CN104555338B - 一种料场堆取料机防撞控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

一种料场堆取料机防撞控制方法及其系统，料场设有GPS定位装置；每一台堆取料机的控制器、PLC和无线通信设备；防撞控制方法包括：每台堆取料机获取自身的位置、回转角度、俯仰角度信息；堆取料机之间的通信采用广播通信方式，每次通信时只有其中一台堆取料机发送自身的编号，自身的位置、回转角度、俯仰角度状态信息，下一台发送信息的堆取料机编号；其它接收信息的堆取料机根据接收的信息判断自身是否为下一台发送信息的堆取料机，判断自身与发送信息的堆取料机是否可能发生碰撞；如果可能发生碰撞则进行防碰撞控制计算；若计算出本台堆取料机与其它堆取料机将要发生碰撞，控制器向该台堆取料机的PLC发送控制指令进行报警或者紧急停车。

Description

一种料场堆取料机防撞控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及散状物料堆取料作业设备运行控制技术领域，尤其涉及一种料场堆取料机防撞控制方法及其系统。

背景技术

随着技术的发展，散状物料（煤，矿石等）料场变得越来越大，在大型的散状物料料场存在多台堆取料机进行作业的情况，而堆取料机的臂架较长，堆取料机之间发生碰撞可能性较大。一旦发生碰撞就会造成堆取料机的损坏，严重时会导致人员的伤亡，带来经济损失。堆取料机发生碰撞的原因有人员操作因素，天气因素，周围环境等因素。因此克服这些外在因素的影响，研发一套堆取料机自动防碰撞方法及系统具有重要意义。

由于人力成本的提高，为提高工作效益，降低生产成本，无人化料场是未来发展的方向。无人化料场控制的关键是既能实现在无人操作的情况下进行生产作业，又能保证堆料和取料过程中不发生碰撞事故，因而需要进行自动防撞控制。

现有的堆取料机的防撞控制大多采用集中控制方式，如 CN103964155A 公开的《一种斗轮堆取料机防撞控制方法》。集中控制方式在总控制器（中央控制计算机或者中央控制PLC）中，通过堆取料机控制器收集料场中每一台堆取料机的位置信息，由分布式控制器计算获得回转角度、俯仰角度信息，计算、预测每台堆取料机之间是否可能发生碰撞，当发现堆取料机之间存在碰撞的可能时，总控制器向对应的堆取料机控制器发送控制指令，堆取料机控制器根据指令控制堆取料机从而避免发生碰撞。

集中控制模式存在以下几个方面的不足：所有堆取料机的防撞控制计算在总控制器里面实现，总控制器的计算负荷较大；系统的容错性能低，当总控制器发生故障时，整个料场所有的防撞控制都失灵，系统的可靠性较差；通过总控制器进行防撞计算，通过网络将结果发送给堆取料机控制器，实时性差。

发明内容

本发明针对现有料场堆取料机的防撞控制方法的不足，设计出一种料场堆取料机自动防撞控制方法及系统，实现了料场堆取料机的自动防撞，与现有的堆取料机自动防撞控制技术相比可靠性更高。

为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种料场堆取料机防撞控制系统，它包括GPS定位装置；每一台堆取料机的分布式控制器、PLC和无线通信设备；其特征在于：所述GPS定位装置包括GPS基准站，设置在料场中每一台堆取料机的回转中心和臂架上的GPS移动站；堆取料机通过GPS定位装置获取自身的位置信息；由堆取料机的分布式控制器根据GPS定位装置的数据计算获得自身的回转角度和俯仰角度信息；所述分布式控制器至少包含与无线通信设备连接的通信模块、与PLC连接的通信模块、防碰撞控制计算模块；系统中堆取料机之间的通信采用广播通信方式，每次通信时只有其中一台堆取料机发送信息，其它的堆取料机接收信息，堆取料机发送的信息至少包含自身的编号，自身的位置、回转角度和俯仰角度状态信息，下一台发送信息的堆取料机编号，堆取料机之间的通信形成一个循环，实现料场中各堆取料机之间的信息交互。

作为进一步改进技术方案，本发明提供的料场堆取料机防撞控制系统，堆取料机的回转角度、俯仰角度的获得包括：

测量出堆取料机所在轨道中心线上两个不同点的坐标，通过坐标变换成料场坐标系中的坐标A₁₀ ，B₁₀ ，并将它们输入该堆取料机的分布式控制器，通过GPS定位装置测量该堆取料机回转中心和臂架上两个GPS移动站的坐标，通过坐标变换成料场坐标系中的坐标为 A₁₁ ，B₁₁ ；

