基于UWB定位技术的斗轮机无人值守控制系统及方法

技术领域

本发明涉及固体颗粒散物料堆放或提取移走的悬臂斗轮堆取料机领域，特别是涉及一种基于UWB定位技术的斗轮机无人值守控制系统及方法。

背景技术

目前悬臂式斗轮堆取料机传统的控制方式分为：就地手动控制、远程手动控制、远程自动控制。

就地手动控制指的是操作人员在斗轮机驾驶室内对单台设备进行现场操作，不能实现系统复杂的联锁要求，斗轮机独立运行。输煤系统主控室内的工作人员不了解现场设备的工作情况和设备的运行参数，控制室内也没有设备的报警信号及相关数据。

远程手动控制是指操作人员在集控室直接控制斗轮进行堆取料作业，斗轮机运行状态、位置姿态等数据通过上位机进行监控。但操作员对料场中料堆分布情况，存料量数据无法掌握，同时操作人员通过上位机对斗轮机进行控制，视野受限、操作不方便。

远程自动控制是通过激光扫描对料场进行扫描，采集料场数据，将料堆边界数据发送给斗轮机PLC，斗轮机通过自身定位系统自动定位料堆并进行自动作业。现有远程自动控制系统对斗轮机的定位精度有很高要求，激光扫描仪的位置数据要精准，斗轮机的姿态数据要精准。斗轮机传统的定位方式采用的是对斗轮机行走距离、回转角度、变幅角度通过编码器进行定位，而激光扫描仪采集的料场数据为空间坐标(X,Y,Z)，系统需要将空间坐标(X,Y,Z)分别换算成斗轮机的行走距离、回转角度、变幅角度。由于斗轮机悬臂长度通常在30米至50米之间，这就导致数据在换算的过程中误差极大，从而导致斗轮机自动控制精度很难达到无人值守的控制精度。

综上所述可以看出，如何提高斗轮机无人值守控制系统的控制精度是目前有待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于UWB定位技术的斗轮机无人值守控制系统及方法，以解决现有斗轮机远程自动控制技术控制精度较低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于UWB定位技术的斗轮机无人值守控制系统，包括：安装于料场棚顶的m(m≥3猳个UWB无线定位基站，安装于斗轮机头部的UWB无线定位移动终端，安装于料场中心正上方的三维激光扫描仪，料场三维服务器，上位机控制服务器，斗轮机PLC；其中，所述三维激光扫描仪用于在堆料时对料场不同区域内的料堆进行扫描，获取各个料堆的数据信息，所述数据信息包括料堆边界点的空间坐标；所述料场三维服务器，用于建立料场数据库，存储所述各个料堆的数据信息；所述上位机控制服务器，用于根据料场的测绘数据，利用三维仿真系统对所述料场进行三维建模，建立料场坐标系，获取所述UWB无线定位基站与所述三维激光扫描仪在所述料场坐标系中的空间坐标；当接收到对目标料堆进行自动取料的指令时，获取m个UWB无线定位基站和所述UWB无线定位移动终端之间的距离d

优选地，所述三维激光扫描仪包括：

扫描模块，用于对所述目标料堆进行扫描，得到所述目标料堆的数据信息；

计算模块，用于当扫描到所述目标料堆的任一边界点时，确定所述三维激光扫描仪与当前边界点的水平面夹角和垂直面夹角，测量所述三维激光扫描仪到所述当前边界点之间的距离，根据所述水平面夹角、所述垂直面夹角、所述三维激光扫描仪到所述当前边界点之间的距离以及所述三维激光扫仪在所述料场坐标系中的空间坐标，确定所述当前边界点的空间坐标；

