CN113715041B - 一种集运站火车车厢自主采样系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集运站火车车厢自主采样系统和方法，包括：UWB无线定位系统、车厢识别系统、自主采样机器人平台、远程操控台，能够自动建立采样编号、车厢编号、样品存储罐编号的关系表，提高了采样数据处理效率。可以使自主采样机器人平台自主导航行驶到待采样车厢，并能自动获得采样点的空间坐标，实现车厢全自动煤品采样，可简化采样工序，提高采样设备的智能化水平，避免了人为因素的影响，具有准确性高、效率高、耗时短的优点。

Description

一种集运站火车车厢自主采样系统和方法

技术领域

本发明属于煤炭采样技术领域，具体涉及一种集运站火车车厢自主采样系统和方法。

背景技术

煤炭分析是煤炭利用的基础，煤炭采样是煤炭分析化验前提，煤炭采样的目的，是获得一个组成和特性都能代表被采样批煤的试验煤样，或者说其试验结果能代表被采样批煤组成和特性的试验煤样。采样的基本原则是被采样批煤的所有颗粒都能进入采样设备，每一颗粒都有相等的几率被采入试样中。煤炭采样必须尽量具有真实性、代表性，必须按照一定的采样标准，确定采样的方法、采样的数量等。从一批煤中采取的总样数和每个总样的子样数及采样位置需根据煤炭采样标准确定。

采样是煤炭运输过程中的重要环节，现有煤炭集运站火车敞车车厢的采样方法，多采用人工手持采样铲按规定在不同的位置采取或人工操作机械采样设备进行采样，存在耗时长、效率低、人为影响因素多、准确性差等缺点。因此，如何提供一套尽可能少的人工干预的自主采样系统，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种集运站火车车厢自主采样系统和方法，实现集运站火车敞车车厢全自动煤品采样。

所采用的技术方案是：

一种集运站火车车厢自主采样系统，包括：UWB无线定位系统、车厢识别系统、自主采样机器人平台、远程操控台；

所述UWB无线定位系统包括若干个UWB无线基站和UWB定位标签，所述UWB定位标签安装在自主采样机器人平台中；所述UWB无线定位系统通过无线网络向远程操控台传送UWB无线基站与UWB定位标签之间的距离信息，远程操控台解算UWB定位标签坐标；

所述车厢识别系统包括车厢轮廓图像采集装置和车厢标识图像采集装置，用于采集车厢轮廓和车厢标识图像；并通过无线网络将采集到的图像传送给远程操控台，远程操控台从图像中识别车厢、进行车厢计数、识别车厢标识获取车厢编号，并进行车厢采样编号，建立采样编号与车厢编号、样品存储罐编号的关系表；

所述自主采样机器人平台包括采样机器人控制系统、前置激光扫描仪、车身摄像头、自主采样机器人本体、采样机械臂、样品存储罐，所述前置激光扫描仪安装于自主采样机器人本体的前端；所述车身摄像头安装于自主采样机器人本体靠近火车车厢的一侧，用于实时扫描火车车厢标识，并由采样机器人控制系统将识别到的车厢编号与远程操控台发来的关系表进行对比，以确定当前车厢的采样编号及样品存储罐编号；所述自主采样机器人本体上表面安装自主采样机器人本体UWB定位标签；所述采样机械臂竖直固定安装在自主采样机器人本体上表面，采样机械臂上端安装自主定位采样装置；所述采样机械臂上端固接采样机械臂UWB定位标签，所述自主定位采样装置上安装采样装置UWB定位标签；采样机器人控制系统根据远程操控台解算的UWB定位标签坐标和前置激光扫描仪实时采集的信息，控制自主采样机器人平台自主导航前进或停止、控制采样装置对待采样车厢内煤堆表面进行全覆盖扫描，采样机器人控制系统根据采样扫描激光扫描仪的三维扫描数据计算待采样车厢边沿特征点及车厢内煤堆表面栅格点的空间坐标值，采样机器人控制系统根据煤炭采样标准自主选择采样点并控制采样装置完成采样及将样品放入相应的样品存储罐。

优选的，所述UWB无线基站间隔均匀布置在集运站煤棚顶棚左检修马道和右检修马道上，实现火车封闭作业区域内UWB无线信号全覆盖。

优选的，所述车厢轮廓图像采集装置包括车厢识别装置支架、车厢识别和计数摄像头；所述车厢识别装置支架固定在运煤火车驶入端站台的地基上；所述车厢识别和计数摄像头安装在车厢识别装置支架顶部横梁上，安装高度高于火车车厢上沿，车厢识别和计数摄像头的朝向与火车轨道垂直，车厢识别和计数摄像头与水平方向成30度角俯视车厢顶部。

优选的，所述车厢标识图像采集装置包括车厢标识识别摄像头；车厢标识识别摄像头安装在车厢识别装置支架中部横梁上，安装高度低于火车车厢上沿，车厢标识识别摄像头的朝向与火车轨道垂直，车厢标识识别摄像头水平正对车厢有标识的侧面。