堆取料机的回转角度为：

堆取料机的俯仰角度为：

公式中：

为堆取料机的回转角度，单位为度；

为堆取料机的俯仰角度，单位为度；

为堆取料机所在轨道中心线上第一点的三维坐标位置；

为堆取料机所在轨道中心线上第二点的三维坐标位置；

为堆取料机在臂架中心位置的GPS移动站的三维坐标位置；

为堆取料机在回转中心位置的GPS移动站的三维坐标位置；

L₁₁为堆取料机的两个GPS移动站之间的距离，单位为m；

回转角度以臂架与轨道重合方向为0度，顺时针旋转的方向为正，逆时针旋转的方向为负；俯仰角度以臂架水平时为0度，向上仰的方向为正，向下俯的方向为负。

为了解决上述技术问题，另一方面，本发明提供一种料场堆取料机防撞控制方法，料场设有GPS定位装置；每一台堆取料机的分布式控制器、PLC和无线通信设备；所述GPS定位装置包括GPS基准站，设置在料场中每一台堆取料机的回转中心和臂架上的GPS移动站；所述分布式控制器至少包含与无线通信设备连接的通信模块、与所述PLC连接的通信模块、防碰撞控制计算模块；防撞控制方法包括以下步骤：

堆取料机通过GPS定位装置获取自身的位置信息，由自身的分布式控制器计算获得自身的回转角度、俯仰角度信息；

系统中堆取料机之间的通信采用广播通信方式，每次通信时只有其中一台堆取料机发送信息，其它的堆取料机接收信息，堆取料机发送的信息至少包含自身的编号，自身的位置、回转角度和俯仰角度状态信息，下一台发送信息的堆取料机编号；料场中各堆取料机之间的通信形成循环，实现料场中各堆取料机之间的信息交互；

接收信息的堆取料机根据接收的信息判断自身是否为下一台发送信息的堆取料机，根据接收的信息中的堆取料机的编号判断自身与发送信息的堆取料机是否可能发生碰撞；如果可能发生碰撞则进行防碰撞控制计算，如果不可能发生碰撞则不做处理；若计算出本台堆取料机与其它堆取料机将要发生碰撞，则分布式控制器向该台堆取料机的PLC发送控制指令进行报警或者紧急停车。

作为进一步改进技术方案，本发明提供的料场堆取料机防撞控制方法，堆取料机的回转角度、俯仰角度获得，包括以下步骤：

测量出堆取料机所在轨道中心线上两个不同点的坐标，通过坐标变换成料场坐标系中的坐标A₁₀ ，B₁₀ ，并将它们输入该堆取料机的分布式控制器，通过GPS定位装置测量堆取料机回转中心和臂架上两个GPS移动站的坐标，通过坐标变换成料场坐标系中的坐标为A₁₁ ，B₁₁ ；

堆取料机的回转角度为：

堆取料机的俯仰角度为：

公式中：

为堆取料机的回转角度，单位为度；

为堆取料机的俯仰角度，单位为度；

为堆取料机所在轨道中心线上第一点的三维坐标位置；

为堆取料机所在轨道中心线上第二点的三维坐标位置；

为堆取料机在臂架中心位置的GPS移动站的三维坐标位置；

为堆取料机在回转中心位置的GPS移动站的三维坐标位置；

L₁₁为堆取料机的两个GPS移动站之间的距离，单位为m；

回转角度以臂架与轨道重合方向为0度，顺时针旋转的方向为正，逆时针旋转的方向为负；俯仰角度以臂架水平时为0度，向上仰的方向为正，向下俯的方向为负。

本发明中，接收信息的堆取料机根据接收的信息中的堆取料机的编号判断自身与发送信息的堆取料机是否可能发生碰撞；只有两相邻堆取料机才有可能发生碰撞，若两堆取料机处于不相邻的两轨道上，两堆取料机的作业臂架前端点到回转中心的长度之和小于两轨道之间的距离时，则两堆取料机不可能碰撞。如果可能发生碰撞则进行防碰撞控制计算，防碰撞控制计算方法现有技术中有较多的公开方法，如CN103964155A于2014年8月6日公开的《一种斗轮堆取料机防撞控制方法》，本领域技术人员结合一般的理论知识，即可获得本发明中两台堆取料机防碰撞控制的计算方法，本发明不再详细说明。

