CN111453617A - 一种联合存储物料管理系统的无人抓斗定位方法 - Google Patents

Abstract

本专利介绍了一种联合存储物料管理系统的无人天车抓斗定位方法，包括以下步骤：一、联合存库系统来料的库存区域规划；二、对每个库区分区进行二次逻辑分区；三、物料空间位置测量；四、库区现场其他相关信号检测及采集传输；五、抓斗定位系统与下游生产工艺控制系统的接口；六、抓斗实时定位及作业流程。本发明的联合存储物料管理系统的无人天车抓斗定位方法，提高了联合储库系统自动化程度，大大降低了工作的作业强度，实现了对取料和卸料过程的精准控制以及高度的集成自动化，又实现了在尽量少的操作工人以及高度安全生产的前提下，创造出实在的经济效益。

Description

一种联合存储物料管理系统的无人抓斗定位方法

技术领域

本发明属于存储物料管理系统自动化控制技术领域，特别涉及一种联合存储物料管理系统的无人天车抓斗定位方法。

背景技术

水泥生产的原料由几种粉状或者颗粒状物料组成，为了生产连续运行，这几种原料需要有一定的存储量，并在正常生产时输送至原料配比和粉磨设备中。现场库区使用天车将库区粉状或者颗粒状物料送至输送库区的下料口，但由于物料属性问题，原料库区装卸料作业存在很大的问题：工作环境差、职业危害大；作业重复枯燥、工作强度大；人工作业效率低、人工费投入大；现有料管理系统，其抓斗定位方法，算法复杂，物料装运速度较慢；自动化程度低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种联合存储物料管理系统的无人天车抓斗定位方法，摒除复杂耗时的抓斗定位方法，能够实现无人天车取料目标位置的快速精准定位，简单实用，降低联合存储物料的成本，提高物料装运的速度，提高生产效率，改善工人的工作环境。

本发明所采用的技术方案是，一种联合存储物料管理系统的无人天车抓斗定位方法， 包括以下步骤：

一、联合存库系统来料的库存区域规划；

根据原料种类和下游需求进行分区数量设计，库区为矩形，存储多种原料；一种物料一个分区，大配比物料分区位于库区中间位置，配比次大物料距离较远，依次排列，所需配比小物料位于库区边缘，远离固定料斗区域；每个分区均设置一个固定下料斗，每个固定下料斗设置料位检测设备；每个库区分区均设置外部来料和抓斗取料作业的允许检测设备；将库区进行人为分区，由高于地面一定高度的挡墙进行分割，并有明确的分区标识进行标识（逻辑标识），形成分区边界数据；库区分区设置分区边界检测设备，便于天车抓斗边界检测定位使用；

二、对每个库区分区进行二次逻辑分区；

为了简化抓斗定位方法，对每个库区分区进行了二次逻辑分区；二次逻辑分区的面积大小与无人天车抓斗的水平面投影面积相等，抓斗在当前料种工作要求时段内，顺序按二次分区的大小改变抓斗取料目标位置的偏移量，获得下次抓取物料的水平坐标；

该水平坐标需要与分区边界检测设备的输出数据进行比对，确认没有超出边界，即当前水平坐标有效；再对每个二次分区的垂直坐标进行检索，获得垂直坐标；

三、物料空间位置测量；

数据采集：数据采集部分使用两台伺服电机各自驱动一台2D激光扫描仪完成该项功能，激光扫描仪实时扫描整个库区，得到物料料堆的二维点云数据；

数据通信：点云数据通过以太网通信上传至上位工控机；

数据处理：上位工控机读取到点云数据后进行数据处理，得到物料的空间位置数据，首先是二维数据转换为三维数据的坐标映射，得到一半的库区物料数据，其次要进行两个激光扫描仪的坐标拼接，获得整个库区物料空间位置数据，至此，得到完整的堆场三维坐标数据；

