CN104609207A - 一种料场堆取料机防撞控制方法 - Google Patents

一种料场堆取料机防撞控制方法 Download PDF

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Abstract

一种料场堆取料机防撞控制方法，堆取料机的位置信息、回转角度信息、俯仰角度信息通过网络传输到工控机中，在工控机中进行防撞控制计算，并将堆取料机之间的最短距离与设定范围值进行比较，根据比较的结果向相邻轨道的两台堆取料机的PLC发送对应的控制信息。两台堆取料机的PLC根据接收到的控制信息分别做出对应的控制和报警提示，从而避免两台堆取料机之间发生碰撞。判断一个物体是否与另外一个物体相撞可以虚拟一个球体包围该物体或者物体的一部分，如果两物体的包围球球心之间的距离大于两个球体的半径之和，则这两个物体不会相撞；反之则有可能相撞，工控机通过设置堆取料机二级包围球计算两台堆取料机之间的最短距离。

Description

一种料场堆取料机防撞控制方法
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。
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的可能性很大。一旦发生碰撞就会造成堆取料机的损坏，严重会导致人员的伤亡，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，周围环境因素等。因此克服这些外在因素的影响，发明一种堆取料机自动防碰撞方法具有重要意义。
另外，由于人力资源等成本的提高，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在无人操作的情况下既能进行正常的作业，又能保证堆料和取料过程中各设备不发生碰撞事故，因而需要进行自动防撞控制。
现有的防撞控制方法主要有以下两类：
第一类是通过人工控制，当操作人员发现两台悬臂堆取料机的距离很近时，采取措施使一台堆取料机远离另外一台堆取料机。人工防撞控制依赖操作人员的经验，受人的情绪，天气等因素的影响，容易出现误操作，存在很大的安全隐患。
第二类如 CN103964155A 公开的《一种斗轮堆取料机防撞控制方法》，将堆取料机投影到水平面上，在水平面上对堆取料机进行防撞分析，该方法只考虑堆取料机的回转角度位置，忽略了堆取料机自身的高度和堆取料机的俯仰角度的影响，因而不够精确。
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，设计出一种新的料场堆取料机自动防撞控制方法，实现了料场堆取料机的自动防撞，与现有技术相比更加精确，更加可靠。
为了解决上述技术问题，本发明提供的料场堆取料机防撞控制方法，堆取料机的位置信息、回转角度信息、俯仰角度信息通过网络传输到工控机中；工控机进行防撞控制计算，并根据计算结果向相邻轨道的两堆取料机的PLC发送控制信息；两台堆取料机的PLC根据接收到的控制信息分别做出对应的控制和报警提示，从而避免两台堆取料机之间发生碰撞，防撞控制方法包括以下步骤：
首先以每一台堆取料机的回转中心为球心，臂架前端点到回转中心的距离为半径设置堆取料机的第一级包围球，工控机判断以下公式（1）：
     (1)
的条件是否满足，如果公式(1)的条件满足，工控机向两台堆取料机PLC发送系统正常信号；
当公式1的条件不满足时，设置每一台堆取料机的第二级包围球并进行以下分析：
分别以相邻轨道的两堆取料机的臂架中心线远离回转中心的端点为球心，半径为1m的球体为该堆取料机臂架的1号包围球，其它半径为1m的包围球的球心在臂架中心线上，两相邻包围球相切，包围球的序号向该台堆取料机的回转中心方向逐渐增大，第一堆取料机臂架的1号包围球工控机按以下公式(2)计算其球心坐标：
   (2)；
第一台堆取料机臂架的第i个包围球按以下公式(3)计算它的球心坐标：  (3)
公式中 ；
第二台堆取料机臂架的1号包围球按以下公式(4)计算其球心坐标：   (4)；
第二台堆取料机臂架的第i个包围球按以下公式(5)计算它的球心坐标：   (5)
公式中 ；
按以下公式(6)计算第一台堆取料机1号包围球球心与第二台堆取料机第i个包围球球心之间的距离
