转换的模拟量输出及三路报警信号的开关量输出以外，也可以依次通过网络通讯模块207和以太网模块21（即通过网络自定义通讯协议）向上位机5输出上述模拟量和开关量。

系统状态监测模块206用于对防碰撞装置2的网络通讯状态、工作状态和报警状态等进行监测，其监测结果可以依次通过网络通讯模块207和以太网模块21（即通过网络自定义通讯协议）向上位机5输出，也可以通过防碰撞装置2的指示灯（图中未示）进行指示。

网络通讯模块207具体包括：TCP/IP协议解析单元271、扫描仪数据协议解析单元272以及自定义网络通讯协议解析单元273，具体来说，扫描仪数据采集信令的报文需按扫描仪报文协议和TCP/IP协议进行打包与拆包，从中提取扫描仪信令与数据信息；与上位机的通讯则需按自定义协议和TCP/IP协议进行打包与拆包，包括了扫描仪管理、装置信息设置、装置连接、数据采集、报警信息设置和报警与状态监测等。

在本发明中，障碍物识别单元242接收到的有效扫描数据为极坐标形式，数据帧信息包含了每个测量点的距离和方位，因此可采用极坐标下正向直线的内外点方法来提取扫描区域内障碍物的特征点，从而提取障碍物信息，并计算障碍物的尺寸。

下面结合图5和6说明正向直线的内外点提取流程（由于该方法为本领域中已知的方法，故此处仅作简单介绍）。

如图5所示，平面上具有方向A->B且过AB两点的直线为正向直线，位于此直线顺时针一侧的点称为正向直线的内点，位于直线逆时针一侧的点称为正向直线的外点。点C在正向直线AB的逆时针侧（外点），点D在正向直线BC的顺时针侧（内点），则点C为拐点。采用拐点作为物体的特征点，障碍物由扫描曲线的外点开始，内点结束，提取出扫描曲线的两个特征点，即可计算出障碍物的大小，并用障碍物中距离最小的点来表示障碍物的距离与方位。

由图5可知，假设正向直线AB与极轴夹角为θ，第3点C若为外点，则正向直线BC与极轴的夹角比θ大，第3点C若为内点，则正向直线BC与极轴的夹角比θ小。利用tanθ与θ的关系即可判断出第3点是内点还是外点，扫描数据方位范围为0°-180°，θ范围相应地也在0°-180°。

如图6所示，扫描区域内具有两个物体（椭圆形物体和长方形物体），扫描仪的测量点范围从0°-180°，由上述两个物体附近采样点（如点A至点N形成的线段）可知，物体起始点位是从外点到内点的特征点，终止点位是从内点到外点的特征点，结合图5，物体的大小利用余弦定理即可求得。

需要注意的是，扫描仪角分辨率越小，物体识别精度越高；对于单独突变的外点或内点在识别过程中应作为噪点剔除。

在本发明中，报警单元243从识别出的各障碍物信息中提取距离悬臂最近的障碍物相对于悬臂的距离和方位，并根据预先设定的报警范围（即上文中提及的报警阈值）确定障碍物处于报警范围的哪一个边界，从而输出相应的报警信号；在本实施例中，报警范围分为三级：3级报警边界外为不需要干预处理；2级报警为堆/取料机减速区域报警；1级报警为堆/取料机紧急停车报警；例如，以三级报警范围计算，防碰撞装置输出大于15米时，装置不输出报警信号；当防碰撞装置输出距离在5～15米范围时，装置输出减速报警信号，堆/取料机PLC系统进入减速运作；当防碰撞装置输出距离≤5米，装置输出紧停报警信号，堆/取料机PLC系统做出停机、联锁等处理。报警边界大小的设置可由用户根据堆/取料机的尺寸大小和场地设置通过上位机5经由以太网模块21自定义设置。

综上所述，本发明的优点如下：

1、将激光测距技术引入智能化堆/取料机防碰撞系统，具有精度高、抗干扰能力强的特点，比传统空间大机防碰报警更精确，最大程度减小连锁控制对生产作业的影响，减少防碰撞报警的误报率。

