CN104724506A - 一种用于散货堆场的自动堆取料系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于散货堆场的自动堆取料系统，包括：分布在堆场内的具有堆/取料悬臂的堆/取料机；安装在堆/取料悬臂上并用于采集料堆的扫描数据的第一/二激光扫描装置及用于采集GNSS定位信息的堆/取料定位装置；堆/取料机控制装置，其一方面采集并输出GNSS定位信息，另一方面接收一堆/取料控制信号，并根据该控制信号控制堆/取料机执行相应的堆/取料动作；远程堆/取料处理装置，其接收外围用户输入的堆/取料指令，并根据所述指令、扫描数据以及GNSS定位信息获取相应料堆的坐标信息并生成堆/取料路径信息以作为堆/取料控制信号输出至堆/取料机控制装置。本发明基于GNSS定位，精度高，成本低，数据可共享，实现了散货堆场的自动化作业。

Description

一种用于散货堆场的自动堆取料系统

技术领域

本发明涉及自动化装卸领域，尤其涉及一种用于散货堆场的自动堆取料系统。

背景技术

目前，我国的散货(矿石、煤等)料场主要采取大型堆取料机进行装卸作业，尤其是在大型散货码头，原料的大量需求造就了巨型的堆场，这就需要有一定数量的堆取料装置来进行生产，同时还需配备相应数量的操作司机来驾驶这些装置。为了适应散货装卸装置专业化和大型化的发展趋势，世界各国都在大力研究应用信息化、自动化和智能化技术来建设和改造散货堆场全自动堆取料技术，通过分析和研究散货作业管理与控制系统，研制更加科学高效的智能装卸方法和装置，从而提高企业的核心竞争力。

由于散货堆场全自动化作业是一种必然的发展趋势，而全自动取料控制系统相对于全自动堆料控制系统又更为复杂，因此，本申请将重点研究全自动取料控制系统的路径规划，主要涉及取料机定位、对激光扫描数据的处理及料堆三维边界提取、取料机与堆料机料堆几何空间信息共享，而其中的一项关键技术就在于对取料机及其重要机构的定位。目前，最常见的用于智能无人化堆取料控制系统的定位技术是采用绝对编码器，例如，对比专利CN200610028966.1公开的《散货料场无人化堆取工艺》，专利CN200910045287.9公开的《一种堆取料机的自动取料控制装置及方法》，以及专利申请CN201010237137.0公开的《全自动散货堆场堆取方法》，均采用的是绝对编码器对取料机进行走行、回转和俯仰定位。虽然编码器本身测量手段精确且成本不高，但是这种利用编码器进行定位的方法受现场机械振动、粉尘等环境因素影响较大，时间长了容易产生累积误差和数据突变，从而造成对堆取料机走行、回转及俯仰定位的失准，进而影响激光扫描数据的处理和三维坐标的计算，最终导致无人堆取料作业效率的降低甚至系统瘫痪，因而需要操作人员定期对编码器进行校准，维护成本高且无法真正实现堆取料装置的长期稳定运行。此外，专利CN200620012206.7公开的《格雷母线位移检测系统》，通过在移动机车轨道旁安装格雷母线进行无接触式感应检测，从而实现在移动机车行走范围内连续地、高精度地检测绝对地址，这种定位方法精度高且不受恶劣环境影响，但是格雷母线硬件成本极高，尤其是对取料机进行走行定位，需要沿着每条行走轨道全场布线，投入成本过高，与产出不平衡，如果应用在无人堆取料装置中将不利于其推广应用。

另外，发明人还查询了GNSS技术在堆、取料机上的应用案例，检索到专利CN201010554828.3公开的《一种基于差分GPS技术的工业料场实时定位监控系统及方法》，专利CN201410178236.4公开的《一种散货港口堆场单机装置防碰撞系统及防碰撞方法》，以及专利CN201420099462.9公开的《区域范围内大型移动装置防碰撞装置》。仔细分析上述系统或方法，可发现它们均是GPS定位技术在堆取料装置上的简单应用，整个系统或装置提供给外围用户的只是堆取料机及其主要机构的定位监控功能，或者更进一步的是利用这些定位信息建立堆取料机之间的防碰撞策略，并未真正发掘GPS技术在堆取料机上的应用价值。

同时，现有的基于激光扫描仪的全自动堆取料控制系统所获取的垛型扫描数据都是基于本机独立坐标系统而计算的，所以垛型数据只适合本机堆取料使用，而相邻堆、取料机无法共享使用，这样每台堆、取料机在作业前都必须重新扫描料堆，而无法获取之前相邻堆、取料机已扫描的垛型数据，增加了作业前准备时间，从而降低堆取料作业效率。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的不足，本发明旨在提供一种用于散货堆场的自动堆取料系统，该系统基于GNSS定位，精度高，成本低，并解决了因为坐标系统不统一而垛型空间数据无法共享的难题，真正实现散货堆场的全自动化装卸作业。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于散货堆场的自动堆取料系统，其包括分布在堆场内的具有堆料悬臂的堆料机以及具有取料悬臂的取料机，还包括:

安装在所述堆料悬臂上并用于采集料堆的第一扫描数据的第一激光扫描装置以及用于采集堆料GNSS定位信息的堆料定位装置；

连接至所述堆料定位装置的堆料机控制装置，其一方面采集并输出所述堆料GNSS定位信息，另一方面接收一堆料控制信号，并根据该堆料控制信号控制所述堆料机执行相应的堆料动作；

连接至所述第一激光扫描装置和所述堆料机控制装置的远程堆料处理装置，其接收外围用户输入的堆料指令，并根据所述堆料指令、所述第一扫描数据以及所述堆料GNSS定位信息获取相应所述料堆的坐标信息并生成堆料路径信息以作为所述堆料控制信号输出至所述堆料机控制装置；

安装在所述取料悬臂上的用于采集所述料堆的第二扫描数据的第二激光扫描装置以及用于采集取料GNSS定位信息的取料定位装置；

连接至所述取料定位装置的取料机控制装置，其一方面采集并输出所述取料GNSS定位信息，另一方面接收一取料控制信号以控制所述取料机执行相应的取料动作；

连接至所述第二激光扫描装置和所述取料机控制装置的远程取料处理装置，其接收外围用户输入的取料指令，并根据所述取料指令、所述第二扫描数据以及所述取料GNSS定位信息获取相应所述料堆的坐标信息并生成取料路径信息以作为所述取料控制信号输出至所述取料机控制装置；以及

连接在所述远程堆料处理装置与远程取料处理装置之间的数据共享装置，其设置为使所述远程堆料处理装置和所述远程取料处理装置共享各自获取的相应所述料堆的坐标信息。

进一步地，所述数据共享装置包括连接在所述远程堆料处理装置和所述远程取料处理装置之间的共享局域网络模块、连接在所述共享局域网络模块与所述远程堆料处理装置之间的第一网络控制器、以及连接在所述共享局域网络模块与所述远程取料处理装置之间的第二网络控制器，其中，

所述第一网络控制器设置为将所述远程堆料处理装置获取的所述料堆的所述坐标信息记录在所述共享局域网络模块中的相应地址空间；

所述第二网络控制器设置为将所述远程取料处理装置获取的所述料堆的所述坐标信息记录在所述共享局域网络模块中的相应地址空间；

所述共享局域网络模块设置为将其相应所述地址空间内记录的所述坐标信息共享至所述远程堆料处理装置和远程取料处理装置。

优选地，所述远程堆料处理装置包括：

连接至所述第一激光扫描装置和所述堆料机控制装置的堆料数据处理模块，其设置为根据所述第一扫描数据以及所述堆料GNSS定位信息获取相应所述料堆的所述坐标信息；

连接至所述堆料数据处理模块的堆料数据存储模块，其设置为存储所述料堆的所述坐标信息；

连接至所述堆料数据存储模块的堆料智能操作界面，其一方面设置为读取所述料堆的所述坐标信息，另一方面设置为下发外围用户输入的所述堆料指令；以及

连接至所述堆料数据存储模块、所述堆料智能操作界面和所述堆料机控制装置的堆料路径规划模块，其设置为根据所述堆料指令、所述料堆的所述坐标信息、预设的所述堆料悬臂的长度、以及所述堆料GNSS定位信息生成所述堆料路径信息，并将该堆料路径信息输出至所述堆料机控制装置。

优选地，所述堆料数据处理模块还设置为根据所述料堆的所述坐标信息生成相应的三维图像；

所述堆料数据存储模块还设置为存储所述三维图像；

所述堆料智能操作界面还设置为显示所述三维图像。

进一步地，所述堆料数据处理模块包括：

第一堆场坐标系建立单元，其建立基于整个所述堆场的绝对空间直角坐标系；

第一料堆坐标系建立单元，其建立基于每个所述料堆的相对空间直角坐标系；

连接至所述第一料堆坐标系建立单元、第一激光扫描装置和堆料机控制装置的第一相对坐标获取单元，其根据所述第一扫描数据以及所述堆料GNSS定位信息计算每个所述料堆上各点在相应的所述相对空间直角坐标系中的相对坐标信息；以及

连接至所述第一堆场坐标系建立单元、第一料堆坐标系建立单元和第一相对坐标获取单元的绝对坐标获取单元，其根据每个所述相对空间直角坐标系的原点与所述绝对空间直角坐标系的原点之间的相对位置关系以及每个所述料堆上各点的相对坐标信息计算每个所述料堆在所述绝对空间直角坐标系中的绝对坐标信息。