本发明提供的料场堆取料机防撞控制方法及系统是料场无人化生产的关键技术之一，避免了料场堆取料机之间的撞击；通过GPS定位装置获取堆取料机的回转角度和俯仰角度，提高了测量精度；通过使用分布式控制器进行防碰撞控制，避免了集中控制时总控制器故障导致的整个防碰撞控制系统的瘫痪，提高了系统的可靠性；在每台堆取料机上的分布式控制器中进行防撞控制计算实时性较好；通过设置广播通信方式的通信规则，实现了料场中所有堆取料机之间的信息交互，解决了料场堆取料机设备之间不能多点对多点通信问题。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是实施例料场堆取料机的布置结构示意图；

图2是实施例堆取料机防撞控制系统的结构示意图；

图3是实施例堆取料机GPS移动站和轨道测量点示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，大型料场会有两台以上堆取料机同时在料场作业，相邻两台堆取料机的臂架前端点到回转中心的距离之和一般会大于两台堆取料机所在的轨道之间的距离，因此在作业过程中堆取料机之间存在极大的碰撞风险。因此需要自动防撞控制系统来控制料场中的堆取料机避免它们之间发生碰撞。

如图2所示，实施例提供的堆取料机自动防撞控制系统，系统包含 GPS定位装置，每台堆取料机的分布式控制器、PLC和无线通信设备；GPS定位装置包括GPS基准站；设置在料场中每一台堆取料机的回转中心点和臂架中部或者头部的中心线的GPS移动站；分布式控制器包括与无线通信设备连接的通信模块、与所述PLC连接的通信模块、防碰撞控制计算模块；每一台堆取料机的分布式控制器负责该堆取料机的状态信息监测、该堆取料机与其它堆取料机的防撞计算以及本机的控制输出；每台堆取料机通过GPS定位装置获取自身的位置信息、每台堆取料机的回转角度、俯仰角度由分布式控制器计算得出。

如图3所示，堆取料机的回转角度、俯仰角度按以下步骤计算：测量出第1号堆取料机所在轨道上两个点的坐标通过坐标变换成料场坐标系中的坐标，B₁₀ ，将其输入到该堆取料机的分布式控制器，其中，因轨道是水平的使得，在建立料场的坐标系时以一条轨道方向为y轴坐标方向，两个x坐标是相同的，即，通过GPS定位装置测量1号堆取料机回转中心和臂架上两个GPS移动站的坐标，通过坐标变换成料场坐标系中的坐标为 A₁₁ ,B₁₁ 。

第1号堆取料机的回转角度为：

(1)

第1号堆取料机的俯仰角度为：

(2)

公式中：

为第1号堆取料机的回转角度，单位为度；

为第1号堆取料机的俯仰角度，单位为度；

为第1号堆取料机所在轨道中心线上第一点的三维坐标位置；

为第1号堆取料机所在轨道中心线上第二点的三维坐标位置；

为第1号堆取料机在臂架中心位置的GPS移动站的三维坐标位置；

为第1号堆取料机在回转中心位置的GPS移动站的三维坐标位置；

L₁₁为第1号堆取料机的两个GPS移动站之间的距离，单位为m；

回转角度以臂架与轨道重合方向为0度，顺时针旋转的方向为正，逆时针旋转的方向为负；俯仰角度以臂架水平时为0度，向上仰的方向为正，向下俯的方向为负。

每一台分布式控制器至少包括与无线通信设备连接的通信模块、与所述PLC连接的通信模块、防碰撞控制计算模块；每台堆取料机分布式控制器通过GPS定位装置获取本机的位置信息，并参照以上公式（1）和（2）分别计算本机的回转角度和俯仰角度；每台堆取料机通过无线通讯获取其它堆取料机运行时的位置信息，回转角度，俯仰角度状态信息，系统中堆取料机之间的通信采用广播通信方式，每次通信时只有其中一台堆取料机发送信息，其它的堆取料机接收信息，堆取料机发送的信息至少包含自身的编号，自身的位置、回转角度和俯仰角度状态信息，下一台发送信息的堆取料机编号。接收信息的堆取料机根据接收的信息判断自身是否为下一台发送信息的堆取料机，如果是则进行下一轮发送信息；如果不是则不做处理；判断本机与发送信息的堆取料机是否可能发生碰撞，如果可能发生碰撞则进行防碰撞控制计算，并根据计算出的结果向堆取料机PLC发送控制指令进行报警或者紧急停机，如果不可能发生碰撞则不做处理。以上发送信息过程在料场上所有的堆取料机之间形成一个通信环并且不断循环。