2、解决了传统防碰撞系统不能监测大机悬臂与货物大垛之间、悬臂与其它障碍物之间的防碰撞问题。

3、本系统依据悬臂自身的走行、回转和俯仰位置所覆盖范围内进行激光探测预警，不依赖于其它大机的坐标信息和相互空间计算。

4、本系统简单易用、安装方便，建设成本较低，便于大规模推广。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种用于散货料场的激光防碰撞预警系统，所述散货料场分布有具有悬臂的堆/取料机，其特征在于，该系统包括：

两台分别安装在所述堆/取料机的悬臂两侧的激光扫描仪，所述激光扫描仪在其扫描范围内获取障碍物信息，并输出含有该障碍物信息的扫描点位数据；以及

与所述激光扫描仪网络连接的防碰撞装置，该装置包括：

单片机，其接收并根据所述扫描点位数据，获取距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离以及距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位，并根据所述距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离、所述距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位，以及外围输入的障碍物与悬臂之间的距离报警阈值和障碍物相对于悬臂所在的方位报警阈值，向外围的堆/取料机PLC系统输出相应的用于控制所述堆/取料机减速或停车的报警信号。

2.根据权利要求1所述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统，其特征在于，所述单片机包括：

主控制模块；

与所述主控制模块连接的数据采集模块，其接收并向所述主控制模块输出所述扫描点位数据；

与所述主控制模块连接的报警阈值设置模块，其接收并向所述主控制模块输出所述障碍物与悬臂之间的距离报警阈值以及所述障碍物相对于悬臂所在的方位报警阈值；以及

与所述主控制模块连接的防碰撞预警处理模块，其包括：

扫描点除噪单元，其接收所述主控制模块输出的所述扫描点位数据，并去除所述扫描点位数据中的噪点数据，并输出含有障碍物信息的有效扫描数据；

与所述扫描点除噪单元连接的障碍物识别单元，其接收并根据所述有效扫描数据，计算障碍物的尺寸，并提取所述障碍物信息；以及

与所述障碍物识别单元连接的报警单元，其接收并根据所述障碍物信息，获取所述距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离以及距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位，还接收所述主控制模块输出的所述障碍物与悬臂之间的距离报警阈值以及所述障碍物相对于悬臂所在的方位报警阈值，并根据所述距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离、所述距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位，以及所述障碍物与悬臂之间的距离报警阈值和所述障碍物相对于悬臂所在的方位报警阈值，输出所述报警信号。

3.根据权利要求2所述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统，其特征在于，所述单片机还包括：与所述报警单元连接并用于向所述堆/取料机PLC系统输出所述报警信号的信号输出模块，该信号输出模块还与所述主控制模块连接。

4.根据权利要求3所述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统，其特征在于，所述防碰撞装置还包括：连接在所述信号输出模块与所述堆/取料机PLC系统之间用于传输所述报警信号的开关量传输模块。

5.根据权利要求3或4所述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统，其特征在于，所述防碰撞装置还包括：连接在所述单片机与所述激光扫描仪之间的以太网模块，该以太网模块还与外围的上位机网络连接。

6.根据权利要求5所述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统，其特征在于，所述单片机还包括：与所述以太网模块连接的网络通讯模块，该网络通讯模块还与所述主控制模块、数据采集模块、所述报警阈值设置模块以及所述信号输出模块连接。

7.根据权利要求6所述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统，其特征在于，所述网络通讯模块包括：TCP/IP协议解析单元、扫描仪数据协议解析单元以及自定义网络通讯协议解析单元。

8.根据权利要求6或7所述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统，其特征在于，所述单片机还包括：连接在所述主控制模块与所述网络通讯模块之间的系统状态监测模块。

9.根据权利要求8所述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统，其特征在于，所述防碰撞装置还包括：与所述信号输出模块连接并用于向所述堆/取料机PLC系统输出所述距离悬臂最近的障碍物与该悬臂之间实际距离以及距离悬臂最近的障碍物相对于该悬臂所在的实际方位的模拟量传输模块。

10.根据权利要求1所述的用于散货料场的激光防碰撞预警系统，其特征在于，所述防碰撞装置还包括：与所述单片机连接的存储器。