CN114084621A - 一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞系统及方法。系统包括：空间定位单元、机构定位单元以及控制单元。空间定位单元包括设置于抓斗卸船机塔头区域的天线和数据接收机；机构定位单元包括设置于臂架绞点的臂架俯仰角度定位装置、设置于司机室顶部的司机室位移定位装置以及设置于机房的抓斗位置定位装置；控制单元包括PLC控制器、以太网通讯模块以及DP通讯模块；所述PLC控制器根据抓斗卸船机整机定位信息建立空间三维坐标系，同时将抓斗卸船机关注机构定位信息加入所述空间三维坐标系中从而进行碰撞预警。本发明极大增强了抓斗卸船机运行的安全性及可靠性。

Description

一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞系统及方法
技术领域
本发明涉及散料码头抓斗卸船机设备，具体而言，尤其涉及一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞系统及方法。
背景技术
目前，抓斗卸船机的防碰撞保护功能基本是基于限位开关、激光测距、毫米波雷达等常规检测手段来实现，不可避免的存在一些检测盲点，从而导致抓斗卸船机碰撞事故的发生，给散料码头的日常使用和维护管理造成了极大地安全隐患。因此急需一种安全可靠的抓斗卸船机整体防撞系统，以保证其运行的安全、可靠。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明提供一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞系统，基于空间定位技术实现抓斗卸船机的精确定位，同时结合抓斗卸船机定位数据以及抓斗卸船机本身的结构尺寸，构建空间上的抓斗卸船机位置及姿态模型，再结合所相关设备的空间位置数据信息进行分析运算，从而实现对抓斗卸船机的整体防撞保护。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞系统，包括：
基于北斗空间定位技术获取抓斗卸船机整机定位信息的空间定位单元，所述空间定位单元包括设置于抓斗卸船机塔头区域的天线和数据接收机；
用于获取抓斗卸船机各机构定位信息的机构定位单元，所述机构定位单元包括设置于臂架绞点的臂架俯仰角度定位装置、设置于司机室顶部的司机室位移定位装置以及设置于机房的抓斗位置定位装置；
以及一方面通过以太网通讯的方式与所述空间定位单元通信连接、另一方面通过以太网通讯及Profibus DP通讯的方式与机构定位单元通信连接的控制单元，所述控制单元包括PLC控制器、以太网通讯模块以及DP通讯模块；
所述PLC控制器根据抓斗卸船机整机定位信息建立空间三维坐标系，同时将抓斗卸船机关注机构定位信息加入所述空间三维坐标系中从而进行碰撞预警。
进一步地，所述臂架俯仰角度定位装置为倾角仪，其用于检测臂架俯仰运行角度并发送至PLC控制器；
所述司机室位移定位装置为司机室绝对值编码器，其用于获取司机室定位数据并发送至PLC控制器；
所述抓斗位置定位装置包括起升绝对值编码器及小车绝对值编码器，其中起升绝对值编码器用于获取抓斗起升数据并发送至PLC控制器，所述小车绝对值编码器用于获取小车机构定位数据并发送至PLC控制器。
进一步地，所述控制单元还用于通过以太网通讯接收码头中控系统所提供的相邻设备以及船舶空间位置数据信息，并将相邻设备空间位置数据信息以及船舶空间位置数据信息加入所述空间三维坐标系中从而进行碰撞预警。
本发明还提供一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞方法，基于上述抓斗卸船机防撞系统实现，包括以下步骤：
