一种基于三维建模技术的数字煤场管控方法及系统与流程

本发明属于散装物料堆场数字化管理，具体涉及一种基于三维建模技术的数字煤场管控方法及系统。

背景技术：

1、随着燃煤电厂及港口码头对散装物料堆场管理要求的不断提高，数字化煤场管理技术逐渐成为行业发展趋势。目前，该领域主要采用激光扫描技术获取煤垛表面点云数据、结合三维建模软件进行煤场存量计算，并利用斗轮机进行堆取料作业。在数字化升级过程中，通常需要解决两个核心问题：一是如何精确获取煤场的三维数字信息，二是如何实现斗轮机作业过程中的精准定位与安全控制。

2、现有斗轮机定位系统多采用机械式滑动变阻器，通过俯仰、回转及行走机构运动带动变阻器产生电压变化，进而量化出相应位姿参数。由于煤场环境潮湿、多尘、振动大，此类机械式器件极易磨损、氧化、受污染，导致定位数据漂移甚至失效，可靠性低。斗轮机作业时缺乏轮斗在煤场全局坐标系下的实时三维坐标，观察和经验判断轮斗及悬臂与煤垛之间的距离，尤其在夜间或极端天气条件下判断准确性大幅下降，无法与已获取的煤场三维数字模型进行空间比对，无法实现自动防碰撞保护。综合来看，目前数字煤场管理中，煤场三维数字模型难以随作业过程实现相对高精度的动态更新，轮斗在煤场全局坐标系下的定位手段不够可靠。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于三维建模技术的数字煤场管控方法及系统，目的在于解决在目前在数字煤场管理中，存在煤场三维数字模型难以随作业过程实现相对高精度的动态更新，轮斗在煤场全局坐标系下的定位手段不够可靠的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供一种基于三维建模技术的数字煤场管控方法，包括如下步骤：

4、提供煤场数字模型，通过uwb定位标签实时获取标签自身在全局大地坐标系下的三维定位数据；基于三维定位数据和斗轮机的悬臂结构参数，解算斗轮机轮斗最远点在全局大地坐标系下的实时三维坐标，解算悬臂的实时俯仰角和实时回转角；

5、煤场数字模型的构建，包括：扫描煤垛区域获取煤堆表面测点的原始测量数据，原始测量数据包括雷达到测点的斜距、水平方位角以及俯仰角；将原始测量数据转换至以雷达中心为原点的局部三轴坐标系，得到测点在局部三轴坐标系下的三维坐标；将三维坐标转换至煤场全局大地坐标系，得到测点在全局大地坐标系下的三维坐标，将其作为点云数据构建煤场数字模型；

6、以轮斗最远点的水平坐标为查询索引，在煤场数字模型中检索与水平坐标对应的煤垛表面高度值；若煤垛表面高度值大于轮斗最远点的高度值，则判定发生碰撞，输出联锁保护信号；若否则不输出联锁保护信号。

7、在一些实施方式中，将原始测量数据转换至以雷达中心为原点的局部三轴坐标系，采用如下公式计算：

8、；

9、其中，为雷达到测点的斜距，为水平方位角，为俯仰角，为局部坐标系下横向坐标，为局部坐标系下纵向坐标，为局部坐标系下竖直方向坐标。

10、进一步地，将局部三轴坐标系下的三维坐标转换至煤场全局大地坐标系，采用如下公式计算：

11、；

12、其中，为激光盘煤仪安装点在全局大地坐标系中的已知坐标，为局部三轴坐标系下的三维坐标，为测点在全局大地坐标系下的三维坐标。

13、在一些实施方式中，构建煤场数字模型，包括：对全部测点的点云数据进行滤波处理，剔除离群噪声点，保留有效测点；基于有效测点生成煤堆表面网格模型；基于网格模型计算煤堆体积，再乘以预设的堆积密度，得到煤场当前存量。

14、在一些实施方式中，悬臂结构参数，包括：悬臂总长度，为悬臂俯仰铰点中心至轮斗最前端的直线距离；uwb定位标签安装点至悬臂俯仰铰点的沿悬臂方向的距离；轮斗最前端与uwb定位标签安装点之间的固定偏差距离，满足如下公式：

