CN104838072A - 取料机三维体积速率控制器 - Google Patents

取料机三维体积速率控制器 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种用于回转斗轮料堆取料机(16)的三维体积速率控制方法和装置(10)。所述装置(10)包括邻近取料机(16)的斗轮(14)安装并适合提供料堆台阶面的三维图像的四个三维图像传感器(12)。所述装置包括数据处理器(20)，其用于：(i)处理由三维图像传感器(12)所产生的三维图像以生成三维的料堆台阶面轮廓，(ii)基于在邻接挖掘工具的区域中测得的三维料堆台阶面轮廓的体积变化，计算材料被从料堆面切削的取料切削体积速率，(iii)基于挖掘工具的形状和三维料堆台阶面轮廓，计算将从料堆面切削的材料取料切削体积，以确定前馈取料切削体积速率轮廓，以及(iv)基于与测得的取料切削体积速率和前馈取料切削体积速率轮廓对比的所需取料切削体积速率，计算用于取料机的操作参数。所述方法和装置提供了精确的取料体积测量，使得所述取料体积速率变得独立于产品特性、料堆面形状和斗轮切削特性。

Description

取料机三维体积速率控制器
技术领域
本发明涉及一种用于控制料堆取料机的取料速率的三维体积(3Dvolume)速率控制方法和装置，并且特别地但不排他地涉及应用于回转斗轮(slewing bucket-wheel)取料机的这样的方法和装置。
背景技术
回转斗轮取料机是在铁矿石和煤炭行业中使用的最常见的取料机类型。取料机的另一种常见类型是桥式取料机。
斗轮取料机是高成本的矿山资产。单个机器的成本可能超过3000万美元，与之配套的堆场基础设施增加了显著的成本。在取料机生产率中的相对小的改进将对业务提供显著的经济利益。作为能够实现的经济利益的一个例子在下面给出：
200千吨(kt)在10,000吨每小时(tph)下的船舶装载时间为20小时。
2.5％的取料速率提高(10,000吨每小时到10,250吨每小时)将船舶装载时间减少约30分钟。
基于每年300天的机器生产天数，这相当于在机器运行时间减少150小时。
持续提高速率将提供>5000吨每天的机器生产增加。
基于每年300天的机器使用天数，这相当于每年超过150万吨的生产机会。
回转斗轮取料机以下列方式操作。如图2所示，料堆以一系列“台阶(Benches)”的方式被取料，其中每个台阶限定一层料堆。每层的高度取决于斗轮尺寸，典型的台阶高度等于斗轮半径(5.0米)，而最大的台阶高度是直径的0.65倍(6.5米)。如图2所示，取料机在先前堆积的料堆顶部台阶处开始，并通过在料堆的整个面上回转(摆动)斗轮而以一系列的径向切削对所述台阶取料。
在每个切削面的端部时，取料机向前行驶(步进)一个短的距离(对于5.0米斗轮通常是1.0米)，然后开始下一切削。在面切削过程中的取料速率通过调节回转运动的速度而控制。在挖掘全高度的台阶面时，在沿切削面的任何点处以立方米每秒表示的用于取料速率的一般公式是：
面高度(米)×面切削深度(米)×径向回转速度(米每秒)。
其中：面切削深度＝余弦(回转角)×步进距离
实际速率将取决于在斗轮面处的料堆形状。
绝大多数斗轮取料机都配有基于功率的取料速率控制器。基于功率的取料速率控制器得到基于所述斗轮挖掘功率的隐含取料速率。
取料是为了通过传输系统将产品从料堆移动到目的地而进行的，所述目的地无论是火车、轮船或其他料堆。
一般地，移动产品的最低成本是通过在传输设备支持的最大速率下传输产品实现的。传输设备支持的最大速率是由最大体积速率确定的。例如：
1.对于带式运送机的最大传输速率通常是被在不溢出所述带边缘的情况下能够处理的体积所限制的。
2.对于传输槽的最大传输速率是被能够通过所述溜槽而不阻塞的体积所限制的。
虽然体积通常是限制因素，目前的取料速率控制器使用隐含的取料重量速率控制器(以吨每小时的方式控制)。现有技术的取料速率控制器的一个缺点是无法根据体积控制取料速率。这是由于无法测定在斗轮处的体积速率而导致的。无法控制体积速率意味着它们不能达到最大的传输体积速率。
虽然体积通常是对运输设备的限制因素，存在重量也是一个限制因素的情况。例如，输送机支架可能具有优先于(overrides)带式输送机本身的体积限制的重量限制。在这些情况下，最大传输效率是通过保持一致的传输速率来实现的。当前的取料速率控制器在速率波动方面表现不佳。这是由于它们不能基于隐含的测量技术精确地测量取料速率。这将在下面的部分中进一步解释。
在有对在低速率下取料的需求的情况下，现有的速率控制器的不精确速率测量导致不正确的速率和高的速率波动。基于功率的速率控制器在低取料速率下无法确定料堆边缘，因而常常需要操作员的干预以设置固定的取料回转范围限制。