获取空间定位单元输出的抓斗卸船机整机定位信息，并基于所述抓斗卸船机整机定位信息建立空间三维坐标系，所述空间三维坐标系的X轴沿大车轨道水平方向延伸，Y轴沿垂直大车轨道水平方向延伸，Z轴沿竖直方向延伸；
获取抓斗卸船机各机构定位信息，结合抓斗卸船机实际尺寸建立抓斗卸船机空间模型，将所述抓斗卸船机空间模型融入至所述空间三维坐标系中；
通过码头中控系统获取相邻设备以及船舶空间位置数据信息并融入至所述空间三维坐标系中；
基于所述空间三维坐标系中的抓斗卸船机整机定位信息、抓斗卸船机空间模型、相邻设备以及船舶空间位置数据信息构建碰撞预警模型；
抓斗卸船机运行时根据所述碰撞应模型进行碰撞提示和动作。
进一步地，抓斗卸船机运行时根据所述碰撞应模型进行碰撞提示和动作，包括：大车运行状态下，控制单元通过实时监测所述空间三维坐标系中的数据判断碰撞风险，当风险超过阈值则发出碰撞告警并中断大车运行动作：
根据相邻设备空间位置数据信息以及抓斗卸船机各机构定位信息进行卸船机同相邻设备之间的碰撞预警；
根据船舶空间位置数据信息以及抓斗卸船机各机构定位信息进行卸船机同船舶之间的碰撞预警。
进一步地，抓斗卸船机运行时根据所述碰撞应模型进行碰撞提示和动作，包括：臂架俯仰下降运行状态下，控制单元通过实时监测所述空间三维坐标系中的数据判断碰撞风险，当风险超过阈值则发出碰撞告警并中断大车运行动作：
根据船舶空间位置数据信息、邻设备空间位置数据信息以及机构定位单元所提供的臂架俯仰机构定位数据信息进行卸船机同船舶及相邻设备之间的碰撞预警。
进一步地，抓斗卸船机运行时根据所述碰撞应模型进行碰撞提示和动作，包括：臂架水平司机室运行状态下，控制单元通过实时监测所述空间三维坐标系中的数据判断碰撞风险，当风险超过阈值则发出碰撞告警并中断大车运行动作：
根据船舶空间位置数据信息、邻设备空间位置数据信息以及机构定位单元所提供的司机室机构定位数据信息进行卸船机同船舶及相邻设备之间的碰撞预警。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞系统，通过采用空间定位技术实现抓斗卸船机整体的防碰撞保护，无检测盲点，安全性可靠性高。同时本技术又可与基于限位开关、激光测距、毫米波雷达等检测手段的常规防撞保护技术相融合，形成控制上的冗余保护，进一步增强了抓斗卸船机运行的安全性及可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于空间定位的抓斗卸船机防撞系统结构框图。
图2a为本发明空间定位单元布置位置侧视图。
图2b为本发明空间定位单元布置位置后视图。
图2c为本发明空间定位单元布置位置俯视图。
图3为本发明机构定位单元布置示意图。
图4为本发明空间三维坐标系构建示意图。
图5为本发明基于空间定位的抓斗卸船机防撞方法工作流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞系统，主要包括空间定位单元、机构定位单元及控制单元。其中空间定位单元设置于抓斗卸船机塔头区域，用于实现抓斗卸船机整机的定位。机构定位单元设置于臂架绞点、司机室顶部、机房等区域，依次用于实现抓斗卸船机臂架俯仰角度定位、司机室位移定位、抓斗位置定位。控制单元位于控制室内，用于接收空间定位单元及机构定位单元的数据信息、码头中控系统所提供的相邻设备、船舶等相关设备的空间位置数据信息，同时对上述数据进行运算分析，进而实现对抓斗卸船机的整体防碰撞保护。
具体来说，空间定位单元由天线、数据接收机组成。机构定位单元由倾角仪、司机室绝对值编码器、起升绝对值编码器以及小车绝对值编码器组成。控制单元由PLC控制器、以太网通讯模块以及DP通讯模块组成。空间定位单元与PLC控制单元之间通过以太网通讯的方式进行连接。机构定位单元与控制单元之间通过以太网通讯及Profibus DP通讯的方式进行连接。