分布式控制器不限具体形式，可以为一台工控机或者其他其它控制器，它的功能模块主要包含与无线通讯设备连接的通信模块、与PLC连接的通信模块、防碰撞控制计算模块等。

显然，本发明不限于以上优选实施方式，还可在本发明权利要求和说明书限定的精神内，进行多种形式的变换和改进，能解决同样的技术问题，并取得预期的技术效果，故不重述。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接或联想到的所有方案，只要在权利要求限定的精神之内，也属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种料场堆取料机防撞控制系统，包括GPS定位装置；每一台堆取料机的分布式控制器、PLC和无线通信设备；所述GPS定位装置包括GPS基准站，设置在料场中每一台堆取料机的回转中心和臂架上的GPS移动站；堆取料机通过GPS定位装置获取自身的位置信息；由堆取料机的分布式控制器根据GPS定位装置的数据计算获得自身的回转角度和俯仰角度信息；所述分布式控制器至少包含与无线通信设备连接的通信模块、与PLC连接的通信模块、防碰撞控制计算模块；系统中堆取料机之间的通信采用广播通信方式，每次通信时只有其中一台堆取料机发送信息，其它堆取料机接收信息，堆取料机发送的信息至少包含自身的编号，自身的位置、回转角度和俯仰角度状态信息，下一台发送信息的堆取料机编号，堆取料机之间的通信形成一个循环，实现料场中各堆取料机之间的信息交互，其特征在于，堆取料机的回转角度、俯仰角度的获得包括：

测量出堆取料机所在轨道中心线上两个不同点的坐标，通过坐标变换成料场坐标系中的坐标A₁₀(x₁₁₀，y₁₁₀，z₁₁₀)，B₁₀(x₁₂₀，y₁₂₀，z₁₂₀)，并将它们输入该堆取料机的分布式控制器，通过GPS定位装置测量该堆取料机回转中心和臂架上两个GPS移动站的坐标，通过坐标变换成料场坐标系中的坐标为A₁₁(x₁₁，y₁₁，z₁₁)，B₁₁(x₁₂，y₁₂，z₁₂)；

堆取料机的回转角度为：

${\mathrm{\θ}}_1=\left\{\begin{array}{c}\arccos \left(\frac{|(x_{120}-x_{110})*(x_{12}-x_{11})+(y_{120}-y_{110})*(y_{12}-y_{11})|}{\sqrt{{(x_{120}-x_{110})}^2+{(y_{120}-y_{110})}^2}*\sqrt{{(x_{12}-x_{11})}^2+{(y_{12}-y_{11})}^2}}\right),x_{12}>x_{11}\\ -\arccos \left(\frac{|(x_{120}-x_{110})*(x_{12}-x_{11})+(y_{120}-y_{110})*(y_{12}-y_{11})|}{\sqrt{{(x_{120}-x_{110})}^2+{(y_{120}-y_{110})}^2}*\sqrt{{(x_{12}-x_{11})}^2+{(y_{12}-y_{11})}^2}}\right),x_{12}\≤x_{11}\end{array}\right.$

堆取料机的俯仰角度为：

${\mathrm{\α}}_1=\arcsin \left(\frac{z_{12}-z_{11}}{L_{11}}\right)$

公式中：

θ₁为堆取料机的回转角度，单位为度；

α₁为堆取料机的俯仰角度，单位为度；

(x₁₁₀，y₁₁₀，z₁₁₀)为堆取料机所在轨道中心线上第一点的三维坐标位置；

(x₁₂₀，y₁₂₀，z₁₂₀)为堆取料机所在轨道中心线上第二点的三维坐标位置；

(x₁₂，y₁₂，z₁₂)为堆取料机在臂架中心位置的GPS移动站的三维坐标位置；

(x₁₁，y₁₁，z₁₁)为堆取料机在回转中心位置的GPS移动站的三维坐标位置；

L₁₁为堆取料机的两个GPS移动站之间的距离，单位为m；

回转角度以臂架与轨道重合方向为0度，顺时针旋转的方向为正，逆时针旋转的方向为负；

俯仰角度以臂架水平时为0度，向上仰的方向为正，向下俯的方向为负。

2.一种料场堆取料机防撞控制方法，其特征在于，料场设有GPS定位装置；每一台堆取料机的分布式控制器、PLC和无线通信设备；所述GPS定位装置包括GPS基准站，设置在料场中每一台堆取料机的回转中心和臂架上的GPS移动站；所述分布式控制器至少包含与无线通信设备连接的通信模块、与所述PLC连接的通信模块、防碰撞控制计算模块；防撞控制方法包括以下步骤：

