一种堆肥翻抛作业智能调度与路径优化系统的制作方法

本发明涉及堆肥处理装备与智能控制，具体涉及一种堆肥翻抛作业智能调度与路径优化系统。

背景技术：

1、堆肥翻抛作业是好氧发酵处理有机废弃物过程中的核心环节。在大型集中式堆肥厂区中，翻抛机械需要按照既定的作业路线在多个平行的堆肥条垛之间穿梭行驶，通过机械刀辊的高速旋转对物料进行切削、打散和抛掷，以改善物料内部的透气性并调节发酵温度。为了提高作业效率，厂区通常需要引入调度系统为翻抛设备规划行驶轨迹与作业顺序。

2、现有技术中，堆肥厂区的翻抛作业调度普遍采用基于二维平面几何空间的路径规划方案。调度系统通常利用全局定位系统和环境栅格地图确定设备和条垛的物理位置，随后依靠传统的几何寻优算法计算出设备在不同发酵槽或条垛之间移动的最短物理距离。设备在接收到几何路径指令后，沿着规划出的二维平面轨迹推进，依次完成各条垛的翻抛任务。

3、然而，现有技术中基于二维几何空间的最短距离调度方案存在能耗分配不均与无效功耗偏高的缺陷。由于堆肥条垛在发酵过程中不同区域的温度状态和物料板结密实度呈现动态变化，传统的几何路径规划脱离了物料内部的实际物理状态。这导致翻抛机在沿既定的最短路线行驶作业时，易直接切入具有高机械阻抗的板结区域，使设备在克服物理阻力时产生无效功耗，动能输出难以匹配堆肥物料实际的通风供氧及温度调节需求，进而增加了整体运行能耗并加剧了机械部件的磨损。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术提出的问题，本发明提供一种堆肥翻抛作业智能调度与路径优化系统，包括中央调度服务器以及至少一台与中央调度服务器通信连接的智能翻抛机。智能翻抛机上设置有机载非接触感知阵列，机载非接触感知阵列包括机载红外热成像仪、探地雷达以及毫米波前视雷达；其中，机载红外热成像仪设置于智能翻抛机的顶部，探地雷达设置于智能翻抛机的前端无切削干涉区域，毫米波前视雷达设置于智能翻抛机的底盘前方。智能翻抛机还包括驱动与执行系统以及车载计算单元，驱动与执行系统包括液压升降缸、履带差速底盘以及刀辊主轴驱动构件；液压升降缸的一端连接于车架，另一端连接于切削刀辊；车载计算单元分别与机载非接触感知阵列以及驱动与执行系统电连接。智能翻抛机内部设置有扭矩反馈传感器，扭矩反馈传感器串接于刀辊主轴驱动构件的传动回路中。智能翻抛机的后侧设置有自适应多级导流机构，自适应多级导流机构包括可调角度导流板以及与可调角度导流板连接的电动推杆，电动推杆受控于车载计算单元。

2、优选的，中央调度服务器内部配置有势场构建模块、宏观调度模块以及势场演化模块，车载计算单元中部署有微观前馈控制模块以及抛物线干预模块。势场构建模块接收智能翻抛机采集的条垛温度数据与密实度数据，并提取历史切削扭矩数据，将条垛温度数据映射为生物引力势能，将密实度数据与历史切削扭矩数据映射为机械斥力势能，并将生物引力势能与机械斥力势能相叠加，生成生物机械阻抗耦合势场。宏观调度模块在生物机械阻抗耦合势场中执行路径寻优计算，获取综合势能的极值分布，依据综合势能极值分布生成智能翻抛机跨条垛行驶的宏观路径指令，并将宏观路径指令下发至车载计算单元。