优选的，所述自主定位采样装置包括机械臂末端伸缩臂、机械臂末端旋转臂、基板；所述机械臂末端伸缩臂一端转动连接在采样机械臂的上端；所述机械臂末端伸缩臂的另一端与机械臂末端旋转臂的一端转动连接；所述机械臂末端旋转臂的另一端与基板转动连接；所述机械臂末端旋转臂通过铰链连接一个液压推杆；所述液压推杆的另一端与基板通过铰链连接；所述基板的中心安装采样执行机构和采样执行机构电机；所述样执行机构电机外壳固接在基板上表面，输出轴竖直向下；所述基板无铰链的一侧上表面固定安装采样装置UWB定位标签，下表面固定安装采样扫描激光扫描仪和采样扫描摄像机。

优选的，所述采样执行机构包括螺旋杆和外壳；所述外壳外表面固接在基板中心的通孔中；所述螺旋杆与采样执行机构电机的输出轴之间为可拆卸的固定连接。

优选的，所述采样机器人控制系统包括车厢匹配模块、运动控制模块、采样点寻址模块、无线通信模块；

所述车厢匹配模块用于识别车厢标识并与远程操控台发送来的关系表进行对比，找到与当前车厢标识匹配的车厢采样编号及样品存储罐编号；

所述运动控制模块，根据远程操控台解算的UWB定位标签坐标和前置激光扫描仪实时采集的信息，控制自主采样机器人平台自主导航前进或停止、控制采样装置对待采样车厢内煤堆表面进行全覆盖扫描、完成采样及将样品放入相应的样品存储罐；

所述采样点寻址模块，计算待采样车厢厢顶边沿特征点和待采样车箱内煤堆表面栅格点的空间坐标；

所述无线通信模块用于与远程操控台通信。

优选的，所述采样点寻址模块采用自主采样定位算法，用于计算待采样车厢厢顶边沿特征点和待采样车箱内煤堆表面栅格点的空间坐标，自主采样定位算法如下：

以平行于火车轨道，火车从左向右驶入集运站的方向为x轴正向，以垂直于火车轨道，远离站台地面的方向为y轴正向，以垂直向上指向天空的方向为z轴正向，以火车轨道与集运站煤棚左侧墙壁交点为坐标原点建立世界坐标系,分别确定煤棚顶棚左检修马道和右检修马道上安装的各UWB无线基站的世界坐标系下的空间坐标；

设采样装置UWB定位标签的空间坐标为(x₀,y₀,z₀)，采样扫描激光扫描仪的激光发射点的坐标为(x₂,y₂,z₂)，厢顶某特征点待求解的坐标为(x,y,z)，采样扫描激光扫描仪的激光发射点的坐标(x₂,y₂,z₂)为：

x₂＝x₀+d₅cos(90-θ₃-θ₄)

y₂＝y₀+d₅sin(90-θ₃-θ₄)

z₂＝z₀-h₃-h₄

待采样车厢厢顶某特征点和待采样车厢厢内煤堆表面栅格点待求解的坐标(x,y,z)为:

x＝x₂+lcos(α)cos(θ₃)

y＝y₂-lcos(α)sin(θ₃)

z＝z₂-lsin(α)

式中，(x₀,y₀,z₀)为采样装置UWB定位标签的空间坐标，可通过远程操控台解算采样装置UWB定位标签的空间坐标。h₃为采样装置UWB定位标签至基板的距离，h₄为采样扫描激光扫描仪的激光发射点至基板的距离，θ₃为基板轴线与y轴正向夹角，θ₄为采样扫描激光扫描仪的激光发射点与基板中轴线夹角，d₅为采样扫描激光扫描仪的激光发射点至UWB定位标签的距离，α为采样扫描激光扫描仪的某一反射激光束与水平面的夹角，l为采样扫描激光扫描仪的某一反射激光束的测量长度；

根据上述公式求出待采样车厢厢顶边沿特征点和待采样车箱内煤堆表面栅格点空间坐标，采样机器人控制系统根据煤炭采样标准在待采样车箱内煤堆表面栅格点空间坐标集中自主选取采样点，采样机器人控制系统控制采样装置自动运行至对应采样点进行采样作业。

本发明还提供一种集运站火车车厢自主采样方法，包括步骤：

S1、车厢识别系统进行车厢轮廓和车厢标识图像采集，并通过无线网络将采集到的图像传送给远程操控台，远程操控台从图像中识别车厢、进行车厢计数、识别车厢标识获取车厢编号，并进行车厢采样编号，建立采样编号与车厢编号、样品存储罐编号的关系表；

S2、远程操控台通过无线网络将采样编号与车厢编号、样品存储罐编号的关系表传输至自主采样机器人平台，并人工将自主采样机器人平台遥控行驶至火车头位置；

S3、UWB无线定位系统通过无线网络将UWB无线基站与采样机器人本体UWB定位标签、采样机械臂UWB定位标签、采样装置UWB定位标签之间的距离信息实时传送至远程操控台，远程操控台解算自主采样机器人本体UWB定位标签、采样机械臂UWB定位标签、采样装置UWB定位标签的空间坐标；