进一步地，所述远程取料处理装置包括：

连接至所述第二激光扫描装置和所述取料机控制装置的取料数据处理模块，其设置为根据所述第二扫描数据以及所述取料GNSS定位信息获取相应所述料堆的所述坐标信息；

连接至所述取料数据处理模块的取料数据存储模块，其设置为存储所述料堆的所述坐标信息；

连接至所述取料数据存储模块的取料智能操作界面，其一方面设置为读取所述料堆的所述坐标信息，另一方面设置为下发外围用户输入的所述取料指令；以及

连接至所述取料数据存储模块、所述取料智能操作界面和所述取料机控制装置的取料路径规划模块，其设置为根据所述取料指令、所述料堆的所述坐标信息、预设的所述取料悬臂的长度、以及所述取料GNSS定位信息生成所述取料路径信息，并将该取料路径信息输出至所述取料机控制装置。

优选地，所述取料数据处理模块还设置为根据所述料堆的所述坐标信息生成相应的三维图像；

所述取料数据存储模块还设置为存储所述三维图像；

所述取料智能操作界面还设置为显示所述三维图像。

进一步地，所述取料数据处理模块包括：

第二堆场坐标系建立单元，其建立基于整个所述堆场的绝对空间直角坐标系；

第二料堆坐标系建立单元，其建立基于每个各所述料堆的相对空间直角坐标系；

连接至所述第二料堆坐标系建立单元、第二激光扫描装置和堆料机控制装置的相对坐标获取单元，其根据所述第二扫描数据以及所述取料GNSS定位信息计算每个所述料堆上各点在所相应的述相对空间直角坐标系中的相对坐标信息；以及

连接至所述第二堆场坐标系建立单元、第二料堆坐标系建立单元和第二相对坐标获取单元的第二绝对坐标获取单元，其根据每个所述相对空间直角坐标系的原点与所述绝对空间直角坐标系的原点之间的相对位置关系以及每个所述料堆上各点的相对坐标信息计算每个所述料堆在所述绝对空间直角坐标系中的绝对坐标信息。

优选地，所述取料路径规划模块包括：

取料机俯仰路径规划单元，其根据待取料点在相应所述料堆中的所述相对坐标信息、以及所述取料定位装置采集的所述取料GNSS定位信息计算所述取料悬臂需移动的目标俯仰角度；

连接至所述取料机俯仰路径规划单元的取料机回转路径规划单元，其根据所述取料定位装置采集的所述取料GNSS定位信息、所述取料悬臂的长度以及所述目标俯仰角度计算所述取料悬臂需移动的目标回转角度和目标回转长度；

连接至所述取料机走行路径规划单元的取料机行走路径规划单元，其根据所述取料定位装置采集的所述取料GNSS定位信息、所述取料悬臂的长度以及所述目标回转角度计算所述取料悬臂需移动的目标行走距离，

其中，所述目标俯仰角度、目标回转长度和目标行走距离即为所述取料路径信息。

进一步地，所述堆料机控制装置和所述第一激光扫描装置通过第一工业以太网与所述堆料数据处理单元和所述堆料路径规划单元通信；并且所述堆料机控制装置还通过第一工业线场总线与所述堆料路径规划单元通信。

进一步地，所述取料机控制装置和所述第二激光扫描装置通过第二工业以太网与所述取料数据处理单元和所述取料路径规划单元通信；并且所述取料机控制装置还通过第二工业线场总线与所述取料路径规划单元通信。

本发明的有益效果包括：1)GNSS定位系统的硬件配置简单，安装方便，且成本相对较低，具有较高的推广性；2)基于GNSS规划全场坐标实现料堆数据的共享存储，节省堆、取料机作业前的扫描时间，提高堆取料作业效率；3)应用GNSS技术规划智能堆取料路径的方法可靠，具有较高的精度，且受环境因素影响较小，抗干扰能力强，可实现智能堆取料装置的长期稳定运行；4)广泛适用于火力发电厂、钢铁企业、矿山等配有大型干散货堆场的堆取料作业。

附图说明

图1是本发明的用于散货堆场的自动堆取料系统的结构示意图；

图2是本发明的堆料数据处理模块的结构示意图；

图3是本发明的取料数据处理模块的结构示意图；

图4是本发明的堆、取料数据处理单元计算料堆上各点坐标的原理示意图；

图5是本发明的取料路径规划单元的结构示意图；

图6是本发明的取料路径规划单元规划取料机俯仰路径的原理示意图；

图7是本发明的取料路径规划单元规划取料机回转及走行路径的原理示意图。

图8是本发明的堆料路径规划单元规划堆料机俯仰路径的原理示意图；

图9是本发明的堆料路径规划单元规划堆料机回转及走行路径的原理示意图。

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。

如图1所示，本发明提供了一种用于散货堆场的自动堆取料系统，以实现自动将散货堆成料堆100以及从料堆100中取料的目的，其包括分布在堆场内的具有堆料悬臂的堆料机10以及具有取料悬臂的取料机20，并且还包括：安装在堆、取料机10、20上的第一、第二激光扫描装置13、23和堆、取料定位装置12、22，堆、取料机控制装置11、12，远程堆、取料处理装置，以及数据共享装置。

