第1章 系統(tǒng)簡介
1.1 概述
隨著水路運輸業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)代港口規(guī)模和吞吐量不斷增長，港口各種裝卸設(shè)備數(shù)量不斷增加，如何高效可靠使用這些裝卸設(shè)備是各港口單位關(guān)心的問題。港口裝卸設(shè)備中主要的斗輪堆取料機(jī)又稱懸臂式堆取料機(jī)，是散貨堆場作業(yè)的核心設(shè)備。它是堆取料合一的機(jī)械，即是一種挖取和堆存煤炭、礦石、砂石等松散物料的高效率機(jī)械。它不僅適用于電廠，而且在碼頭、港口也很適用，大多數(shù)的轉(zhuǎn)運煤及松散物料的碼頭、港口都采用斗輪堆取料機(jī)。斗輪堆取料機(jī)的采用，大大縮短了堆取時間，提高了工作效率，減輕了工人勞動強(qiáng)度。
為提高裝卸均化作業(yè)的效率和安全問題，應(yīng)保證堆取料機(jī)具備尋堆認(rèn)址、定位, 自動確定各層料堆起點、終點及位置跟蹤、終點記憶、料流對中心、電纜保護(hù)、整機(jī)自動堆取料，從而實現(xiàn)流暢和高效的堆取料自動作業(yè)。同時中控室能夠?qū)ψ鳂I(yè)過程進(jìn)行監(jiān)視。所以有必要對堆取料機(jī)大機(jī)位置進(jìn)行連續(xù)跟蹤、懸臂三維位置實時檢測，解決堆取料作業(yè)過程中空間防碰撞的難題。
1.2 目前大機(jī)采用的定位方式
目前堆取料機(jī)位置檢測大多采用的是人眼定位、光電編碼器裝置（光碼盤）、激光位移傳感器、行走限位開關(guān)、RFID方式。光電編碼器裝置，整套裝置安裝在驅(qū)動電機(jī)前部的一個金屬殼體內(nèi)，由盤狀齒輪與定位車齒條嚙合，通過驅(qū)動軸驅(qū)動編碼器。盤狀齒輪的圓周與定位車驅(qū)動小齒輪的圓周相同。編碼器由傳動齒輪自下而上通過減速機(jī)、聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動，實現(xiàn)定位車的位置檢測。這幾種檢測位置的方式均存在一定缺陷，具體表現(xiàn)如下：
1) 人眼定位受制于眼睛健康狀況和精神狀態(tài)，環(huán)境影響比較大，作業(yè)時間長；
2) 光電編碼器裝置在車輪打滑就會形成累計誤差, 相對定位的機(jī)械接觸工作方式；
3) 激光位移傳感器在不潔凈環(huán)境會失去作用，軌道沉降導(dǎo)致車輛走行抖動會使反光板靶位不準(zhǔn)，亦會導(dǎo)致位置檢測不準(zhǔn)；
4) 行走限位開關(guān)由于是點定位，對連續(xù)性位置檢測存在盲區(qū)；
5) RFID方式是無線點定位，存在漏讀現(xiàn)象, 延時較大；
故這幾種傳感器在檢測位置時多數(shù)為機(jī)械式、靈敏度低、壽命短、故障率高、可靠性低，操作繁鎖，而且存在溜放環(huán)節(jié)(即失控區(qū))，致使半自動操作難以可靠穩(wěn)定運行。由于堆取料機(jī)是較大的設(shè)備，其慣性較大，在啟動和停止時也是硬性的，所以在工作過程中會產(chǎn)生很大的撞擊和震動，噪音污染嚴(yán)重，嚴(yán)重影響其安全性和有關(guān)零部件的壽命，易于損壞設(shè)備，由此設(shè)備精確位置控制顯得尤為重要。
1.3 懸臂采用的檢測技術(shù)
通常的懸臂空間位置反饋都是采用行走、旋轉(zhuǎn)、俯仰三個旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)值計算得出的，對懸臂的空間位置計算過程非常復(fù)雜，該計算過程需要結(jié)合行走、俯仰、旋轉(zhuǎn)三個編碼器的數(shù)值進(jìn)行空間建模，而這三個編碼器都有不同程度的誤差，這就造成累積誤差，故懸臂空間坐標(biāo)的準(zhǔn)確性不高。現(xiàn)有的防碰撞方法是根據(jù)兩臺堆取料機(jī)是否處于同一個場垛進(jìn)行判斷，如果兩臺堆取料機(jī)不在同一個場垛就可以正常作業(yè)。兩臺堆取料機(jī)進(jìn)入一個場垛進(jìn)行作業(yè)時，就對兩臺堆取料機(jī)同時進(jìn)行鎖定，使其不能工作，由此避免堆取料機(jī)之間發(fā)生碰撞，這嚴(yán)重影響了堆取料機(jī)的同場作業(yè)。
