CN110716195B - 用于起伏平面矿产品自动装卸的测距装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于起伏平面矿产品自动装卸的测距装置及方法，装置包括发射天线、两根接收天线、线性调频信号发生器、混频器、信号采样单元和信号处理单元，发射天线发射线性调频的连续波，两根接收天线接收信号，经过混频、采样之后，将数据传递给信号处理单元，得到平面反馈点的距离和角度信息，通过距离和角度利用三角函数求出矿粉堆的垂直高度和方位。本发明可以精确地获取抓斗与起伏平面的距离，将测得的距离与角度信息进行分析计算，向中控装置返回合适的抓斗下降高度，保证抓斗始终能满斗抓取矿粉并不产生侧翻，提高矿粉转移的效率。
Description
技术领域
本发明涉及矿产品自动化技术领域，特别是一种用于起伏平面矿产品自动装卸的测距装置及方法。
背景技术
近年来随着环保意识的提高以及以人为本理念的普及，有害工种的自动化转型成为一种趋势。由于作业过程中的高浓度粉尘环境，矿产品装卸自动化的需求愈来愈广泛。而在自动装卸过程中，需要准确获取抓斗与矿粉堆表面间的距离、矿粉堆高度、以及矿粉堆表面起伏程度，以便抓斗在作业过程中能够下降合适高度，使其每次尽量抓满，并保证其不会下抓过深导致侧翻。
为保证下抓深度的合理控制，就需准确获知矿粉堆表面的距抓斗高度，并对矿粉堆表面的起伏情况进行把握，保证抓斗工作的高效率。但是，在目前的日常作业中，工作设备仍依靠技术人员的目测与经验作为依据，导致矿产品装卸的效率受限，装卸事故时有发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于起伏平面矿产品自动装卸的测距装置及方法，可以精确地获取抓斗与起伏平面的距离。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于起伏平面矿产品自动装卸的测距装置，包括发射天线、两根接收天线、线性调频信号发生器、混频器、信号采样单元、信号处理单元；其中，发射天线、接收天线、线性调频信号发生器、混频器、信号采样单元内嵌在雷达前端中；发射天线发射线性调频的连续波，两根接收天线接收信号，经过混频、采样后，将数据传递给信号处理单元，得到平面反馈点的距离和角度信息，通过距离和角度利用三角函数求出矿粉堆的垂直高度和方位。
一种用于起伏平面矿产品自动装卸的测距方法，包括以下步骤：
将堆积的矿产品区域划分为多个以抓斗展开大小为宽度的矩形区域，将二维空间的问题转化为一维处理；
在每个矩形的一维空间里面，抓斗在一定高度左右移动找到最高点，作为抓取位置；
发射天线发射线性调频的连续波，两根接收天线接收信号，经过混频、采样后，将数据传递给信号处理单元，得到平面反馈点的距离和角度信息，通过距离和角度利用三角函数求出该测量范围内，矿粉堆的垂直高度和方位；
水平移到该最高点的正上方，重复上述步骤，将两次测量点的垂直高度进行比较，若第一次测量点的测得高度较高，进行抓矿作业；若第二次测量点的测得高度较高，则移动抓斗重复上述步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明可以精确的计算出每次雷达测量范围内矿粉堆的垂直高度，再结合抓取的策略可以保证每次抓取都较为安全，防止抓斗触地；(2)在保证作业较为高效和安全的情况下，避免驾驶员与安全员长期直接暴露于粉尘环境，减少有害工种工作量，保护了相关从业人员；(3)本发明采用调频连续波雷达，工作于毫米波波段，有较强的穿透性与较高的分辨率；(4)本发明的测距范围达到11m，精度±20mm。
附图说明
图1为本发明用于起伏平面矿产品自动装卸的精确测距装置的工作方式示意图。
图2为本发明用于起伏平面矿产品自动装卸的精确测距装置随抓斗雷达控制流程图。
图3为调频连续波雷达及信号处理示意图。
图4为本发明提高距离分辨率的算法流程图。
具体实施方式
本发明采用调频连续波雷达，工作于毫米波波段，有较强的穿透性与较高的分辨率。
由于矿粉扬尘环境，工作于红外激光波段的雷达频率过高，不满足波长远大于粉尘颗粒直径的条件。如果使用该波段的雷达，扬尘会引起折射或反射现象，导致信号的散射与衰减严重，从而产生过多的杂波干扰，使接收信号噪声较大，无法对距离进行准确测量。而较长波段的雷达虽能保证传播过程中信号的衰减较小，但无法避免定位精度不足的缺点。综合考虑，工作于毫米波波段的雷达为理想设备。
其次调频连续波雷达不同同于脉冲雷达与单频连续波雷达，它可以同时实现测距与测速功能。而脉冲雷达则只能实现测距功能，虽原理简单，但起伏平面使其回波信号复杂，只能设置极小波束角近似定点测距。单频连续波雷达则只能实现测速原理，无法实现本专利必需的测距功能。
在实际作业与探测过程中，由于探测表面非平坦表面，且雷达探测有一定角度。根据调频连续波雷达测距原理，在由频率谱转换得到的距离谱上，在一段连续距离上存在明显高于噪声幅度的较大值，表示在不同角度上对应的距离。其中幅度大小表示该距离在波束范围内的概率密度。由于每次抓取操作直接影响矿粉堆表面，导致其起伏情况复杂，定点测距不具备代表性，因而距离判定易产生严重误差，对装卸作业的效率与安全性产生严重威胁。
