CN114084585A - 斗轮堆取料机的直行取料方法及装置 - Google Patents

斗轮堆取料机的直行取料方法及装置 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种斗轮堆取料机的直行取料方法及装置。包括：获取斗轮堆取料机的设备机械参数和基本运行数据；基于机器人运动学理论建立所述斗轮堆取料机的运动学模型；所述运动学模型用于表征所述斗轮堆取料机的角度与位置之间的关系；获取激光扫描仪的点云数据，生成目标料堆的三维模型，根据所述运动学模型得出所述目标料堆的边界位置信息；设置直行取料参数；基于预设的直行取料策略和所述目标料堆的边界位置信息，得到所述目标料堆的直行取料任务；根据所述直行取料任务，控制斗轮堆取料机执行取料动作。解决了前进取料和后退取料斗轮切割煤堆宽度的不同的问题，以保证取料流量。

Description

斗轮堆取料机的直行取料方法及装置
技术领域
本公开属于斗轮堆取料控制技术领域，具体涉及一种斗轮堆取料机的直行取料方法及装置。
背景技术
斗轮堆取料机是火力发电厂燃料系统常用设备。司机在司机室通过操作杆来操控堆取料机的行走、悬臂俯仰和回转动作，以达到堆料或者取料的目的。斗轮堆取料机常用的取料方式分为两种，即回转取料和直行取料，如图1所示。图1中，#1堆中虚线为回转取料时斗轮运动轨迹，#2堆中的虚线为直行取料时斗轮运动轨迹。回转取料是一种通过不断变化回旋角度以达到取料的目的。在同一取料高度，悬臂沿一个方向回旋至料堆边缘后，大车前进固定的寸动距离后再向反方向回旋直至料堆边缘，如此往复循环达到取料的目的。直行取料是一种通过不断变化大车位置以达到取料的目的。在同一取料高度，悬臂回旋至一个固定的取料角度后，大车沿一个方向前进至料堆边缘后，悬臂回旋至一个固定的取料角度，大车沿反方向后退至料堆边缘，如此往复循环达到取料的目的。
斗轮堆取料机作为燃料系统的重要设备，越来越多的火力发电厂已经改变传统人工堆取料作业方式，并引入自动化手段，实现斗轮堆取料机堆料、取料作业全过程的自动化。对于长度较大的条形煤场，直行取料为一种常用的取料方式。其难点在于取料时回转角度分部不均，且前进和后退取料时流量差异较大。如果直行取料每个取料点之间的回转角度差一致，则随着回转角度的逐渐变大取料流量逐渐变小，不能满足流量需求。而且在相同的回转角度时，后退取料比前进取料时切割煤堆宽度略小，如果不把前进取料和后退取料加以甄别，则导致后退取料时取料流量偏小，也不能达到维持流量的目的。
发明内容
本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种斗轮堆取料机的直行取料方法及装置。
本公开的一方面，提供一种斗轮堆取料机的直行取料方法，所述方法包括：
获取斗轮堆取料机的设备机械参数和基本运行数据；
根据所述设备机械参数和所述基本运行数据，基于机器人运动学理论建立所述斗轮堆取料机的运动学模型；所述运动学模型用于表征所述斗轮堆取料机的角度与位置之间的关系；
获取激光扫描仪的点云数据，生成目标料堆的三维模型，根据所述运动学模型得出所述目标料堆的边界位置信息；
设置直行取料参数，所述直行取料参数包括取料层数、寸进宽度、起始位置和终止位置中的至少一者；
基于预设的直行取料策略和所述目标料堆的边界位置信息，得到所述目标料堆的直行取料任务；
根据所述直行取料任务，控制斗轮堆取料机执行取料动作。
在一些实施方式中，所述基于机器人运动学理论建立所述斗轮堆取料机的运动学模型，包括：
定义斗轮堆取料机的坐标系，斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点到煤场原点坐标系中的齐次变换矩阵如式(1)所示：
Figure BDA0003352227710000021
其中，
Figure BDA0003352227710000022
为斗轮堆取料机轮斗中心坐标系原点在煤场原点坐标系中的旋转矩阵，0P4为斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点在煤场原点标系中的位置矢量，θ1为行走机构角度，θ2为悬臂回转角度，θ3为悬臂俯仰角度。
展开0P4，可得如下式(2)所示具体形式：
Figure BDA0003352227710000031
其中，px、py和pz为斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点在煤场坐标系当中的坐标值；利用式(2)反推出堆取料机到达煤场中任意一点需要的大车位置、回转角度和俯仰角度。
在一些实施方式中，所述根据所述运动学模型得出所述目标料堆的边界位置信息，包括：
根据所述目标料堆的三维模型，通过式(2)反推得到所述目标料堆的边界位置信息。
在一些实施方式中，所述基于预设的直行取料策略和所述目标料堆的边界位置信息，得到所述目标料堆的直行取料任务，包括：