由于以上原因，當(dāng)前都采用人工監(jiān)控的方法來避免空間碰撞事故?，F(xiàn)有的防碰撞方法無法有效避免堆取料機(jī)空間防碰撞問題，使得兩臺堆取料機(jī)無法同時在同一個堆場中安全作業(yè)，嚴(yán)重影響效率。
1.4 本系統(tǒng)采用的GNSS定位技術(shù)
本系統(tǒng)采用在堆場合適位置建立基準(zhǔn)站，在堆取料機(jī)的回轉(zhuǎn)中心和懸臂中部或者頭部中心點安裝GPS流動站。通過GPS的位置信息和空間幾何算法，得出兩臺堆取料機(jī)之間的最小距離，從而可以判斷出堆取料機(jī)發(fā)生碰撞的可能性，使得作業(yè)人員進(jìn)行相應(yīng)處理。本系統(tǒng)可以實時計算出堆取料機(jī)懸臂的相對位置和距離，實現(xiàn)多臺堆取料機(jī)在同一個場垛中安全作業(yè)。該系統(tǒng)包括：大機(jī)及懸臂位置反饋系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)算法系統(tǒng)、空間防碰撞預(yù)警控制系統(tǒng)。
第2章 GNSS定位系統(tǒng)
2.1 GNSS系統(tǒng)組成
GNSS是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的總稱,包括GPS（美國）、GLONASS（俄羅斯）、伽利略（歐盟）、北斗（中國）總共四套導(dǎo)航系統(tǒng)。而目前在軌運行并能真正實現(xiàn)民用定位功能的只有GPS和GLONASS兩套定位系統(tǒng)。
主要特點：具有全球覆蓋、全天候、高精度、實時導(dǎo)航定位等優(yōu)點。
2.2 GNSS系統(tǒng)介紹
GNSS系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：空間衛(wèi)星部分、地面監(jiān)控部分、用戶GNSS接收機(jī)部分。
衛(wèi)星部分主要是再軌運行的專門用于導(dǎo)航的衛(wèi)星，目前GPS和GLONASS在軌運行的衛(wèi)星總共有60多顆，每顆衛(wèi)星均在不間斷地向地球播發(fā)調(diào)制在兩個頻段上的衛(wèi)星信號。在地球上任何一點，均可連續(xù)地同步觀測至少4顆GNSS衛(wèi)星，從而保障了全球、全天候的連續(xù)地三維定位，而且具有良好的抗干擾性和保密性。地面監(jiān)控部分主要是控制衛(wèi)星姿態(tài)、參數(shù)設(shè)置等得主控站和測控站，都是有政府部門控制的。第三部分就是我們用戶接收機(jī)部分，這部分就是我們通常所說的GPS接收機(jī)。
2.3 GNSS定位原理
一般來說，在平面上要確定某點的位置，需要兩個要素。而在空間上，要確定某點的位置，就需要三個要素。GNSS定位空間上的某一點，首先我們可以得到GPS衛(wèi)星的位置；其次，我們又能準(zhǔn)確測定我們所在地點A至衛(wèi)星之間的距離，那么A點一定是位于以衛(wèi)星為中心、所測得距離為半徑的圓球上。進(jìn)一步，我們又測得點A至另一衛(wèi)星的距離，則A點一定處在前后兩個圓球相交的圓環(huán)上。我們還可測與第三個衛(wèi)星的距離，就可以確定A點只能是在三個圓球相交的兩個點上。根據(jù)一些地理知識，可以很容易排除其中一個不合理的位置。但是由于GPS的干擾因素較多，所以定位空間上的某一點，至少需要五顆以上的衛(wèi)星。
2.4 差分技術(shù)的應(yīng)用
單臺GNSS接收進(jìn)行定位因為受到很多干擾因素的影響，精度很低，一般只有三四米左右。所以為了提高定位精度，我們引進(jìn)了差分技術(shù)。差分GPS產(chǎn)品一般由基準(zhǔn)站、流動站和數(shù)據(jù)鏈三部分構(gòu)成，在測量時兩臺或多臺GPS接收機(jī)同步觀測GPS衛(wèi)星。由基準(zhǔn)站發(fā)射衛(wèi)星的改正信息，流動站在收到GPS信號的同時接收到基準(zhǔn)站的定位結(jié)果。
