基于激光雷達的堆取料機自動作業(yè)調度技術

羅奕， 劉艷佩， 蔡有高， 高偉軍， 魏正峰， 萬吉祥

(華能(福建)海港有限公司，福建, 福州 350602)

0 引言

隨著全球經濟的迅速發(fā)展，散貨貿易的不斷增加，電廠、鋼廠、碼頭、港口等作為散貨的主要集散基地，如何快速、準確地存取和運輸散貨是企業(yè)進行經濟規(guī)劃、提高生產效率和料場的使用率、合理安排生產計劃的關鍵。目前，我國散貨物料的存儲作業(yè)計劃都通過料場存儲現(xiàn)狀圖和人工經驗進行堆取料的調度作業(yè)下發(fā)，料場存儲的現(xiàn)狀圖中料堆的占地面積、區(qū)域等由于人工測量存在較大的誤差，而且人工經驗也存在不確定性和隨機性，所有對于整個堆取料作業(yè)的調度以及料場的使用率都存在比較大的影響。雖然我國在海港建設中進行了大量的料場投入，但是依然無法滿足經濟發(fā)展和工業(yè)的需要，多用戶多模式運輸與散貨碼頭資源限制之間的矛盾日益突出，如何提高料場的使用率、合理安排堆取料的計劃就是企業(yè)急需解決的問題[1-2]。

1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)流程如圖1所示，主要過程包括：① 料場三維點云數(shù)據(jù)采集和處理；② 接受作業(yè)任務，判斷堆取料類別；③ 料堆體積計算；④ 調度結果生成。堆料：根據(jù)體積計算篩選合適的堆料目標區(qū)域，選擇推薦的空閑堆料設備在堆料的目標區(qū)域執(zhí)行當前堆料作業(yè)。取料：根據(jù)體積計算篩選合適取料條件的取料區(qū)域，獲取當前空閑取料設備信息，計算空閑取料設備與篩選的取料區(qū)域的距離，篩選出合適的空閑取料設備進行推薦。

圖1 系統(tǒng)流程圖

2 智能調度系統(tǒng)關鍵技術

2.1 點云數(shù)據(jù)處理

實現(xiàn)散貨碼頭智能調度管理和有效提高料場吞吐量的關鍵技術之一，是能夠對料堆進行精確的建模實現(xiàn)全料場可視化?？紤]到對全料場三維重建場景大，本項目選用數(shù)據(jù)采集可靠性高、周期短的激光掃描儀作為模型的數(shù)據(jù)來源。我們需要對原始的掃描數(shù)據(jù)進行處理，主要包括了點云濾波和補全。

(1)點云濾波

在堆取料作業(yè)過程中，掃描儀作業(yè)采集的數(shù)據(jù)需要對雨、雪、霧、粉塵等干擾數(shù)據(jù)進行濾除。作業(yè)過程的粉塵如圖2所示，本系統(tǒng)采用弦高法和多重回波技術相結合的方法對掃描數(shù)據(jù)進行處理[3-4]。

圖2 取料作業(yè)的粉塵圖

煤堆、礦石等物料的特性和成堆后的形狀，一般不會出現(xiàn)突變的情況，采用移動弦高法對干擾點進行判定，其原理如圖3所示，當采樣點弦高大于設定允許最小的偏差值時判定該點為干擾點。

圖3 弦高法原理圖

設離散點P1、P2之間的距離為L12，P2、P3之間的距離為L23，P1、P3之間的距離為L13，弦高為h1，夾角為θ，計算式為

(1)

h1=L12×sinθ

(2)

同時，根據(jù)掃描儀采用點云所返回的回波強度進行濾波，其原理如圖4所示。當激光束在穿透不同物體后其回波的能量值會發(fā)生變化，根據(jù)料堆和干擾物不同的特性對原始點云數(shù)據(jù)進行初次濾波。

圖4 激光多重回波原理圖

采用弦高法和多重回波技術相結合的方法對實際的料堆點云數(shù)據(jù)進行處理，處理前后的結果如圖5、圖6所示。

圖5 干擾處理前

圖6 干擾處理后

(2)點云補全

由于受到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(shù)據(jù)會存在小范圍的漏洞區(qū)域，同時也會存在料堆背面永遠不可見的大面積盲區(qū)，如圖7所示。為了能夠準確地計算出料堆的體積和進行堆取料區(qū)域的調度，必須保證料堆點云數(shù)據(jù)完整性，采用加權平均算法對小范圍漏洞進行填充[5]，并通過安息角預估算法對料堆背面數(shù)據(jù)進行填充，填充后的效果如圖7、圖8所示。

圖7 盲區(qū)填充前

圖8 盲區(qū)填充后

2.2 體積預測[6-8]