3、优选的，系统还包括数据采集模块以及数据预处理模块。数据采集模块通过机载红外热成像仪获取堆肥条垛表层的温度分布数据，并将红外热辐射信号转换为二维温度特征矩阵；通过探地雷达获取堆肥条垛内部的雷达回波数据，并记录反射回波的双程走时数据以及振幅衰减数据。数据预处理模块对二维温度特征矩阵执行高斯滤波操作生成表面温度分布特征，依据双程走时数据与振幅衰减数据进行雷达剖面反演，并结合预设的介电常数与堆肥物料密实度经验模型，计算堆肥条垛内部剖面的密实度分布矩阵；数据预处理模块将实时定位数据分别与表面温度分布特征以及密实度分布矩阵进行时间戳对齐，执行空间网格映射，生成带有绝对空间坐标的条垛温度拓扑图以及条垛密实度拓扑图，并传输至中央调度服务器。

4、优选的，势场构建模块计算条垛温度拓扑图中各三维空间坐标节点上的实际温度值与好氧发酵目标温度基准值的差值绝对值，将差值绝对值乘以第一增益系数，得到各三维空间坐标节点上的生物引力势能值；对条垛密实度拓扑图与历史切削扭矩数据进行三维空间坐标配准，通过线性加权运算，利用密实度权重常数结合物料密实度数值，以及扭矩权重常数结合历史切削扭矩数值，计算各三维空间坐标节点上的机械斥力势能值；获取当前的堆肥发酵周期阶段参数，调取对应的生物权重系数与机械权重系数，通过生物引力势能值与机械斥力势能值的线性加权整合，计算各三维空间坐标节点上的综合势能分布值。

5、优选的，宏观调度模块读取势场构建模块生成的生物机械阻抗耦合势场的拓扑模型，建立包含堆肥厂区边界以及多个条垛物理位置的全局厂区坐标系，并将生物机械阻抗耦合势场的拓扑模型映射至全局厂区坐标系内，形成全局势场分布图；设定全局势场分布图内的路径寻优目标函数，路径寻优目标函数旨在使智能翻抛机在行驶路径上的综合势能分布值的线积分达到最大；运用人工势场寻优算法在全局势场分布图中依据路径寻优目标函数进行迭代计算，输出多条备选行驶轨迹；输入全局厂区坐标系内的设备运动学约束参数对备选行驶轨迹进行干涉校验，剔除存在物理碰撞风险的备选行驶轨迹，从校验后的备选行驶轨迹中筛选出综合能效收益值最大的轨迹，并将筛选出的轨迹设定为目标作业路径。

6、优选的，宏观调度模块还用于多机协同与边界约束处理：提取全局厂区坐标系内的固定物理边界坐标数据集生成静态障碍物包络网格，并将静态障碍物包络网格的坐标节点属性设定为不可通行区域；实时接收多台智能翻抛机上传的当前位置坐标以及纵向推进速度，建立设备轮廓多边形，将设备轮廓多边形沿智能翻抛机的行驶方向进行几何向外扩展，生成动态安全防撞包络面；在时间维度上进行轨迹节点推演，计算不同智能翻抛机的动态安全防撞包络面是否在预设的时间窗口内发生空间几何干涉；当判定存在空间几何干涉节点时，提取发生空间几何干涉的多台智能翻抛机在当前行驶路径上的综合能效收益值进行数值比对，将综合能效收益值较小的智能翻抛机设定为让行状态，并生成避让重规划指令下发至处于让行状态的智能翻抛机的车载计算单元。

7、优选的，微观前馈控制模块提取宏观调度模块下发的全局势场分布图，并获取全局势场分布图中的高机械阻抗节点坐标；接收毫米波前视雷达发送的探测数据，结合高机械阻抗节点坐标，测量智能翻抛机与前方高机械阻抗区域的相对直线距离，并同步读取履带差速底盘当前的纵向推进速度；利用相对直线距离与纵向推进速度的商值，计算切削刀辊物理接触高机械阻抗区域的理论延迟时间；提取预先存储的液压升降缸与履带差速底盘的固有机械响应迟滞参数，并将理论延迟时间与固有机械响应迟滞参数进行数值比对，确定触发动作的超前时间节点；在到达超前时间节点时，同步下发液压升降信号与履带差速信号，控制液压升降缸产生向上的机械位移以减小切削深度，并控制两侧履带产生不同的运转转速驱动设备产生横向偏航角，将正向切削力分解为侧向剪切力。微观前馈控制模块还读取扭矩反馈传感器持续采集的切削扭矩数值，与额定功率阈值进行映射比对计算负载余量，在切削扭矩数值增大且负载余量到达预设下限边界时，生成降速调节指令控制履带差速底盘降低纵向推进速度，并在降速期间维持刀辊主轴驱动构件的旋转速度固定。