下面分别对各个部件进行详细描述：

第一激光扫描装置13用于采集料堆的第一扫描数据，此处第一激光扫描装置13采用线型激光扫描仪，安装于堆料悬臂上，其单帧采集的激光数据是以激光扫描仪为出发点发散的扇形平面，利用堆料机10走行机构牵引的方式可实现对料堆的三维立体扫描。

堆料定位装置12用于采集堆料GNSS定位信息，安装于堆料悬臂上，其中，该堆料定位装置12包括一邻近堆料悬臂的顶端(近卸料口)设置的第一堆料GNSS接收机121以及一邻近堆料悬臂的底端(近回转机构中心)设置的第二堆料GNSS接收机122(参阅图8)。

堆料机控制装置11安装于堆料机10内并连接至堆料定位装置12，其一方面采集并输出堆料定位装置12采集到的堆料GNSS定位信息，另一方面接收一堆料控制信号，并根据该堆料控制信号控制堆料机10执行相应的堆料动作。

远程堆料处理装置连接至第一激光扫描装置13和堆料机控制装置11，其接收外围用户输入的堆料指令，并根据堆料指令、第一扫描数据以及堆料GNSS定位信息获取料堆的坐标信息并生成堆料路径信息以作为堆料控制信号输出至堆料机控制装置11。

第二激光扫描装置23用于采集料堆的第二扫描数据，此处采用的是线型激光扫描仪，安装于取料悬臂上，其单帧采集的激光数据是以激光扫描仪为出发点发散的扇形平面，利用取料机20走行机构牵引的方式可实现对料堆的三维立体扫描。

取料定位装置22用于采集取料GNSS定位信息，安装于取料悬臂上，其中，该取料定位装置22包括一邻近取料悬臂的顶端(近斗轮处)设置的第一取料GNSS接收机221以及一邻近取料悬臂的底端(近回转机构中心)设置的第二取料GNSS接收机222(参阅图7)。

取料机控制装置21安装于取料机20内并连接至取料定位装置22，其一方面采集并输出取料定位装置22采集到的取料GNSS定位信息，另一方面接收取料控制信号以控制取料机20执行相应的取料动作。

远程取料处理装置连接至第二激光扫描装置23和取料机控制装置21，其接收外围用户输入的取料指令，并根据取料指令、第二扫描数据以及取料GNSS定位信息获取料堆的坐标信息并生成取料路径信息以作为取料控制信号输出至取料机控制装置21。

再次参阅图1，远程堆料处理装置包括堆料数据处理模块14、堆料数据存储模块16、堆料智能操作界面17和堆料路径规划模块15，其中，堆料数据处理模块14连接至第一激光扫描装置13和堆料机控制装置11，用于根据第一扫描数据以及堆料GNSS定位信息获取相应料堆的坐标信息，并根据该坐标信息生成相应料堆在堆场内的三维图像；堆料数据存储模块16连接至堆料数据处理模块14，用于存储堆料数据处理模块14获得的上述坐标信息及三维图像；堆料智能操作界面17连接至堆料数据存储模块16，用于下发外围用户输入的堆料指令，同时读取堆料数据存储模块16中存储的坐标信息，并显示堆料数据存储模块16存储的三维图像；堆料路径规划模块15连接至堆料数据存储模块16、堆料智能操作界面17和堆料机控制装置11，其设置为根据堆料智能操作界面17下发的堆料指令、堆料数据处理模块14获取的坐标信息、堆料悬臂的长度、以及堆料GNSS定位信息生成堆料路径信息，并将该堆料路径信息输出至堆料机控制装置11，由此控制堆料机10执行相应的动作。

仍然参阅图1，远程取料处理装置包括取料数据处理模块24、取料数据存储模块26、取料智能操作界面27和取料路径规划模块25，其中，取料数据处理模块24连接至第二激光扫描装置23和取料机控制装置21，用于根据第二扫描数据以及取料GNSS定位信息获取相应料堆的坐标信息，并根据该坐标信息生成相应料堆在堆场内的三维图像；取料数据存储模块26连接至取料数据处理模块24，用于存储取料数据处理模块24获得的上述坐标信息及三维图像；取料智能操作界面27连接至取料数据存储模块26，用于下发外围用户输入的取料指令，同时读取取料数据存储模块26中存储的坐标信息，并显示取料数据存储模块26存储的三维图像；取料路径规划模块25连接至取料数据存储模块26、取料智能操作界面27和取料机控制装置21，其设置为根据取料智能操作界面27下发的取料指令、取料数据处理模块24获取的坐标信息、取料悬臂的长度、以及取料GNSS定位信息生成取料路径信息，并将该取料路径信息输出至取料机控制装置，由此控制取料机20执行相应的动作。