差分技術(shù)很早就被人們所應(yīng)用。它實際上是在一個測站對兩個目標(biāo)的觀測量、兩個測站對一個目標(biāo)的觀測量或一個測站對一個目標(biāo)的兩次觀測量之間進(jìn)行求差。其目的在于消除公共項，包括公共誤差和公共參數(shù)。安裝和防護(hù)，不影響作業(yè)環(huán)境。
隨著GPS技術(shù)的發(fā)展和完善，應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步開拓，人們越來越重視利用差分GPS技術(shù)來改善定位性能。它使用一臺GPS基準(zhǔn)接收機(jī)和一臺用戶接收機(jī)，利用實時或事后處理技術(shù)，就可以使用戶測量時消去公共的誤差源。這樣就可以大幅提高測量精度，可以達(dá)到厘米級精度。
第3章 系統(tǒng)架構(gòu)建立
本系統(tǒng)主要由大機(jī)及懸臂位置反饋系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)算法系統(tǒng)、空間防碰撞預(yù)警控制系統(tǒng)等構(gòu)成。
3.1 基準(zhǔn)站系統(tǒng)
基準(zhǔn)站系統(tǒng)給各臺堆取料機(jī)提供差分?jǐn)?shù)據(jù)，是整個系統(tǒng)的控制部分。其工作原理是基準(zhǔn)站接收機(jī)將自己獲取的高精度定位數(shù)據(jù)，通過光纖模式、電臺、GPRS或WIFI方式將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到堆取料機(jī)的接收機(jī)上；接收機(jī)通過將自身的定位數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站的差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行差分解算，最后得到厘米級定位數(shù)據(jù)。
差分示意圖
基準(zhǔn)站差分系統(tǒng)主要包括基準(zhǔn)站GNSS接收機(jī)和差分?jǐn)?shù)據(jù)電臺。基準(zhǔn)站作為整個系統(tǒng)的基準(zhǔn)必須建立在一個干擾少，基礎(chǔ)穩(wěn)定的位置，以便保證整個系統(tǒng)的定位精度以及全天候使用。一般來說基準(zhǔn)站系統(tǒng)建立空曠的房屋樓頂上，單獨建立立柱必須做好防雷措施。
基準(zhǔn)站觀測墩
3.2 流動站系統(tǒng)
在每臺堆取料機(jī)上安裝兩臺流動站，流動站接收機(jī)天線分別安放在大機(jī)回轉(zhuǎn)中心和懸臂中部或者頭部中心點處。兩臺流動站實時檢測空間的三維坐標(biāo)信息，并計算出每臺堆取料機(jī)的位置、俯仰、角度信息等，并通過數(shù)據(jù)鏈路傳輸給中控室的PLC主機(jī)，這樣根據(jù)“兩點確定一條直線”原理，中控PLC就可以實時的知道堆取料機(jī)的大機(jī)回轉(zhuǎn)中心和堆取料機(jī)的懸臂頭部中心所在軸線的位置了。并對相鄰的堆取料機(jī)進(jìn)行兩兩比較，計算出他們之間的安全距離，臂架俯仰和旋轉(zhuǎn)的最大角度。一旦相鄰的堆取料機(jī)之間的距離小于安全距離或旋轉(zhuǎn)、俯仰角度超出安全角度時，軟件將自動向操作人員發(fā)出報警信息以及停機(jī)信號，防止意外事故的發(fā)生。
通過RTK方式來檢測懸臂位置信息可以精確到厘米級，并且不受自身行車輪打滑和其它編碼器累積誤差的影響，比現(xiàn)有的防碰撞方法更加準(zhǔn)確高效?？朔爽F(xiàn)有技術(shù)中由于懸臂空間位置反饋都是采用行走、旋轉(zhuǎn)、俯仰三個編碼器的數(shù)值計算，而造成的誤差累積問題。
3.3 空間數(shù)據(jù)算法系統(tǒng)
空間數(shù)據(jù)算法系統(tǒng)的主要任務(wù)是，根據(jù)采集到的各堆取料機(jī)懸臂位置信息，來計算任意兩臺堆取料機(jī)懸臂的空間最小距離。由于堆取料機(jī)的懸臂較長，兩臺堆取料機(jī)之間的距離，可以近似看作是兩臺堆取料機(jī)懸臂之間的距離。