8、优选的，抛物线干预模块实时读取扭矩反馈传感器采集的实时切削扭矩数值，在实时切削扭矩数值超出扭矩安全阈值时，维持刀辊主轴驱动构件当前的输出功率设定值恒定不变，并允许刀辊主轴驱动构件的旋转速度随负载增加而被动下降；计算实时切削扭矩数值与扭矩安全阈值的差值以获取扭矩超载量，将扭矩超载量输入预设的倾角调节伺服映射表内，查询对应的目标倾角数值，目标倾角数值与扭矩超载量呈现负相关映射关系；依据目标倾角数值生成推杆行程调节指令，发送至电动推杆执行直线位移动作，驱动可调角度导流板发生偏转，将可调角度导流板的实际仰角调整至目标倾角数值。

9、优选的，势场演化模块获取抛物线干预模块输出的目标倾角数值，同步读取刀辊主轴驱动构件的实时旋转速度，并获取绝对空间坐标以及垂直落差高度；依据实时旋转速度计算高密实度物料脱离切削刀辊的初始线速度，并结合初始线速度、目标倾角数值以及垂直落差高度执行抛体运动学解算，计算高密实度物料的水平抛射距离；以刀辊主轴朝向为基准方向，构建抛射方向向量，将该方向向量与绝对空间坐标进行空间几何向量叠加，推演计算出高密实度物料重分布后的三维落点坐标；将绝对空间坐标、三维落点坐标、实时切削扭矩峰值以及当前作业时间戳进行数据整合构建物理空间反馈数据集，回传至中央调度服务器；中央调度服务器依据实时切削扭矩峰值与预设的势能衰减规则，同步下调原始切削节点的机械斥力势能数值，并更新落点空间节点处的物料状态参数。

10、本发明采用上述技术方案，能够带来如下有益效果：

11、1、本发明通过构建融合条垛温度与密实度的生物机械阻抗耦合势场并在厂区坐标系内进行路径积分寻优以筛选出综合能效收益值最大的轨迹作为目标作业路径下发至智能翻抛机，实现了将传统的几何路径调度转变为基于物料物理状态的能效最优调度，有效规避了高机械阻抗区域产生的无效功耗，确保翻抛机作业时的动能输出精准匹配堆肥物料的通风供氧及温度调节需求并降低整体运行能耗。

12、2、本发明通过获取智能翻抛机前方的雷达探测距离与速度计算理论延迟时间，结合机械响应迟滞参数确定超前时间节点，进而同步下发液压升降信号与履带差速信号以提前减小切削深度并改变设备航向角，实现了在刀辊接触高阻抗区域前提前降低峰值阻力并将正向切削力分解为侧向剪切力，有效克服重型翻抛机械的动作滞后缺陷，防止核心执行部件因突发超载发生物理断裂损伤并从根本上保障了智能装备在复杂堆肥工况下的运行稳定性。

13、3、本发明通过在扭矩超载时维持输出功率恒定并依据扭矩超载量控制电动推杆调整导流板仰角以重塑抛射轨迹，同时结合抛体运动学推演三维落点坐标并更新全局势场节点的物料状态参数，实现了利用平缓导向面增加高密实度物料水平抛射距离并将其强制重分布至条垛表层，不仅避免了动力源过载停机还能主动干预打散内部板结密实层，并通过物理数据反哺构建了动态演化的势场地图闭环，保障了后续多机全局路径寻优计算的持续精确性。