如图2所示，空间定位单元U1由安装在塔头区域的天线及数据接收器组成，采用北斗RTK空间定位技术，通过码头基站和卸船机流动站之间的差分运算，实现卸船机流动站高精度定位，其数据通过以太网协议传输至控制单元。具体来说，在此过程中，天线和数据接收器用于接收北斗RTK定位系统所传输的位置数据，并通过北斗RTK系统进行码头基站和卸船机流动站之间的差分运算，得到卸船机流动站定位信息，并由防撞系统中直接调用。
如图3所示，机构定位单元U2由倾角仪、司机室绝对值编码器、起升绝对值编码器、小车绝对值编码器所组成。其中倾角仪安装于臂架绞点处，用于检测臂架俯仰运行角度，其数据通过Profibus DP协议传输至控制单元；司机室绝对值编码器安装于司机室顶部车轮处，用于司机室定位，其数据通过Profibus DP协议传输至控制单元；起升绝对值编码器及小车绝对值编码器安装于机器房，用于起升及小车机构定位，从而换算出抓斗的空间位置，其数据通过Profibus DP协议传输至PLC控制单元。具体根据以下计算获取抓斗的空间位置：
抓斗空间位置换算公式：
抓斗在X轴方向的空间位置：XGrab＝XSUL；
其中XSUL为抓斗卸船机的大车位置值；
抓斗在Y轴方向的空间位置：YGrab＝L0+KTR*ETR+BTR；
其中L0为Y轴方向的料斗中心至码头陆侧轨道的水平位置值，KTR为小车绝对值编码器换算系数，ETR为小车绝对值编码器测量值，BTR为小车Y轴方向水平位置值修正系数；
抓斗在Z轴方向的空间位置：ZGrab＝KHO*EHO+BHO；
其中KHO为起升绝对值编码器换算系数，EHO为起升绝对值编码器测量值，BHO为起升高度值修正系数。
控制单元U3由设置于控制室内的PLC控制器、以太网通讯模块、DP通讯模块组成。其中PLC控制器用于空间三维坐标系的建立以及抓斗卸船机防撞功能的控制；以太网通讯模块用于空间定位单元中数据的接收以及中控系统所提供的相邻设备、船舶等相关设备的空间位置数据信息的接收；DP通讯模块用于机构定位单元中数据的接收。具体的，空间三维坐标系X方向0位为设备锚定坑位置，Y方向0位为陆侧轨道位置，Z方向0位为码头轨道上表面，示意图见图4。
本发明还提供一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞方法，基于上述抓斗卸船机防撞系统实现，包括以下步骤：
S1、操作人员于司机室联动台处操作抓斗卸船机运行时，防撞功能自动激活。此时获取空间定位单元输出的抓斗卸船机整机定位信息，并基于所述抓斗卸船机整机定位信息建立空间三维坐标系，所述空间三维坐标系的X轴沿大车轨道水平方向延伸，Y轴沿垂直大车轨道水平方向延伸，Z轴沿竖直方向延伸。
S2、获取抓斗卸船机各机构定位信息，结合抓斗卸船机实际尺寸建立抓斗卸船机空间模型，将所述抓斗卸船机空间模型融入至所述空间三维坐标系中；
S3、通过码头中控系统获取相邻设备以及船舶空间位置数据信息并融入至所述空间三维坐标系中；
S4、基于所述空间三维坐标系中的抓斗卸船机整机定位信息、抓斗卸船机空间模型、相邻设备以及船舶空间位置数据信息构建碰撞预警模型。抓斗卸船机运行时根据所述碰撞应模型进行碰撞提示和动作，以实现抓斗卸船机整体防撞保护功能，保证设备运行安全、稳定。。
具体来说，大车运行状态下卸船机同相邻设备之间防碰撞保护功能激活，PLC控制单元依据抓斗卸船机实际尺寸建立抓斗卸船机空间模型，并将其融入到步骤二中所建立的空间三维坐标系中。同时PLC控制单元也将码头中控系统所提供的相邻设备空间位置数据信息、机构定位单元所提供的本机各机构定位数据信息融入到上述空间三维坐标系中。当大车沿X轴轨道方向运行时，PLC控制单元通过坐标系中数据实时监测并判断碰撞风险，及时发出碰撞告警并中断大车运行动作。