兩臺基準(zhǔn)站和五臺堆取料機(jī)精確定位和防碰撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
兩臺堆取料機(jī)之間的最小距離為：1#堆取料機(jī)的大機(jī)回轉(zhuǎn)中心和堆取料機(jī)的懸臂頭部中心所構(gòu)成的線段AB，與2#堆取料機(jī)的大機(jī)回轉(zhuǎn)中心和堆取料機(jī)的懸臂頭部中心，所構(gòu)成的線段CD之間的最小距離，同理1#和3#、2#和3#也一樣。其中，當(dāng)兩臺堆取料機(jī)的懸臂共面時，最小距離為：1臺堆取料機(jī)的懸臂頭部中心，到另1臺大機(jī)回轉(zhuǎn)中心和懸臂頭部中心，所構(gòu)成的線段的垂直距離，或兩臺堆取料機(jī)的懸臂頭部中心之間的最小距離；當(dāng)兩臺堆取料機(jī)的懸臂異面時，最小距離為：l臺堆取料機(jī)的大機(jī)回轉(zhuǎn)中心和堆取料機(jī)的懸臂頭部中心所構(gòu)成的線段，與另1臺堆取料機(jī)的大機(jī)回轉(zhuǎn)中心和堆取料機(jī)的懸臂頭部中心，所構(gòu)成的線段的公垂線段的距離，或兩臺堆取料機(jī)的懸臂頭部中心之問的最小距離。
通過RTK分別采集1#、2#大機(jī)流動站4個點的坐標(biāo)，三維坐標(biāo)值分辨為A (x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3)、D(x4，y4，z4)，確定直線段AB和CD。根據(jù)空間立體幾何，兩條直線線段的關(guān)系有兩種情況，共面和異面。所謂共面是指兩條直線在一個平面內(nèi)，而異面則指兩條直線不在一個平面內(nèi)，在這兩種情況下確定1#和2#堆取料機(jī)之間的最小距離。
3.3.1 共面情況
兩條直線共面存在兩種情況，一種是兩條直線平行，另一種是兩條直線相交。兩條直線平行的情況是指2臺堆取料機(jī)的懸臂在空間坐標(biāo)中平行時的狀態(tài)；而兩條直線相交在實際中則不能發(fā)生，因為懸臂是實體，不可能出現(xiàn)相交的情況。由于懸臂的長度有限，所以在共面的情況下，除了平行，另一種狀態(tài)則是不平行，有相交的趨勢。在這兩種情況下，出現(xiàn)2臺堆取料機(jī)的懸臂相碰撞的可能情形有三種：①第一堆取料機(jī)的懸臂的頭部，碰到第二堆取料機(jī)的懸臂的頭部。②第一堆取料機(jī)的懸臂的頭部，碰到第二堆取料機(jī)的懸臂的上下左右側(cè)部。③第二堆取料機(jī)的懸臂的頭部，碰到第一堆取料機(jī)的懸臂的上下左右側(cè)部。在共面的情況下，不可能出現(xiàn)兩個懸臂的側(cè)部相碰。
共面情況算法的原理是，求出一個懸臂的頭部中心，到另一個大機(jī)回轉(zhuǎn)中心和懸臂頭部中心，所構(gòu)成的線段的垂直距離。當(dāng)每個懸臂頭部中心，到另1臺堆取料機(jī)的大機(jī)回轉(zhuǎn)中心和懸臂頭部中心，所構(gòu)成的線段都沒有垂線時，可直接求出兩懸臂頭部中心之間的最小距離。
3.3.2 異面情況
在異面的情況下，求兩個懸臂的最小距離，可以采用兩條直線間計算公垂線的辦法來實現(xiàn)。但是，由于兩條懸臂的長度有限，有可能不存在公垂線，這時則需要將兩條大機(jī)回轉(zhuǎn)中心和懸臂頭部中心，所構(gòu)成的線段延長為兩條直線，求出直線的公垂線和兩條懸臂的交點p1、p2。①檢查交點pl有沒有在第一堆取料機(jī)的懸臂上。如果在，則選定p1為第一個點；如果不在則選擇第一堆取料機(jī)的懸臂頭部的點A作為第一點。②檢查p2點有沒有在第二．堆取料機(jī)的懸臂上，同理如果在，則作為第二個點；如果不在，則選中第二堆取料機(jī)的懸臂頭部的點C作為第二點。兩點選擇完畢后，計算兩點之間的最小距離。
3.4 空間防碰撞預(yù)警控制系統(tǒng)