由于在料堆面切削的外回转区域的低切削深度，对于在用单个较长切削清理脊部之前的几个切削，提早地完成所述切削是有利的。这种做法被称为“清理操作”的“华尔兹舞步”(‘Waltz Step’of‘Clean-Up Pass’)。然而“华尔兹舞步‘取料很少用于基于功率的速率控制器，这主要是由于它们在当前面与外脊之间的切削深度上的阶跃变化过程中不能充分地控制速率。
当前的取料速率控制系统使用隐含的方法来测量取料速率，包括挖掘能量(斗轮电流)或挖掘力(斗轮扭矩)。所达到的取料速率取决于斗轮挖掘效率(立方米每单位能量/力)，其受一系列的参数影响，包括：
·产品类型(特别是颗粒大小)
·产品矿物成分(矿体的矿井和断面(mine and section of ore body))
·产品密度(源产品的变化)
·水分含量(来自雨或尘埃抑制喷雾剂)
·二次加工(粉碎、筛分和混合的组合)
·不同产品的斗轮切削效率
·顺时针与逆时针的斗轮切削效率对比
·由于磨损的斗轮切削效率
·产品压实(自堆积之后的时间)
·堆积模式
·无负载电流/扭矩漂移
·非线性的负载速率关系
由于料堆的状态是未知的，因此不可能对这些因素提供补偿。这导致小于最佳的取料速率。提高取料机生产率的努力被取料速率的测量误差限制。
各种系统试图通过使用单点或二维(2D)雷达传感器提高隐含取料速率的精确性。这些系统可以共同被称为“预测速率控制器”。预测速率控制器使用二维雷达扫描仪来预测将要被斗轮获取的近似体积。基于预测体积的系统执行料堆表面的垂直取向二维扫描，第三维度由回转运动提供。二维扫描器位于在斗轮前面的位置处。
利用二维雷达扫描仪的现有技术的预测速率控制器的一个例子是由Indurad(德国)作为“斗轮挖掘机预测切削控制器”销售的系统。所述控制器被描述为对客户提供“预测体积流量信息和操作员协助”的益处。
在现有的预测系统中使用的雷达扫描仪基于77GHz的车辆防撞雷达单元。视场(FOV)角分辨率(通常为4度)与目标距离精确度(通常为±150mm)的组合导致无法测量料堆面体积，特别是当斗轮切削深度小于1米(1.0m)时。
在取料操作的过程中，在斗轮周围的料堆区域随着产品被移除会崩塌和流动。取料速率的精确测量需要在邻接斗轮的区域中的体积被连续地测量。预测体积扫描系统的二维特性意味着由斗轮取料的实际体积不能被测量。相反，所述取料体积是预测的。由于产品流动的料堆崩塌和动态运动没有被测量。
预测体积系统通常在手动操作的取料机中用于操作员协助，或用作隐含(电流/转矩)取料速率控制器的理论(前馈)速度。虽然预测体积系统提高了隐含速率控制器的性能，所述控制性能仍然受到与标准隐含速率控制器相同的因素的影响。
用于堆积机和取料机的三维激光扫描的现有技术使用在欧洲专利EP1278918中描述，还被公开为US 2005/0246133。此现有技术文献在下文中被称为P2。
为了控制取料机的移动到面对(facing up)位置并且为了在取料过程中确定斗轮的回转范围，在P2中所描述的系统扫描料堆以确定料堆形状。
P2寻求克服的问题之一是在使用二维扫描仪时发生的料堆模型中的不精确，其中料堆的形状最初通过斗轮装置和二维扫描仪的测量操作而确定，然后在移除或堆积过程开始之后，控制器计算临时的料堆模型。
然而，这种二维系统不能检测出在斗轮装置的操作过程中发生的料堆形状的变化，例如，由于降雨和自然下滑过程之类，以及由移除过程本身触发的滑动或下滑。P2通过使用三维激光扫描仪扫描料堆以独立于斗轮装置的操作确定实际的料堆形状而克服了这些问题。在P2中所描述的系统包括GPS接收器，以对斗轮取料机和/或斗轮本身提供精确的位置信息。在P2中所描述的系统的要求权利的益处在于，料堆形状可以不进行测量操作而获得，并且避免了碰撞到料堆。
由于邻接斗轮的区域未被扫描，在P2中所描述的系统不能够测量在斗轮中的取料体积。此外，在P2中没有公开或建议，基于所述挖掘工具的形状和三维料堆的形状而计算将从料堆面切削的材料取料体积，以确定切削取料体积速率。事实上，在P2中也没有以任何方式提及体积测量或取料速率控制。所描述的控制功能是基于所测量的料堆形状定位斗轮装置，以便优化斗轮的初始面对定位，并且基于所述料堆的形状控制斗轮摆动范围。
P2的一种商业实现是由iSAM AG(德国)开发并由FL Smidt作为“用于堆积机取料机的iSAM自动化系统”销售的。所提及的P2的商业实现使用了基于斗轮功率的隐含取料速率控制器。
本发明是以提供不易受现有技术的隐含取料速率控制器和预测速率控制器的上述问题和缺点的三维体积速率控制器的方法和装置为目的而开发的。