   (6)
它们之中的最小值为
    (7)；
按以下公式(8)计算第二台堆取料机1号包围球球心与第一台堆取料机第i个包围球球心之间的距离
   (8)
它们之中的最小值为
   (9);
求出第一台堆取料机与第二台堆取料机之间的最短距离
   (10)；
当堆取料机之间的最短距离D达到设定范围值时，工控机向两台堆取料机的PLC发送控制信息；
L1为第一台堆取料机臂架的长度，单位为m；
为第一台堆取料机的回转角度，单位为度；
为第一台堆取料机的俯仰角度，单位为度；
L2为第二台堆取料机臂架的长度，单位为m；
为第二台堆取料机的回转角度，单位为度；
为第二台堆取料机的俯仰角度，单位为度；
为第一台堆取料机回转中心的坐标位置；
为第二台堆取料机回转中心的坐标位置；
为第一台堆取料机悬臂第i号包围球球心坐标位置；
为第二台堆取料机悬臂第i号包围球球心坐标位置；
表示第一台堆取料机悬臂第i号包围球球心到回转中心的距离；
表示第二台堆取料机悬臂第i号包围球球心到回转中心的距离；
, 通过堆取料机的定位装置获得；
，分别为第一台堆取料机、第二台堆取料机的悬臂与回转中心的交点离地面的高度，为第一台堆取料机、第二台堆取料机的固有参数；
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。
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，工控机发送的控制信息还在工控机上显示。
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，当第一台堆取料机、第二台堆取料机之间的最短距离D达到第一设定范围值时，工控机向两台堆取料机的PLC发送第一级控制信息，发出绿色报警；当堆取料机之间的最短距离D达到第二设定范围值时，工控机向两台堆取料机的PLC发送第二级控制信息，发出黄色报警；当堆取料机之间的最短距离D达到第三设定范围值时，工控机向两台堆取料机的PLC发送第三级控制信息，发出红色报警；
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，所述绿色报警、黄色报警、红色报警对应的报警器的颜色及声光频率不相同，堆取料机PLC收到工控机发送的第三级控制信息后，堆取料机PLC做出紧急停车控制，防止堆取料机发生碰撞。
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，各步骤以1秒为周期不断地循环进行。
本发明提供的料场堆取料机防撞控制方法是料场无人化控制的关键技术之一，避免了料场堆取料机之间的碰撞；控制方法结合堆取料机碰撞的特点，通过两级包围球法计算两台堆取料机之间的距离，减少了计算量；在立体空间中分析堆取料机之间的防撞控制方法比在平面上分析堆取料机的防撞控制方法更加精确。
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是实施例第一级包围球的示意图；
图3是实施例第二级包围球的示意图。
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，大型料场会设置二台及以上的堆取料机，位于相邻两轨道3和4上的第一台堆取料机1与第二台堆取料机2，它们的臂架前端点到回转中心的距离之和大于两台堆取料机所在的两轨道3和4之间的距离，因此在工作过程中相邻两堆取料机之间存在碰撞风险。
本实施例提供的技术方案，料场堆取料机防撞控制过程通过GPS定位装置获取第一堆取料机1与第二堆取料机2的位置信息，通过回转角度编码器获取第一堆取料机1与第二堆取料机2的回转角度信息，通过俯仰角度编码器获取第一堆取料机1与第二堆取料机2的俯仰角度信息。以上信息通过网络传输到工控机中，在工控机中进行防撞控制计算，并根据计算结果向相邻轨道的两台堆取料机的PLC发送控制信息；两台堆取料机的PLC根据接收到的控制信息分别做出对应的控制和报警提示，从而避免两台堆取料机之间发生碰撞。报警提示信息还在工控机上显示。
判断一个物体是否与另外一个物体相撞可以用一个虚拟球体包围该物体或者物体的一部分，如果两物体的包围球球心之间的距离大于两个球体的半径之和，则这两个物体不会相撞，反之，则有可能相撞。为了减少工控机的计算量，根据堆取料机的特点，建立两级包围球来分析堆取料机之间是否会发生碰撞。