在本实施例中，堆料机控制装置11和第一激光扫描装置13通过第一工业以太网与堆料数据处理模块14和堆料路径规划模块15通信；并且堆料机控制装置11还通过第一工业线场总线与堆料路径规划模块15通信。取料机控制装置21和第二激光扫描装置23通过第二工业以太网与取料数据处理模块24和取料路径规划模块25通信；并且取料机控制装置21还通过第二工业线场总线与取料路径规划模块25通信。

本发明的上述堆/取料数据处理模块24的结构分别如图2和3所示，分别包括：第一/第二堆场坐标系建立单元141、241，其建立基于整个堆场的绝对空间直角坐标系；第一/第二料堆坐标系建立单元142、242，其建立基于各料堆的相对空间直角坐标系；第一/第二相对坐标获取单元143、243，其根据第一、第二扫描数据以及相应堆、取料机控制装置11、21输出的GNSS定位信息计算料堆上各点在相对空间直角坐标系中的相对坐标信息；以及第一/第二绝对坐标获取单元144、244，其根据相对空间直角坐标系的原点与绝对空间直角坐标系的原点之间的相对位置关系、以及料堆上各点的相对坐标信息计算料堆在绝对空间直角坐标系中的绝对坐标信息。需要说明的是，在本发明中，当“坐标信息”未具体限定为相对坐标信息或绝对坐标信息时，均表示即包括相对坐标信息又包括绝对坐标信息，即，该参数既反映了料堆的垛形，又反映了料堆在堆场中的地理位置。

返回图1，本发明的数据共享装置包括第一网络控制器18，第二网络控制器28以及共享局域网络模块30，其中共享局域网络模块30连接在堆料智能操作界面17和取料智能操作界面27之间，第一网络控制器18连接在共享局域网络模块30与堆料数据存储模块16之间，第二网络控制器28连接在共享局域网络模块30与取料数据存储模块26之间，其中，第一网络控制器18设置为将堆料数据存储模块16中存储的坐标信息记录在共享局域网络模块30中的相应地址空间；第二网络控制器28设置为将取料数据存储模块26中存储的坐标信息记录在共享局域网络模块30中的相应地址空间；共享局域网络模块30设置为将其相应地址空间内记录的坐标信息传输至堆料智能操作界面17和取料智能操作界面27。

通过上述堆/取料数据处理模块24、共享局域网络模块30、第一网络控制器18和第二网络控制器28即可使相邻堆/取料机10、20共享堆场内各料堆的坐标信息，实现步骤如下：

步骤S1，通过堆场坐标系建立单元建立基于整个堆场的绝对空间直角坐标系：

如图1所示，选取整个堆场边界的某点作为绝对原点Q(0,0,0)，取X轴方向与堆/取料机10、20走行轨道垂直，Y轴方向与该轨道平行，Z轴方向为重力竖直方向。

步骤S2，通过料堆坐标系建立单元建立基于各料堆的相对空间直角坐标系：

如图4所示，选取各料堆边界的某点作为相对原点P(0,0,0)，取X轴方向与堆/取料机10、20走行轨道垂直，Y轴方向与该轨道平行，Z轴方向为重力竖直方向；第一或第二激光扫描装置13、23采集计算的料堆上各点的坐标参数即为相对坐标。

步骤S3，通过相对坐标获取单元计算料堆上待测点的相对坐标参数：

如图4所示，相对坐标获取单元根据第一或第二激光扫描装置13、23的位置坐标A(x0,y0,z0)、激光探测距离T、第一堆/取料GNSS接收机采集得到的α和θ，可推导得到料堆上待测点的坐标参数B(x1,y1,z1)如下：

x1＝OE＝OD×cosθ＝BC×cosθ＝T×sinα×cosθ；

y1＝DE＝OD×sinθ＝BC×sinθ＝T×sinα×sinθ；

z1＝BD＝CO＝AO-AC＝z0-T×cosα。

步骤S4，通过绝对坐标获取单元根据Q(0,0,0)与P(0,0,0)之间的相对位置关系以及料堆上各点的相对坐标信息计算相应料堆在绝对空间直角坐标系中的坐标信息。

步骤S5，完成垛型数据共享：

通过第一、第二网络控制器18、28即可将上述坐标信息记录在共享局域网络模块30中的相应地址空间中，然后基于该分布式共享局域网络，外围用户在堆/取料智能操作界面17、27操作网络控制器，并通过消息完成局域网络中其它逻辑地址空间的数据访问，调用其它堆/取料数据存储单元中的相关数据。