S4、远程操控台通过无线网络将解算出的自主采样机器人本体UWB定位标签、采样机械臂UWB定位标签、采样装置UWB定位标签的空间坐标实时传输至采样机器人控制系统；

S5、采样机器人控制系统根据前置激光扫描仪的激光扫描数据，再结合接收到的自主采样机器人本体UWB定位标签的坐标，通过自主导航算法，控制自主采样机器人平台保持与火车轨道平行向前自主行驶；

S6、采样机器人控制系统对车身摄像头实时拍摄的车厢标识图像进行识别，并将识别到的车厢编号与接收到的采样编号与车厢编号、样品存储罐编号的关系表进行对比，找到当前要采样的车厢编号，并确定该车厢的采样编号、样品存储罐编号，采样机器人控制系统控制自主采样机器人平台停止在当前待采样车厢区域；

S7、采样机器人控制系统控制采样装置完成待采样车厢三维扫描，采样机器人控制系统根据采样扫描激光扫描仪的三维扫描数据计算待采样车厢边沿特征点及车厢内煤堆表面栅格点的空间坐标值，采样机器人控制系统根据煤炭采样标准自主选择采样点并控制采样装置完成采样、将样品存入对应样品存储罐；

S8、自主采样机器人平台行驶至下一节待采样车厢，重复步骤S5-S7，直至采样完所有车厢，人工将自主采样机器人平台遥控驶离作业区。

优选的，所述采样机器人控制系统控制采样装置完成待采样车厢三维扫描的具体步骤为：

自主采样机器人平台首先通过远程操控台获取采样机器人平台本体UWB定位标签的空间坐标、采样装置UWB定位标签的空间坐标、采样机械臂UWB定位标签的空间坐标；

然后采样机器人控制系统根据采样机器人平台本体UWB定位标签的空间坐标、采样装置UWB定位标签的空间坐标、采样机械臂UWB定位标签的空间坐标之间的位置关系，控制机械臂末端伸缩臂、机械臂末端旋转臂和液压推杆协同运动，使自主定位采样装置的基板始终保持水平，使机械臂末端旋转臂与地面垂直，使机械臂末端伸缩臂与地面平行，然后控制机械臂末端旋转臂绕本身轴线旋转360°，进而使采样扫描激光扫描仪绕机械臂末端旋转臂轴线旋转360°，从而实现采样扫描激光扫描仪对待采样车厢边沿各特征点及待采样车厢内煤堆表面的全覆盖扫描。

本发明的有益效果体现在：

1、采用集运站火车车厢自主采样系统和方法，能够自动建立采样编号、车厢编号、样品存储罐编号的关系表，避免了人工建立数据关系表的繁琐工作，提高了采样数据处理效率。

2、本发明通过融合UWB无线定位系统、车厢识别系统、自主采样机器人平台的前置激光扫描仪和车身摄像头、自主采样机器人平台的采样扫描激光扫描仪采集的数据，可以使自主采样机器人平台自主导航行驶到待采样车厢，并能自动获得采样点的空间坐标，实现车厢全自动煤品采样，可简化采样工序，提高采样设备的智能化水平，避免了人为因素的影响，具有准确性高、效率高、耗时短的优点。

3、采样扫描摄像机能实现采样全程监控，以确保按照国家标准精确采样，为采样问题溯源提供依据。

4、采样点寻址模块采用自主采样定位算法，用于计算待采样车厢厢顶边沿特征点和待采样车箱内煤堆表面栅格点的空间坐标，该算法能够准确得到车厢厢顶边沿特征点和箱内煤堆表面栅格点的空间坐标，具有精度高、计算量小的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部件一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部件并不一定按照实际的比例绘制。

图1为集运站火车车厢自主采样系统架构图。

图2为采样机器人控制系统结构框图。

图3为集运站火车车厢自主采样系统部分结构示意图。

图中，301.UWB无线基站，302.左检修马道，305.右检修马道，307.车厢识别和计数摄像头，308.车厢标识，309.待采样车厢，310.采样装置UWB定位标签，311.采样机械臂UWB定位标签，312.车厢识别装置支架，313.车厢标识识别摄像头，314.火车轨道，315.自主采样机器人本体UWB定位标签，316.自主采样机器人平台，317.样品存储罐。

图4为集运站火车车厢自主采样方法的流程图。

图5为自主定位采样装置结构图。

图中，501.采样装置UWB定位标签，502.采样扫描激光扫描仪，503.采样扫描摄像机，504.采样执行机构，505.基板，506.机械臂末端旋转臂，507.机械臂末端伸缩臂，508.液压推杆，509.采样执行机构电机，510.螺旋杆。

图6为自主采样定位算法中部分坐标构建图。

图7为自主采样定位算法中另一视角的部分坐标构建图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种集运站火车车厢自主采样系统，包括：UWB无线定位系统、车厢识别系统、自主采样机器人平台、远程操控台。

