CN105712055A - 一种基于gnss的堆取料机位置检测及防碰撞*** - Google Patents

Abstract

使用本***后，进行数据采集和空间几何算法，再将计算结果传给PLC，进行大机精确位置检测和防碰撞控制的计算与报警，还可以检测悬臂旋转角度及俯仰角度，效果显著。不但解决了其它位移传感器检测大机位置不准确的问题，而且节省了检测悬臂旋转角度及俯仰角度的传感器，消除了数据检测中间转换的误差，提高了数据精准度。同时，计算过程简单、直观，可实现多台堆取料机同场同时作业，实时检测各个悬臂之间的最小距离，防止发生碰撞，提高了安全性和作业效率，可以用于多种类型的堆取料机，提高同场作业效率达到80％左右，可实现无人操作。

Description

一种基于GNSS的堆取料机位置检测及防碰撞***

技术领域

本发明涉及空间定位技术领域，尤其涉及一种基于GNSS的堆取料机位置检测及防碰撞***。

背景技术

随着水路运输业的快速发展，现代港口规模和吞吐量不断增长，港口各种装卸设备数量不断增加，如何高效可靠使用这些装卸设备是各港口单位关心的问题。港口装卸设备中主要的斗轮堆取料机又称悬臂式堆取料机，是散货堆场作业的核心设备。它是堆取料合一的机械，即是一种挖取和堆存煤炭、矿石、砂石等松散物料的高效率机械。它不仅适用于电厂，而且在码头、港口也很适用，大多数的转运煤及松散物料的码头、港口都采用斗轮堆取料机。斗轮堆取料机的采用，大大缩短了堆取时间，提高了工作效率，减轻了工人劳动强度。

目前堆取料机位置检测大多采用的是人眼定位、光电编码器装置（光码盘）、激光位移传感器、行走限位开关、RFID方式。光电编码器装置，整套装置安装在驱动电机前部的一个金属壳体内，由盘状齿轮与定位车齿条啮合，通过驱动轴驱动编码器。盘状齿轮的圆周与定位车驱动小齿轮的圆周相同。编码器由传动齿轮自下而上通过减速机、联轴节驱动，实现定位车的位置检测。这几种检测位置的方式均存在一定缺陷，具体表现如下：

人眼定位受制于眼睛健康状况和精神状态，环境影响比较大，作业时间长；

光电编码器装置在车轮打滑就会形成累计误差,相对定位的机械接触工作方式；

激光位移传感器在不洁净环境会失去作用，轨道沉降导致车辆走行抖动会使反光板靶位不准，亦会导致位置检测不准，行走限位开关由于是点定位，对连续性位置检测存在盲区，RFID方式是无线点定位，存在漏读现象,延时较大，故这几种传感器在检测位置时多数为机械式、灵敏度低、寿命短、故障率高、可靠性低，操作繁锁，而且存在溜放环节(即失控区)，致使半自动操作难以可靠稳定运行。由于堆取料机是较大的设备，其惯性较大，在启动和停止时也是硬性的，所以在工作过程中会产生很大的撞击和震动，噪音污染严重，严重影响其安全性和有关零部件的寿命，易于损坏设备，由此设备精确位置控制显得尤为重要。

为提高装卸均化作业的效率和安全问题，应保证堆取料机具备寻堆认址、定位,自动确定各层料堆起点、终点及位置跟踪、终点记忆、料流对中心、电缆保护、整机自动堆取料，从而实现流畅和高效的堆取料自动作业。同时中控室能够对作业过程进行监视。所以有必要对堆取料机大机位置进行连续跟踪、悬臂三维位置实时检测，解决堆取料作业过程中空间防碰撞的难题。

发明内容

本发明提供了一种堆取料机的GNSS位置检测及智能防碰撞***，确保多台堆取料机在同场作业时能够精确定位，防止发生碰撞事故。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于GNSS的堆取料机位置检测及防碰撞***，包括精确定位***、空间防碰撞预警控制***、数据传输***。

本发明的精确定位***采用GNSS差分定位技术，包括基准站***和流动站***。基准站作为定位信号接收和发送站，建立在基础稳定、干扰少的料场附近空旷区域。流动站在一台堆取料机上设置两台，分别安装在大机回转中心和悬臂中部或头部中心点处。基准站和流动站上均安装有信号接收机。所述流动站上安装有数据处理器。

本发明的空间防碰撞预警控制***包括车载控制器、车载显示屏、车载声光报警器以及地面控制器、地面显示屏和地面声光报警器，所述的车载控制器、车载显示屏和车载声光报警器安装与司机操作室内，所述地面控制器、地面显示屏和地面声光报警器安装于地面监控室内。

本发明的数据传输可采用GPRS、无线电台、wifi、光纤传输。优选的，本发明港的数据传输采用GPRS技术。

在本发明中，地面控制器输入端连接流动站的数据处理器，输出端连接地面显示屏、地面声光报警器以及车载控制器；所述车载控制器输出连接地面控制器、车载声光报警器和车载显示屏。