相邻直行取料轨迹之间的回转角度之差按照如下公式(3)进行直行取料策略规划：
Figure BDA0003352227710000032
其中，θΔ为相邻直行取料轨迹之间的回转角度之差；θ4为斗轮中心和俯仰中心之间连线与悬臂皮带中心线之间的夹角，对于某一固定型号的堆取料机θ4为定值；L为设定的取料寸进宽度；N为当回转角度大于65°时堆取料机前进或者后退至边界取料次数。
通过公式(3)，并结合所述目标料堆的边界位置信息计算得到所述直行取料任务。
在一些实施方式中，所述根据所述直行取料任务，控制斗轮堆取料机执行取料动作，包括：
在执行过程中判断是前进取料还是后退取料；
当后退取料时，相邻直行取料轨迹之间的回转角度之差θΔ应该在原有的基础上加预设角度，以保证维持取料流量。
在一些实施方式中，回转角度为正时所述预设角度为+1°，回转角度为负时所述预设角度为-1°。
本公开的另一方面，提供一种斗轮堆取料机的直行取料装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取斗轮堆取料机的设备机械参数和基本运行数据；
建立模块，用于根据所述设备机械参数和所述基本运行数据，基于机器人运动学理论建立所述斗轮堆取料机的运动学模型；所述运动学模型用于表征所述斗轮堆取料机的角度与位置之间的关系；
计算模块，用于获取激光扫描仪点云数据，生成目标料堆的三维模型，根据所述运动学模型得出所述目标料堆的边界位置信息；
设置模块，用于设置直行取料参数，所述直行取料参数包括取料层数、寸进宽度、起始位置和终止位置中的至少一者；
所述计算模块，还用于基于预设的直行取料策略和所述目标料堆的边界位置信息，得到所述目标料堆的直行取料任务；
控制模块，用于根据所述直行取料任务，控制斗轮堆取料机执行取料动作。
在一些实施方式中，所述建立模块，具体还用于：
定义斗轮堆取料机的坐标系，斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点到煤场原点坐标系中的齐次变换矩阵如式(1)所示：
Figure BDA0003352227710000041
其中，
Figure BDA0003352227710000042
为斗轮堆取料机轮斗中心坐标系原点在煤场原点坐标系中的旋转矩阵，0P4为斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点在煤场原点标系中的位置矢量，θ1为行走机构角度，θ2为悬臂回转角度，θ3为悬臂俯仰角度。
展开0P4，可得如下式(2)所示具体形式：
Figure BDA0003352227710000051
其中，px、py和pz为斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点在煤场坐标系当中的坐标值；利用式(2)反推出堆取料机到达煤场中任意一点需要的大车位置、回转角度和俯仰角度。
本公开的另一方面，提供一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储单元，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，能使得所述一个或多个处理器实现根据前文记载的所述的方法。
本公开的另一方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能实现根据前文记载的所述的方法。
本公开的斗轮堆取料机的直行取料方法及装置，考虑堆取料机直行取料的特点，并以运动学数学模型为基础，提出了一种适用于条形煤场斗轮堆取料机的直行取料策略，满足了不同场地的生产需求。考虑堆取料机直行取料的特点，规划了一种直行取料策略。该策略不仅区分了不同回转角度下斗轮切割煤堆宽度的不同，而且还解决了前进取料和后退取料斗轮切割煤堆宽度的不同的问题，以保证取料流量。斗轮堆取料机直行取料策略丰富了堆取料机无人值守作业方式，提高了无人值守系统适用性。
附图说明
图1为斗轮堆取料机直行取料示意图；
图2为本公开一实施例的斗轮堆取料机的直行取料方法的流程图；
图3为本公开另一实施例的斗轮堆取料机坐标定义示意图；
图4为本公开另一实施例的斗轮堆取料机的直行取料装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。
本实施例的一方面，如图2和图3所示，涉及一种斗轮堆取料机的直行取料方法，所述方法包括：
S011、获取斗轮堆取料机的设备机械参数和基本运行数据等，如下表1所示：
表1
Figure BDA0003352227710000061
S012、根据所述设备机械参数和所述基本运行数据，基于机器人运动学理论建立所述斗轮堆取料机的运动学模型；所述运动学模型用于表征所述斗轮堆取料机的角度与位置之间的关系。