如图3所示，所述UWB无线定位系统包括若干个UWB无线基站301和UWB定位标签，所述UWB定位标签安装在自主采样机器人平台中；所述UWB无线定位系统通过无线网络向远程操控台传送UWB无线基站与UWB定位标签之间的距离信息，远程操控台解算UWB定位标签坐标；远程操控台通过无线网络将解算的UWB定位标签坐标信息传送至自主采样机器人平台316。

如图3所示，所述车厢识别系统包括车厢轮廓图像采集装置和车厢标识图像采集装置，用于采集车厢轮廓和车厢标识308图像；并通过无线网络将采集到的图像传送给远程操控台，远程操控台从接收到的图像中识别车厢、进行车厢计数、识别车厢标识308获取车厢编号，并进行车厢采样编号，建立采样编号与车厢编号、样品存储罐317编号的关系表；具体实施是可以用车厢计数值作为采样编号，在关系表中采样编号和车厢编号、样品存储罐317编号为一一对应关系。远程操控台通过无线网络将关系表传输至自主采样机器人平台316。关系表通过远程操控台自动完成，避免了人工建立数据关系表的繁琐工作，并减少了人为因素可能造成的错误，提高了采样数据处理效率和准确率。

如图3所示，所述自主采样机器人平台316包括采样机器人控制系统、前置激光扫描仪、车身摄像头、自主采样机器人本体、采样机械臂、样品存储罐317，所述前置激光扫描仪安装于自主采样机器人本体的前端；所述车身摄像头安装于自主采样机器人本体靠近火车车厢的一侧，用于实时扫描火车车厢标识308，并由采样机器人控制系统将识别到的车厢编号与远程操控台发来的关系表进行对比，以确定当前车厢的采样编号，进而获得样品存储罐317编号；具体实施中，因为样品存储罐317相对于自主采样机器人平台316的位置是确定的，所以可以将每一个样品存储罐317在自主采样机器人平台316上的位置给予标定，提前计算好每一个样品存储罐317的坐标，并将坐标与样品存储罐317编号关联，建立样品存储罐317坐标表；所述自主采样机器人本体上表面安装自主采样机器人本体UWB定位标签315；所述采样机械臂竖直固定安装在自主采样机器人本体上表面，采样机械臂上端安装自主定位采样装置；所述采样机械臂上端固接采样机械臂UWB定位标签311，所述自主定位采样装置上安装采样装置UWB定位标签310；采样机器人控制系统根据远程操控台解算的UWB定位标签坐标和前置激光扫描仪实时采集的信息，控制自主采样机器人平台316自主导航前进或停止、控制采样装置对待采样车厢309内煤堆表面进行全覆盖扫描，采样机器人控制系统根据采样扫描激光扫描仪502的三维扫描数据计算待采样车厢309边沿特征点及车厢内煤堆表面栅格点的空间坐标值，采样机器人控制系统根据煤炭采样标准自主选择采样点并控制采样装置完成采样及将样品放入相应的样品存储罐317。煤炭采样标准是一项国家标准，其中规定了商品煤的采样方法，主要规定了取样点数目和在煤堆中分布。

优选的，如图3所示，所述UWB无线基站301间隔均匀布置在集运站煤棚顶棚左检修马道302和右检修马道305上，实现火车封闭作业区域内UWB无线信号全覆盖。具体实施中，可以在两侧检修马道上间隔100米，均匀布置UWB无线基站301，可以实现较优的无线信号覆盖。

优选的，如图3所示，所述车厢轮廓图像采集装置包括车厢识别装置支架312、车厢识别和计数摄像头307；所述车厢识别装置支架312固定在运煤火车驶入端站台的地基上；所述车厢识别和计数摄像头307安装在车厢识别装置支架312顶部横梁上，安装高度高于火车车厢上沿，车厢识别和计数摄像头307的朝向与火车轨道垂直，车厢识别和计数摄像头与水平方向成30度角俯视车厢顶部。

优选的，如图3所示，所述车厢标识图像采集装置包括车厢标识识别摄像头313；车厢标识识别摄像头313安装在车厢识别装置支架312中部横梁上，安装高度低于火车车厢上沿，车厢标识识别摄像头313的朝向与火车轨道垂直，车厢标识识别摄像头313水平正对车厢有标识的侧面。具体实施中，车厢标识识别摄像头313较好的安装高度为与车厢标识308等高。

优选的，如图5所示，所述自主定位采样装置包括机械臂末端伸缩臂507、机械臂末端旋转臂506、基板505；所述机械臂末端伸缩臂507一端转动连接在采样机械臂的上端；所述机械臂末端伸缩臂507的另一端与机械臂末端旋转臂506的一端转动连接；所述机械臂末端旋转臂506的另一端与基板505转动连接；所述机械臂末端旋转臂506通过铰链连接一个液压推杆508；所述液压推杆508的另一端与基板505通过铰链连接；所述基板505的中心安装采样执行机构504和采样执行机构电机509；所述采样执行机构电机509外壳固接在基板505上表面，输出轴竖直向下；所述基板505无铰链的一侧上表面固定安装采样装置UWB定位标签310，下表面固定安装采样扫描激光扫描仪502和采样扫描摄像机503。采样扫描摄像机503能实现采样过程全程监控录像，以确保按照国家标准精确采样，为采样问题溯源提供依据。