如图2所示，首先以回转中心为球心，以臂架的前端点到回转中心之间的臂架长度为半径建立堆取料机的第一级包围球，判断两个大包围球是否相交。此时，工控机判断以下公式（1）：
     (1)
的条件是否满足，如果公式(1)的条件满足，第一堆取料机1与第二堆取料机2之间的距离大于两台堆取料机的臂架前端点到回转中心之间的臂架长度之和，第一堆取料机1与第二堆取料机2之间不会发生碰撞，工控机向两台堆取料机PLC发送系统正常信号；从而减少后续程序的计算量，提高系统的灵敏度。
当公式(1)的条件不满足时，第一台堆取料机1与第二台堆取料机2之间的距离小于两台堆取料机的臂架前端点到回转中心之间的臂架长度之和，第一台堆取料机1与第二台堆取料机2之间有可能发生碰撞，工控机进行以下分析：
请结合图3，分别以相邻轨道3和4上的第一台堆取料机1、第二台堆取料机2的作业臂架中心线远离回转中心的端点为球心，半径为1m的球体为该堆取料机臂架的1号包围球5，其它半径为1m的包围球的球心在作业臂架中心线上，两相邻包围球相切，包围球的序号向该台堆取料机的回转中心方向逐渐增大，第一台堆取料机臂架的1号包围球，工控机按以下公式（2）计算其球心坐标：
   (2)；
第一台堆取料机臂架的第i个包围球按以下公式（3）计算它的球心坐标：  (3)
公式中 ；
第二台堆取料机臂架的1号包围球按以下公式（4）计算其球心坐标：   (4)；
第二台堆取料机臂架的第i个包围球按以下公式（5）计算它的球心坐标：   (5)
公式中 ；
按以下公式（6）计算第一台堆取料机1号包围球球心与第二台堆取料机第i个包围球球心之间的距离
   (6)
它们中的最小值为
    (7)；
按以下公式（8）计算第二台堆取料机1号包围球球心与第一台堆取料机第i个包围球球心之间的距离
   (8)
它们中的最小值为
   (9)；
工控机求出第一台堆取料机与第二台堆取料机之间的最短距离
   (10)；
当第一台堆取料机1、第二台堆取料机2之间的最短距离D达到第一设定范围值时，例如大于4.5m而不超过6.5m的距离，工控机向台两堆取料机的PLC发送第一级控制信息，并发出绿色报警；当堆取料机之间的最短距离D达到第二设定范围值时，例如2.5m～4.5m的距离，工控机向两台堆取料机的PLC发送第二级控制信息，并发出黄色报警；当堆取料机之间的最短距离D达到第三设定范围值时，例如小于2.5 m的距离，工控机向两堆取料机的PLC发送第三级控制信息，并发出红色报警；各级报警的声光频率不相同，堆取料机PLC收到工控机发送的第一级或第二控制信息后，堆取料机PLC可以做出相应的控制，例如发出对应报警提示、回转速度降速；堆取料机PLC收到工控机发送的第三级控制信息后，堆取料机PLC做出紧急停车控制和发出红色报警提示，防止堆取料机发生碰撞；
各步骤可以设定以1s或其它时间为周期不断地循环进行；
L1为第一台堆取料机臂架的长度，单位为m；
为第一台堆取料机的回转角度，单位为度；
为第一台堆取料机的俯仰角度，单位为度；
L2为第二台堆取料机臂架的长度，单位为m；
为第二台堆取料机的回转角度，单位为度；
为第二台堆取料机的俯仰角度，单位为度；
为第一台堆取料机回转中心的坐标位置；
为第二台堆取料机回转中心的坐标位置；
为第一台堆取料机悬臂第i号包围球球心坐标位置；
为第二台堆取料机悬臂第i号包围球球心坐标位置；
表示第一台堆取料机悬臂第i号包围球球心到回转中心的距离；
表示第二台堆取料机悬臂第i号包围球球心到回转中心的距离；
, 通过堆取料机的GPS定位装置获得；
，分别为第一台堆取料机、第二台堆取料机的悬臂与回转中心的交点离地面的高度，为第一台堆取料机、第二台堆取料机的固有参数；
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。
在堆取料机的实际运行工况中，如果在检测出堆取料机发生碰撞后再向堆取料机发出报警信息，事故不能避免，实际应用中将毫无意义。因此，第三设定范围值应该大于0。
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 (5)