在本说明书中引用的现有技术仅提供用于说明的目的，并且不应被理解为承认这样的现有技术是澳大利亚或其他地方的公知常识的一部分。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了用于料堆取料机的三维体积速率控制装置，所述装置包括：
邻近取料机的挖掘工具安装并适合提供料堆台阶面的三维图像的多个三维图像传感器；和，
数据处理器，其用于：
(i)处理由三维图像传感器所产生的三维图像以生成三维的料堆台阶面轮廓，
(ii)基于在邻接挖掘工具的区域中测得的三维料堆台阶面轮廓的体积变化，计算材料被从料堆面切削的取料切削体积速率，
(iii)基于挖掘工具的形状和三维料堆台阶面轮廓，计算将从料堆面切削的材料取料切削体积，以确定前馈取料切削体积速率轮廓，以及
(iv)基于与测得的取料切削体积速率和前馈取料切削体积速率轮廓对比的所需取料切削体积速率，计算用于取料机的操作参数。
优选地，各三维图像传感器安装在每一侧上并邻近挖掘工具，以提供挖掘工具在料堆面上的完整切削弧的三维图像。优选地，三维图像传感器还提供沿摆动弧延伸足够距离的三维图像，以覆盖在挖掘工具周围可能流动或崩塌的面的区域。
一般设置四个三维图像传感器，在挖掘工具的每一侧上分别设置两个，以避免图像被挖掘驱动和支撑结构闭塞。在一个实施例中，三维图像传感器是三维飞行时间摄像机，其通过分析光脉冲从照明光源传播到对象并返回的时间来测量到在摄像机前的对象的距离。
通常地，所述取料机是斗轮取料机而挖掘工具是斗轮。在一个优选的实施例中，斗轮取料机是回转斗轮取料机。有利地，所述四个三维摄像机紧邻斗轮定位和定向，使得斗轮的完整切削弧被测量。
通过提供精确的取料体积测量，取料体积速率变得独立于产品特性、料堆面形状和斗轮切削特性。
虽然取料体积的测量和计算是复杂的，但由于不再有应用对改进基于功率的控制器性能所通常需要的个性化校正参数的需求，斗轮速度控制器的应用被简化。
测得的料堆面形状也用来提供改进的机器安全性，并且与三维体积速率控制器联合操作的斗轮位置控制器用来提供取料机性能改进。
根据本发明的另一方面，提供了用于料堆取料机的三维体积速率控制方法，所述方法包括以下步骤：
获得料堆面的三维图像；
处理所述三维图像，以产生三维料堆台阶面轮廓；
基于在邻接挖掘工具的区域中测得的三维料堆台阶面轮廓的体积变化，计算取料切削体积速率；
基于挖掘工具的形状和三维料堆台阶面轮廓，计算将从料堆面切削的材料取料切削体积，以确定前馈取料切削体积速率轮廓；以及
基于与测得的取料切削体积速率和前馈取料切削体积速率轮廓对比的所需取料切削体积速率，计算用于取料机的操作参数。
优选地，计算材料的取料切削体积的步骤是通过产生挖掘工具切削高度图而执行的，所述高度图是从挖掘工具上的基准到所述工具切削进入料堆面的边缘测得的距离值的二维阵列。
通常地，所述取料机是斗轮取料机，所述挖掘工具是斗轮，并且所述挖掘工具切削高度地图是斗轮切削高度地图。在一个优选的实施例中，斗轮取料机是回转斗轮取料机。
通常地，在挖掘工具上的基准是由在斗轮中心的点随着它在整个料堆面上(台阶弧)向外回转而形成的弧。所述距离值优选地被限定为离所述台阶弧的距离(以米为单位)，并沿一系列垂直于斗轮轴(切削弧)延伸的射线测量。所述系列射线通常从垂直向下指向的射线地延伸到相对斗轮中心面向前指向的射线。有利地，射线之间的角度间隔被选择为匹配摄像机在斗轮面上的目标点大小。
通常地，计算取料切削体积速率的步骤包括计算在料堆台阶面处的材料体积的步骤。优选地，计算在料堆台阶面处的材料体积的步骤是通过对在邻接斗轮区域中的料堆台阶面轮廓的每个点计算体积之和而执行的。
优选地，取料体积速率是通过在斗轮切削料堆台阶面时比较在两个时间点上的料堆台阶面体积而计算的。
优选地，创建轮廓图以存储所述料堆台阶面轮廓，每个轮廓点根据沿切削弧射线离台阶弧的距离限定。
优选地，斗轮面高度图是从料堆台阶面轮廓计算出的，每个点代表离台阶弧的距离。
优选地，斗轮面高度图随后被用来基于斗轮的已知切削半径，在沿料堆台阶面的台阶弧的间隔处计算每米台阶弧长度的斗轮切削体积。
优选地，取料体积速率和每米斗轮切削体积与所需取料体积速率结合用来计算沿着台阶弧的所有点处的斗轮回转速度。优选地，算出的斗轮回转速度发布到取料机回转速度控制系统。
在整个说明书中，除非上下文另有要求，词语“包括”或变体诸如“包括”或“包含”应被理解为暗示包括所述的整体(integer)或整体组，但不排除任何其他整体或整体组。同样，单词“优选地”或变体诸如“优选的”应被理解为暗示所述整体或整体组是可取的，但对于本发明的工作不是必需的。
附图说明