优选的，如图5所示，所述采样执行机构504包括螺旋杆510和外壳；所述外壳外表面固接在基板505中心的通孔中；所述螺旋杆510与采样执行机构电机509的输出轴之间为可拆卸的固定连接。所述螺旋杆510在采样时顺时针旋转，通过螺旋输送将指定采样点的煤压入采样执行机构504的外壳和螺旋杆510的空隙中；将样品存入储存罐317时逆时针旋转，将采样到的煤放入对应的样品存储罐317中。

优选的，如图2所示，所述采样机器人控制系统包括车厢匹配模块、运动控制模块、采样点寻址模块、无线通信模块；

所述车厢匹配模块用于识别车厢标识308并与远程操控台发送来的关系表进行对比，找到与当前车厢标识308匹配的车厢采样编号及样品存储罐317编号；

所述运动控制模块，根据远程操控台解算的UWB定位标签坐标和前置激光扫描仪实时采集的信息，控制自主采样机器人平台316自主导航前进或停止、控制采样装置对待采样车厢309内煤堆表面进行全覆盖扫描、完成采样及将样品放入相应的样品存储罐317；

所述采样点寻址模块，计算待采样车厢309厢顶边沿特征点和待采样车箱309内煤堆表面栅格点的空间坐标；该空间坐标的集合即为采样点的集合。

所述无线通信模块用于与远程操控台通信。

优选的，所述采样点寻址模块采用自主采样定位算法，用于计算待采样车厢309厢顶边沿特征点和待采样车箱309内煤堆表面栅格点的空间坐标，自主采样定位算法如下：

如图6和图7所示，以平行于火车轨道314，火车从左向右驶入集运站的方向为x轴正向，以垂直于火车轨道314，远离站台地面的方向为y轴正向，以垂直向上指向天空的方向为z轴正向，以火车轨道314与集运站煤棚左侧墙壁交点为坐标原点建立世界坐标系,分别确定煤棚顶棚左检修马道302和右检修马道305上安装的各UWB无线基站301的世界坐标系下的空间坐标；

设采样装置UWB定位标签310的空间坐标为(x₀,y₀,z₀)，采样扫描激光扫描仪502的激光发射点的坐标为(x₂,y₂,z₂)，厢顶某特征点待求解的坐标为(x,y,z)，采样扫描激光扫描仪310的激光发射点的坐标(x₂,y₂,z₂)为：

x₂＝x₀+d₅cos(90-θ₃-θ₄)

y₂＝y₀+d₅sin(90-θ₃-θ₄)

z₂＝z₀-h₃-h₄

待采样车厢309厢顶某特征点和待采样车厢309厢内煤堆表面栅格点待求解的坐标(x,y,z)为:

x＝x₂+lcos(α)cos(θ₃)

y＝y₂-lcos(α)sin(θ₃)

z＝z₂-lsin(α)

式中，(x₀,y₀,z₀)为采样装置UWB定位标签310的空间坐标，可通过远程操控台解算采样装置UWB定位标签310的空间坐标。h₃为采样装置UWB定位标签310至基板505的距离，h₄为采样扫描激光扫描仪502的激光发射点至基板505的距离，θ₃为基板505轴线与y轴正向夹角，θ₄为采样扫描激光扫描仪502的激光发射点与基板505中轴线夹角，d₅为采样扫描激光扫描仪502的激光发射点至采样装置UWB定位标签310的距离，α为采样扫描激光扫描仪502的某一反射激光束与水平面的夹角，l为采样扫描激光扫描仪502的某一反射激光束的测量长度；

根据上述公式求出待采样车厢309厢顶边沿特征点和待采样车箱309内煤堆表面栅格点空间坐标，该空间坐标的集合即为采样点的集合。采样机器人控制系统根据煤炭采样标准在待采样车箱309内煤堆表面栅格点空间坐标集中自主选取采样点，采样机器人控制系统控制采样装置自动运行至对应采样点进行采样作业。

如图4所示，本发明还提供一种集运站火车车厢自主采样方法，包括步骤：

S1、车厢识别系统进行车厢轮廓和车厢标识308图像采集，并通过无线网络将采集到的图像传送给远程操控台，远程操控台从图像中识别车厢并进行车厢计数、识别车厢标识308并获取车厢编号，然后对车厢进行采样编号，建立采样编号与车厢编号、样品存储罐317编号的关系表；关系表通过远程操控台自动完成，避免了人工建立数据关系表的繁琐工作，并减少了人为因素可能造成的错误，提高了采样数据处理效率和准确率。