15、。

16、进一步地，解算斗轮机轮斗最远点在全局大地坐标系下的实时三维坐标，包括：

17、根据uwb定位标签在全局大地坐标系下的竖直方向坐标和，计算悬臂实时俯仰角，公式如下：

18、；

19、基于三维定位数据和斗轮机的悬臂结构参数，解算出悬臂实时回转角，包括：

20、按照如下公式计算uwb定位标签处的水平投影长度：

21、；

22、按照如下公式计算：

23、；

24、其中，为uwb定位标签处的水平投影长度，为uwb定位标签在全局大地坐标系下的纵向坐标，，为悬臂实时回转角。

25、进一步地，解算出斗轮机轮斗最远点在全局大地坐标系下的实时三维坐标，采用如下公式计算：

26、；

27、其中，为轮斗最远点在全局大地坐标系下的实时三维坐标，为uwb定位标签在全局大地坐标系下的三维定位数据，为轮斗最前端与uwb定位标签安装点之间的固定偏差距离。

28、在一些实施方式中，以轮斗最远点的水平坐标作为查询索引，在煤场数字模型中检索与水平坐标对应的煤垛表面高度值，包括：以轮斗最远点的全局大地坐标系下的横向坐标和纵向坐标作为查询键值，在煤场数字模型的点云数据中进行空间索引检索，查找水平坐标偏差在设定容差范围内的有效测点；若存在有效测点，则获取有效测点的竖直方向坐标作为所述煤垛表面高度值；若不存在，则维持上一周期的判定结果或触发预警。

29、在一些实施方式中，将解算出的实时回转角作为输入量发送至回转电机变频器，根据实时回转角的大小动态调节斗轮机大臂的回转速度；当实时回转角增大时提高回转速度，当实时回转角减小时降低回转速度；

30、输出联锁保护信号后，将联锁保护信号送至输煤dcs系统，dcs系统检测到联锁保护信号且联锁投入生效时，发出斗轮机回转停止指令，回转停止指令仅允许斗轮机向安全方向转动。

31、本发明还提供一种基于三维建模技术的数字煤场管控系统，用以实现上述一种基于三维建模技术的数字煤场管控方法，包括三维坐标悬臂结构参数解算模块和判定保护模块，其中：

32、数据采集模块，用于：提供煤场数字模型，通过uwb定位标签实时获取标签自身在全局大地坐标系下的三维定位数据；基于三维定位数据和斗轮机的悬臂结构参数，解算斗轮机轮斗最远点在全局大地坐标系下的实时三维坐标，解算悬臂的实时俯仰角和实时回转角；

33、煤场数字模型的构建，包括：扫描煤垛区域获取煤堆表面测点的原始测量数据，原始测量数据包括雷达到测点的斜距、水平方位角以及俯仰角；将原始测量数据转换至以雷达中心为原点的局部三轴坐标系，得到测点在局部三轴坐标系下的三维坐标；将三维坐标转换至煤场全局大地坐标系，得到测点在全局大地坐标系下的三维坐标，将其作为点云数据构建煤场数字模型；

34、判定保护模块，用于：以轮斗最远点的水平坐标为查询索引，在煤场数字模型中检索与水平坐标对应的煤垛表面高度值；若煤垛表面高度值大于轮斗最远点的高度值，则判定发生碰撞，输出联锁保护信号；若否则不输出联锁保护信号。

35、与现有技术相比，本发明一种基于三维建模技术的数字煤场管控方法及系统，具有以下有益效果：

36、本发明采用uwb定位技术替代了传统机械式滑动变阻器的定位方式，改善因煤场环境中的复杂因素导致机械器件磨损、氧化、污染而造成的定位数据漂移和失效，使得轮斗在煤场全局大地坐标系下的三维定位具有较高的实时性和可靠性；将激光盘煤仪安装于斗轮机本体上，使盘煤扫描与斗轮机作业同步进行，煤场数字模型可在每次作业过程中动态更新，相比传统依赖人工手持盘煤仪在固定时间点进行间断测量的方式，煤场存量数据具有更高的时效性和精度。本发明并非简单地将定位数据与模型数据进行采集和存储，而是将定位数据与模型数据通过空间坐标索引进行实时关联与比对，判定发生碰撞并输出联锁保护信号，实现了基于真实煤垛形态的自动化防碰撞判断，尤其在夜间或扬尘等能见度较低的作业条件下，能够稳定可靠地工作。本发明能够相对有效地提高煤场数字模型的更新频次与精度，为斗轮机在煤场全局空间内提供了自动防碰撞方案，优化了煤场管控的数字化和智能化程度。