本发明的性质将从三维体积速率控制方法和装置的几个具体实施例的以下详细描述中更好地理解，所述实施例仅以示例的方式参考附图给出，其中：
图1示出一个典型的现有技术的回转斗轮取料机；
图2示出在料堆上的台阶的一个典型的现有技术安排；
图3和图4是侧视图和平面图，其对在根据本发明的三维体积速率控制装置的一个优选实施例中的每个摄像机分别地示出扫描弧；
图5示出在图3的装置中的斗轮的每一侧上的摄像机位置；
图6示出每个摄像机在图3的装置中的斗轮面处的视场；
图7示出在图3的装置中采用的摄像机坐标；
图8示出在图3的装置中采用的摄像机目标的坐标；
图9是根据本发明的三维体积速率控制装置和方法的总体示意图；
图10是示出在根据本发明的三维体积速率控制方法的一个优选实施例中用于三维图像处理的优选步骤的过程图；
图11是示出在根据本发明的三维体积速率控制方法的一个优选实施例中用于料堆台阶面图像处理的优选步骤的过程图；
图12是示出在根据本发明的三维体积速率控制装置的一个优选实施例中用于将测得的取料体积速率应用于控制取料机的优选步骤的过程图；
图13是示出三维体积速率控制装置10和机器控制器的部件的框图；以及，
图14示出了从台阶弧延伸以产生台阶面高度轮廓的一系列定向射线。
具体实施方式
如图2至图13所示，根据本发明的三维体积速率控制装置10的优选实施例包括邻近取料机16的挖掘工具14安装并适合提供料堆台阶面18(见图2)的三维图像的多个三维图像传感器12。优选地，各三维图像传感器12安装在各侧上，并邻近挖掘工具14以提供挖掘工具在料堆台阶面18上的完整切削弧的三维图像。有利地，三维图像传感器还提供沿摆动弧延伸足够距离的三维图像，以覆盖在挖掘工具周围可能流动或崩塌的台阶面18的区域。通常地，所述取料机是斗轮取料机16而挖掘工具是斗轮14。在这个实施例中，斗轮取料机16是在图1和图2中示出的类型的回转斗轮取料机。
一般设置四个三维图像传感器12，在斗轮14的每一侧上分别设置两个。有利地，如图3至图6所示，所述四个三维图像传感器12紧邻斗轮14定位和定向，使得斗轮14的完整切削弧被测量。在此实施例中，三维图像传感器是三维飞行时间摄像机12，其通过分析光脉冲从照明光源传播到对象并返回的时间来测量到在摄像机前的对象的距离。
三维体积速率控制装置10还包括用于处理由所述三维摄像机12所产生的三维图像以生成三维料堆面轮廓的数据处理器20(见图13)。所述数据处理器20基于邻近斗轮的料堆体积变化计算材料被从料堆面18移除的体积，以确定取料切削体积速率。数据处理器20然后基于与测得的取料切削体积速率相比的所需取料体积速率，计算用于取料机16的更多操作参数中的一个，诸如斗轮速度控制。这些操作参数被发送到取料机控制器22，用于控制斗轮14的行进速度和回转速度两者。
三维体积速率控制装置10相比于现有的“最先进”的隐含速率系统提供了改进的取料机性能。这种改进的性能是通过使用在斗轮14周围体积变化的取料体积的精确和动态测量以控制取料体积速率而实现的。精确的取料体积测量是通过获取邻接斗轮14每一侧的区域的变化体积而实现的。高速三维图像传感器(摄像机12)被用于测量正在从邻接斗轮14的料堆面区域移除的体积。
邻接斗轮14的料堆面区域由于产品流动、面崩塌和产品被抛出斗而承受轮廓中的变化。流动和崩塌特性是不可预知的，并且即使斗轮不在回转时，产品也可以流动且所述面也可以崩塌。通过提供精确的取料体积测量，取料体积速率变得独立于产品特性、料堆面形状和斗轮切削特性。
虽然取料体积的测量和计算是复杂的，但由于不再有应用对改进基于功率的控制器性能所通常需要的个性化校正参数的需求，斗轮速度控制器的应用被简化。
测得的料堆面形状也用来提供改进的机器安全性，并且与三维体积速率控制器联合操作的斗轮位置控制器用来提供取料机性能改进。
现在将参照图3至图12详细地描述一种使用图13的装置用于料堆取料机16的三维体积速率控制的优选方法。在图10的流程图中示出的过程是用于四个三维摄像机12(摄像机12a、12b、12c和12d)的。所述方法可以使用更少的三维摄像机，例如，在挖掘工具的完整切削弧是在视野内的情况下。三维体积速率控制方法通常包括获得料堆台阶面的三维图像的图10中的第一步骤100。如将在下面更详细地描述的，所述方法然后包括处理所述三维图像以产生三维料堆台阶面轮廓。
料堆处于其中的区域被称为堆场。取料机16在其中操作的堆场区域被限定为在堆场的全部长度和宽度上延伸并且平行于机器导轨的水平面。堆场的北方向被限定为沿着机器导轨正向行进的方向。
优选的三维体积速率控制方法使用局域(右手)笛卡尔坐标系(如图7和图8所示的x、y和z)以使用如下限定的轴来限定在三维堆场空间中的点：