传输模块，用于将所述目标料堆的数据信息和各个边界点的空间坐标发送至所述料场三维服务器。

优选地，所述计算模块具体用于：

当扫描到所述目标料堆的边界点P时，确定所述三维激光扫描仪与当前边界点的水平面夹角α和垂直面夹角θ，测量所述三维激光扫描仪到所述边界点P的距离S；

根据

其中，(X

优选地，所述上位机控制服务器具体用于：

当接收到对目标料堆进行自动取料的指令时，分别获取第一UWB无线定位基站、第二UWB无线定位基站、第三UWB无线定位基站与所述UWB无线定位移动终端之间的距离d

根据

其中，(X

优选地，所述斗轮机PLC具体用于：

对比所述边界点P的空间坐标(X

根据所述目标料堆的数据信息，控制所述斗轮机进行所述目标料堆的取料作业。

优选地，还包括：三维激光盘煤系统，用于对所述料场进行测绘，并将所述料场的测绘数据发送至所述上位机控制服务器。

优选地，还包括：料场无线通讯电台和集控室无线通讯电台。

优选地，包括：料场交换机，其中，所述m个UWB无线定位基站、所述UWB无线定位移动终端、所述三维激光扫描仪、所述料场无线通讯电台均与所述料场交换机连接。

优选地，包括：包括：集控室交换机，其中，所述上位机控制服务器、所述料场三维服务器、所述集控室无线通讯电台均与所述集控室交换机连接。

本发明还提供了一种基于UWB定位技术的斗轮机无人值守控制方法，应用于上位机控制服务器，包括：

根据料场的测绘数据，利用三维仿真系统对所述料场进行三维建模，建立料场坐标系；

获取安装于料场棚顶的m(m≥3)个UWB无线定位基站与安装于料场中心正上方的三维激光扫描仪在所述料场坐标系中的空间坐标；

当接收到对目标料堆进行自动取料的指令时，获取所述m个UWB无线定位基站和安装于斗轮机头部的UWB无线定位移动终端之间的距离d

根据所述距离d

从料场三维服务器中调取所述目标料堆预选边界点的空间坐标，将所述预选边界点的空间坐标与所述UWB无线定位移动终端的当前三维坐标发送至斗轮机PLC，以便所述斗轮机PLC根据所述预选边界点的空间坐标与所述UWB无线定位移动终端的当前三维坐标，控制斗轮机执行所述目标料堆的取料作业；

其中，所述目标料堆预选边界点的空间坐标是通过所述三维激光扫描仪对料场不同区域内的料堆进行扫描时获取到的。

本发明所提供的一种基于UWB定位技术的斗轮机无人值守控制系统，包括位于集控室的料场三维服务器和上位机控制服务器，以及多个安装于料场棚顶的UWB无线定位基站，安装于斗轮机头部的UWB无线定位移动终端，安装于料场中心正上方的三维激光扫描仪和斗轮机PLC。在堆料时，所述三维激光扫描仪扫描料堆，获取所述料堆的数据信息，并将所述料堆的数据信息存储至所述料场三维服务器中的料场数据库中。所述料堆的数据信息包括所述料堆边界点的空间坐标。根据料场的测绘数据，利用所述上位机控制服务器中的三维仿真系统对所述料场进行三维建模，建立料场坐标系，并获取所述UWB无线定位基站与所述三维激光扫描仪在所述料场坐标系中的空间坐标。在所述三维仿真系统中选择要作业的目标料堆时，所述上位机控制服务器读取所述目标料堆的预选边界点的空间坐标；并根据所述多个UWB无线定位基站的空间坐标，以及与所述UWB无线定位移动终端之间的距离，确定所述UWB无线定位移动终端的当前空间坐标，即精准定位所述斗轮机头部当前所在位置。所述上位机控制服务器将所述预选边界点的空间坐标与所述UWB无线定位移动终端的当前空间坐标发送至所述斗轮机PLC。所述斗轮机PLC通过对比所述预选边界点的空间坐标与所述UWB无线定位移动终端的当前三维坐标，控制斗轮机行走、回转、俯仰运行，自动定位料堆，并进行自动堆取料作业。

本发明所提供的系统通过UWB无线定位技术，通过安装在棚顶的至少三个无线定位基站，对安装在斗轮机头部的移动终端进行精准定位，从而得到斗轮机在空间的实时位置坐标，通过对比三维激光扫描仪发送料堆边界点的空间坐标和UWB对斗轮机定位的实时位置坐标，可以实现斗轮机对料堆的实时、精确的空间定位；避免了利用斗轮机行走距离、回转角度、变幅角度，通过换算的方式定位料场所带来的误差，同时也解决了因编码器机械安装导致的斗轮机定位误差，从而使斗轮机堆料场定位更加方便、精确，且斗轮机无人值守算法更加优化。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的一种基于UWB定位技术的斗轮机无人值守控制系统的网络拓扑图；