大车运行状态下卸船机同船舶之间防碰撞保护功能激活，PLC控制单元依据抓斗卸船机实际尺寸建立抓斗卸船机空间模型，并将其融入到步骤二中所建立的空间三维坐标系中。同时PLC控制单元也将码头中控系统所提供的船舶空间位置数据信息、机构定位单元所提供的本机机构定位数据信息融入到上述空间三维坐标系中。当大车沿X轴轨道方向运行时，PLC控制单元通过坐标系中数据实时监测并判断碰撞风险，及时发出碰撞告警并中断大车运行动作。
臂架俯仰下降运行状态下卸船机同船舶及相邻设备之间防碰撞保护功能激活，PLC控制单元将码头中控系统所提供的船舶及相邻设备空间位置数据信息、机构定位单元所提供的臂架俯仰机构定位数据信息融入到步骤二中所建立的空间三维坐标系中。当抓斗卸船机臂架俯仰下降过程中，PLC控制单元通过坐标系中数据实时监测并判断碰撞风险，及时发出碰撞告警并中断俯仰下降运行动作。
臂架水平司机室运行状态下卸船机同船舶及相邻设备之间防碰撞保护功能激活，将码头中控系统所提供的船舶及相邻设备空间位置数据信息、机构定位单元所提供的司机室机构定位数据信息融入到步骤二中所建立的空间三维坐标系中。当抓斗卸船机司机室沿Y轴移动过程中，PLC控制单元通过坐标系中数据实时监测并判断碰撞风险，及时发出碰撞告警并中断司机室运行动作。
下面通过具体的应用实例对本发明的方案做进一步说明。
基于空间定位的抓斗卸船机防撞系统如图1所示，由空间定位单元U1、机构定位单元U2及PLC控制单元U3组成。
以抓斗卸船机为例，对其基于空间定位的防撞系统功能进行说明。控制流程如图5所示：防撞功能自动激活后，PLC控制单元建立空间防撞三维坐标系，当防撞系统判断存在同相邻设备之间存在碰撞风险时，发出防撞告警，中断大车机构相应动作，转为人工介入处理，防撞保护功能完成；当防撞系统判断存在同船舶之间存在碰撞风险时，发出防撞告警，中断大车机构相应动作，转为人工介入处理，防撞保护功能完成；当防撞系统判断臂架俯仰下降动作存在碰撞风险时，发出防撞告警，中断俯仰机构相应动作，转为人工介入处理，防撞保护功能完成；当防撞系统判断司机室运行动作存在碰撞风险时，发出防撞告警，中断司机室机构相应动作，转为人工介入处理，防撞保护功能完成；若在上述过程中未触发防撞告警，相应机构继续运行至目标位，防撞保护功能完成。
本技术可实现抓斗卸船机整体防撞保护功能，及时预防抓斗卸船机机构同船舶甲板上的障碍物碰撞、相邻抓斗卸船机碰撞等隐患，降低了设备运行风险，保障设备运行安全、高效、稳定。
最后应说明的是：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。

Claims (7)

1.一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞系统，其特征在于，包括：
基于北斗空间定位技术获取抓斗卸船机整机定位信息的空间定位单元，所述空间定位单元包括设置于抓斗卸船机塔头区域的天线和数据接收机；
用于获取抓斗卸船机各机构定位信息的机构定位单元，所述机构定位单元包括设置于臂架绞点的臂架俯仰角度定位装置、设置于司机室顶部的司机室位移定位装置以及设置于机房的抓斗位置定位装置；
以及一方面通过以太网通讯的方式与所述空间定位单元通信连接、另一方面通过以太网通讯及Profibus DP通讯的方式与机构定位单元通信连接的控制单元，所述控制单元包括PLC控制器、以太网通讯模块以及DP通讯模块；