·X轴：与机床导轨对准并且在堆场北方向上的水平轴
·Y轴：垂直于正x轴，并且处于从正x轴的逆时针方向上(东到西)的水平轴(右手坐标系)
·Z轴：垂直于x轴和y轴的垂直轴
取料机16上的部件的位置和取向参考取料机局域参考点而限定，并对于所有的运动是它们的初始位置。取料机16的局域参考位置通常被限定为回转中心，并限定在轨道高度上。基于当前运动位置，前向运动学方法被用于将部件的局域坐标转化为堆场区域坐标。
取料机运动枢轴和部件(斗轮14和摄像机12)被建模(图11中的步骤104和图10中的步骤106)，以对部件在三维空间内的位置和朝向的计算提供基础。每个摄像机相对于斗轮14的位置和朝向是固定的。已知的位置、朝向(相对于取料机的局域参考点)，以及在步骤102(图11)中测得的斗轮14的尺寸在步骤108中被转换以提供用于在步骤112(图11)中计算斗轮台阶面弧的参数。斗轮14的朝向包括描述斗轮的任何倾斜和偏斜的参数。
在斗轮14没有倾斜或歪斜的情况下，斗轮的切口被描述为具有圆形横截面的环面。在斗轮14倾斜和/或偏斜的情况下，斗轮的切口是具有椭圆形横截面的环面。
所述方法还包括基于取料机挖掘工具的形状和三维料堆面轮廓计算将要从料堆面切去的材料的切削体积轮廓的步骤114(图11中)，以确定切削取料体积速率。切削体积轮廓是通过在步骤116中测量三维料堆台阶面轮廓(使用来自三维摄像机12的合并图像)，然后评估所述料堆台阶面轮廓的哪部分将被斗轮取料弧切削，而在沿着整个料堆台阶面上的弧的增量距离处计算的。台阶面轮廓在步骤118中被连续地更新。更新了的台阶面图像可以在显示器30上查看。
不受斗轮倾斜和/或偏斜影响的精确切削体积计算是通过计算沿着斗轮面切削方向的体积而实现的。也就是说，切削方向是沿着在倾斜/偏斜的斗轮14周围延伸的线。
由每个摄像机提供的目标位置数据被从摄像机坐标映射到堆场区域坐标。如图7和图8所示，三维飞行时间摄像机12对在视场(FOV)中的每个像素返回目标距离。对于像素阵列大小为160(h)×120(v)的摄像机12，在每帧中将返回19,200个目标距离值。角分辨率取决于摄像机的FOV。对于40°(h)×30°(v)的FOV，角分辨率将是0.25°。每个像素的目标点位置根据摄像机坐标系限定。
由每个摄像机12产生的深度距离(Z)是从目标点到透镜入射瞳面(入射瞳面在摄像机前玻璃之后)的垂直距离。深度距离不同于通达距离(rangedistance)，所述通达距离是从目标点到透镜入射瞳面中的对应像素的直线距离。注意，对于位于摄像机12的光轴上的目标点，深度距离和通达距离是相同的。摄像机坐标参考点(x＝0、y＝0和z＝0)位于光轴与透镜入射瞳面相交的位置。
每个目标点的位置是通过沿z轴的目标距离和沿摄像机x轴和y轴的偏移角度进行描述的。来自多个三维摄像机12的目标点数据被结合以创建根据堆场坐标系表示的料堆台阶面轮廓。
各摄像机能够以高帧率提供(通常高达每秒30帧)目标点数据。因为取料机相对缓慢地移动，高帧率对于料堆面仿形(profiling)不是必不可少的。对于料堆台阶面仿形，10Hz的帧率是足够的。对于像素阵列大小为160(h)×120(v)的摄像机12，由每个摄像机返回的目标值的数目为192,000每秒(160×120×10Hz)。
在从摄像机目标值创建料堆面轮廓的过程中，重要的是：
·保留相对于取料机斗轮切削弧测得的面位置的精度。
·以便利于精确计算斗轮切削体积的格式存储料堆面数据。
·将数据存储空间的需求维持在可处理的界限内。
由于目标是计算斗轮14的切削取料体积，来自所有的摄像机12的目标点被映射成取料面的点地图。所述取料面点地图是点坐标的二维阵列。所述阵列的一个维度沿着取料弧(90度)的长度延伸，而第二维度卷绕所述弧。在每个维度上的元素的数量被选择为与摄像机12的可用分辨率匹配。
料堆台阶面轮廓存储为卷绕台阶弧的高度图。这种格式为速率控制提供了最大分辨率。台阶弧被限定为斗轮14的中心。台阶的基准面以及因此的弧水平面可由于料堆基准面的任何东/西倾斜而变化。距离高度被存储为一个有0.5mm比例系数的UINT((无符号整数16)。对于60m半径的台阶，台阶弧长为94.75m(π*0.5*60.0)。高度图从基部卷绕到在台阶弧之上的点上。对于5.0m半径的斗轮14，切削弧长度是7.85m。对于在台阶弧之上延伸2m并且在台阶弧之后延伸2m的轮廓，12m的高度图是必需的。
对于200mm的水平刻度和100mm的垂直刻度，台阶高度图的存储需求为60000个字(500×120×UINT)。在台阶弧水平面上方的高度图参考从台阶弧垂直向上延伸的直线。高度图可以在斗轮基部之后卷绕回来，以设置用于在斗轮中心之后探测到的产品。在台阶弧之后的高度图的水平面参考水平于台阶弧延伸的直线。