具体地，在本步骤中，机器人正向运动学即给定机器人各关节变量，计算机器人末端的位置姿态。逆运动学分析计算是指已知斗轮堆取料机悬臂端在走行平面坐标系或者煤场坐标系当中的位置矢量求解走行角度、回转角度、俯仰角度的过程。如图3所示，其为斗轮堆取料机连杆系统的坐标系示意图。其中，θ1、θ2和θ3分别为行走机构的角度、回转角度和俯仰角度，按照机器人运动学的定义，并利用斗轮堆取料机各连杆位置矢量关系计算得到各驱动机构的运动学模型。
示例性的，斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点到煤场原点坐标系中的齐次变换矩阵如式(1)所示：
Figure BDA0003352227710000071
其中，
Figure BDA0003352227710000072
为斗轮堆取料机轮斗中心坐标系原点在煤场原点坐标系中的旋转矩阵，0P4为斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点在煤场原点标系中的位置矢量，θ1为行走机构角度，θ2为悬臂回转角度，θ3为悬臂俯仰角度。
展开0P4，可得如下式(2)所示具体形式：
Figure BDA0003352227710000073
其中，px、py和pz为斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点在煤场坐标系当中的坐标值；利用式(2)反推出堆取料机到达煤场中任意一点需要的大车位置、回转角度和俯仰角度。
S013、自动取料开始之前，设定自动取料的任务信息，包括取料层数、寸进宽度、起始位置和终止位置等信息。进一步地，获取激光扫描仪的点云数据，生成目标料堆的三维模型，根据所述运动学模型得出所述目标料堆的边界位置信息。
具体地，在本步骤中，可以通过获取激光扫描仪的点云数据，进而生成目标料堆的三维模型。根据获得的所述三维模型，通过式(2)反推得到所述目标料堆的边界位置信息。
S014、启动自动取料任务。
S015、调用预设的直行取料策略，计算出直行取料任务并发送至PLC。
具体地，在本步骤中，根据预设的直行取料策略和所述目标料堆的边界位置信息，得到所述目标料堆的直行取料任务。
示例性的，如图1所示，斗轮堆取料机在回转取料和直行取料时斗轮的运动轨迹分别为#1堆和#2堆中的虚线所示。#2堆中沿堆取料机前进方向的虚线为规划完成的斗轮运动轨迹。由图1可以看出，虚线之间的间隔在远离堆取料机的一侧越来越小。相邻直行取料轨迹之间的回转角度之差按照如下策略规划：
Figure BDA0003352227710000081
其中，θΔ为相邻直行取料轨迹之间的回转角度之差；θ4为斗轮中心和俯仰中心之间连线与悬臂皮带中心线之间的夹角，对于某一固定型号的堆取料机θ4为定值；L为设定的取料寸进宽度；N为当回转角度大于65°时堆取料机前进或者后退至边界取料次数。
通过公式(3)，并结合三维模型计算出的料堆边界计算得到直行取料任务，并将直行取料任务发送至斗轮堆取料机PLC。
S016、PLC接收取料任务，控制斗轮堆取料机执行取料动作。
S017、判断直行取料是否到达料堆边界。如果到达边界进入S018，否则继续前进或者后退执行取料作业。
S018、判断堆取料机下一步取料是否前进取料。如果是后退取料进入S019，前进取料进入S020。
S019、下一步是后退取料，控制堆取料机悬臂在现有回转角度基础上回转θΔ±1°(回转角度为正时取+1°，回转角度为负时取-1°)。
S020、下一步是前进取料，控制堆取料机悬臂在现有回转角度基础上回转。
S021、控制堆取料机向相反方向继续下一个取料周期的作业。
S022、判断取料任务是否结束，如果结束作业进入S023，否则返回S017继续执行取料作业。
S023、取料作业结束。
本实施例的斗轮堆取料机的直行取料方法，考虑堆取料机直行取料的特点，并以运动学数学模型为基础，提出了一种适用于条形煤场斗轮堆取料机的直行取料策略，满足了不同场地的生产需求。考虑堆取料机直行取料的特点，规划了一种直行取料策略。该策略不仅区分了不同回转角度下斗轮切割煤堆宽度的不同，而且还解决了前进取料和后退取料斗轮切割煤堆宽度的不同的问题，以保证取料流量。斗轮堆取料机直行取料策略丰富了堆取料机无人值守作业方式，提高了无人值守系统适用性。
本公开的另一方面，如图4所示，提供一种斗轮堆取料机的直行取料装置100，该装置100可以适用于前文记载的方法，具体可以参考前文相关记载，在此不作赘述。所述装置100包括：
获取模块110，用于获取斗轮堆取料机的设备机械参数和基本运行数据；
建立模块120，用于根据所述设备机械参数和所述基本运行数据，基于机器人运动学理论建立所述斗轮堆取料机的运动学模型；所述运动学模型用于表征所述斗轮堆取料机的角度与位置之间的关系；
计算模块130，用于获取激光扫描仪的点云数据，生成目标料堆的料堆三维模型，根据所述运动学模型得出所述目标料堆的边界位置信息；
