斗輪堆取料機取料過程中的自動防塌垛技術

蔡有高，王旭修，魏正峰，李崇剛，時培領，劉艷佩

(華能(福建)海港有限公司，福建 福州 350602)

散貨港口、火力發電廠和鋼鐵廠等大型企業作為大宗散狀物料的重要中轉和終端用戶，通常采用專用的堆場區域儲存煤炭、礦石等散狀物料(簡稱散料)。堆料作業時散料通過皮帶機輸送至堆取料機，通過堆取料機將散料卸載并堆存在堆場中。待需要時通過旋轉斗輪將散料從料場料堆中取出，通過皮帶機輸送至下一生產環節。

長期以來國內散貨料場主要是依靠斗輪堆取料機進行裝卸存儲，其操作方式主要以人工操作為主，長時間高強度作業容易因疲勞操作、夜間低照度作業等因素而造成安全生產事故[1]。其中因取料作業面料堆滑坡坍塌導致部分掩埋或全部掩埋斗輪機構所造成的嚴重過載和設備傾覆事故，是較為典型的生產安全事故，在人工操作的堆取料機上常常發生。

近幾年國內外散貨港口堆取料機智能化技術研究正隨著智慧港口建設理念飛速發展[2]，但針對取料作業過程中的塌垛預測問題通常采用一維測距傳感器進行離散的點狀距離檢測實現防垮塌的基本防護，無法對料堆的形狀進行綜合立體的檢測與分析，通常控制邏輯較為簡單，防護閾值設置粗略，易產生誤報導致正常作業受到影響和限制。

本文以實際工程為依托，在基于三維激光掃描感知技術的散貨料場堆取料機自動控制系統研發與應用過程中，針對取料作業過程物料垮塌的形成原因和機理進行分析，提出一種基于三維激光掃描機器視覺的料堆作業斷面形狀感知方法，在此基礎上構建料堆滑坡垮塌預測和保護算法，實現了取料作業過程自動防塌垛保護，并進行相關的工程應用與驗證。

1 基本理論與實現

散料在堆放時能夠保持自然穩定狀態的最大角度(單邊對地面的角度)，稱為自然安息角。在卸載堆料過程中，散料將會按照安息角自動進行滑落堆積，不斷增高。不同種類的散料安息角各不相同。而在取料過程中，如高度過高、相鄰層作業斷面過近導致取料作業斷面料堆的安息角大于自然安息角時，堆垛將極易發生滑坡塌垛，導致斗輪被部分或全部掩埋引發嚴重過載、悶斗等作業安全問題，嚴重時將導致設備傾覆；同時高落差、大幅度滑坡也會對料堆周邊的流動機械、車輛和人員造成安全風險。

本文采用機器視覺的檢測方法對作業斷面進行三維實時建模與更新，并在實時三維模型基礎上分析作業面的形態結合相應的防塌垛策略實現自動防塌垛保護。其主要原理為：通過斗輪堆取料機上安裝的三維激光掃描儀采集料堆表面點云數據，并與堆取料機定位系統數據進行匹配，經過數據濾波和填充、坐標變換等預處理，獲取料堆表面規整的三維坐標網格數據并完成三維重建，在作業過程中根據實時掃描數據更新三維模型，提取當前料堆作業面的幾何形狀特征，分析當前作業面是否存在塌垛風險，最終實現防塌垛保護控制，算法流程如圖1所示。

圖1 算法流程

2 料場坐標系建立

坐標系建立的目的是為了求解各個坐標系之間的變換關系，使設備在運動過程中各激光掃描儀獲取的點云數據能還原到同一靜止坐標系下即料場坐標系，子坐標系包括激光掃描儀坐標系、俯仰機構坐標系、回轉機構坐標系和軌道坐標(料場坐標系)[3]。料場坐標系的建立先使用全球定位系統(GPS)測繪裝置在參照點A0處采集標準WGS84坐標系下的大地坐標，包括經度、緯度以及大地高度等，將A0點平移一定距離后選取合適的虛擬料場坐標原點W0，獲取A0點在虛擬料場坐標下的坐標值，構架虛擬料場坐標系。故需要將大地坐標轉化為同橢球系下的空間直角坐標后，再利用空間直角坐標系變換，轉換為料場局部坐標系，坐標系位置建立如圖2所示。

圖2 坐標系位置建立

通過式(1)～(3)，可以求出GPS標準WGS84經緯度坐標系到空間直角坐標系X、Y、Z的變換：

X=(N+H)cosBcosL

(1)

Y=(N+H)cosBsinL

(2)

Z=[N(1-e2)+H]cosBcosL

(3)

式中：L為WGS84大地坐標系中的經度(東經為正，西經為負)；B為大地坐標系中的緯度(北緯為正，南緯為負)；H為大地坐標系中的大地高；N為卯酉圈的半徑，計算公式為：

(4)

(5)

式中：e為參考橢球的第一偏心率；a為參考地球橢球的長半軸；b為短半軸。

關于料場局部坐標系的建立，規定料場坐標系沿設備走行方向為X軸、與軌道平面垂直方向為Z軸，垂直于X軸為Y軸，規定當前設備軌道端點坐標在料場坐標系下的值為(0，620，0)，并獲取當前點在全球坐標系下的值，轉換為WGS84坐標系下的值，多次獲取該值后取平均為(xmean_xyz、ymean_xyz、zmean_xyz)，將采集數據通過式(6)轉為東北天坐標系[4]：

(6)