图2为UWB无线定位移动终端的安装位置图；

图3为三维激光扫描仪安装及测距原理图；

图4为斗轮机轮体定位原理示意图；

图5为本发明所提供的基于UWB定位技术的斗轮机无人值守控制系统方法的一种具体实施例的流程图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种基于UWB定位技术的斗轮机无人值守控制系统及方法，提高了斗轮机无人值守控制系统的控制精度。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。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。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种基于UWB定位技术的斗轮机无人值守控制系统的网络拓扑图；具体系统可以包括：安装于料场棚顶的m(m≥3猳个UWB无线定位基站7、9、10，安装于斗轮机头部的UWB无线定位移动终端8，安装于料场中心正上方的三维激光扫描仪11，料场三维服务器4，上位机控制服务器3，斗轮机PLC。所述UWB无线定位移动终端8的安装位置如图2所示。

所述三维激光扫描仪11用于在堆料时对料场不同区域内的料堆进行扫描，获取各个料堆的数据信息；其中，所述数据信息包括料堆编号、料堆种类、密度、高度、边界、体积、重量、堆放位置、料堆边界点的空间坐标等数据。

所述料场三维服务器4，用于建立料场数据库，存储所述各个料堆的数据信息。

所述上位机控制服务器3，用于根据料场的测绘数据，利用三维仿真系统对所述料场进行三维建模，建立料场坐标系，获取所述UWB无线定位基站7、9、10与所述三维激光扫描仪11在所述料场坐标系中的空间坐标；当接收到对目标料堆进行自动取料的指令时，获取m个UWB无线定位基站7、9、10和所述UWB无线定位移动终端8之间的距离d

所述斗轮机PLC，用于根据所述预选边界点的空间坐标与所述UWB无线定位移动终端8的当前三维坐标，控制斗轮机执行所述目标料堆的取料作业。

本发明实施例所提供的系统，还包括集控室无线通讯电台1，集控室PLC2，集控室交换机5，料场无线通讯电台6，料场交换机12；其中，所述集控室无线通讯电台1、所述集控室PLC2、所述上位机控制服务器3、所述料场三维服务器4均匀所述集控室交换机5连接；所述料场无线通讯电台6、所述m个UWB无线定位基站7，9，10、所述UWB无线定位移动终8、所述三维激光扫描仪11均与所述料场交换机12连接。

在本实施例中，采用三维激光盘煤系统对所述料场进行测绘，并将所述料场的测绘数据发送至所述上位机控制服务器3。将所述三维激光盘煤系统与PLC和三维仿真系统进行数据通讯，确保所述三维激光扫描仪11可以将扫描出的料场数据根据不同指令传输给PLC相应存储地址中，同时将料场数据以三维建模的形式在仿真系统中呈现。

本实施例所提供的系统，通过对料场进行测绘以及三维建模，建立料场坐标系。在料场棚顶不同位置安装不少于3个UWB无线定位基站，并测量所述UWB无线定位基站在所述料场坐标系中的空间坐标。在斗轮机头部安装所述UWB无线定位移动终端，通过所述UWB无线定位移动终端相对于所述UWB无线定位基站的距离以及所述UWB无线定位基站的空间坐标，可以测量出所述UWB无线定位移动终端在所述料场坐标系中的空间坐标，即为斗轮轮体在料场中的坐标，将所述UWB无线定位移动终端数据与PLC进行数据通讯。将所述三维激光扫描仪安装于棚顶固定位置，并测量所述三维激光扫描在所述料场坐标系中的空间坐标。在所述料场三维服务器中建立料场数据库，根据料堆建立标准数据库，数据库中包含：料堆编号、料堆种类、密度、高度、边界、体积、重量、堆放位置、边界点空间坐标等数据信息，可通过所述三维仿真系统对不同料堆的选择，读取相应料堆的数据信息。在所述三维仿真系统中选择要作业的料堆，所述上位机控制服务器通过读取所述料场数据库数据中料堆边界点的空间坐标，并将所述边界点空间坐标发送给所述斗轮机PLC；所述斗轮机PLC接收到所述边界点的空间坐标后，通过对比斗轮机轮体当前位置的空间坐标，控制斗轮机行走、回转、俯仰运行，自动定位料堆，并进行自动堆取料作业。

本实施例通过对料场测绘，将所述三维激光扫描仪、斗轮机、UWB无线定位基站和移动终端建立在统一的料场坐标系中，搭建完备的料场数据库，可以及时、准确的采集、计算料场中料堆的分布情况、剩余总量等信息；同时通过UWB无线定位技术对斗轮机轮体的空间坐标进行定位，可以及时、准确、便捷的自动定位相应料堆；通过完善斗轮机PLC的自动作业程序，加上料场位置数据对比和UWB定位数据形成闭环控制，从而实现的斗轮机堆料场的无人化、智能化控制。