在本发明中，为防止雷电对整个***的干扰，所述基准站、堆取料机以及地面监控室均安装有防雷模块。

本发明的有益效果在于：

使用本***后，进行数据采集和空间几何算法，再将计算结果传给PLC，进行大机精确位置检测和防碰撞控制的计算与报警，还可以检测悬臂旋转角度及俯仰角度，效果显著。不但解决了其它位移传感器检测大机位置不准确的问题，而且节省了检测悬臂旋转角度及俯仰角度的传感器，消除了数据检测中间转换的误差，提高了数据精准度。同时，计算过程简单、直观，可实现多台堆取料机同场同时作业，实时检测各个悬臂之间的最小距离，防止发生碰撞，提高了安全性和作业效率，可以用于多种类型的堆取料机，提高同场作业效率达到80％左右，可实现无人操作。

具体效果如下：

1、堆取料机走行位置、装卸位置精确检测；

2、可实现堆取料机自动走行，自动堆取料；

3、实现位置联锁，可以防止两端掉道或碰撞事故；

4、与堆取料机小皮带联锁控制，防止混料、错料、堵料事故；

5、可进行鳞状堆积预混匀作业，以提高原料成分的均匀度、减少粒度偏析；

6、实现堆取料机远程监控功能；

7、结合皮带秤数据对堆场堆存量数字化管理；

8、严格控制堆料形状和取料规律，可以大大提高料场的存储容量，提高料场的利用率;

9、变起点定终点工艺可将料堆截面堆成长方形，减少端部料的产生和浪费，也同时减少铲车进场的作业量；

10、预设防雷模块，保证***的运行安全和数据传输的准确。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的***流程图。

图2为本发明的一种实施例的现场作业模拟图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的实施例。但本发明的保护范围不限于本实施例。

本发明提供了一种堆取料机的GNSS精确位置检测及智能防碰撞***，该***克服了现有定位技术因灵敏度低、寿命短、故障率高、可靠性低，操作繁锁以及存在溜放环节而导致的定位数据不精确，以及多台堆取料机因同场作业而发生碰撞的问题。

解决现有技术问题的技术方案是：包括精确定位***、空间防碰撞预警控制***、数据传输***。

精确定位***采用GNSS差分定位技术，包括基准站***和流动站***。基准站1作为定位信号接收和发送站，建立在基础稳定、干扰少的料场附近空旷区域。流动站2在一台堆取料机上设置两台，分别安装在大机回转中心和悬臂中部或头部中心点处。基准站1和流动站2上均安装有信号接收机，流动站上安装有数据处理器。

本发明的空间防碰撞预警控制***包括安装在司机操作室的车载控制器3、车载声光报警器4、车载显示屏5以及安装在地面监控室的地面控制器6、地面声光报警器7和地面显示屏8。

为防止雷电对整个***的干扰，所述基准站、堆取料机以及地面监控室均安装有防雷模块。

本发明中的精确位置检测采用GNSS技术，在地面料场附近的空旷区域修建GNSS基准站1，在堆取料机上大机回转中心和悬臂中部和头部中心点处分别安装流动站2。GNSS基准站1将自身获取的高精度定位差分数据通过数据传输***（GPRS数据传输、无线电台数据传输、wifi、光纤传输）传送给流动站2的数据处理器，流动站在接收基准站数据的同时自身采集GNSS观测数据，并在内部组成差分观测值，进行差分解算，计算出该堆取料机两台流动站各自的空间坐标以及俯仰角度，最终得到厘米级定位数据。

流动站将精确定位数据传送给地面控制器6。地面控制器6对获取的精确位置数据进行数据处理，计算出堆取料机的大机回转中心和悬臂头部所在轴线的精确位置,并与相邻的堆取料机大机回转中心和悬臂头部所在轴线的精确位置进行两两比较，计算出他们之间的最小距离、臂架俯仰和旋转的最大角度。一旦相邻的堆取料机之间的最小距离小于安全距离或旋转、俯仰角度超出安全角度时，地面控制器6向车载控制器3发出碰撞预警指令，车载控制器3接到指令后向车载显示屏5和声光报警器4发出报警指令，提示司机进行减速或者停机操作。

任意两台堆取料机之间的最小距离可采用以下方法：当两台堆取料机的悬臂共面时，最小距离为：1号堆取料机的悬臂头部中心，到2号大机回转中心和悬臂头部中心，所构成的线段的垂直距离，或两台堆取料机的悬臂头部中心之间的最小距离；当两台堆取料机的悬臂异面时，最小距离为：l号堆取料机的大机回转中心和堆取料机的悬臂头部中心所构成的线段，与2号堆取料机的大机回转中心和堆取料机的悬臂头部中心，所构成的线段的公垂线段的距离，或两台堆取料机的悬臂头部中心之间的最小距离。

通过GNSS技术采集1号、2号大机流动站4个点的坐标，三维坐标值分辨为A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3)、D(x4，y4，z4)，确定直线段AB和CD。根据空间立体几何，两条直线线段的关系有两种情况，共面和异面。所谓共面是指两条直线在一个平面内，而异面则指两条直线不在一个平面内，在这两种情况下确定1号和2号堆取料机之间的最小距离。