下面对本发明的装置及方法进行详细说明。
一种用于起伏平面矿产品自动装卸的测距装置，包括发射天线T1、两根接收天线R1、R2、线性调频信号发生器、混频器、信号采样单元、信号处理单元；其中，发射天线、接收天线、线性调频信号发生器、混频器、信号采样单元内嵌在雷达前端中；发射天线发射线性调频的连续波，两根接收天线接收信号，经过混频、采样之后，将数据传递给信号处理单元，得到平面反馈点的距离和角度信息，通过距离和角度利用三角函数求出矿粉堆的垂直高度和方位。
雷达波束的平面投射宽度与抓斗尺寸为同一数量级。
发射天线频段77GHz～81GHz。
一种用于起伏平面矿产品自动装卸的测距方法，包括以下步骤：
将堆积的矿产品区域划分为多个以抓斗展开大小为宽度的矩形区域，将二维空间的问题转化为一维处理；
在每个矩形的一维空间里面，抓斗在一定高度左右移动找到相对的最高点，作为抓取位置；
发射天线发射线性调频的连续波，两根接收天线接收信号，经过混频、采样之后，将数据传递给信号处理单元，得到平面反馈点的距离和角度信息，通过距离和角度利用三角函数求出该测量范围内，矿粉堆的垂直高度和方位；
水平移到该最高点的正上方，重复上述步骤，将两次测量点的垂直高度进行比较，若第一次测量点的测得高度较高，便进行抓矿作业；若第二次测量点的较高，则移动抓斗重复上述步骤。
雷达发射的波束为窄波束，雷达波束的平面投射宽度与抓斗尺寸为同一数量级，在信号处理中不需要忽略噪声。
若距离—幅度谱出现多个峰值，则选择垂直高度最高的点。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例
工作模型参照图1，一种基于方位测量雷达的矿产品测距方法，在一个宽度为抓斗展开为宽度的矩形空间内。抓斗在随机位置I探测矿产品，通过相应的测距和测角算法可以得到探测范围内垂直高度最高的点A，A点距离抓斗直线距离为d，距离平行移动轨迹的垂直高度为h，角度为δ；然后移动抓斗到A正上方，雷达再次探测矿产品，若存在点B垂直距离高于A，则重复上述步骤，若不存在B点的垂直距离高于A则抓斗开始抓取矿产品，整个过程的流程图如图2所示。
雷达为一发双收的线性调频雷达，如图3所示。由上位机控制数据读取，双通道数据均分为IQ两通道处理。
目标相对雷达与竖直的夹角角度测量值为：
式中c为光速，k为线性调频雷达的斜率常量，Δf为两通道的频率差，d0为两根天线之间的间距。
本发明采用一种提高精度的测距算法，算法流程图如图4所示，先通过FFT找到目标信号频率的范围，在这段范围内补零点再做FFT变换，这种测量频率的方法对于以前直接增加点数做FFT变换的优势在于：降低运算量，缩小数据处理的时间的同时，减小栅栏现象，可以更准确的提取差频信息，因此在一定程度上提高测距精度，由差频信号得到目标与雷达间的直线距离的公式为：
式中f为差频频率。
其中，在得到距离和角度信息后便可以计算出探测点的垂直高度：h＝dsinδ，并得到抓斗横向移动的距离：l＝dcosδ。
Claims (2)
1.一种用于起伏平面矿产品自动装卸的测距方法，其特征在于，该方法基于测距装置实现，测距装置包括发射天线、两根接收天线、线性调频信号发生器、混频器、信号采样单元、信号处理单元；其中，发射天线、接收天线、线性调频信号发生器、混频器、信号采样单元内嵌在雷达前端中；发射天线发射线性调频的连续波，两根接收天线接收信号，经过混频、采样后，将数据传递给信号处理单元，得到平面反馈点的距离和角度信息，通过距离和角度利用三角函数求出矿粉堆的垂直高度和方位；雷达波束的平面投射宽度与抓斗尺寸为同一数量级；测距方法包括以下步骤：
将堆积的矿产品区域划分为多个以抓斗展开大小为宽度的矩形区域，将二维空间的问题转化为一维处理；
在每个矩形的一维空间里面，抓斗在一定高度左右移动找到最高点，作为抓取位置；
发射天线发射线性调频的连续波，两根接收天线接收信号，经过混频、采样后，将数据传递给信号处理单元，得到平面反馈点的距离和角度信息，通过距离和角度利用三角函数求出测量范围内，矿粉堆的垂直高度和方位；
水平移到该最高点的正上方，重复上述步骤，将两次测量点的垂直高度进行比较，若第一次测量点的测得高度较高，进行抓矿作业；若第二次测量点的测得高度较高，则移动抓斗重复上述步骤；
雷达波束的平面投射宽度与抓斗尺寸为同一数量级；
目标相对雷达方向与竖直方向的夹角角度测量值为：
式中c为光速，k为线性调频雷达的斜率常量，Δf为两通道的频率差，d0为两根天线之间的间距。
2.根据权利要求1所述的用于起伏平面矿产品自动装卸的测距方法，其特征在于，目标与雷达间的直线距离的公式为：
式中f为差频频率；
探测点的垂直高度为：h＝d sinδ，抓斗横向移动的距离为：l＝d cosδ。
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