下面详细介绍本发明的取料路径规划模块25及其进行取料路径规划的步骤：

如图5所示，取料路径规划模块25包括依次连接的取料机俯仰路径规划单元251、取料机回转路径规划单元252和取料机行走路径规划单元253，其中，取料机俯仰路径规划单元251根据待取料点在相应料堆中的相对坐标信息、以及第一取料GNSS接收机221和第一取料GNSS接收机221采集的GNSS定位信息计算取料悬臂需移动的目标俯仰角度；取料机回转路径规划单元252根据第一取料GNSS接收机221和第一取料GNSS接收机221采集的GNSS定位信息、预设的取料悬臂的长度以及目标俯仰角度计算取料悬臂需移动的目标回转角度和目标回转长度；取料机行走路径规划单元253根据第一取料GNSS接收机221和第一取料GNSS接收机221采集的GNSS定位信息、取料悬臂的长度以及目标回转角度计算取料悬臂需移动的目标行走距离。

取料机俯仰路径规划单元251的工作原理如图6所示，取料机20对其分顶层和底层两层进行取料(以堆料悬臂保持水平时的高度H为分界面)，对于激光扫描计算得到的料堆上待取点的相对坐标A(x0,y0,z0)，当取顶层料堆时，z0＞H，取料机20需抬高俯仰角度∠α1，根据第二取料GNSS接收机222采集的海拔高度h0和第一取料GNSS接收机221采集的海拔高度h1，可推出α1＝arcsin((h1-h0)/L)，其中L为悬臂长度，因此，当取顶层料堆时，通过GNSS定位信息可以控制取料机20的悬臂抬高俯仰角度α1；同理，当取底层料堆时，z0＜H，取料需降低俯仰角度∠α2，根据第二取料GNSS接收机222采集的海拔高度h0和第一取料GNSS接收机221采集的海拔高度h2，α2＝arcsin((h0-h2)/L)，其中h0＞h2。

取料机回转路径规划单元252的工作原理如图7所示：以取料堆顶层的散货为例，计算得到料堆坐标上待取点的相对坐标A(x0,y0,z0)，俯仰角度为∠α1，则悬臂映射到地面的水平距离D＝L×cosα1，取料机20走行轨道和料堆内侧边界之间的距离为常数S0，若此时取料机20悬臂回转目标角度为β＝arcsin((S0+x0)/D)＝arcsin((S0+x0)/(L×cosα1))，根据第二堆料GNSS接收机122采集的回转机构中心坐标K1(x1,y1,z1)和第一堆料GNSS接收机121采集的斗轮坐标K2(x2,y2,z2)，可计算取料机20回转角度β＝arctan((x2-x1)/(y2-y1))，从而推出取料机20的斗轮距离走行轨道的目标长度为因此，当取顶层料堆且目标回转角度确定时，通过GNSS定位信息可以控制斗轮执行回转动作，直至斗轮距离轨道达到目标长度时停止；同理，可推出取底层料堆目标长度为

取料机走行路径规划单元253的工作原理同样如图7所示：以取料堆顶层的散货为例，计算得到料堆上待取点的相对坐标参数为A(x0,y0,z0)，俯仰角度为α1，回转角度为β，则取料悬臂映射到地面的水平距离为D＝L×cosα1，料堆边界到绝对坐标系中X轴的距离设为S2，则取料机20走行的距离S1＝y0+S2-L×cosα1×cosβ，根据第二堆料GNSS接收机122采集的取料机20坐标K1(x1,y1,z1)，得到取料机20行走距离S1＝y1，从而推出料堆边界到绝对X轴的距离S2＝y1-y0+L×cosα1×cosβ，所以根据GNSS定位信息可以控制取料机20执行走行动作；同理，取底层料堆时，S2＝y1-y0+L×cosα2×cosβ。

下面详细介绍本发明的堆料路径规划的步骤：

与取料路径规划相比，本发明的堆料路径规划基于现有的方法，相对比较简单。目前散货堆场采用最多的堆料方式是“定点俯仰堆积”方法，即先确定堆料起始位置，在此位置上堆料悬臂俯仰从低到高缓慢上升输料，当料堆达到极限高度时控制堆料机10向前移动小段距离，保持俯仰和回转角度不变，继续堆积料堆，同样在料堆达到极限高度后移动堆料机10，向下一个点继续堆积，直至料堆堆积完成。在本发明中，如图8和9所示，堆料路径规划模块15根据第一堆料GNSS接收机121和第二堆料GNSS接收机122分别采集的海拔高度h0和h1，可确定堆料机10极限俯仰角度α3＝arcsin((h1-h0)/L0)，实时俯仰角度α4＝arcsin((h2-h0)/L0)，h2为第一堆料GNSS接收机121实时采集的高度；在整个堆料过程中，悬臂回转角度保持固定，根据轨道距料堆边界固定长度和落料口置于料堆中间位置，可推算落料口距离轨道固定长度S3＝R1+R2/2，又根据堆料机10俯仰角度α3，悬臂长度L0，可知堆料悬臂垂直投影下的水平距离D0＝L0×cosα4，从而推算悬臂回转角度β0＝arcsin(S3/D0)＝arcsin((R1+R2/2)/(L0×cosα3))；第一堆料GNSS接收机121相对坐标y0，料堆边界到绝对X轴的距离为未知参数S5，悬臂俯仰和回转角度分别为α3和β0，可推出堆料机10走行距离S4＝y0+S5-L0×cosα3×cosβ0，又根据第二堆料GNSS接收机采集堆料机10行走距离S4＝y1，从而推出料堆边界到绝对X轴的距离S5＝y1-y0+L0×cosα3×cosβ0。