两条直线共面存在两种情况，一种是两条直线平行，另一种是两条直线相交。两条直线平行的情况是指2台堆取料机的悬臂在空间坐标中平行时的状态；而两条直线相交在实际中则不能发生，因为悬臂是实体，不可能出现相交的情况。由于悬臂的长度有限，所以在共面的情况下，除了平行，另一种状态则是不平行，有相交的趋势。在这两种情况下，出现2台堆取料机的悬臂相碰撞的可能情形有三种：①第一堆取料机的悬臂的头部，碰到第二堆取料机的悬臂的头部。②第一堆取料机的悬臂的头部，碰到第二堆取料机的悬臂的上下左右侧部。③第二堆取料机的悬臂的头部，碰到第一堆取料机的悬臂的上下左右侧部。在共面的情况下，不可能出现两个悬臂的侧部相碰。

在共面情况下，求出一个悬臂的头部中心，到另一个大机回转中心和悬臂头部中心，所构成的线段的垂直距离。当每个悬臂头部中心，到另1台堆取料机的大机回转中心和悬臂头部中心，所构成的线段都没有垂线时，可直接求出两悬臂头部中心之间的最小距离。

在异面情况下，求两个悬臂的最小距离，可以采用两条直线间计算公垂线的办法来实现。但是，由于两条悬臂的长度有限，有可能不存在公垂线，这时则需要将两条大机回转中心和悬臂头部中心，所构成的线段延长为两条直线，求出直线的公垂线和两条悬臂的交点p1、p2。①检查交点pl有没有在第一堆取料机的悬臂上。如果在，则选定p1为第一个点；如果不在则选择第一堆取料机的悬臂头部的点A作为第一点。②检查p2点有没有在第二堆取料机的悬臂上，同理如果在，则作为第二个点；如果不在，则选中第二堆取料机的悬臂头部的点C作为第二点。两点选择完毕后，计算两点之间的最小距离。

控制器将计算所得的最小距离值与***第一预定距离和第二预定距离进行比较。当最小距离小于第一预定距离，判断碰撞可能性为较高；当最小距离小于第一预定距离而大于第二预定距离时，判断碰撞可能性为中等；当最小距离大于第二预定距离时，判断碰撞可能性为较低。判断可能性为较高时，通过显示屏和声光报警器进行碰撞报警，使作业人员得知堆取料机之间即将发生碰撞，可以进行停机等处理；当判断可能性为中等时，进行减速报警，使得作业人员得知堆取料机之间可能要发生碰撞，需要减慢堆取料机运行速度；当判断可能性为较低时，不进行报警，堆取料机可以安全地进行作业。其中，第一预定距离小于第二预定距离，并且都可以根据需要预先设定。在应用中，第一预定距离设定为3m，第二预定距离设定8m。

为了合理利用堆场，通常一个堆场上会出现多台堆取料机作业的情况，现以3台堆取料机同时工作为例，进行多台堆取料防碰撞控制的分析。设3台堆取料机分别为1号、2号、3号，则作为1号堆取料机，需要同时计算与2号堆取料机、3号堆取料机之间的最小距离，即1号和2号的共面和异面的最小距离、1号和3号的共面和异面的最小距离，然后分别与2号堆取料机、3号堆取料机的第一和第二预定距离进行比较，根据对比情况进行相应的报警。同理，作为2号堆取料机和3号堆取料机，采用同样的方法进行计算对比，由此可实现多台堆取料机的防碰撞控制。

Claims (7)

1.一种基于GNSS的堆取料机位置检测及防碰撞***，其特征在于：所述***包括精确定位***、空间防碰撞预警控制***、数据传输***（GPRS数据传输、无线电台数据传输、wifi、光纤传输）。

2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的堆取料机位置检测及防碰撞***，其特征在于：所述精确定位***采用GNSS差分定位技术，包括基准站***和流动站***。

3.根据权利要求2所述的一种基于GNSS的堆取料机位置检测及防碰撞***，其特征在于：所述基准站建立在料场附近的空旷区域；所述流动站在一台堆取料机上设置两台，分别安装在大机回转中心和悬臂中部或头部中心点处。

4.根据权利要求2所述的一种基于GNSS的堆取料机位置检测及防碰撞***，其特征在于：所述基准站和流动站均安装有信号接收机；所述流动站上还安装有数据处理器。

5.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的堆取料机位置检测及防碰撞***，其特征在于：所述的空间防碰撞预警控制***包括车载控制器、车载显示屏、车载声光报警器以及地面控制器、地面显示屏和地面声光报警器；所述车载控制器、车载显示屏和车载声光报警器安装于司机操作室内；所述地面控制器、地面显示屏和地面声光报警器安装于地面监控室内。

6.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的堆取料机位置检测及防碰撞***，其特征在于：所述地面控制器输入端连接流动站的数据处理器，输出端连接地面显示屏、地面声光报警器以及车载控制器；所述车载控制器输出连接地面控制器、车载声光报警器和车载显示屏。

7.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的堆取料机位置检测及防碰撞***，其特征在于：所述基准站、堆取料机以及地面监控室均安装有防雷模块。