1.一种料场堆取料机防撞控制方法，堆取料机的位置信息、回转角度信息、俯仰角度信息通过网络传输到工控机中；在工控机中进行防撞控制计算，并根据计算结果向相邻轨道的两台堆取料机的PLC发送控制信息；两台堆取料机的PLC根据接收到的控制信息分别做出对应的控制和报警提示，从而避免两台堆取料机之间发生碰撞，其特征在于，防撞控制方法包括以下步骤： 
判断公式(1)：
     (1)
的条件是否满足，如果公式(1)的条件满足，工控机向两台堆取料机PLC发送系统正常信号；
当公式(1)的条件不满足时进行以下分析：
分别以相邻轨道的两堆取料机的臂架中心线远离回转中心的端点为球心，半径为1m的球体为该堆取料机臂架的1号包围球，其它半径为1m的包围球的球心在臂架中心线上，两相邻包围球相切，包围球的序号向该台堆取料机的回转中心方向逐渐增大，第一台堆取料机臂架的1号包围球按公式(2)计算其球心坐标：
   (2)；
第一台堆取料机臂架的第i个包围球按公式(3)计算它的球心坐标：  (3)
公式中 ；
第二台堆取料机臂架的1号包围球按公式(4)计算其球心坐标：   (4)；
第二台堆取料机臂架的第i个包围球按公式(5)计算它的球心坐标：   (5)
公式中；
按公式(6)计算第一台堆取料机1号包围球球心与第二台堆取料机第i个包围球球心之间的距离
   (6)
它们之中的最小值为：
    (7)；
按公式(8)计算第二台堆取料机1号包围球球心与第一台堆取料机第i个包围球球心之间的距离
   (8)
它们之中的最小值为：
   (9)；
计算出第一台堆取料机与第二台堆取料机之间的最短距离
   (10)；
当堆取料机之间的最短距离D达到设定范围值时，工控机向两台堆取料机的PLC发送相应的控制信息；
L1为第一台堆取料机臂架的长度，单位为m；
为第一台堆取料机的回转角度，单位为度；
为第一台堆取料机的俯仰角度，单位为度；
L2为第二台堆取料机臂架的长度，单位为m；
为第二台堆取料机的回转角度，单位为度；
为第二台堆取料机的俯仰角度，单位为度；
为第一台堆取料机回转中心的坐标位置；
为第二台堆取料机回转中心的坐标位置；
为第一台堆取料机悬臂第i号包围球球心坐标位置；
为第二台堆取料机悬臂第i号包围球球心坐标位置；
表示第一台堆取料机悬臂第i号包围球球心到回转中心的距离；
表示第二台堆取料机悬臂第i号包围球球心到回转中心的距离；
, 通过堆取料机的定位装置获得；
，分别为第一台堆取料机、第二台堆取料机的悬臂与回转中心的交点离地面的高度，为第一台堆取料机、第二台堆取料机的固有参数；
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.根据权利要求1所述的料场堆取料机防撞控制方法，其特征在于：工控机发送的控制信息还在工控机上显示。
3.根据权利要求1所述的料场堆取料机防撞控制方法，其特征在于：当第一台堆取料机、第二台堆取料机之间的最短距离D达到第一设定范围值时，工控机向两台堆取料机的PLC发送第一级控制信息，发出绿色报警；当堆取料机之间的最短距离D达到第二设定范围值时，工控机向两台堆取料机的PLC发送第二级控制信息，发出黄色报警；当堆取料机之间的最短距离D达到第三设定范围值时，工控机向两台堆取料机的PLC发送第三级控制信息，发出红色报警。
4.根据权利要求3所述的料场堆取料机防撞控制方法，其特征在于：所述绿色报警、黄色报警、红色报警对应的报警器的颜色及声光频率不相同，堆取料机PLC收到工控机发送的第三级控制信息后，堆取料机PLC做出紧急停车控制，防止堆取料机发生碰撞。
5.根据权利要求1所述的悬臂堆取料机防撞控制方法，其特征在于：各步骤以1s为周期不断地循环进行。
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Denomination of invention: Stock ground stacker-reclaimer collision avoidance control method and system thereof

Effective date of registration: 20180503

Granted publication date: 20170222

Pledgee: Xiangtan Jiuhua Economic Construction Investment Co., Ltd.

Pledgor: Tidfore Engineering Co., Ltd.|Tidfore Heavy Industry Co., Ltd.|Ocean engineering equipment (Tianjin) Co., Ltd.

Registration number: 2018430000029