基于工业视觉的无人值守斗轮机取料路径优化方法与流程

本发明涉及工业视觉，具体涉及基于工业视觉的无人值守斗轮机取料路径优化方法。

背景技术：

1、斗轮机广泛应用于煤场等散状物料堆场的连续取料作业中，无人值守斗轮机通常需要依据料堆表面形态、目标取料流量和设备运动参数生成回转取料路径。

2、斗轮机在料堆主体区域取料时，斗轮与料堆之间的切削截面积变化相对平缓，回转路径上的取料流量较容易保持连续；但在料堆边缘区域、薄料区域或者回转路径切入切出区域，斗轮与料堆之间的几何截面积会在较短路径范围内发生明显变化，按照恒定流量反算得到的理论回转角速度容易出现局部突增。

3、回转机构受输出端速度和加速度能力限制，理论回转角速度在实际执行时会被限制在机构允许范围内，导致速度饱和区段内的实际取料流量低于基准取料流量，进而在下游输送皮带上形成局部流量凹陷。对于无人值守取料过程而言，这类局部流量凹陷会影响连续取料过程中的料流平稳性，也会增加后续路径调整和取料节奏控制的复杂度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于工业视觉的无人值守斗轮机取料路径优化方法，解决上述技术问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、基于工业视觉的无人值守斗轮机取料路径优化方法，包括以下步骤：

4、通过工业视觉系统采集料堆表面点云数据，基于料堆表面点云数据建立料堆三维表面模型；

5、获取基准体积流量、回转机构输出端速度上限值与加速度上限值；

6、沿预设回转取料路径逐点计算几何截面积，依据基准体积流量、几何截面积和回转半径计算理论回转角速度；

7、基于理论回转角速度与速度上限值、加速度上限值，识别回转取料路径上的速度饱和区段；

8、根据速度、加速度上限值生成实际回转角速度曲线，积分计算速度饱和区段的流量缺额；

9、在速度饱和区段前选取稳定取料路径区段，增大几何截面积并降低回转角速度，生成调整后的回转角速度指令序列和斗轮切削参数。

10、作为本发明进一步的方案：建立料堆三维表面模型的过程为：

11、通过多台固定安装的图像采集装置获取料堆的多视角二维图像；

12、采用立体视觉匹配算法对多视角二维图像进行处理，生成初始稠密点云，对初始稠密点云进行统计离群点移除滤波处理，获得滤波后点云；

13、对滤波后点云进行三角剖分，生成由三角面片组成的连续表面网格，将连续表面网格作为料堆三维表面模型。

14、作为本发明进一步的方案：获取基准体积流量以及回转机构输出端速度、加速度上限值的过程为：

15、从斗轮机的上级工艺控制系统接收基准取料流量，从料场数据库中读取物料堆积密度，将基准取料流量与物料堆积密度相除，得到基准体积流量；

16、从斗轮机的回转机构驱动装置参数中读取回转电机最大输出转速、回转电机最大输出转矩、传动比和悬臂转动惯量；

17、基于回转电机最大输出转速和传动比计算回转机构输出端角速度上限值作为速度上限值；

18、基于回转电机最大输出转矩、传动比和悬臂转动惯量计算回转机构输出端角加速度上限值作为加速度上限值。

19、作为本发明进一步的方案：计算理论回转角速度的过程为：

20、将料堆三维表面模型转换至斗轮机悬臂运动学模型所在坐标系；

21、将预设回转取料路径离散为多个路径采样点，基于从斗轮机悬臂运动学模型中读取的路径采样点对应的悬臂回转角度、悬臂俯仰角度、悬臂长度和斗轮安装偏置计算该路径采样点对应的斗轮圆心坐标；

22、将斗轮圆心坐标到悬臂回转中心的水平距离作为路径采样点对应的回转半径；

23、根据悬臂回转角度确定悬臂径向方向，将经过斗轮圆心坐标并由悬臂径向方向和竖直方向共同限定的平面作为路径采样点对应的切削截面平面；

24、遍历料堆三维表面模型中的三角面片，计算三角面片的边与切削截面平面的交点，将同一三角面片上的两个交点连接成面片交线，按照面片交线的端点邻接关系连接全部面片交线，得到料堆截面折线；

25、获取斗齿外缘半径，在切削截面平面内根据斗轮圆心坐标与斗齿外缘半径生成一个圆形边界作为斗轮切削包络线；

26、获取料堆截面折线与斗轮切削包络线的交点，选取位于斗轮切削包络线内侧的料堆截面折线，将选取的料堆截面折线与交点之间的斗轮切削包络线连接，形成封闭切削截面轮廓；

27、计算封闭切削截面轮廓的面积作为几何截面积，将基准体积流量与几何截面积相除得到切削线速度，将切削线速度与路径采样点对应的回转半径相除，得到路径采样点对应的理论回转角速度。