所述PLC控制器根据抓斗卸船机整机定位信息建立空间三维坐标系，同时将抓斗卸船机关注机构定位信息加入所述空间三维坐标系中从而进行碰撞预警。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞系统，其特征在于，所述臂架俯仰角度定位装置为倾角仪，其用于检测臂架俯仰运行角度并发送至PLC控制器；
所述司机室位移定位装置为司机室绝对值编码器，其用于获取司机室定位数据并发送至PLC控制器；
所述抓斗位置定位装置包括起升绝对值编码器及小车绝对值编码器，其中起升绝对值编码器用于获取抓斗起升数据并发送至PLC控制器，所述小车绝对值编码器用于获取小车机构定位数据并发送至PLC控制器。
3.根据权利要求1所述的一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞系统，其特征在于，所述控制单元还用于通过以太网通讯接收码头中控系统所提供的相邻设备以及船舶空间位置数据信息，并将相邻设备空间位置数据信息以及船舶空间位置数据信息加入所述空间三维坐标系中从而进行碰撞预警。
4.一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞方法，基于权利要求1中所述的抓斗卸船机防撞系统实现，其特征在于，包括以下步骤：
获取空间定位单元输出的抓斗卸船机整机定位信息，并基于所述抓斗卸船机整机定位信息建立空间三维坐标系，所述空间三维坐标系的X轴沿大车轨道水平方向延伸，Y轴沿垂直大车轨道水平方向延伸，Z轴沿竖直方向延伸；
获取抓斗卸船机各机构定位信息，结合抓斗卸船机实际尺寸建立抓斗卸船机空间模型，将所述抓斗卸船机空间模型融入至所述空间三维坐标系中；
通过码头中控系统获取相邻设备以及船舶空间位置数据信息并融入至所述空间三维坐标系中；
基于所述空间三维坐标系中的抓斗卸船机整机定位信息、抓斗卸船机空间模型、相邻设备以及船舶空间位置数据信息构建碰撞预警模型；
抓斗卸船机运行时根据所述碰撞应模型进行碰撞提示和动作。
5.根据权利要求4所述的一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞方法，其特征在于，抓斗卸船机运行时根据所述碰撞应模型进行碰撞提示和动作，包括：大车运行状态下，控制单元通过实时监测所述空间三维坐标系中的数据判断碰撞风险，当风险超过阈值则发出碰撞告警并中断大车运行动作：
根据相邻设备空间位置数据信息以及抓斗卸船机各机构定位信息进行卸船机同相邻设备之间的碰撞预警；
根据船舶空间位置数据信息以及抓斗卸船机各机构定位信息进行卸船机同船舶之间的碰撞预警。
6.根据权利要求4所述的一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞方法，其特征在于，抓斗卸船机运行时根据所述碰撞应模型进行碰撞提示和动作，包括：臂架俯仰下降运行状态下，控制单元通过实时监测所述空间三维坐标系中的数据判断碰撞风险，当风险超过阈值则发出碰撞告警并中断大车运行动作：
根据船舶空间位置数据信息、邻设备空间位置数据信息以及机构定位单元所提供的臂架俯仰机构定位数据信息进行卸船机同船舶及相邻设备之间的碰撞预警。
7.根据权利要求4所述的一种基于空间定位的抓斗卸船机防撞方法，其特征在于，抓斗卸船机运行时根据所述碰撞应模型进行碰撞提示和动作，包括：臂架水平司机室运行状态下，控制单元通过实时监测所述空间三维坐标系中的数据判断碰撞风险，当风险超过阈值则发出碰撞告警并中断大车运行动作：
根据船舶空间位置数据信息、邻设备空间位置数据信息以及机构定位单元所提供的司机室机构定位数据信息进行卸船机同船舶及相邻设备之间的碰撞预警。
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