CN113860000B - 一种智能变速均衡抛粮方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能变速均衡抛粮方法，应用于粮仓存储领域；针对现有的抛粮机器无法对对粮食抛出的方向和位置进行调整的问题；本发明在传统抛粮机器的传送带前端安装一个可控制转向转速的抛粮头并加装激光雷达来检测粮面，通过控制抛粮头的转向以及皮带转速，实现对抛粮过程的稳定控制；利用雷达实时扫描粮堆，以雷达反馈的数据来计算粮面平整度并且判断粮面平整度是否满足要求；如果粮面平整度不符合要求，找到低洼区域在粮堆上的位置并且计算补平该区域所需的粮食量，补平粮堆上的低洼区域。采用本发明方法可以实现在入粮过程中平整粮面的效果，并极大的提高了入粮效率。

Description

一种智能变速均衡抛粮方法

技术领域

本发明属于粮仓存储领域，特别涉及一种智能变速均衡抛粮技术。

背景技术

目前广泛使用的抛粮方法大都是借助多种抛粮设备搭建而成的系统，这种系统是由输粮传送带与送粮机器组装而成的。在抛粮开始前，确定一个抛粮机器的初始朝向和初始位置，当运粮车开始投放粮食时，抛粮机器按照设置好的方向持续抛粮，从而在粮库的这个方向上粮食会逐渐堆高，在这个过程中由于粮食颗粒的滚动以及抛粮时的散落，粮堆的高度最终会维持不变；此后需要粮工手动调整抛粮机器的位置和朝向，粮库中会形成多个高度基本一致的粮堆，当粮堆基本堆满整个粮库区域时，将抛粮机器和传送带退出粮库，粮工们开始在粮堆上工作，平整粮面。最后根据粮面的整体情况来判断是否要从粮库墙壁上的窗口进行补仓，当粮库中的粮食达到一定的高度，粮面也基本平整，就会在粮面上铺设走道板，便于后续粮库的监查。

当前所使用的抛粮方法存在如下问题：

一是当送粮车开始倾倒粮食过程中是不能中途停止的，这就需要传送带和抛粮机器一直持续工作，中间不能改变抛粮机器的朝向和位置，只有将当前运粮车中的粮食抛完后，再对粮食抛出的方向和位置进行调整，这容易导致粮面堆积，这样多车抛粮后，粮面就形成了多个山包，导致后面的粮面平整难度加大。

二是抛粮机器的朝向和位置需要粮工进行手动调整，在这个调整过程中需要工作人员重新设置各个传送带和抛粮机器的位置，由于都是大型机械，调整起来会非常麻烦，费时费力，且不能保证调整之后的整个抛粮系统的位置和朝向能够达到抛粮现场的要求，也容易导致粮面的大量堆积。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种智能变速均衡抛粮方法，在传统抛粮机器的传送带前端增加了一个可以控制转动方向和传送带转速的抛粮头，并且增加一个可以实时监测粮面状态的激光雷达。通过对抛粮头的转向以及皮带转速的控制，实现对抛粮过程的稳定控制。

本发明采用的技术方案为：一种智能变速均衡抛粮方法，在传统抛粮机器的第一传送带前端设置一个抛粮头，所述抛粮头包括可控制速度的第二传送带，所述抛粮头可以左右转动；在传统抛粮机器的第一传送带前端设置一个激光雷达；