取料弧是斗轮中心随着它在料堆的整个面上回转的路径。取料弧中心点名义上位于取料机参考位置(回转枢轴)的X轴和Y轴的位置，并在斗轮中心点的水平面上。所述弧的参考点在一次完整回转切削的持续时间中被保持在一个位置，然后在连续的台阶切削中与取料机一致地向前移动(沿X轴)。在完成每个台阶面切削时，当前的取料面点地图被处理，以基于所需的斗轮切削深度对下一次台阶面切削确定取料机行进目标位置。
最后，三维体积速率控制方法包括基于与切削取料体积速率119相比的所需取料体积速率120(见图12)，计算用于取料机16的控制参数。在示出的过程中，这涉及在步骤122中计算回转速度轮廓和在步骤124中计算回转速度设定点。
优选地，所述取料机三维体积速率控制方法即提供了行进的目标位置又提供了行进的目标速度，以在取料机16的步进运动期间控制取料速率。类似于对回转运动的控制策略，所述方法通过确定每米的体积(立方米每米)而在前进运动(步进)期间提供了取料速率控制。
在每次取料机步进时，当前取料面点地图被处理以创建台阶弧枢轴位于新的取料机回转枢轴位置的新取料面点地图。
映射摄像机目标点(根据摄像机坐标表示)到堆场区域坐标系是通过目标点经由摄像机到区域变换矩阵的旋转和平移而实现的。变换矩阵是由局域变换矩阵和区域变换矩阵组成的。局域变换矩阵基于所述摄像机在局域坐标系中的位置和朝向提供目标点从摄像机坐标到取料机局域坐标的映射。区域变换矩阵基于每个取料机运动的位置提供了目标点从取料局域坐标到堆场区域坐标的映射。
用于将摄像机目标点映射到机器局域坐标系的局域变换矩阵的计算方法如下。每个摄像机12相对取料机局域坐标系的位置和朝向通过精确测量是已知的。摄像机的位置由摄像机坐标参考点相对于取料机坐标系参考点的平移进行描述。由此，对于距回转枢轴点50m、在取料机x轴左侧10m并且在导轨上方15m安装的摄像机，所述平移是x＝50.0、Y＝-10.0和z＝15.0。
摄像机朝向可以通过光轴(z轴)相对于机器x轴的方向(旋转)以及摄像机y轴相对取料机y轴的方向(旋转)进行描述。摄像机朝向被表示为四元数，但也可以表示为欧拉角或旋转矩阵。取向四元数和位置平移相结合以提供局域变换矩阵。构成摄像机变换矩阵，并且随后将摄像机图像变换到堆场坐标系的步骤在图10的步骤126和128中示出。变换好的摄像机图像在步骤130中进行合并。
根据取料机局域坐标表示的点到堆场区域坐标系的映射是通过使用区域变换矩阵的点变换(旋转和平移)而完成的。所述变换是通过点的平移和点的旋转而描述的，所述点平移基于取料机坐标参考点在堆场区域(x＝南/北、y＝东/西、z＝高度)内的位置，所述点旋转基于在取料机局域参考点与要变换的点之间的连接轴的位置。
取料机体积速率控制装置和方法基于直接测量的三维料堆台阶面轮廓控制取料体积速率(立方米每秒)。料堆台阶面轮廓由安装在取料机斗轮14的每一侧上的四个三维摄像机12测量。
单独的三维摄像机图像被组合以提供高分辨率料堆台阶面地图。料堆面地图的分辨率取决于摄像机像素分辨率以及从摄像机到料堆的距离。典型地，料堆面目标点尺寸在垂直和水平平面上都小于40mm。
斗轮14和取料机吊杆结构24的某些部分可能侵入摄像机的视场。在将合成图像映射到料堆台阶面轮廓数组时，对应于取料机结构元件的图像点被忽略。这是通过提供斗轮14和吊杆24的三维模型而完成的。落在所述三维模型空间中的目标点被忽略。斗轮图像点的剔除示出在图10的步骤132中。
轮廓图被创建以存储料堆台阶面轮廓，每个轮廓点根据沿着切削弧射线离台阶弧的距离限定。在118中获得的料堆台阶面轮廓映射到斗轮切削高度轮廓上，以在113中提供斗轮切削高度轮廓。计算在料堆台阶面处的材料切削体积轮廓(115)的步骤通过在步骤114中计算在邻接斗轮区域中的料堆台阶面轮廓的每个点的体积之和而执行。
斗轮切削高度轮廓113是距离值的二维阵列。距离值被限定为离弧的距离(以米为单位)，所述弧是由在斗轮14中心的点随着它在整个料堆面上向外回转而形成的。所述距离是沿一系列垂直于斗轮轴延伸的射线测量的。所述系列射线从垂直向下指向的射线延伸到相对斗轮14中心面向前指向的射线，如果射线在斗轮14的中心之上延伸，则所述射线将是水平的并且原点将位于从斗轮中心垂直向上延伸的直线上。如果射线在斗轮14的中心之后延伸，则所述射线将是垂直的并且原点将位于从斗轮中心水平向后延伸的直线上。这示出于图14中。射线之间的角度间隔被选择为匹配摄像机在斗轮面上的目标点大小。