離散的點云數(shù)據(jù)經過點云濾波和補全處理后形成了完整的三維料堆信息，采用10 cm×10 cm對料堆表面進行網(wǎng)格化切分，并用三角面組成料堆表面模型，如圖9所示。由于料堆表面地形模型由離散的點云組成，最常用的料堆體積計算方式為積分方法，即將料堆劃分為若干離散點區(qū)域體積求和，離散區(qū)域如圖10所示，所以劃分區(qū)域與小體積越準確，計算速度就會越慢。

圖9 料堆表面三角面

圖10 離散立方體

料堆可以離散為若干相同形狀不同體積的立方體，體積計算公式如下：

VA″B″C-A′B′C′=

(3)

VB-A″B″C=

(4)

VA-A″BC=

(5)

Vi=VABC-A′B′C′=VA″B″C-A′B′C′+VB-A″B″C+VA-A″BC

(6)

(7)

A、B、C分別為料堆表面的3點，其在料場坐標系下的三維坐標分別為A(xA,yA,zA)、B(xB,yB,zB)、C(xC,yC,zC)，V為料堆實際體積，Vi為第i個三角柱的體積，n為三角柱的數(shù)量，VABC-A′B′C′為三角柱ABC-A′B′C′的體積，VA″B″C-A′B′C′為以A″B″C為頂面、A′B′C′為底面的三棱柱的體積，VB-A′B″C為以B為頂角、A′B″C為底面的三棱錐的體積，VA-A′BC為以A為頂角、A′BC為底面的三棱錐的體積。

堆料作業(yè)的堆放區(qū)域的大小計算方法如下：根據(jù)堆料工藝、堆料寬度和高度、堆料總量、物料密度，計算堆料體積和堆料長度，計算公式如下：

V=M/ρ

(8)

(9)

(10)

其中，V為堆料體積，M為來料重量，ρ為物料的密度，H為料堆高度，β為物料安息角，W為堆料寬度，L為堆料長度。式(9)、式(10)分別為料堆截面為梯形和三角形的情況下堆料長度的計算公式。

2.3 堆取料調度策略

本系統(tǒng)堆取料調度策略流程如圖11所示。

圖11 堆取料調度流程圖

堆料調度：①獲取料堆點云數(shù)據(jù)，根據(jù)式(7)計算料場中已堆存的料堆實際占地面積和體積；②根據(jù)作業(yè)任務信息,主要包括：物料的名稱、來料重量、堆比重、安息角以及堆料工藝，計算本次堆料作業(yè)的堆放區(qū)域的大??；③根據(jù)計算結果以及占地區(qū)域篩選可堆料的目標區(qū)域，篩選合適的堆料的目標區(qū)域，當沒有合適堆料條件的目標區(qū)域時，拋棄當前作業(yè)計劃并上傳錯誤信息；④獲取當前空閑堆料設備信息，計算空閑堆料設備與篩選的目標區(qū)域的距離，篩選出合適的空閑堆料設備進行推薦；⑤選擇推薦的空閑堆料設備在堆料的目標區(qū)域執(zhí)行當前堆料作業(yè)。

取料調度：①獲取料堆點云數(shù)據(jù)，根據(jù)式(7)計算料場中已堆存的料堆實際占地面積和體積；②獲取取料作業(yè)任務信息，所述作業(yè)任務信息至少包括作業(yè)物料的名稱、取料重量；③根據(jù)取料作業(yè)任務信息，對比料場中各料堆的信息，篩選合適取料條件的取料區(qū)域，當沒有合適取料條件的取料區(qū)域時，拋棄當前作業(yè)計劃并上傳錯誤信息；④計算空閑取料設備與篩選的取料區(qū)域的距離，篩選出合適的空閑取料設備進行推薦；⑤選擇推薦的空閑取料設備在篩選的取料區(qū)域執(zhí)行當前取料作業(yè)。

2.4 現(xiàn)場測試

本項目以福州華能羅源灣港區(qū)將軍帽作業(yè)區(qū)一期工程堆取料機無人化操作自動控制系統(tǒng)為背景，對系統(tǒng)進行綜合測試，在接收到作業(yè)任務后，對作業(yè)任務進行一系列的分析，包括堆取料類別、作業(yè)工業(yè)、作業(yè)總量、物料密度、安息角等，結合激光點云數(shù)據(jù)計算料場中已堆存的料堆實際占地面積和體積，最終調度到合適的堆取料作業(yè)區(qū)域以及合適作業(yè)設備。現(xiàn)場測試過程見圖12。

(a)取料區(qū)域調度

3 總結

研究激光掃描技術在散貨碼頭斗輪堆取料機智能調度的應用，有效解決了堆取料機在作業(yè)區(qū)域調度中存在的問題?，F(xiàn)場測試證明，本系統(tǒng)在充分保證料場利用率、發(fā)揮堆取料設備的堆取料能力和其他功能基礎上，有效地提高了堆取料作業(yè)的合理性，減少了堆取料作業(yè)的時間，提高了生產計劃的合理性，提高作業(yè)效率，對于調度過程中堆料作業(yè)區(qū)域預測的誤差能夠控制在±10%以內。