S2、远程操控台通过无线网络将采样编号与车厢编号、样品存储罐317编号的关系表传输至自主采样机器人平台316，然后人工将自主采样机器人平台316遥控行驶至火车头位置；

S3、UWB无线定位系统通过无线网络将UWB无线基站301与采样机器人本体UWB定位标签315、采样机械臂UWB定位标签311、采样装置UWB定位标签310之间的距离信息实时传送至远程操控台，远程操控台解算自主采样机器人本体UWB定位标签315、采样机械臂UWB定位标签311、采样装置UWB定位标签310的空间坐标；

S4、远程操控台通过无线网络将解算出的自主采样机器人本体UWB定位标签315、采样机械臂UWB定位标签311、采样装置UWB定位标签310的空间坐标实时传输至采样机器人控制系统；

S5、采样机器人控制系统根据前置激光扫描仪的激光扫描数据，再结合接收到的自主采样机器人本体UWB定位标签315的坐标，通过自主导航算法，控制自主采样机器人平台316保持与火车轨道314平行向前自主行驶，遇到障碍物自动停止，障碍物移除后自动继续前行；

S6、采样机器人控制系统对车身摄像头实时拍摄的车厢标识308图像进行识别，并将识别到的车厢编号与接收到的采样编号与车厢编号、样品存储罐编号的关系表进行对比，找到当前要采样的车厢编号，并确定该车厢的采样编号、样品存储罐编号，采样机器人控制系统控制自主采样机器人平台316停止在当前待采样车厢区域；

S7、采样机器人控制系统控制采样装置完成待采样车厢309三维扫描，采样机器人控制系统根据采样扫描激光扫描仪502的三维扫描数据，并结合接收到的采样装置UWB定位标签310的空间坐标，按照自主采样定位算法，计算待采样车厢309边沿特征点及车厢内煤堆表面栅格点的空间坐标值，该空间坐标的集合即为采样点的集合。采样机器人控制系统根据煤炭采样标准自主选择采样点并控制采样装置完成采样、将样品存入采样编号对应的样品存储罐317，当前车厢采样完毕，自主采样机器人平台再次向前行驶；

S8、自主采样机器人平台316行驶至下一节待采样车厢309，重复步骤S5-S7，直至采样完所有车厢，人工将自主采样机器人平台316遥控驶离作业区。

优选的，所述采样机器人控制系统控制采样装置完成待采样车厢309三维扫描的具体步骤为：

自主采样机器人平台316首先通过远程操控台获取采样机器人平台本体UWB定位标签315的空间坐标、采样装置UWB定位标签310的空间坐标、采样机械臂UWB定位标签311的空间坐标；

然后采样机器人控制系统根据采样机器人平台本体UWB定位标签315的空间坐标、采样装置UWB定位标签310的空间坐标、采样机械臂UWB定位标签311的空间坐标之间的位置关系，控制机械臂末端伸缩臂507、机械臂末端旋转臂506和液压推杆508协同运动，使机械臂末端旋转臂506与地面垂直，使机械臂末端伸缩臂507与地面平行，使自主定位采样装置的基板505始终保持水平，然后控制机械臂末端旋转臂506绕本身轴线旋转360°，进而使采样扫描激光扫描仪502绕机械臂末端旋转臂506轴线旋转360°，从而实现采样扫描激光扫描仪502对待采样车厢309边沿各特征点及待采样车厢309内煤堆表面的全覆盖扫描。

本发明涉及地更具体的集运站火车车厢自主采样方法，在系统的操作描述中已有详细描述，在此不再赘述。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中；对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种集运站火车车厢自主采样系统，其特征在于，包括：UWB无线定位系统、车厢识别系统、自主采样机器人平台、远程操控台；

所述UWB无线定位系统包括若干个UWB无线基站和UWB定位标签，所述UWB定位标签安装在自主采样机器人平台中；所述UWB无线定位系统通过无线网络向远程操控台传送UWB无线基站与UWB定位标签之间的距离信息，远程操控台解算UWB定位标签坐标；

所述车厢识别系统包括车厢轮廓图像采集装置和车厢标识图像采集装置，用于采集车厢轮廓和车厢标识图像；并通过无线网络将采集到的图像传送给远程操控台，远程操控台从图像中识别车厢、进行车厢计数、识别车厢标识获取车厢编号，并进行车厢采样编号，建立采样编号与车厢编号、样品存储罐编号的关系表；