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。

Claims (11)

1.一种用于散货堆场的自动堆取料系统，其包括分布在堆场内的具有堆料悬臂的堆料机以及具有取料悬臂的取料机，其特征在于，还包括:

安装在所述堆料悬臂上并用于采集料堆的第一扫描数据的第一激光扫描装置以及用于采集堆料GNSS定位信息的堆料定位装置；

连接至所述堆料定位装置的堆料机控制装置，其一方面采集并输出所述堆料GNSS定位信息，另一方面接收一堆料控制信号，并根据该堆料控制信号控制所述堆料机执行相应的堆料动作；

连接至所述第一激光扫描装置和所述堆料机控制装置的远程堆料处理装置，其接收外围用户输入的堆料指令，并根据所述堆料指令、所述第一扫描数据以及所述堆料GNSS定位信息获取相应所述料堆的坐标信息并生成堆料路径信息以作为所述堆料控制信号输出至所述堆料机控制装置；

安装在所述取料悬臂上的用于采集所述料堆的第二扫描数据的第二激光扫描装置以及用于采集取料GNSS定位信息的取料定位装置；

连接至所述取料定位装置的取料机控制装置，其一方面采集并输出所述取料GNSS定位信息，另一方面接收一取料控制信号以控制所述取料机执行相应的取料动作；

连接至所述第二激光扫描装置和所述取料机控制装置的远程取料处理装置，其接收外围用户输入的取料指令，并根据所述取料指令、所述第二扫描数据以及所述取料GNSS定位信息获取相应所述料堆的坐标信息并生成取料路径信息以作为所述取料控制信号输出至所述取料机控制装置；以及

连接在所述远程堆料处理装置与远程取料处理装置之间的数据共享装置，其设置为使所述远程堆料处理装置和所述远程取料处理装置共享各自获取的相应所述料堆的坐标信息。

2.根据权利要求1所述的用于散货堆场的自动堆取料系统，其特征在于，所述数据共享装置包括连接在所述远程堆料处理装置和所述远程取料处理装置之间的共享局域网络模块、连接在所述共享局域网络模块与所述远程堆料处理装置之间的第一网络控制器、以及连接在所述共享局域网络模块与所述远程取料处理装置之间的第二网络控制器，其中，

所述第一网络控制器设置为将所述远程堆料处理装置获取的所述料堆的所述坐标信息记录在所述共享局域网络模块中的相应地址空间；

所述第二网络控制器设置为将所述远程取料处理装置获取的所述料堆的所述坐标信息记录在所述共享局域网络模块中的相应地址空间；

所述共享局域网络模块设置为将其相应所述地址空间内记录的所述坐标信息共享至所述远程堆料处理装置和远程取料处理装置。

3.根据权利要求1所述的用于散货堆场的自动堆取料系统，其特征在于，所述远程堆料处理装置包括：

连接至所述第一激光扫描装置和所述堆料机控制装置的堆料数据处理模块，其设置为根据所述第一扫描数据以及所述堆料GNSS定位信息获取相应所述料堆的所述坐标信息；

连接至所述堆料数据处理模块的堆料数据存储模块，其设置为存储所述料堆的所述坐标信息；

连接至所述堆料数据存储模块的堆料智能操作界面，其一方面设置为读取所述料堆的所述坐标信息，另一方面设置为下发外围用户输入的所述堆料指令；以及

连接至所述堆料数据存储模块、所述堆料智能操作界面和所述堆料机控制装置的堆料路径规划模块，其设置为根据所述堆料指令、所述料堆的所述坐标信息、预设的所述堆料悬臂的长度、以及所述堆料GNSS定位信息生成所述堆料路径信息，并将该堆料路径信息输出至所述堆料机控制装置。