所述方法具体采用均衡变速、旋转抛粮的抛粮模式；并通过激光雷达对整个抛粮过程进行实时监测反馈，判定当前粮面平整度，找到粮堆低洼区域并补平。

所述均衡变速、旋转抛粮的抛粮模式，具体包括以下分步骤：

S11、初始化，抛粮头以恒定角速度左右旋转，同时传送带以最低抛速开始运动；

S12、抛粮头左右旋转，到达极限位置时，传送带抛速增加1m/s；

S13、判断抛速是否达到最高抛速，若是则执行步骤S14，否则执行S12；

S14、抛粮头左右旋转，到达极限位置时，传送带抛速减小1m/s；

S15、判断抛速是否达到最低抛速，若是则通过激光雷达对整个抛粮过程进行实时监测反馈，判定当前粮面平整度，否则执行S14。

所述通过激光雷达对整个抛粮过程进行实时监测反馈，判定当前粮面平整度，具体包括以下分步骤：

S21、激光雷达扫描监测反馈回来的数据是二维数据，分别是激光雷达到测量点的俯仰角度和距离，将雷达数据从二维转化为三维深度矩阵；

S22、处理三维深度矩阵的噪声点；

S23、根据步骤S22处理后的三维深度矩阵计算粮堆的粮面平整度。

寻找粮堆低洼区域包括以下步骤：

A1、对矩阵中的非边界点，判断其是否同时小于其前、后、左、右四个相邻点的数据，若是则执行步骤S312，否则执行步骤A7；

A2、则该点为低洼区域的中心点，记其深度数据为h₁；

A3、找到该点所在行的各点的深度数据的众数h₂；

A4、找到该点所在列的各点的深度数据的众数h₃；

A5、计算低洼区域边缘点的深度数据，h＝(h₂+h₃)/2；

A6、计算低洼区域的半径：H＝h-h₁；

A7、判断是否还有非边界点没有进行判断，若有则返回执行步骤S311，否则结束。

补平粮堆低洼区域包括以下分步骤：

B1、选定一个低洼区域，进行初始化设置；

B2、抛粮；

B3、通过雷达扫面粮面状态，确定该低洼区域是否补平，若是则执行步骤B4；否则回到步骤B2，继续抛粮；

B4、判断是否还存在其他低洼区域，若存在，则返回步骤B1，否则结束抛粮。

本发明的有益效果：本发明的智能抛粮算法可以在抛粮阶段实现均衡变速、旋转抛粮，有利于平整粮面；并通过实时的雷达反馈，检测粮面状态，根据雷达反馈的数据，对抛粮过程进行调整，最终能够形成一个较为理想的粮面效果。

附图说明

图1为智能抛粮算法总体流程图；

图2为均衡变速旋转抛粮流程图；

图3为雷达数据三维坐标示意图；

图4为寻找低洼区域的流程图；

图5为补平粮堆低洼区域流程图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本发明在传统抛粮机器的传送带前端增加了一个可以控制转动方向和传送带转速的抛粮头，并且增加一个可以实时监测粮面状态的激光雷达，激光雷达固定在抛粮头的前端，除了可以跟随抛粮头进行左右旋转之外，激光雷达可以自行完成俯仰运动，范围为90度。通过对抛粮头的转向以及皮带转速的控制，实现对抛粮过程的稳定控制；利用雷达实时检测粮面，以雷达反馈回来的数据来判断粮面平整度是否达到要求；如果粮面平整度不符合要求，找到低洼区域在粮堆上的位置以及补平该区域所需的粮食量并补平低洼区域。

本发明中的抛粮头，是结合了电气组件最终可以通过设定好的程序完成自主控制的。抛粮头在结构上与抛粮机器是相互独立的，即本发明的方法控制的只是抛粮头部分。

所述抛粮头中包含一个小型传送带，可以控制这个小传送带的转速。粮食通过抛粮机器的传送带(抛粮机器的传送带的速度是不可调的)之后会被输送到抛粮头中的传送带上，通过这个传送带增大粮食抛出时的速度，这个速度会影响粮食沿同一方向抛出后的距离。

关于转动方向的控制：通过控制整个抛粮头，使其顺时针或逆时针转动，在这一过程中，传送带上的粮食会改变抛出后的方向。本发明的方法结合这两种控制模式实现对粮食抛出距离和方向的整体控制。