所述自主采样机器人平台包括采样机器人控制系统、前置激光扫描仪、车身摄像头、自主采样机器人本体、采样机械臂、样品存储罐，所述前置激光扫描仪安装于自主采样机器人本体的前端；所述车身摄像头安装于自主采样机器人本体靠近火车车厢的一侧，用于实时扫描火车车厢标识，并由采样机器人控制系统将识别到的车厢编号与远程操控台发来的关系表进行对比，以确定当前车厢的采样编号及样品存储罐编号；所述自主采样机器人本体上表面安装自主采样机器人本体UWB定位标签；所述采样机械臂竖直固定安装在自主采样机器人本体上表面，采样机械臂上端安装自主定位采样装置；所述采样机械臂上端固接采样机械臂UWB定位标签，所述自主定位采样装置上安装采样装置UWB定位标签；采样机器人控制系统根据远程操控台解算的UWB定位标签坐标和前置激光扫描仪实时采集的信息，控制自主采样机器人平台自主导航前进或停止、控制采样装置对待采样车厢内煤堆表面进行全覆盖扫描，采样机器人控制系统根据采样扫描激光扫描仪的三维扫描数据计算待采样车厢边沿特征点及车厢内煤堆表面栅格点的空间坐标值，采样机器人控制系统根据煤炭采样标准自主选择采样点并控制采样装置完成采样及将样品放入相应的样品存储罐。

2.根据权利要求1所述的集运站火车车厢自主采样系统，其特征在于：所述UWB无线基站间隔均匀布置在集运站煤棚顶棚左检修马道和右检修马道上，实现火车封闭作业区域内UWB无线信号全覆盖。

3.根据权利要求1所述的集运站火车车厢自主采样系统，其特征在于：所述车厢轮廓图像采集装置包括车厢识别装置支架、车厢识别和计数摄像头；所述车厢识别装置支架固定在运煤火车驶入端站台的地基上；所述车厢识别和计数摄像头安装在车厢识别装置支架顶部横梁上，安装高度高于火车车厢上沿，车厢识别和计数摄像头的朝向与火车轨道垂直，车厢识别和计数摄像头与水平方向成30度角俯视车厢顶部。

4.根据权利要求1所述的集运站火车车厢自主采样系统，其特征在于：所述车厢标识图像采集装置包括车厢标识识别摄像头；车厢标识识别摄像头安装在车厢识别装置支架中部横梁上，安装高度低于火车车厢上沿，车厢标识识别摄像头的朝向与火车轨道垂直，车厢标识识别摄像头水平正对车厢有标识的侧面。

5.根据权利要求1所述的集运站火车车厢自主采样系统，其特征在于：所述自主定位采样装置包括机械臂末端伸缩臂、机械臂末端旋转臂、基板；所述机械臂末端伸缩臂一端转动连接在采样机械臂的上端；所述机械臂末端伸缩臂的另一端与机械臂末端旋转臂的一端转动连接；所述机械臂末端旋转臂的另一端与基板转动连接；所述机械臂末端旋转臂通过铰链连接一个液压推杆；所述液压推杆的另一端与基板通过铰链连接；所述基板的中心安装采样执行机构和采样执行机构电机；所述采样执行机构电机外壳固接在基板上表面，输出轴竖直向下；所述基板无铰链的一侧上表面固定安装采样装置UWB定位标签，下表面固定安装采样扫描激光扫描仪和采样扫描摄像机。

6.根据权利要求5所述的集运站火车车厢自主采样系统，其特征在于：所述采样执行机构包括螺旋杆和外壳；所述外壳外表面固接在基板中心的通孔中；所述螺旋杆与采样执行机构电机的输出轴之间为可拆卸的固定连接。

7.根据权利要求1所述的集运站火车车厢自主采样系统，其特征在于：所述采样机器人控制系统包括车厢匹配模块、运动控制模块、采样点寻址模块、无线通信模块；

所述车厢匹配模块用于识别车厢标识并与远程操控台发送来的关系表进行对比，找到与当前车厢标识匹配的车厢采样编号及样品存储罐编号；

所述运动控制模块，根据远程操控台解算的UWB定位标签坐标和前置激光扫描仪实时采集的信息，控制自主采样机器人平台自主导航前进或停止、控制采样装置对待采样车厢内煤堆表面进行全覆盖扫描、完成采样及将样品放入相应的样品存储罐；

所述采样点寻址模块，计算待采样车厢厢顶边沿特征点和待采样车厢内煤堆表面栅格点的空间坐标；

所述无线通信模块用于与远程操控台通信。

8.根据权利要求7所述的集运站火车车厢自主采样系统，其特征在于：所述采样点寻址模块采用自主采样定位算法，用于计算待采样车厢厢顶边沿特征点和待采样车厢内煤堆表面栅格点的空间坐标，自主采样定位算法如下：

以平行于火车轨道，火车从左向右驶入集运站的方向为x轴正向，以垂直于火车轨道，远离站台地面的方向为y轴正向，以垂直向上指向天空的方向为z轴正向，以火车轨道与集运站煤棚左侧墙壁交点为坐标原点建立世界坐标系,分别确定煤棚顶棚左检修马道和右检修马道上安装的各UWB无线基站的世界坐标系下的空间坐标；