4.根据权利要求3所述的用于散货堆场的自动堆取料系统，其特征在于，

所述堆料数据处理模块还设置为根据所述料堆的所述坐标信息生成相应的三维图像；

所述堆料数据存储模块还设置为存储所述三维图像；

所述堆料智能操作界面还设置为显示所述三维图像。

5.根据权利要求3所述的用于散货堆场的自动堆取料系统，其特征在于，所述堆料数据处理模块包括：

第一堆场坐标系建立单元，其建立基于整个所述堆场的绝对空间直角坐标系；

第一料堆坐标系建立单元，其建立基于每个所述料堆的相对空间直角坐标系；

连接至所述第一料堆坐标系建立单元、第一激光扫描装置和堆料机控制装置的第一相对坐标获取单元，其根据所述第一扫描数据以及所述堆料GNSS定位信息计算每个所述料堆上各点在相应的所述相对空间直角坐标系中的相对坐标信息；以及

连接至所述第一堆场坐标系建立单元、第一料堆坐标系建立单元和第一相对坐标获取单元的绝对坐标获取单元，其根据每个所述相对空间直角坐标系的原点与所述绝对空间直角坐标系的原点之间的相对位置关系以及每个所述料堆上各点的相对坐标信息计算每个所述料堆在所述绝对空间直角坐标系中的绝对坐标信息。

6.根据权利要求1所述的用于散货堆场的自动堆取料系统，其特征在于，所述远程取料处理装置包括：

连接至所述第二激光扫描装置和所述取料机控制装置的取料数据处理模块，其设置为根据所述第二扫描数据以及所述取料GNSS定位信息获取相应所述料堆的所述坐标信息；

连接至所述取料数据处理模块的取料数据存储模块，其设置为存储所述料堆的所述坐标信息；

连接至所述取料数据存储模块的取料智能操作界面，其一方面设置为读取所述料堆的所述坐标信息，另一方面设置为下发外围用户输入的所述取料指令；以及

连接至所述取料数据存储模块、所述取料智能操作界面和所述取料机控制装置的取料路径规划模块，其设置为根据所述取料指令、所述料堆的所述坐标信息、预设的所述取料悬臂的长度、以及所述取料GNSS定位信息生成所述取料路径信息，并将该取料路径信息输出至所述取料机控制装置。

7.根据权利要求6所述的用于散货堆场的自动堆取料系统，其特征在于，

所述取料数据处理模块还设置为根据所述料堆的所述坐标信息生成相应的三维图像；

所述取料数据存储模块还设置为存储所述三维图像；

所述取料智能操作界面还设置为显示所述三维图像。

8.根据权利要求6所述的用于散货堆场的自动堆取料系统，其特征在于，所述取料数据处理模块包括：

第二堆场坐标系建立单元，其建立基于整个所述堆场的绝对空间直角坐标系；

第二料堆坐标系建立单元，其建立基于每个各所述料堆的相对空间直角坐标系；

连接至所述第二料堆坐标系建立单元、第二激光扫描装置和堆料机控制装置的相对坐标获取单元，其根据所述第二扫描数据以及所述取料GNSS定位信息计算每个所述料堆上各点在所相应的述相对空间直角坐标系中的相对坐标信息；以及

连接至所述第二堆场坐标系建立单元、第二料堆坐标系建立单元和第二相对坐标获取单元的第二绝对坐标获取单元，其根据每个所述相对空间直角坐标系的原点与所述绝对空间直角坐标系的原点之间的相对位置关系以及每个所述料堆上各点的相对坐标信息计算每个所述料堆在所述绝对空间直角坐标系中的绝对坐标信息。

9.根据权利要求6所述的用于散货堆场的自动堆取料系统，其特征在于，所述取料路径规划模块包括：

取料机俯仰路径规划单元，其根据待取料点在相应所述料堆中的所述相对坐标信息、以及所述取料定位装置采集的所述取料GNSS定位信息计算所述取料悬臂需移动的目标俯仰角度；

连接至所述取料机俯仰路径规划单元的取料机回转路径规划单元，其根据所述取料定位装置采集的所述取料GNSS定位信息、所述取料悬臂的长度以及所述目标俯仰角度计算所述取料悬臂需移动的目标回转角度和目标回转长度；

连接至所述取料机走行路径规划单元的取料机行走路径规划单元，其根据所述取料定位装置采集的所述取料GNSS定位信息、所述取料悬臂的长度以及所述目标回转角度计算所述取料悬臂需移动的目标行走距离，

其中，所述目标俯仰角度、目标回转长度和目标行走距离即为所述取料路径信息。

10.根据权利要求3所述的用于散货堆场的自动堆取料系统，其特征在于，所述堆料机控制装置和所述第一激光扫描装置通过第一工业以太网与所述堆料数据处理单元和所述堆料路径规划单元通信；并且所述堆料机控制装置还通过第一工业线场总线与所述堆料路径规划单元通信。

11.根据权利要求6所述的用于散货堆场的自动堆取料系统，其特征在于，所述取料机控制装置和所述第二激光扫描装置通过第二工业以太网与所述取料数据处理单元和所述取料路径规划单元通信；并且所述取料机控制装置还通过第二工业线场总线与所述取料路径规划单元通信。