附加的数据分类：将完整的物料空间位置坐标进行分区划分，对该数据进行与库区分区相联系的处理，区分每组数据坐标所处的库区分区位置和编号，并给每组附带上分区编号，形成以分区为索引的数据结构；在此基础上，将各分区数据按二次逻辑分区进行二次分类；

四、库区现场其他相关信号检测及采集传输；

根据天车定位需要，分区边界检测设备信号、固定下料斗的料位检测设备信号、外部来料和抓斗取料作业的允许检测设备的信号，这些信号通过信号采集设备进入PLC处理器进行信号处理； PLC将这些经过处理的信号通过以太网送至抓斗定位系统使用；

五、抓斗定位系统与下游生产工艺控制系统的接口；

库区天车系统和下游生产工艺系统工艺流程上具有上下游关系，天车系统在前，生产工艺系统在后；为避免给料不稳，下游生产工艺系统设置有各种原料的中间缓冲仓，中间缓冲仓和库区固定下料斗间通过共用皮带连接；

天车抓斗实时作业任务来自于下游生产工艺实时生产需求；库区各原料分区固定下料斗均连接至共用皮带，共用皮带上设置无物料检测设备，将料斗内物料输送至远程各原料的中间缓冲仓，且每种物料各不相混，供下游生产工艺系统连续生产所用；下游生产工艺控制系统根据中间缓冲仓料位情况评估每种原料缺乏状态，并实时发布下游需物料种类及数量任务至天车定位系统，所有任务以先来先到的顺序发送；

无人天车抓斗定位系统与下游生产工艺控制系统的数据传递由各自系统工控机通过以太网通信完成，需传递原料种类和数量请求数据，共用皮带无物料检测设备的信号；

六、抓斗实时定位及作业流程；

天车定位系统通过接口收到下游原料输送任务后，系统按任务优先级确定原料种类，然后监测共用皮带上无物料检测设备信号和每个库区分区的外部来料和抓斗取料作业的允许检测设备信号，当共用皮带无物料且新物料外部来料和抓斗取料作业的允许检测设备位于关闭位置时，允许天车抓斗更换至不同于当前原料的原料分区；

定位完原料分区后，系统提取出本分区物料空间位置三维坐标数据，形成新的数据结构元素，然后定位抓斗在新物料分区的第一个初始位置，进行抓取物料作业；

抓斗在执行抓取任务时，下次取料目标位置（X或者Y方向）的偏移量永远为一个二次分区的大小，下次取料目标位置的Z值（垂直目标位置）为附加数据分类中的二次分类数据元素中的最大Z值，按如此方法逐次进行定位，抓斗在定位点和固定下料斗之间往复完成当前的物料抓取任务；

为了安全起见，系统需要根据库区分区边界检测设备的输出信号，校对当前水平位置是否越出分区边界；同时，需要监测固定下料斗的料位检测设备信号，料位高报警时，抓斗暂停抓取，直至报警消失。

具体的，所述的每个固定下料斗设置的料位检测设备为一高一低设置在固定下料斗上的两个料位开关。

具体的，所述的外部来料和抓斗取料作业的允许检测设备为每个库区门设置的限位开关。

具体的，所述的库区分区设置边界检测设备为激光测距仪。

具体的，所述的信号采集设备为信号采集模块。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

1、 无人天车代替人工操作天车，提高了联合储库系统自动化程度，大大降低了工作的作业强度，将作业人员从大粉尘、大噪声的强污染工作环境中解放出来，大大提高了作业效率、降低了人工成本，实现了无害全天候工作。

2、无人天车抓斗定位方法，通过对库区的分区，边界测量，料斗料位测量，以及下游的固定料斗料位测量，共用输送设备测量，定位抓斗库区大分区，按二次区域的逻辑划分结合激光扫描仪，完成天车抓斗的粗定位和精确定位。该方法简单、实用、高效，计算过程简单且易于软件实现，不牵涉复杂繁琐算法，适合工程上应用和推广。

