基于毫米波雷達(dá)的全天候料高和安息角測(cè)量技術(shù)

姜 波，劉志明，沈 閱

（1.唐山曹妃甸煤炭港務(wù)有限公司，河北唐山 063200；2.河北燕大燕軟信息系統(tǒng)有限公司，河北秦皇島 066004）

引言

隨著控制技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)的自動(dòng)化程度越來越高，尤其散雜貨港口的全自動(dòng)堆取料成為最近的研究熱點(diǎn)[1]。實(shí)現(xiàn)堆料機(jī)的自動(dòng)化堆料，首先需要實(shí)時(shí)獲取料堆的安息角和料高，以便及時(shí)自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)堆料機(jī)大臂的俯仰和落料點(diǎn)的更換。自動(dòng)化精準(zhǔn)的堆料可以減少操作人員勞動(dòng)量，提高堆場(chǎng)的利用率以及落料過程中縮減落料口和料堆的距離以減輕對(duì)環(huán)境的污染。在全天候堆料過程中，為了保證能夠?qū)崟r(shí)獲取料堆的安息角和料高，采用毫米波雷達(dá)測(cè)量料高和安息角的方法。

在散雜貨堆場(chǎng)中，散雜貨的貨物主要有塊狀、顆粒狀、粉末狀的貨物，如礦石、煤炭等[2]，在物料自然下落堆料的過程中，它們顆粒的大小、種類和干濕程度都會(huì)使料堆產(chǎn)生不同的安息角，在自動(dòng)化堆取料的過程中，堆料機(jī)需要根據(jù)料高切換堆料點(diǎn)，根據(jù)安息角和料高進(jìn)行實(shí)時(shí)的三維建模，因此，實(shí)時(shí)測(cè)量各種不同材料料堆的安息角和料高至關(guān)重要。

目前，在實(shí)際的自動(dòng)化堆料過程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)料堆高度和安息角的方式主要有三種，分別是采用紅外的方式、單線激光雷達(dá)的方式和視覺的方式[3]。紅外測(cè)量的方式局限于散雜貨堆場(chǎng)中物料的種類，比如黑色的煤炭無法測(cè)量，實(shí)用性比較差。單線激光雷達(dá)的方式受限于雨雪和粉塵的影響，無法全天候長(zhǎng)時(shí)間的工作，需要占用勞動(dòng)力隨時(shí)準(zhǔn)備進(jìn)行雷達(dá)的清潔工作[4]。視覺的方式不適合散料堆場(chǎng)二十四小時(shí)工作的情況，在夜晚的工況下受限于光線的影響，實(shí)際使用效果較差[5]。采用毫米波雷達(dá)的方式能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的不同散雜貨的安息角和料高的測(cè)量[6]，該方法不受限于光照、粉塵、灑水、雨水和散雜貨種類的影響，能夠全天候的工作，更加準(zhǔn)確、客觀的獲取料堆的數(shù)據(jù)。在實(shí)際工作中，堆料機(jī)在作業(yè)過程中有很多影響因素造成測(cè)量誤差，例如落料口的落料對(duì)檢測(cè)的影響，落料在料堆表面滑動(dòng)的影響，堆料機(jī)抖動(dòng)的影響等，這些因素使得測(cè)量工作更加困難，本文所述的方法能夠很好的解決這些問題，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和運(yùn)行的過程中能夠獲得精確的測(cè)量結(jié)果，因此本文所述方法的實(shí)用性很高，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)安息角和料高實(shí)時(shí)測(cè)量的目的。

1 基于毫米波雷達(dá)的測(cè)量系統(tǒng)

基于毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的堆料機(jī)堆料過程中實(shí)時(shí)測(cè)量料高和安息角的方法共分為四個(gè)步驟。步驟一在堆料過程中，利用堆料機(jī)落料口前面的毫米波雷達(dá)獲取料堆表面的二維數(shù)據(jù)；步驟二對(duì)步驟一中所得到的毫米波雷達(dá)坐標(biāo)系的二維數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換；步驟三利用隨機(jī)采樣一致性擬合直線的算法對(duì)步驟二中所得到的二維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到直線方程，獲得安息角和料高；步驟四利用卡爾曼濾波的算法對(duì)步驟三中所得到的安息角和料高進(jìn)行處理，得到濾波后的安息角和料高；料高和安息角測(cè)量過程如圖1 所示。

圖1 料高和安息角測(cè)量過程

1.1 毫米波雷達(dá)測(cè)量裝置

毫米波雷達(dá)安裝在堆料機(jī)落料口兩側(cè)，堆料過程中，料渣飛揚(yáng)造成測(cè)量環(huán)境惡劣，由于毫米波雷達(dá)具有的頻帶寬、波長(zhǎng)短、體積小、功耗低和穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)[7]，其環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，能夠避免堆料機(jī)作業(yè)料渣的影響；毫米波雷達(dá)坐標(biāo)系Y軸與堆料機(jī)大臂中軸線保持平行并且指向遠(yuǎn)端，X軸與大臂中軸線垂直并且指向地面，自身坐標(biāo)系原點(diǎn)定義為O，堆料機(jī)的坐標(biāo)系原點(diǎn)是堆料機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心軸和堆場(chǎng)地面的交點(diǎn)，將其定義為O0，Y0軸與回轉(zhuǎn)中心重合并垂直于地面，X0軸始終平行于地面，X0O0Y0和XOY標(biāo)系平面隨著大臂的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，對(duì)正在落料的料堆進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)通過編碼器獲取當(dāng)前堆料機(jī)的俯仰角θ，基于毫米波雷達(dá)料高h(yuǎn)和安息角β測(cè)量系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 料高和安息角測(cè)量過程

