一种两台同轨道自动化装船机综合防碰撞方法与流程

1.本发明涉及一种综合防碰撞方法，具体涉及一种两台同轨道自动化装船机综合防碰撞方法。


背景技术：

2.目前在同轨道上一般会有两台装船机进行作业，两台装船机之间存在碰撞危险，尤其是当前各企业都想要实现装船机的全自动无人化操作，这就导致防碰撞措施的可靠性成为了重中之重。因此，以上问题亟需解决。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是提供一种两台同轨道自动化装船机综合防碰撞方法，克服了安全防撞防护的巨大挑战，实现了装船机的全自动无人化操作模式。
4.为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：本发明的一种两台同轨道自动化装船机综合防碰撞方法，其创新点在于包括以下步骤：
5.(1)两台装船机的plc控制单元分别计算各自的大车行走距离、变幅角度以及回转角度，并将计算结果发送至中控室cpu；
6.(2)两台装船机的plc控制单元分别根据数学模型设定输入输出值，计算单台装船机后部配重与尾车结构的防碰撞结果，并控制其动作；
7.(3)两台装船机的plc控制单元分别根据数学模型设定输入输出值，计算单台装船机前部卸料斗与码头和走道的防碰撞一结果，并控制其动作；
8.(4)两台装船机的plc控制单元分别根据数学模型设定输入输出值，计算单台装船机前部卸料斗与码头和走道的防碰撞二结果，并控制其动作；
9.(5)两台装船机的plc控制单元分别根据数学模型设定输入输出值，计算单台装船机臂架与尾车结构的防碰撞结果；
10.(6)中控室cpu根据数学模型设定输入输出值，计算两台装船机之间的防碰撞结果，并将防碰撞结果发送至两台装船机，两台装船机根据接收到的防碰撞结果来控制其动作。
11.优选的，在上述步骤(1)中，大车行走距离是根据行走编码器与跟随轮的机械齿轮传动原理来确定，且其计算公式为：
[0012][0013]
式中，l
t
为大车行走距离，单位为m；pi为圆周率；d为跟随轮直径；r
t
为行走编码器单圈脉冲数；v
0t
为行走编码器校准原始值；v
at
为行走编码器实时数据。
[0014]
优选的，在上述步骤(1)中，变幅编码器安装在臂架铰点，并根据此位置角度变化与变幅编码器数据变化的关系来确定变幅角度，其计算公式为：
[0015][0016]
式中，ab为变幅编码器变化总角度；rb为变幅编码器单圈脉冲数；v
0b
为变幅编码器校准原始值；v
ab
为变幅编码器实时数据。
[0017]
优选的，在上述步骤(1)中，回转角度根据机械齿轮传动原理来确定，且其计算公式为：
[0018][0019]
式中，a
t
为回转编码器变化总角度；rs为回转编码器单圈脉冲数；mb为大齿圈齿数；ms为小齿圈齿数；v
0s
为回转编码器校准原始值；v
as
为回转编码器实时数据；
[0020]
再通过逻辑判断计算回转实时角度aa，且逻辑判断方法为：
[0021]
a)如果0
°
≤a
t
≤360
°
，则aa＝a
t
；
[0022]
b)如果-360
°
≤a
t
《0
°
，则aa＝a
t
360；
[0023]
c)如果a
t
《-360
°
或者a
t
》360，则aa＝a
t mod
±
360。
[0024]
优选的，将所需控制的条件扩大至普遍模型，列矩阵如下：
[0025]
条件1a1条件2a2条件3a3……
条件iai……
条件mam数值1a
11
数值1a
21
数值1a
31
……
数值1a
i1
……
数值1a
m1
数值2a
12
数值2a
22
数值2a
32
……
数值2a
i2
……
数值2a
m2
数值3a
13
数值3a
23
数值3a
33
……
数值3a
i3
……
数值3a
m3
……………………………………
数值ja
1j
数值ja
2j
数值ja
2j
……
数值ja
ij
……
数值ja
mj
……………………………………
数值na
1n
数值na
2n
数值na
3n
……
数值na