3、新的无人天车抓斗定位方法，既实现了对取料和卸料过程的精准控制以及高度的集成自动化，又实现了在尽量少的操作工人以及高度安全生产的前提下，创造出实在的经济效益。

附图说明

图1为本专利的联合储库系统库区结构示意图。

图2为本专利的联合储库系统下游的工艺流程示意图。

图3为本专利的系统结构示意图。

图4为本专利的抓斗定位计算流程图。

图中：1-共用皮带，2-料1中间缓冲仓，3-料2中间缓冲仓，4-料3中间缓冲仓，5- 料4中间缓冲仓，6-料5中间缓冲仓，7-料6中间缓冲仓，8-1# — 6#料库区，9-固定下料斗，10-无物料检测设备，11-激光测距仪，12-激光扫描仪。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步解释说明，不能以此限定本发明的保护范围，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。

结合附图1-4的一种联合存储物料管理系统的无人天车抓斗定位方法， 包括以下步骤：

一、联合存库系统来料的库存区域规划；

联合储库系统库存区域规划按照六种物料规划，根据配比，库区面积90米*40米，规划为6个矩形分区，分别为1# — 6#料库区8；一种物料一个分区，大配比物料分区位于库区中间位置，配比次大物料距离较远，依次排列，所需配比小物料位于库区边缘，远离固定下料斗区域；每个分区均设置一个固定下料斗9，每个固定下料斗一高一低设置两个vega CAP62系列的料位开关；每个库区分区均设置库区门限位开关；将库区进行人为分区，由高于地面一定高度的挡墙进行分割，并有明确的分区标识进行标识（逻辑标识），形成分区边界数据；库区分区设置激光测距仪11，便于天车抓斗边界检测定位使用。

二、对每个库区分区进行二次逻辑分区；

为了简化抓斗定位方法，对每个库区分区进行了二次逻辑分区；二次逻辑分区的面积大小与无人天车抓斗的水平面投影面积相等，抓斗在当前料种工作要求时段内，顺序按二次分区的大小改变抓斗取料目标位置的偏移量，获得下次抓取物料的水平坐标；

该水平坐标需要与激光测距仪的输出数据进行比对，确认没有超出边界，即当前水平坐标有效；再对每个二次分区的垂直坐标进行检索，获得垂直坐标。

三、物料空间位置测量；

数据采集：数据采集部分使用两台伺服电机各自驱动一台SICK LMS511型号的2D激光扫描仪12完成该项功能，距离可用达到80米，支持以太网通信，激光扫描仪实时扫描整个库区，得到物料料堆的二维点云数据；

数据通信：物料料堆的二维点云数据通过以太网通信上传至上位工控机；上位工控机采用一台DELL OptiPlex 7000系列电脑；上位工控机运行实现PLC数据与工控机通信、激光扫描仪数据处理与天车抓斗作业任务管理；PLC与上位工控机之间的通信使用无线以太网，1200-PLC配置无线通信模块W788，实现同工控机进行无线数据传输；与工艺控制系统接口通过工控机自带的RJ_45网口实现；

数据处理：上位工控机读取到点云数据后进行数据处理，得到物料的空间位置数据，首先是二维数据转换为三维数据的坐标映射，得到一半的库区物料数据，其次要进行两个激光扫描仪的坐标拼接，获得整个库区物料空间位置数据，至此，得到完整的堆场三维坐标数据；

附加的数据分类：将完整的物料空间位置坐标进行分区划分，对该数据进行与库区分区相联系的处理，区分每组数据坐标所处的库区分区位置和编号，并给每组附带上分区编号，形成以分区为索引的数据结构；在此基础上，将各分区数据按二次逻辑分区进行二次分类。

四、库区现场其他相关信号检测及采集传输；

根据天车定位需要，采集激光测距仪11、料位开关、限位开关信号，这些信号通过西门子1200系列的信号采集模块进入西门子1200系列PLC处理器进行信号处理； PLC将这些经过处理的信号通过以太网送至抓斗定位系统使用。