1.2 測(cè)量數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

對(duì)毫米波雷達(dá)坐標(biāo)系的二維數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[9]，得到在堆料機(jī)坐標(biāo)系X0O0Y0中的二維數(shù)據(jù)；為了對(duì)堆場(chǎng)中料堆的安息角和料高進(jìn)行測(cè)量，需要將料堆上的被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)P(X,Y)相對(duì)毫米波雷達(dá)坐標(biāo)系XOY轉(zhuǎn)換到堆料機(jī)基坐標(biāo)系X0O0Y0中，首先進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過編碼器獲取當(dāng)前堆料機(jī)大臂的俯仰角，大臂水平時(shí)是零度，抬大臂俯仰角為正，降大臂俯仰角為負(fù)，旋轉(zhuǎn)角為90°加上堆料機(jī)當(dāng)前的俯仰角，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，然后進(jìn)行平移，已知毫米波雷達(dá)坐標(biāo)原點(diǎn)沿大臂中軸線到堆料機(jī)旋轉(zhuǎn)中軸線的距離，旋轉(zhuǎn)中心到地面的高度，可以得到X和Y軸方向的平移量，最終經(jīng)過旋轉(zhuǎn)和平移，得到在堆料機(jī)坐標(biāo)系X0O0Y0中的二維數(shù)據(jù)。

1.3 料高和安息角測(cè)量原理

利用隨機(jī)采樣一致性擬合直線[8]對(duì)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后的料堆的二維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先，設(shè)置迭代次數(shù)、每次采樣點(diǎn)數(shù)和容差值，通過隨機(jī)采樣兩個(gè)點(diǎn)，計(jì)算兩個(gè)點(diǎn)的直線方程，在容差范圍內(nèi)，找出距離擬合直線容差范圍的點(diǎn)，并統(tǒng)計(jì)局內(nèi)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，所有的迭代完成以后，選取擁有局內(nèi)點(diǎn)個(gè)數(shù)最多的直線L2為數(shù)據(jù)的擬合直線，直線斜率的反正切得到料堆的安息角β，落料點(diǎn)在堆場(chǎng)的橫坐標(biāo)可以由俯仰角和落料口到旋轉(zhuǎn)中心軸的距離求出，得到L1，將橫坐標(biāo)代入直線方程可得出實(shí)時(shí)料高h(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)堆料機(jī)堆料過程中安息角和料高的實(shí)時(shí)測(cè)量。

圖3 料高和安息角測(cè)量原理

1.4 基于卡爾曼濾波算法降噪

利用卡爾曼濾波算法對(duì)得到的料堆的安息角和料高進(jìn)行處理，在堆料過程中，毫米波雷達(dá)的數(shù)據(jù)存在測(cè)量誤差并且堆料機(jī)會(huì)存在一定的抖動(dòng)，對(duì)測(cè)量的結(jié)果造成嚴(yán)重影響，設(shè)置合適的測(cè)量噪聲方差和系統(tǒng)噪聲方差，經(jīng)過卡爾曼濾波的處理得到平滑的安息角和料高的測(cè)量值，最終實(shí)現(xiàn)在堆料過程中實(shí)現(xiàn)安息角和料高的測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)分析

在河北省唐山曹妃甸煤炭港務(wù)有限公司的堆取料機(jī)的全自動(dòng)改造項(xiàng)目中進(jìn)行測(cè)試應(yīng)用，如圖4和圖5 所示，料高和安息角的測(cè)量結(jié)果取自于堆料機(jī)的自動(dòng)化堆料過程中，其測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性較好，很好地為料堆的三維建模提供可靠的料高和安息角數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的料堆高度和安息角測(cè)量，為堆料機(jī)自動(dòng)化換點(diǎn)堆料提供可靠的反饋信號(hào)。

圖4 料高測(cè)量結(jié)果

圖5 安息角測(cè)量結(jié)果

3 應(yīng)用

曹妃甸煤炭港口自動(dòng)化堆料項(xiàng)目和滄州礦石港自動(dòng)化堆料項(xiàng)目中，采用了基于毫米波雷達(dá)測(cè)量得到的煤炭料堆和礦石料堆的料高和安息角。

3.1 測(cè)量料高的應(yīng)用

如圖6（b）落料點(diǎn)切換示意圖，通過毫米波雷達(dá)實(shí)時(shí)測(cè)量料堆的料高，當(dāng)料高滿足一定條件時(shí)，切換堆料點(diǎn)，例如圖6 堆料點(diǎn)8 的料高達(dá)到一定值時(shí)，堆料機(jī)將根據(jù)控制系統(tǒng)程序自動(dòng)切換到堆料點(diǎn)9 的位置繼續(xù)堆料。

圖6 堆料機(jī)自動(dòng)堆料換點(diǎn)及建模示意圖

3.2 測(cè)量安息角的應(yīng)用

堆料機(jī)堆料的過程中依據(jù)物料的安息角進(jìn)行三維建模，使得各種顆粒大小、濕度、粘度的物料都能更精準(zhǔn)的三維建模。

4 結(jié)語

本文針對(duì)全天候?qū)崟r(shí)測(cè)量料高和安息角的技術(shù)，采用基于毫米波雷達(dá)掃描技術(shù)得到料高和安息角，并成功應(yīng)用到礦石港口的自動(dòng)化堆取料項(xiàng)目中。