28、作为本发明进一步的方案：识别速度饱和区段的过程为：

29、按预设回转取料路径的顺序排列各路径采样点对应的理论回转角速度，得到角速度序列；

30、计算角速度序列中第i个理论回转角速度与前一个理论回转角速度之间的绝对差值，将绝对差值除以预设运动时间得到理论回转角加速度；

31、若理论回转角加速度＞加速度上限值，则将第i个理论回转角速度标记为异常速度；

32、将＞速度上限值的理论回转角速度也标记为异常速度；

33、连续的异常速度对应的路径采样点组成的路径区段标记为速度饱和区段。

34、作为本发明进一步的方案：计算流量缺额的过程为：

35、将异常速度按照对应的路径采样点的顺序排序；

36、对于单个异常速度，将其替换为速度上限值与该异常速度中的较小值，替换结束后，排序中全部的元素均记为一类速度；

37、获取与速度饱和区段起点相邻的前一个路径采样点对应的理论回转角速度c1，将c1作为一类速度加入排序中的首位；

38、计算加速度上限值与预设运动时间的乘积s；

39、从排序中首位的一类速度a1开始，将一类速度a1加上乘积s作为排序中第二位一类速度a2的最大值max，将一类速度a1减去乘积s作为一类速度a2的最小值min；

40、若a2＞max，则令a2=max，a2＜min，则令a2=min，若min≤a2≤max，则保持a2不变；

41、将处理的a2作为下一次递推中的a1，将排序中第三位一类速度a3作为下一次递推中的a2，重复计算max和min并调整a2，直至排序中最后一位一类速度调整完成；

42、调整完成后，将除c1外全部的一类元素均记为二类速度；

43、将二类速度、回转半径和几何截面积相乘，得到路径采样点对应的实际取料体积流量，将基准体积流量减去实际取料体积流量得到体积流量差值，若体积流量差值小于零，则将体积流量差值置为零；

44、将速度饱和区段内各路径采样点对应的体积流量差值分别与预设运动时间相乘，并对全部乘积求和得到流量缺额。

45、作为本发明进一步的方案：生成调整后的回转角速度指令序列和斗轮切削参数的过程为：

46、从斗轮机的上级工艺控制系统接收下游输送皮带的额定体积输送能力；

47、在速度饱和区段起点之前，沿预设回转取料路径反向选取一段未被标记为速度饱和区段的连续路径采样点，将连续路径采样点对应的路径区段作为稳定取料路径区段；

48、对稳定取料路径区段内路径采样点对应的切削截面轮廓、几何截面积、回转半径和理论回转角速度；

49、沿斗轮切削进给方向平移切削截面轮廓，计算平移后的切削截面轮廓面积，将平移后的切削截面轮廓面积作为调整后几何截面积；

50、按照预设降低比例降低稳定取料路径区段内路径采样点对应的理论回转角速度，得到调整后回转角速度；

51、将调整后几何截面积、回转半径和调整后回转角速度相乘，得到稳定取料路径区段内路径采样点对应的调整后实际取料体积流量；

52、若调整后实际取料体积流量大＞基准体积流量且≤额定体积输送能力，则将调整后实际取料体积流量与基准体积流量的差值记为补偿体积流量差值；

53、将稳定取料路径区段内各路径采样点对应的补偿体积流量差值分别与预设运动时间相乘，并对全部乘积求和得到补偿流量增量；

54、调整切削截面轮廓的平移量和预设降低比例，直至补偿流量增量与流量缺额相等；

55、将补偿流量增量与流量缺额相等时的切削截面轮廓的平移量、调整后几何截面积和调整后回转角速度作为斗轮切削参数；

56、将稳定取料路径区段内的调整后回转角速度、速度饱和区段内的二类速度以及速度饱和区段后的理论回转角速度按照预设回转取料路径的顺序拼接，形成调整后的回转角速度指令序列。

57、本发明的有益效果：相较于现有技术：

58、本发明中，回转取料路径中的不可执行速度区段在路径规划阶段被识别，速度饱和区段对应的料流缺额被量化，前置稳定取料路径区段对后续流量凹陷进行补偿，下游输送皮带接收的物料流量波动幅度降低。调整后的回转角速度指令序列与回转机构输出端速度和加速度边界相匹配，路径指令的可执行性提高，边缘区域和薄料区域的局部取料中断感减弱。斗轮机在无人值守状态下的取料节奏更加连续，输送皮带的瞬时低流量区间减少，取料路径从单纯按照几何截面积反算速度，转变为同时考虑取料流量缺额和机构执行边界的路径调度结果，从而提高无人值守斗轮机连续取料过程中的料流稳定性和路径执行一致性。