台阶切削高度轮廓113在步骤117中被用来计算邻接斗轮挖掘工具的区域中的台阶面切削体积。取料切削体积速率119然后在步骤123中计算为在两个时间点之间的料堆台阶面体积变化。体积取样之间的时间间隔被选择以提供取料体积速率119的连续更新。
台阶切削高度轮廓113在步骤114中也被用来计算切削体积轮廓(图11中115)，其作为在沿台阶弧的间隔处的每米台阶弧长度的斗轮切削体积。这是基于斗轮的已知切削半径。切削体积轮廓115在图12的步骤121中被用于计算前馈取料体积速率轮廓。用于取料机的控制参数然后在步骤125中基于与测得的切削取料体积速率和前馈体积速率轮廓对比的所需取料体积速率而计算。
每米的斗轮切削体积(切削体积轮廓115)在步骤122(图12)中也被用于计算在沿着台阶弧的所有点处的斗轮回转速度轮廓。算出斗轮回转速度轮廓发布到在机器控制器22中的回转速度控制系统。
由于压实，堆积材料的体积密度会高于取料材料的体积密度。细粒材料具有比块状材料更高的压实系数。由斗轮14挖掘的材料将组成压实和松散材料的混合物。所述混合取决于产品流动特性和崩塌材料的存在。在体积密度中的变化可以通过“材料体积补偿”系数提供，其被限定为“取料材料体积”与“堆积材料体积”的比率。这个系数可以通过查找包含用于每种材料类型的系数的表而提供，或者可选地通过对当前料堆产品测量取料体积以及随后计算“材料体积补偿”而提供。
“材料体积补偿”的计算是通过软件程序实现，所述程序从斗轮跟踪“堆积材料体积”到取料机吊杆输送机上测量“取料材料体积”的位置。所述“取料材料体积”的测量通常是通过使用二维激光行扫描仪或三维图像捕获仪的带轮廓扫描仪提供的。
通常地，确保斗轮功率(或扭矩)维持在驱动操作功率极限内是必要的。取料速率在高功率情况下是受限的，以同时控制斗轮驱动的瞬时峰值功率和较长期的热功率极限。这是在步骤124(见图12)中通过如果斗轮功率超过预定极限就限制回转速度而实现的。
三维体积速率控制装置和方法优选地还提供行进目标位置和行进目标速度两者，以在步进运动期间控制取料速率。类似于回转运动的控制策略，所述装置和方法在向前运动(步进)期间通过确定每米的体积(立方米每米)而提供取料速率控制。
既然已经详细描述了三维体积速率控制方法和装置的优选实施例，显而易见的是，所描述的实施例提供了许多优于现有技术的优势，包括以下内容：
(i)提供精确的取料体积测量，所述取料体积速率变得独立于产品特性、料堆面形状和斗轮切削特性。
(ii)虽然取料体积的测量和计算是复杂的，但由于不再有应用对改进基于功率的控制器性能所通常需要的个性化校正参数的需求，斗轮速度控制器的应用被简化。
(iii)通过在台阶的端部目标位于下一更高的台阶面之下时检测以避免破坏；探测料堆面崩塌；以及，连续地监测在吊杆每一侧的空间并停止机器运动以避免料堆与机器碰撞，提供机器的碰撞保护。
(iv)提供改进的取料生产速率：通过使用高精度的三维斗轮到料堆距离，以第一回转时的最佳切削深度提供自动化的面对台阶控制；通过使用精确的边缘检测并在所有的料堆位置使用优化的切削深度，包括对端部圆锥形状的完全补偿以每次产生最佳的切削深度；通过基于面边缘位置的正确确定而优化回转掉头；通过在整个台阶弧上保持准确的基于体积的回转速度控制，而优化回转掉头；通过基于精确的边缘探测避免导致料堆蠕变的取料状况；通过独立于内部回转掉头位置、端部锥形形状以及台阶高度而保持切削深度在最佳值，并由此以最小数目的回转切削而取料；通过消除对产品特性(密度、水分含量等)的依赖而达到最大的路径体积速率(route volume rate)；通过在两个切削方向都提供测量速率控制，并因此不会受到由相对于所述台阶面的倾斜和偏斜引起的斗轮切削效率变化的影响；以及，通过使用扫描台阶面轮廓以探测面崩塌，控制器能够响应崩塌并避免斗轮过载，并且所述崩塌体积被测量，以便维持生产速率。
(v)在无需更猛烈地驱动机器的情况下，提供减少的维护和改进的生产。更严格的取料控制提供了几个保养方面的优势，包括减少的斗轮磨损(优化的斗轮切削深度)、改进的皮带跟踪(在取料速率中的波动更少)和减少的溜槽堵塞(体积速率峰值受控)。
对相关领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的基本发明构思的情况下，除了那些已经描述的之外，可以对前述实施例进行各种修改和改进。例如，除了所描述的飞行时间三维摄像机之外，可以采用其他合适类型的三维图像传感器。因此，可以理解的是，本发明的范围不限于所描述的特定实施例。

Claims (23)

1.一种用于料堆取料机的三维体积速率控制装置，所述装置包括：
邻近取料机的挖掘工具安装并适合提供料堆台阶面的三维图像的多个三维图像传感器；和，
数据处理器，其用于：