本实施例所提供的系统，通过UWB无线定位技术和激光扫描技术，使斗轮机定位不再采用编码器加连接套件的机械式定位大车行走距离、回转角度和变幅高度的定位模式，这样既解决了因为机械连接、齿轮咬合带来的测量误差，也避免了通过回转角度、变幅高度和悬臂长度计算斗轮空间位置数据繁琐的计算过程，大大降低了这种因整体大结构计算带来的误差。在本实施例中，所述三维激光扫描仪只需要将料场的测量结果和斗轮机的作业工艺进行简单规划，提供料堆边界数据即可，大大降低了系统的计算量和计算误差；让斗轮机无人值守控制逻辑更加简便、精度更高、响应时间更短。

在本发明提供的其他实施例中，还可以通过对料场中的人员或其他设备加装UWB无线定位移动终端，实现对料场中加装UWB无线定位移动终端的设备或人的实时定位，避免设备在无人值守状态下发生设备与设备或人之间的误碰撞功能。

基于上述实施例，在本实施例中，对料场进行准确测绘，在上位机控制服务器上对所述料场进行三维建模并建立料场坐标系，将第一UWB无线定位基站P

建立料场数据库，根据料场区域划分，将不同料场存储区域的料堆数据进行存储，并以三维仿真的模式在集控室显示。所述三维激光扫描仪Q将料场数据采集到所述料场三维服务器，所述料场三维服务器对应相应的存储区域，对不同料堆数据进行分别存储。

如图3所示，所述三维激光扫描仪对料堆扫描结束后，除了得到料堆的体积，同时也可以得到料堆边界点的空间坐标，如边界P点的空间坐标。当所述三维激光扫描仪Q当扫描到所述目标料堆的边界点P时，确定所述三维激光扫描仪与当前边界点的水平面夹角α和垂直面夹角θ，测量所述三维激光扫描仪到所述边界点P的距离S，根据：

确定所述边界点P的空间坐标(X

斗轮机轮体定位原理如图4所示，三个UWB无线定位基站P

确定所述UWB无线定位移动终端的当前三维坐标(X

通过所述上位机控制服务器选择对目标料堆进行自动取料作业时，所述上位机控制服务器读取所述目标料堆的边界点P的空间坐标(X

通过上述方式，在所述料场三维服务器中将料场中各个区域的料场边界数据按料堆编号进行存储，当通过所述上位机控制服务器选择对不同料堆进行自动取料作业时，所述斗轮机PLC只需要对比斗轮机轮体处的所述UWB无线定位移动终端P

本实施例通过UWB无线定位技术对斗轮机轮体P

请参考图5，图5为本发明所提供的基于UWB定位技术的斗轮机无人值守控制方法的一种具体实施例的流程图。本方法应用于上位机控制服务器，具体操作步骤如下：

步骤S501：根据料场的测绘数据，利用三维仿真系统对所述料场进行三维建模，建立料场坐标系；

步骤S502：获取安装于料场棚顶的m(m≥3)个UWB无线定位基站与安装于料场中心正上方的三维激光扫描仪在所述料场坐标系中的空间坐标；

步骤S503：当接收到对目标料堆进行自动取料的指令时，获取所述m个UWB无线定位基站和安装于斗轮机头部的UWB无线定位移动终端之间的距离d

步骤S504：根据所述距离d

步骤S505：从料场三维服务器中调取所述目标料堆预选边界点的空间坐标，将所述预选边界点的空间坐标与所述UWB无线定位移动终端的当前三维坐标发送至斗轮机PLC，以便所述斗轮机PLC根据所述预选边界点的空间坐标与所述UWB无线定位移动终端的当前三维坐标，控制斗轮机执行所述目标料堆的取料作业；其中，所述目标料堆预选边界点的空间坐标是通过所述三维激光扫描仪对料场不同区域内的料堆进行扫描时获取到的。

本发明所提供的斗轮机无人值守控制方法，将料场定位与斗轮机定位统一在同一坐标系下，通过空间位置坐标进行精准定位，将斗轮机自身行走机构、回转机构、俯仰机构三种定位姿态，两种定位变量(距离、角度)统一到由单个UWB无线定位移动终端对斗轮机轮体进行空间定位一种方式下，大大降低了斗轮机对料堆定位的计算量。而且还可以通过在人员和设备上加装UWB移动终端，可以对料厂内的其他人员或设备进行跟踪定位。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本发明所提供的基于UWB定位技术的斗轮机无人值守控制系统及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。