五、抓斗定位系统与下游生产工艺控制系统的接口；

库区天车系统和下游生产工艺系统工艺流程上具有上下游关系，天车系统在前，生产工艺系统在后；为避免给料不稳，下游生产工艺系统设置有各种原料的中间缓冲仓2-7，中间缓冲仓2-7和库区固定下料斗9间通过共用皮带1连接；

天车抓斗实时作业任务来自于下游生产工艺实时生产需求；库区各原料分区固定下料斗均连接至共用皮带1，共用皮带1上设置无物料检测设备10，将料斗内物料输送至远程各原料的中间缓冲仓2-7，且每种物料各不相混；供下游生产工艺系统连续生产所用；下游生产工艺控制系统根据中间缓冲仓2-7料位情况评估每种原料缺乏状态，并实时发布下游需物料种类及数量任务至天车定位系统，所有任务以先来先到的顺序发送；

无人天车抓斗定位系统与下游生产工艺控制系统的数据传递由各自系统工控机通过以太网通信完成，需传递原料种类和数量请求数据，共用皮带1无物料检测设备10的信号。

六、抓斗实时定位及作业流程；

天车定位系统通过接口收到下游原料输送任务后，系统按任务优先级确定原料种类，然后监测共用皮带1的无物料检测设备10的信号和每个库区分区的限位开关信号，当共用皮带1无物料且新物料分区的限位开关位于关闭位置时，允许天车抓斗更换至不同于当前原料的原料分区；

定位完原料分区后，系统提取出本分区物料空间位置三维坐标数据，形成新的数据结构元素，然后定位抓斗在新物料分区的第一个初始位置，进行抓取物料作业；

抓斗在执行抓取任务时，下次取料目标位置（X或者Y方向）的偏移量永远为一个二次分区的大小，下次取料目标位置的Z值（垂直目标位置）为附加数据分类中的二次分类数据元素中的最大Z值，按如此方法逐次进行定位，抓斗在定位点和固定下料斗之间往复完成当前的物料抓取任务；

为了安全起见，系统需要根据激光测距仪11的信号，校对当前水平位置是否越出分区边界；同时，需要实时监测每个固定下料斗9的料位开关，料位高报警时，抓斗暂停抓取，直至报警消失。

本发明未详述部分为现有技术。

为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当下认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (5)

1.一种联合存储物料管理系统的无人天车抓斗定位方法，其特征在于： 包括以下步骤：

一、联合存库系统来料的库存区域规划；

根据原料种类和下游需求进行分区数量设计，库区为矩形，存储多种原料；一种物料一个分区，大配比物料分区位于库区中间位置，配比次大物料距离较远，依次排列，所需配比小物料位于库区边缘，远离固定料斗区域；每个分区均设置一个固定下料斗，每个固定下料斗设置料位检测设备；每个库区分区均设置外部来料和抓斗取料作业的允许检测设备；将库区进行人为分区，由高于地面一定高度的挡墙进行分割，并有明确的分区标识进行标识（逻辑标识），形成分区边界数据；库区分区设置分区边界检测设备，便于天车抓斗边界检测定位使用；

二、对每个库区分区进行二次逻辑分区；

为了简化抓斗定位方法，对每个库区分区进行了二次逻辑分区；二次逻辑分区的面积大小与无人天车抓斗的水平面投影面积相等，抓斗在当前料种工作要求时段内，顺序按二次分区的大小改变抓斗取料目标位置的偏移量，获得下次抓取物料的水平坐标；

该水平坐标需要与分区边界检测设备的输出数据进行比对，确认没有超出边界，即当前水平坐标有效；再对每个二次分区的垂直坐标进行检索，获得垂直坐标；

三、物料空间位置测量；

数据采集：数据采集部分使用两台伺服电机各自驱动一台2D激光扫描仪完成该项功能，激光扫描仪实时扫描整个库区，得到物料料堆的二维点云数据；

数据通信：点云数据通过以太网通信上传至上位工控机；

数据处理：上位工控机读取到点云数据后进行数据处理，得到物料的空间位置数据，首先是二维数据转换为三维数据的坐标映射，得到一半的库区物料数据，其次要进行两个激光扫描仪的坐标拼接，获得整个库区物料空间位置数据，至此，得到完整的堆场三维坐标数据；