(i)处理由三维图像传感器所产生的三维图像以生成三维的料堆台阶面轮廓，
(ii)基于在邻接挖掘工具的区域中测得的三维料堆台阶面轮廓的体积变化，计算材料被从料堆面切削的取料切削体积速率，
(iii)基于挖掘工具的形状和三维料堆台阶面轮廓，计算将从料堆面切削的材料取料切削体积，以确定前馈取料切削体积速率轮廓，以及
(iv)基于与测得的取料切削体积速率和前馈取料切削体积速率轮廓对比的所需取料切削体积速率，计算用于取料机的操作参数。
2.根据权利要求1限定的三维体积速率控制装置，其中，各个三维图像传感器安装在每一侧上并邻近挖掘工具，以提供挖掘工具在料堆台阶面上的完整切削弧的三维图像。
3.根据权利要求2限定的三维体积速率控制装置，其中，三维图像传感器还提供沿摆动弧延伸足够距离的三维图像，以覆盖在挖掘工具周围可能流动或崩塌的台阶面区域。
4.根据权利要求2或权利要求3限定的三维体积速率控制装置，其中，设置四个三维图像传感器，在所述挖掘工具的每一侧上分别设置两个，以避免由于挖掘驱动和支撑结构而引起的图像闭塞。
5.根据权利要求1到4的任一项限定的三维体积速率控制装置，其中，所述三维图像传感器是三维飞行时间摄像机，其通过分析光脉冲从照明光源传播到对象并返回的时间来测量到在摄像机前的对象的距离。
6.根据权利要求2到5的任一项限定的三维体积速率控制装置，其中，所述取料机是斗轮取料机而所述挖掘工具是斗轮。
7.根据权利要求6限定的三维体积速率控制装置，其中，所述斗轮取料机是回转斗轮取料机。
8.用于料堆取料机的三维体积速率控制方法，所述方法包括以下步骤：
获得料堆面的三维图像；
处理所述三维图像，以产生三维料堆台阶面轮廓；
基于在邻接挖掘工具的区域中测得的三维料堆台阶面轮廓的体积变化，计算取料切削体积速率；
基于挖掘工具的形状和三维料堆台阶面轮廓，计算将从料堆面切削的材料取料切削体积，以确定前馈取料切削体积速率轮廓；以及
基于与测得的取料切削体积速率和前馈取料切削体积速率轮廓对比的所需取料切削体积速率，计算用于取料机的操作参数。
9.根据权利要求8限定的三维体积速率控制方法，其中，计算材料的取料切削体积的步骤是通过产生挖掘工具切削高度图而执行的，所述高度图是从在挖掘工具上的基准到所述工具切削进入料堆面的边缘测得的距离值的二维阵列。
10.根据权利要求9限定的三维体积速率控制方法，其中，所述取料机是斗轮取料机，所述挖掘工具是斗轮，并且所述挖掘工具切削高度图是斗轮切削高度图。
11.根据权利要求10限定的三维体积速率控制方法，其中，所述斗轮取料机是回转斗轮取料机。
12.根据权利要求11限定的三维体积速率控制方法，其中，在挖掘工具上的基准是由在斗轮中心的点随着它在整个料堆面上(台阶弧)向外回转而形成的弧。
13.根据权利要求12限定的三维体积速率控制方法，其中，所述距离值被限定为离所述台阶弧的距离(以米为单位)，并沿垂直于斗轮轴(切削弧)延伸的一系列射线测量。
14.根据权利要求13限定的三维体积速率控制方法，其中，所述一系列射线通常从垂直指向的射线向下地延伸到面向斗轮中心面指向的射线。
15.根据权利要求14限定的三维体积速率控制方法，其中，所述射线之间的角度间隔被选择为匹配传感器在斗轮面上的目标点大小。
16.根据权利要求10到15限定的三维体积速率控制方法，其中，计算取料切削体积速率的步骤包括计算在料堆台阶面处的材料体积的步骤。
17.根据权利要求16限定的三维体积速率控制方法，其中，计算在料堆台阶面处的材料体积的步骤是通过对在邻接斗轮区域中的料堆台阶面轮廓的每个点计算体积之和而执行的。
18.根据权利要求10到15限定的三维体积速率控制方法，其中，取料体积速率是通过在斗轮切削料堆台阶面时比较在两个时间点上的料堆台阶面体积而计算的。
19.根据权利要求15限定的三维体积速率控制方法，其中，创建轮廓图以存储所述料堆台阶面轮廓，每个轮廓点根据沿切削弧射线离台阶弧的距离限定。
20.根据权利要求19限定的三维体积速率控制方法，其中，斗轮面高度图是从料堆面轮廓计算出的，每个点代表离台阶弧的距离。
21.根据权利要求20限定的三维体积速率控制方法，其中，所述斗轮面高度图随后被用来基于斗轮的已知切削半径，在沿料堆台阶面的台阶弧的间隔处计算每米台阶弧长度的斗轮切削体积。
22.根据权利要求21限定的三维体积速率控制方法，其中，所述取料体积速率和每米斗轮切削体积与所需取料体积速率结合用来计算沿着台阶弧的所有点处的斗轮回转速度。
23.根据权利要求22限定的三维体积速率控制方法，其中，算出的斗轮回转速度被发布到取料机回转速度控制系统。
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