本发明的智能抛粮算法总体流程图如图1所示，包括：

S1、入粮过程开始后采用均衡变速、旋转抛粮的抛粮模式；

S2、通过激光雷达对整个抛粮过程进行实时监测反馈，判定当前粮面平整度是否满足要求，若不满足，则执行步骤S3；否则结束抛粮；

S3、找到粮堆低洼区域并补平，然后返回步骤S1。

步骤S1的具体实现过程为：在经过仿真得到抛粮速度与抛粮距离的对应关系之后，首先确定需要抛粮区域的位置和区域的长度、宽度数据，抛粮头在运粮车开始输送粮食之后开始执行均衡变速、旋转抛粮的抛粮模式。

均衡变速、旋转抛粮具体流程如图2所示，主要包括如下几步：

S11、初始化，抛粮头以恒定角速度左右旋转，同时传送带以最低抛速开始运动；

S12、抛粮头左右旋转，到达极限位置时，传送带抛速增加1m/s；

S13、判断抛速是否达到最高抛速，若是则执行步骤S14，否则执行S12；

S14、抛粮头左右旋转，到达极限位置时，传送带抛速减小1m/s；

S15、判断抛速是否达到最低抛速，若是则执行步骤S2，否则执行S14。

(1)在确定了整个需要抛粮的区域后，就可以确定在抛粮过程中抛粮头抛速的最低抛速和最高抛速，以及抛粮头转动的左、右极限位置；

关于最低抛速和最高抛速：结合前面的抛粮速度和抛粮距离的对应关系来进行说明，首先是在确定了抛粮区域之后，那么可以获得粮食从抛粮头抛出的最远距离和最近距离，进而得到对应的最高抛速和最低抛速。

关于左右极限位置：假设将抛粮头固定，此时通过该变抛粮头抛速，我们可以得到一道沿着抛粮头此时朝向的粮堆；为了实现对整个区域的覆盖，需要给抛粮头施加旋转运动，这个左右极限位置就是为了确保抛粮头不将粮食抛出规定区域外。

(2)关于初始化，抛粮头和传送带的运动方式是相互独立的，抛粮头初始化后的位置在左极限位置；

(3)根据抛粮头是否旋转到极限位置来改变传送带的速度；

(4)利用雷达扫描结果进行判断，如果当前粮面平整度指标不超过0.05m，则判定为符合要求，停止抛粮；否则判定为不符合要求，继续进入抛粮流程。

抛粮流程结束后，使用雷达扫描当前粮堆，获取雷达到粮堆各个测量点的俯仰角度和距离，后续对这些数据进行批量处理。

本领域的技术人员应知，本发明中测量点的俯仰角度和距离这两个数据结合起来可以得到测量点的位置(在抛粮区域上的位置，便于定位)和该测量点到地面的距离。

步骤S2的具体实现过程为：雷达数据处理的目的是为了计算当前粮堆粮面平整度。但是由于数据处理建立在雷达获取的现场数据的基础上，所以雷达数据需要进行转化、降噪、修补的前处理操作。包括以下分步骤：

S21、将雷达数据从二维转化为三维深度矩阵

激光雷达扫描监测反馈回来的数据是二维数据，分别是雷达到测量点的俯仰角度和距离S，距离S的单位为mm，在进行处理之前将距离数据的单位转化为m，方便后续处理。利用雷达反馈回来的数据来获取粮堆具体到每一个区域的深度信息。思路是将雷达数据转化为三维深度矩阵，这个矩阵的横纵坐标用来定位测量点的位置，对应点的元素值是雷达的位置距离测量点的垂直距离，需要进行处理才可以得到测量点的深度值。雷达的转动角度用θ来表示，雷达的扫描俯仰角用

来表示，如图3所示。

其中，x代表测量点的横轴坐标值，y代表粮堆三维坐标系中的纵轴坐标值，H代表雷达的位置到粮仓地面的垂直距离，h代表测量点的深度值(测量点距离粮仓地面的高度)。

对于整个抛粮区域而言，在实际的抛粮过程中，不需要使用到这个区域内所有点的深度数据，需要关注的是某一个区域内的整体深度情况。而且人类的肉眼分辨率为250mm，所以为了方便数据处理，取人眼可以辨别的数据量，每选取邻近的250个数据取其平均值代表这个区域的数据。