堆取料机通过GPS定位装置获取自身的位置信息，由自身的分布式控制器计算获得自身的回转角度、俯仰角度信息；

系统中堆取料机之间的通信采用广播通信方式，每次通信时只有其中一台堆取料机发送信息，其它的堆取料机接收信息，堆取料机发送的信息至少包含自身的编号，自身的位置、回转角度和俯仰角度状态信息，下一台发送信息的堆取料机编号；料场中各堆取料机之间的通信形成循环，实现料场中各堆取料机之间的信息交互；

接收信息的堆取料机根据接收的信息判断自身是否为下一台发送信息的堆取料机，根据接收的信息中的堆取料机的编号判断自身与发送信息的堆取料机是否可能发生碰撞；如果可能发生碰撞则进行防碰撞控制计算，如果不可能发生碰撞则不做处理；若计算出本台堆取料机与其它堆取料机将要发生碰撞，则分布式控制器向该台堆取料机的PLC发送控制指令进行报警或者紧急停车。

3.根据权利要求2所述的料场堆取料机防撞控制方法，其特征在于：堆取料机的回转角度、俯仰角度获得，包括以下步骤：

测量出堆取料机所在轨道中心线上两个不同点的坐标，通过坐标变换成料场坐标系中的坐标A₁₀(x₁₁₀，y₁₁₀，z₁₁₀)，B₁₀(x₁₂₀，y₁₂₀，z₁₂₀)，并将它们输入该堆取料机的分布式控制器，通过GPS定位装置测量堆取料机回转中心和臂架上两个GPS移动站的坐标，通过坐标变换成料场坐标系中的坐标为A₁₁(x₁₁，y₁₁，z₁₁)，B₁₁(x₁₂，y₁₂，z₁₂)；

堆取料机的回转角度为：

${\mathrm{\θ}}_1=\left\{\begin{array}{c}\arccos \left(\frac{|(x_{120}-x_{110})*(x_{12}-x_{11})+(y_{120}-y_{110})*(y_{12}-y_{11})|}{\sqrt{{(x_{120}-x_{110})}^2+{(y_{120}-y_{110})}^2}*\sqrt{{(x_{12}-x_{11})}^2+{(y_{12}-y_{11})}^2}}\right),x_{12}>x_{11}\\ -\arccos \left(\frac{|(x_{120}-x_{110})*(x_{12}-x_{11})+(y_{120}-y_{110})*(y_{12}-y_{11})|}{\sqrt{{(x_{120}-x_{110})}^2+{(y_{120}-y_{110})}^2}*\sqrt{{(x_{12}-x_{11})}^2+{(y_{12}-y_{11})}^2}}\right),x_{12}\≤x_{11}\end{array}\right.$

堆取料机的俯仰角度为：

${\mathrm{\α}}_1=\arcsin \left(\frac{z_{12}-z_{11}}{L_{11}}\right)$

公式中：

θ₁为堆取料机的回转角度，单位为度；

α₁为堆取料机的俯仰角度，单位为度；

(x₁₁₀，y₁₁₀，z₁₁₀)为堆取料机所在轨道中心线上第一点的三维坐标位置；

(x₁₂₀，y₁₂₀，z₁₂₀)为堆取料机所在轨道中心线上第二点的三维坐标位置；

(x₁₂，y₁₂，z₁₂)为堆取料机在臂架中心位置的GPS移动站的三维坐标位置；

(x₁₁，y₁₁，z₁₁)为堆取料机在回转中心位置的GPS移动站的三维坐标位置；

L₁₁为堆取料机的两个GPS移动站之间的距离，单位为m；

回转角度以臂架与轨道重合方向为0度，顺时针旋转的方向为正，逆时针旋转的方向为负；

俯仰角度以臂架水平时为0度，向上仰的方向为正，向下俯的方向为负。