设采样装置UWB定位标签的空间坐标为(x₀，y₀，z₀)，采样扫描激光扫描仪的激光发射点的坐标为(x₂，y₂，z₂)，厢顶某特征点待求解的坐标为(x，y，z)，采样扫描激光扫描仪的激光发射点的坐标(x₂，y₂，z₂)为：

x₂＝x₀+d₅cos(90-θ₃-θ₄)

y₂＝y₀+d₅sin(90-θ₃-θ₄)

z₂＝z₀-h₃-h₄

待采样车厢厢顶某特征点和待采样车厢厢内煤堆表面栅格点待求解的坐标(x，y，z)为：

x＝x₂+lcos(α)cos(θ₃)

y＝y₂-lcos(α)sin(θ₃)

z＝z₂-lsin(α)

式中，(x₀，y₀，z₀)为采样装置UWB定位标签的空间坐标，可通过远程操控台解算采样装置UWB定位标签的空间坐标；h₃为采样装置UWB定位标签至基板的距离，h₄为采样扫描激光扫描仪的激光发射点至基板的距离，θ₃为基板轴线与y轴正向夹角，θ₄为采样扫描激光扫描仪的激光发射点与基板中轴线夹角，d₅为采样扫描激光扫描仪的激光发射点至UWB定位标签的距离，α为采样扫描激光扫描仪的某一反射激光束与水平面的夹角，l为采样扫描激光扫描仪的某一反射激光束的测量长度；

根据上述公式求出待采样车厢厢顶边沿特征点和待采样车厢内煤堆表面栅格点空间坐标，采样机器人控制系统根据煤炭采样标准在待采样车厢内煤堆表面栅格点空间坐标集中自主选取采样点，采样机器人控制系统控制采样装置自动运行至对应采样点进行采样作业。

9.一种集运站火车车厢自主采样方法，其特征在于：包括步骤：

S1、车厢识别系统进行车厢轮廓和车厢标识图像采集，并通过无线网络将采集到的图像传送给远程操控台，远程操控台从图像中识别车厢、进行车厢计数、识别车厢标识获取车厢编号，并进行车厢采样编号，建立采样编号与车厢编号、样品存储罐编号的关系表；

S2、远程操控台通过无线网络将采样编号与车厢编号、样品存储罐编号的关系表传输至自主采样机器人平台，并人工将自主采样机器人平台遥控行驶至火车头位置；

S3、UWB无线定位系统通过无线网络将UWB无线基站与采样机器人本体UWB定位标签、采样机械臂UWB定位标签、采样装置UWB定位标签之间的距离信息实时传送至远程操控台，远程操控台解算自主采样机器人本体UWB定位标签、采样机械臂UWB定位标签、采样装置UWB定位标签的空间坐标；

S4、远程操控台通过无线网络将解算出的自主采样机器人本体UWB定位标签、采样机械臂UWB定位标签、采样装置UWB定位标签的空间坐标实时传输至采样机器人控制系统；

S5、采样机器人控制系统根据前置激光扫描仪的激光扫描数据，再结合接收到的自主采样机器人本体UWB定位标签的坐标，通过自主导航算法，控制自主采样机器人平台保持与火车轨道平行向前自主行驶；

S6、采样机器人控制系统对车身摄像头实时拍摄的车厢标识图像进行识别，并将识别到的车厢编号与接收到的采样编号与车厢编号、样品存储罐编号的关系表进行对比，找到当前要采样的车厢编号，并确定该车厢的采样编号、样品存储罐编号，采样机器人控制系统控制自主采样机器人平台停止在当前待采样车厢区域；

S7、采样机器人控制系统控制采样装置完成待采样车厢三维扫描，采样机器人控制系统根据采样扫描激光扫描仪的三维扫描数据计算待采样车厢边沿特征点及车厢内煤堆表面栅格点的空间坐标值，采样机器人控制系统根据煤炭采样标准自主选择采样点并控制采样装置完成采样、将样品存入对应样品存储罐；

S8、自主采样机器人平台行驶至下一节待采样车厢，重复步骤S5-S7，直至采样完所有车厢，人工将自主采样机器人平台遥控驶离作业区。

10.根据权利要求9所述的集运站火车车厢自主采样方法，其特征在于：所述采样机器人控制系统控制采样装置完成待采样车厢三维扫描的具体步骤为：

自主采样机器人平台首先通过远程操控台获取采样机器人平台本体UWB定位标签的空间坐标、采样装置UWB定位标签的空间坐标、采样机械臂UWB定位标签的空间坐标；

然后采样机器人控制系统根据采样机器人平台本体UWB定位标签的空间坐标、采样装置UWB定位标签的空间坐标、采样机械臂UWB定位标签的空间坐标之间的位置关系，控制机械臂末端伸缩臂、机械臂末端旋转臂和液压推杆协同运动，使自主定位采样装置的基板始终保持水平，使机械臂末端旋转臂与地面垂直，使机械臂末端伸缩臂与地面平行，然后控制机械臂末端旋转臂绕本身轴线旋转360°，进而使采样扫描激光扫描仪绕机械臂末端旋转臂轴线旋转360°，从而实现采样扫描激光扫描仪对待采样车厢边沿各特征点及待采样车厢内煤堆表面的全覆盖扫描。

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