经过上述的数据处理可以得到测试区域的深度矩阵X。

深度矩阵的获取是建立在雷达扫描反馈的数据基础之上的，那么由于雷达本身的精度、抛粮现场的复杂环境，雷达数据可能会存在噪声点，影响后续的数据处理。

S22、处理三维深度矩阵的噪声点

首先标记整个深度矩阵X中的噪声点，根据整体数据进行判断，如果矩阵X中的某个数据点的数值远超出整体数据量级或者是远小于整体数据量级，则标记该数据点为异常点，例如数据点x_(m-1)2为异常点，则按照以下方式对异常点进行数值修补。

修补标记点的方法用下式计算：

其中，点(x,y)为标记点，点(i,j)为参考点，R为参考点构成的集合，W(i,j)为点(i,j)的权重，I(i,j)为点(i,j)的值，I(x,y)即为填补标记点(x,y)的所取的值。

权重值的选取很重要，取邻近参考点到标记点的距离的平方的倒数为加权系数：

统计需要修复的标记点，从深度矩阵的边界开始，对标记点进行修补，然后进入深度矩阵内，逐渐修补矩阵中的所有被标记点。经过这样的处理之后，矩阵中所有类似于x_(m-1)2的标记点会被重新赋值，形成新的矩阵X_new。

利用处理后的深度矩阵X_new进行当前粮面平整度判定。

S23、计算粮堆的粮面平整度

对深度矩阵X_new进行处理。得到能够对粮堆的粮面平整度进行判定的指标。

首先计算得出矩阵数据平均值：

在求得矩阵平均值的基础上计算矩阵数据的均方根误差：

根据现场采集的抛粮数据，均方根误差σ不超过0.05m，抛粮现场的粮面平整度就可以达到审核标准。如果当前粮面平整度达到审核要求，停止抛粮；如果当前粮面平整度无法达到审核要求，即粮堆上有低洼区域，需要找到这些低洼区域并计算出补平这些区域所需要的粮食量。

步骤S3的具体实现过程包括以下步骤：

S31、寻找粮堆低洼区域并计算补平需要的粮食量

当前粮面平整度无法达到审核要求，需要找到粮堆上的低洼区域并计算出补平这些区域所需要的粮食量，寻找低洼区域的流程如图4所示，包括以下分步骤：

S311、对矩阵X_new中的非边界点，判断其是否同时小于其前、后、左、右四个相邻点的数据，若是则执行步骤S312，否则执行步骤S317；

S312、则该点为低洼区域的中心点，记其深度数据为h₁；

S313、找到该点所在行的各点的深度数据的众数h₂；

S314、找到该点所在列的各点的深度数据的众数h₃；

S315、计算低洼区域边缘点的深度数据，h＝(h₂+h₃)/2；

S316、计算低洼区域的半径：H＝h-h₁；

S317、判断是否还有非边界点没有进行判断，若有则返回执行步骤S311，否则结束。经过上述流程处理后，可以获得低洼区域的中心点的坐标，以及低洼区域点的深度；

1.关于低洼区域的半径，根据多次现场抛粮得到的数据，可以将低洼区域近似为一个半球体，这个半球体的半径等于区域边缘点的深度数据与区域中心点的深度数据的差值。

在此基础上计算低洼区域体积：

填充这个低洼区域所需要粮食的重量为：

m＝ρ*Vkg

ρ为粮食的密度，公式中进行了单位换算，将矩阵数据的单位mm转换为m。结合抛粮头上的称重传感器，计算得到在一定的输粮速度下需要抛粮的时间，这里计算抛粮时间应被理解为在一定的输粮速度下补平低洼区域所需要的输粮时间，该时间用于确认是否达到补平该低洼区域所需粮食的总量，放置少粮或多粮。