设置模块140，用于设置直行取料参数，所述直行取料参数包括取料层数、寸进宽度、起始位置和终止位置中的至少一者；
所述计算模块130，还用于基于预设的直行取料策略和所述目标料堆的边界位置信息，得到所述目标料堆的直行取料任务；
控制模块150，用于根据所述直行取料任务，控制斗轮堆取料机执行取料动作。
本实施例的斗轮堆取料机的直行取料装置，考虑堆取料机直行取料的特点，并以运动学数学模型为基础，提出了一种适用于条形煤场斗轮堆取料机的直行取料策略，满足了不同场地的生产需求。考虑堆取料机直行取料的特点，规划了一种直行取料策略。该策略不仅区分了不同回转角度下斗轮切割煤堆宽度的不同，而且还解决了前进取料和后退取料斗轮切割煤堆宽度的不同的问题，以保证取料流量。斗轮堆取料机直行取料策略丰富了堆取料机无人值守作业方式，提高了无人值守系统适用性。
在一些实施方式中，所述建立模块120，具体还用于：
定义斗轮堆取料机的坐标系，斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点到煤场原点坐标系中的齐次变换矩阵如式(1)所示：
Figure BDA0003352227710000101
其中，
Figure BDA0003352227710000102
为斗轮堆取料机轮斗中心坐标系原点在煤场原点坐标系中的旋转矩阵，0P4为斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点在煤场原点标系中的位置矢量，θ1为行走机构角度，θ2为悬臂回转角度，θ3为悬臂俯仰角度。
展开0P4，可得如下式(2)所示具体形式：
Figure BDA0003352227710000103
其中，px、py和pz为斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点在煤场坐标系当中的坐标值；利用式(2)反推出堆取料机到达煤场中任意一点需要的大车位置、回转角度和俯仰角度。
本公开的另一方面，提供一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储单元，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，能使得所述一个或多个处理器实现根据前文记载的所述的方法。
本公开的另一方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能实现根据前文记载的所述的方法。
其中，计算机可读介质可以是本公开的装置、设备、系统中所包含的，也可以是单独存在。
其中，计算机可读存储介质可是任何包含或存储程序的有形介质，其可以是电、磁、光、电磁、红外线、半导体的系统、装置、设备，更具体的例子包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、光纤、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件，或它们任意合适的组合。
其中，计算机可读存储介质也可包括在基带中或作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码，其具体的例子包括但不限于电磁信号、光信号，或它们任意合适的组合。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。

Claims (10)

1.一种斗轮堆取料机的直行取料方法，其特征在于，所述方法包括：
获取斗轮堆取料机的设备机械参数和基本运行数据；
根据所述设备机械参数和所述基本运行数据，基于机器人运动学理论建立所述斗轮堆取料机的运动学模型；所述运动学模型用于表征所述斗轮堆取料机的角度与位置之间的关系；
获取激光扫描仪的点云数据，生成目标料堆的三维模型，根据所述运动学模型得出所述目标料堆的边界位置信息；
设置直行取料参数，所述直行取料参数包括取料层数、寸进宽度、起始位置和终止位置中的至少一者；
基于预设的直行取料策略和所述目标料堆的边界位置信息，得到所述目标料堆的直行取料任务；
根据所述直行取料任务，控制斗轮堆取料机执行取料动作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于机器人运动学理论建立所述斗轮堆取料机的运动学模型，包括：
定义斗轮堆取料机的坐标系，斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点到煤场原点坐标系中的齐次变换矩阵如式(1)所示：
Figure FDA0003352227700000011
其中，
Figure FDA0003352227700000012