根據(jù)空間數(shù)據(jù)算法系統(tǒng)得出最小距離后，可以將最小距離，與第一預(yù)定距離和第二預(yù)定距離進(jìn)行比較。當(dāng)最小距離小于第一預(yù)定距離，判斷碰撞可能性為較高；當(dāng)最小距離小于第一預(yù)定距離而大于第二預(yù)定距離時，判斷碰撞可能性為中等；當(dāng)最小距離大于第二預(yù)定距離時，判斷碰撞可能性為較低。判斷可能性為較高時，進(jìn)行碰撞報警，使得作業(yè)人員得知堆取料機(jī)之間即將發(fā)生碰撞，可以進(jìn)行停機(jī)等處理；當(dāng)判斷可能性為中等時，進(jìn)行減速報警，使得作業(yè)人員得知堆取料機(jī)之間可能要發(fā)生碰撞，需要減慢堆取料機(jī)運行速度；當(dāng)判斷可能性為較低時，不進(jìn)行報警，堆取料機(jī)可以安全地進(jìn)行作業(yè)。
其中，第一預(yù)定距離小于第二預(yù)定距離，并且都可以根據(jù)需要預(yù)先設(shè)定。在應(yīng)用中，第一預(yù)定距離設(shè)定為 3m，第二預(yù)定距離設(shè)定 8m。
3.5 多臺堆取料機(jī)的防碰撞控制
為了合理利用堆場，通常一個堆場上會出現(xiàn)多臺堆取料機(jī)作業(yè)的情況，現(xiàn)以3臺堆取料機(jī)同時工作為例，進(jìn)行多臺堆取料防碰撞控制的分析。設(shè)3臺堆取料機(jī)分別為A、B、C，則作為A堆取料機(jī)，需要同時計算與B堆取料機(jī)、C堆取料機(jī)之間的最小距離，即MindistlAB(共面)、MindistlAC(共面)、Mindist2AB(異面)、Mindist2AC(異面)，然后分別與B堆取料機(jī)、c堆取料機(jī)的第一和第二預(yù)定距離進(jìn)行比較，根據(jù)對比情況進(jìn)行相應(yīng)的報警。同理，作為B堆取料機(jī)和C堆取料機(jī)，采用同樣的方法進(jìn)行計算對比，由此可實現(xiàn)多臺堆取料機(jī)的防碰撞控制。
3.6 預(yù)警數(shù)據(jù)處理方式
大機(jī)司機(jī)操作室預(yù)警方式一般用聲光報警器提醒司機(jī)操作；還可以按照要求定制成開關(guān)量信號接入原有監(jiān)控報警系統(tǒng)；或者自成一套系統(tǒng)。
第6章 系統(tǒng)實現(xiàn)功能效果
使用本系統(tǒng)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和空間幾何算法，再將計算結(jié)果傳給PLC，進(jìn)行大機(jī)精確位置檢測和防碰撞控制的計算與報警，還可以檢測懸臂旋轉(zhuǎn)角度及俯仰角度，效果顯著。不但解決了其它位移傳感器檢測大機(jī)位置不準(zhǔn)確的問題，而且節(jié)省了檢測懸臂旋轉(zhuǎn)角度及俯仰角度的傳感器，消除了數(shù)據(jù)檢測中間轉(zhuǎn)換的誤差，提高了數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。同時，計算過程簡單、直觀，可實現(xiàn)多臺堆取料機(jī)同場同時作業(yè)，實時檢測各個懸臂之間的最小距離，防止發(fā)生碰撞，提高了安全性和作業(yè)效率，可用于多種類型的堆取料機(jī)，提高同場作業(yè)效率達(dá)到80％左右，可以實現(xiàn)無人操作。
* 堆取料機(jī)走行位置、裝卸位置精確檢測；
* 可實現(xiàn)堆取料機(jī)自動走行，自動堆取料；
* 實現(xiàn)位置聯(lián)鎖，可以防止兩端掉道或碰撞事故；
* 與堆取料機(jī)小皮帶聯(lián)鎖控制，防止混料、錯料、堵料事故；
* 可進(jìn)行鱗狀堆積預(yù)混勻作業(yè)，以提高原料成分的均勻度、減少粒度偏析；
* 實現(xiàn)堆取料機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；
* 結(jié)合皮帶秤數(shù)據(jù)對堆場堆存量數(shù)字化管理；
* 嚴(yán)格控制堆料形狀和取料規(guī)律，可以大大提高料場的存儲容量，提高料場的利用率;
* 變起點定終點工藝可將料堆截面堆成長方形，減少端部料的產(chǎn)生和浪費，也同時減少鏟車進(jìn)場的作業(yè)量。
第7章 聯(lián)系方式
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