附加的数据分类：将完整的物料空间位置坐标进行分区划分，对该数据进行与库区分区相联系的处理，区分每组数据坐标所处的库区分区位置和编号，并给每组附带上分区编号，形成以分区为索引的数据结构；在此基础上，将各分区数据按二次逻辑分区进行二次分类；

四、库区现场其他相关信号检测及采集传输；

根据天车定位需要，分区边界检测设备信号、固定下料斗的料位检测设备信号、外部来料和抓斗取料作业的允许检测设备的信号，这些信号通过信号采集设备进入PLC处理器进行信号处理； PLC将这些经过处理的信号通过以太网送至抓斗定位系统使用；

五、抓斗定位系统与下游生产工艺控制系统的接口；

库区天车系统和下游生产工艺系统工艺流程上具有上下游关系，天车系统在前，生产工艺系统在后；为避免给料不稳，下游生产工艺系统设置有各种原料的中间缓冲仓，中间缓冲仓和库区固定下料斗间通过共用皮带连接；

天车抓斗实时作业任务来自于下游生产工艺实时生产需求；库区各原料分区固定下料斗均连接至共用皮带，共用皮带上设置无物料检测设备，将料斗内物料输送至远程各原料的中间缓冲仓，且每种物料各不相混，供下游生产工艺系统连续生产所用；下游生产工艺控制系统根据中间缓冲仓料位情况评估每种原料缺乏状态，并实时发布下游需物料种类及数量任务至天车定位系统，所有任务以先来先到的顺序发送；

无人天车抓斗定位系统与下游生产工艺控制系统的数据传递由各自系统工控机通过以太网通信完成，需传递原料种类和数量请求数据，共用皮带无物料检测设备的信号；

六、抓斗实时定位及作业流程；

天车定位系统通过接口收到下游原料输送任务后，系统按任务优先级确定原料种类，然后监测共用皮带上无物料检测设备信号和每个库区分区的外部来料和抓斗取料作业的允许检测设备信号，当共用皮带无物料且新物料外部来料和抓斗取料作业的允许检测设备位于关闭位置时，允许天车抓斗更换至不同于当前原料的原料分区；

定位完原料分区后，系统提取出本分区物料空间位置三维坐标数据，形成新的数据结构元素，然后定位抓斗在新物料分区的第一个初始位置，进行抓取物料作业；

抓斗在执行抓取任务时，下次取料目标位置（X或者Y方向）的偏移量永远为一个二次分区的大小，下次取料目标位置的Z值（垂直目标位置）为附加数据分类中的二次分类数据元素中的最大Z值，按如此方法逐次进行定位，抓斗在定位点和固定下料斗之间往复完成当前的物料抓取任务；

为了安全起见，系统需要根据库区分区边界检测设备的输出信号，校对当前水平位置是否越出分区边界；同时，需要监测固定下料斗的料位检测设备信号，料位高报警时，抓斗暂停抓取，直至报警消失。

2.根据权利要求1所述的联合存储物料管理系统的无人天车抓斗定位方法，其特征在于：所述的每个固定下料斗设置的料位检测设备为一高一低设置在固定下料斗上的两个料位开关。

3.根据权利要求1所述的联合存储物料管理系统的无人天车抓斗定位方法，其特征在于：所述的外部来料和抓斗取料作业的允许检测设备为每个库区门设置的限位开关。

4.根据权利要求1所述的联合存储物料管理系统的无人天车抓斗定位方法，其特征在于：所述的库区分区设置边界检测设备为激光测距仪。

5.根据权利要求1所述的联合存储物料管理系统的无人天车抓斗定位方法，其特征在于：所述的信号采集设备为信号采集模块。

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