为斗轮堆取料机轮斗中心坐标系原点在煤场原点坐标系中的旋转矩阵，0P4为斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点在煤场原点标系中的位置矢量，θ1为行走机构角度，θ2为悬臂回转角度，θ3为悬臂俯仰角度；
展开0P4，可得如下式(2)所示具体形式：
Figure FDA0003352227700000021
其中，px、py和pz为斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点在煤场坐标系当中的坐标值；利用式(2)反推出堆取料机到达煤场中任意一点需要的大车位置、回转角度和俯仰角度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述运动学模型得出所述目标料堆的边界位置信息，包括：
根据所述目标料堆的三维模型，通过式(2)反推得到所述目标料堆的边界位置信息。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述基于预设的直行取料策略和所述目标料堆的边界位置信息，得到所述目标料堆的直行取料任务，包括：
相邻直行取料轨迹之间的回转角度之差按照如下公式(3)进行直行取料策略规划：
Figure FDA0003352227700000022
其中，θΔ为相邻直行取料轨迹之间的回转角度之差；θ4为斗轮中心和俯仰中心之间连线与悬臂皮带中心线之间的夹角，对于某一固定型号的堆取料机θ4为定值；L为设定的取料寸进宽度；N为当回转角度大于65°时堆取料机前进或者后退至边界取料次数。
通过公式(3)，并结合所述目标料堆的边界位置信息计算得到所述直行取料任务。
5.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述直行取料任务，控制斗轮堆取料机执行取料动作，包括：
在执行过程中判断是前进取料还是后退取料；
当后退取料时，相邻直行取料轨迹之间的回转角度之差θΔ应该在原有的基础上加预设角度，以保证维持取料流量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，回转角度为正时所述预设角度为+1°，回转角度为负时所述预设角度为-1°。
7.一种斗轮堆取料机的直行取料装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取斗轮堆取料机的设备机械参数和基本运行数据；
建立模块，用于根据所述设备机械参数和所述基本运行数据，基于机器人运动学理论建立所述斗轮堆取料机的运动学模型；所述运动学模型用于表征所述斗轮堆取料机的角度与位置之间的关系；
计算模块，用于获取激光扫描仪的点云数据，生成目标料堆的三维模型，根据所述运动学模型得出所述目标料堆的边界位置信息；
设置模块，用于设置直行取料参数，所述直行取料参数包括取料层数、寸进宽度、起始位置和终止位置中的至少一者；
所述计算模块，还用于基于预设的直行取料策略和所述目标料堆的边界位置信息，得到所述目标料堆的直行取料任务；
控制模块，用于根据所述直行取料任务，控制斗轮堆取料机执行取料动作。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述建立模块，具体还用于：
定义斗轮堆取料机的坐标系，斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点到煤场原点坐标系中的齐次变换矩阵如式(1)所示：
Figure FDA0003352227700000041
其中，
Figure FDA0003352227700000042
为斗轮堆取料机轮斗中心坐标系原点在煤场原点坐标系中的旋转矩阵，0P4为斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点在煤场原点标系中的位置矢量，θ1为行走机构角度，θ2为悬臂回转角度，θ3为悬臂俯仰角度。
展开0P4，可得如下式(2)所示具体形式：
Figure FDA0003352227700000043
其中，px、py和pz为斗轮堆取料机悬臂端坐标系原点在煤场坐标系当中的坐标值；利用式(2)反推出堆取料机到达煤场中任意一点需要的大车位置、回转角度和俯仰角度。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储单元，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，能使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1至6任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时能实现根据权利要求1至6任一项所述的方法。
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