S32、补平粮堆低洼区域

在确定了整个粮堆的低洼区域之后，需要对这些低洼区域进行补平，流程如图5所示，包括以下分步骤：

S321、选定一个低洼区域，进行初始化设置；

S322、抛粮；具体采用如步骤S1所述的均衡变速、旋转抛粮的抛粮模式；

S323、通过雷达扫面粮面状态，确定该低洼区域是否补平，若是则执行步骤S324；否则回到步骤S322，继续抛粮；本步骤中确定低洼区域是否补平的判断过程与步骤S21-S23相同；

S324、判断是否还存在其他低洼区域，若存在，则返回步骤S321，否则结束抛粮。

粮堆上可能有多个低洼区域，按照上述流程对它们一一补平；

步骤S321中的初始化，具体为：在选定对某一个低洼区域进行补平之后，就可以得到这个区域在粮堆上的位置以及其相对于抛粮机器的距离，需要设置抛粮头朝向粮堆的方向、传送带的速度、以及补平该区域的粮食量。

利用雷达扫描对补平后的粮面效果进行判断，同步骤S2的判断过程。

本发明的这种新的智能抛粮算法可以在抛粮阶段实现均衡变速、旋转抛粮，有利于平整粮面；并通过实时的雷达反馈，检测粮面状态，根据雷达反馈的数据，对抛粮过程进行调整，最终能够形成一个较为理想的粮面效果。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种智能变速均衡抛粮方法，其特征在于，在传统抛粮机器的第一传送带前端设置一个抛粮头，所述抛粮头包括可控制速度的第二传送带，所述抛粮头可以左右转动；在传统抛粮机器的第一传送带前端设置一个激光雷达；

所述方法具体采用均衡变速、旋转抛粮的抛粮模式；并通过激光雷达对整个抛粮过程进行实时监测反馈，判定当前粮面平整度，找到粮堆低洼区域并补平；寻找粮堆低洼区域包括以下步骤：

A1、对矩阵中的非边界点，判断其是否同时小于其前、后、左、右四个相邻点的数据，若是则执行步骤A2，否则执行步骤A7；

A2、则该点为低洼区域的中心点，记其深度数据为h₁；

A3、找到该点所在行的各点的深度数据的众数h₂；

A4、找到该点所在列的各点的深度数据的众数h₃；

A5、计算低洼区域边缘点的深度数据，h＝(h₂+h₃)/2；

A6、计算低洼区域的半径：H＝h-h₁；

A7、判断是否还有非边界点没有进行判断，若有则返回执行步骤A1，否则结束；

所述均衡变速、旋转抛粮的抛粮模式，具体包括以下分步骤：

S11、初始化，抛粮头以恒定角速度左右旋转，同时传送带以最低抛速开始运动；

S12、抛粮头左右旋转，到达极限位置时，传送带抛速增加1m/s；

S13、判断抛速是否达到最高抛速，若是则执行步骤S14，否则执行S12；

S14、抛粮头左右旋转，到达极限位置时，传送带抛速减小1m/s；

S15、判断抛速是否达到最低抛速，若是则通过激光雷达对整个抛粮过程进行实时监测反馈，判定当前粮面平整度，否则执行S14。

2.根据权利要求1所述的一种智能变速均衡抛粮方法，其特征在于，所述通过激光雷达对整个抛粮过程进行实时监测反馈，判定当前粮面平整度，具体包括以下分步骤：

S21、激光雷达扫描监测反馈回来的数据是二维数据，分别是激光雷达到测量点的俯仰角度和距离，将雷达数据从二维转化为三维深度矩阵；

S22、处理三维深度矩阵的噪声点；

S23、根据步骤S22处理后的三维深度矩阵计算粮堆的粮面平整度。

3.根据权利要求1所述的一种智能变速均衡抛粮方法，其特征在于，补平粮堆低洼区域包括以下分步骤：

B1、选定一个低洼区域，进行初始化设置；

B2、抛粮；

B3、通过雷达扫面粮面状态，确定该低洼区域是否补平，若是则执行步骤B4；否则回到步骤B2，继续抛粮；

B4、判断是否还存在其他低洼区域，若存在，则返回步骤B1，否则结束抛粮。

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