式中：M為變換矩陣；xmean_BLh、ymean_BLh為堆取料機的俯仰水平，為回轉歸零狀態下臂架全球導航衛星系統(GNSS)天線在同一位置多次測量的經度、緯度平均值。

調整堆取料機的俯仰水平，回轉歸零，從軌道起點處開始，控制大機走行，并每隔一定距離記錄下臂架GNSS天線的空間直角坐標值，求走行方向向量為：X=norm(Xend-Xstart)，其中X=(Xx，Xy，Xz)，求向量X繞Z軸旋轉的角度β=arctan(Xy/Xx)，已知繞Z軸旋轉的角度其變換矩陣為：

(7)

最后通過式(8)將空間直角坐標系的x、y、z值轉化為料場坐標系下的X、Y、Z值。

[XYZ1]=[xyz1](MT)-1M1+[x0y0z00]

(8)

式中：x0、y0、z0為當前設備軌道端點坐標。

3 點云數據預處理

通過三維激光掃描儀對料堆表面點云數據采集過程中，容易因雨、雪、霧、粉塵以及機械設備本體遮擋產生干擾數據和無效數據，在本系統中采用弦高法和多重回波技術相結合的方法對掃描數據進行處理[5-6]，由于受激光掃描儀的安裝位置以及掃描范圍的影響，掃描的料堆數據會存在小范圍的漏洞區域，同時也會存在料堆背面因激光掃描儀視線遮擋產生的大面積盲區，為了能夠實現料堆的完整三維重建，系統針對小范圍掃描盲區漏洞采用加權平均算法進行點云數據填充[7]，針對大范圍料堆背面遮擋盲區，安息角預估算法對料堆背面數據進行填充，點云預處理前后的對比如圖3所示。

圖3 點云預處理前后對比

4 料堆取料面形態特征提取

取料過程中需要實時對當前作業料堆的取料面的輪廓進行提取，所以應根據料堆三維模型進行分析，堆取料機作業過程中的某一個作業料堆通過激光掃描進行三維重構后的實時地形見圖4。以堆取料機回轉軸為Z軸，以堆取料機臂架中心線在水平面上的投影為X軸，其中Z軸正方向垂直朝上，X軸正方向為指向斗輪的方向，設料場地平面處Z=0。此時建立了一個垂直于地面的ZOX平面，那么任意時刻該平面將會與作業對象料堆三維表面形成交匯曲線，見圖4b)中虛線部分，通過將圖中的虛線部分提取出來后得到圖4c)中的輪廓曲線，此輪廓曲線將用來進行料堆垮塌風險評估計算。

圖4 料堆取料面形態特征提取過程

5 料堆垮塌風險判斷

在取料作業過程中，必須實時分析作業面是否存在塌垛風險，從而避免悶斗等生產事故的發生。本文在前述三維激光掃描儀實時建模的基礎上，進一步提出一種基于三維模型在線測量的塌垛預測算法。將圖4c)中提取出的料堆表面離散點數據進行平滑處理，得到當前作業位置下的料堆面結構曲線如圖5所示。設當前料層的斗輪取料切入點(即斗輪旋轉軸正下方)在沿臂架方向的坐標為X1，且層高為H1；Dw為斗輪直徑，依托工程的斗輪直徑為9.8 m；而上一層的斗輪取料切入點坐標為X2，層高為H2，要求最大取料層高小于0.7倍斗輪直徑。則令取料面與相鄰的支撐面之間水平距離L=X2-X1。

圖5 預測塌料計算

假設當前取料方向為走行正方向，則若要沒有垮料風險，應有θ小于當前料種的自然安息角α，當上一層物料層高小于0.7倍斗輪直徑時，根據多次測試及操作人員經驗可以認定上層為穩定結構，可以忽略上層高度H2及其向下的作用，即可推導出：

(9)

(10)

(11)

式中：D3為面與相鄰的支撐面之間允許的最小水平距離。

當上一層物料層高大于等于0.7倍斗輪直徑時，考慮上層高度H2及其向下的作用，即H3=H1+H2，可推導出：

(12)

(13)

(14)

6 現場測試

以華能集團福州羅源灣料場無人化控制系統為依托，針對堆取料機的作業特點，基于三維激光掃描技術構建一套作業斷面幾何形狀特征實時提取的方法，通過對作業斷面幾何特征的實時分析，結合導致料堆塌垛的觸發條件，實現一套防塌垛分級預測策略，現場對物料的防塌垛距離進行多次測試。根據現場安全生產規程無論采用人工模式或者自動模式取料，為避免預留過長的安全距離影響料場堆取料機作業，每層取料高度均不得大于0.7倍斗輪直徑，因此主要圍繞H2小于6.86 m(0.7倍斗輪直徑)的工況進行測試，針對料場主要的煤炭品種分別做測試后，獲取測試結果數據見表1。

表1 物料防塌垛距離測試結果

7 結語

1)通過應用三維激光掃描機器視覺感知技術，構建一套防塌垛分級預測決策機制，有效解決了斗輪堆取料機取料過程中料堆塌垛問題。

2)三維激光掃描機器視覺感知技術在福州華能羅源灣港區將軍帽無人堆取料機自動控制系統中得到了應用。結果表明，通過三維激光實時建模分析的自動取料過程防塌垛技術具備可靠性高、誤差小、實時性強等特點，并能降低取料過程中頻繁換層次數提高作業效率，完全滿足現場取料作業過程中的自動防塌垛安全保護需求。