in
……
数值na
mn
[0026]
针对逻辑特点来建立数学模型，设每个条件的控制因子为：
[0027][0028]
上述公式(4)应满足条件
[0029]
其中，i为条件序列号；j为单个条件对应值序列号；m为最大条件数目；n为单个条件最多数值区间序号；si为条件是否需要参与考虑的系数。
[0030]
优选的，在上述步骤(2)中，单台装船机后部配重与尾车结构的防碰撞逻辑为需同时满足以下条件：
[0031]
(2.1)当变幅角度大于0
°
的条件不满足时，回转动作不允许在-30
°
和 30
°
之间工作；
[0032]
(2.2)当回转角度在-30
°
和 30
°
之间时，变幅角度不允许小于0
°
；
[0033]
(2.3)选中自动模式、手动模式、就地模式中任一种模式才可以进行动作。
[0034]
优选的，在上述步骤(3)中，单台装船机前部卸料斗与码头和走道的防碰撞一逻辑为需同时满足以下条件：
[0035]
(3.1)当回转角度在-35
°
和-30
°
之间或者 30
°
和 35
°
时，变幅的最小动作角度为-4
°
，伸缩溜筒必须保证在最高位置，臂架伸缩最小位置为6m；
[0036]
(3.2)当变幅角度大于-4
°
、伸缩溜筒必须保证在最高位置、以及臂架伸缩位置大于6m这三个条件没有同时满足时，回转不允许在-35
°
和-30
°
之间或者 30
°
和 35
°
工作；
[0037]
(3.3)当回转角度在-30
°
和-26
°
之间或者 26
°
和 30
°
时，变幅的最小动作角度为0
°
，伸缩溜筒必须保证在最高位置，臂架伸缩最小位置为12m；
[0038]
(3.4)当变幅角度大于0
°
、伸缩溜筒必须保证在最高位置、以及臂架伸缩位置大于12m这三个条件没有同时满足时，回转不允许在-30
°
和-26
°
之间或者 26
°
和 30
°
工作；
[0039]
(3.5)选中自动模式、手动模式、就地模式中任一种模式才可以进行动作。
[0040]
优选的，在上述步骤(4)中，单台装船机前部卸料斗与码头和走道的防碰撞二逻辑为需同时满足以下条件：
[0041]
(4.1)当回转角度在-26
°
和-17
°
之间或者 17
°
和 26
°
时，变幅的最小动作角度为0
°
，伸缩溜筒必须保证在最高位置；
[0042]
(4.2)当变幅角度大于0
°
、以及伸缩溜筒必须保证在最高位置这两个条件没有同时满足时，回转不允许在-26
°
和-17
°
之间或者 17
°
和 26
°
工作；
[0043]
(4.3)当回转角度在
±
17
°
时，变幅的最小动作角度为4
°
，伸缩溜筒必须保证在最高位置；
[0044]
(4.4)当变幅角度大于4
°
、以及伸缩溜筒必须保证在最高位置这两个条件没有同时满足时，回转不允许在
±
17
°
工作；
[0045]
(4.5)选中自动模式、手动模式、就地模式中任一种模式才可以进行动作。
[0046]
优选的，在上述步骤(5)中，单台装船机臂架与尾车结构的防碰撞逻辑为需同时满足以下条件：
[0047]
(5.1)当回转角度小于-115
°
之间或者大于 115
°
时，变幅的最大动作角度为12
°
；
[0048]
(5.2)当变幅的最大动作角度为12
°
不满足时，回转不允许在小于-115
°
或者大于 115
°
工作；
[0049]
(5.3)选中自动模式、手动模式、就地模式中任一种模式才可以进行动作。
[0050]
优选的，在上述步骤(6)中，两台装船机之间的防碰撞逻辑为需同时满足以下条件：
[0051]
(6.1)当两台装船机的距离在82-88米时，若要使sl2回转角度在
±
17
°
之间，则变幅应保持在最大角度 15
°
、伸缩溜筒必须保证在最高位置；
[0052]
(6.2)当两台装船机的距离在82-88米时，若变幅角度 15
°
、以及伸缩溜筒必须保证在最高位置这两个条件没有同时满足，则回转不允许在
±
17
°
之间工作；
[0053]
(6.3)当两台装船机的距离在88-99米时，若要使sl2回转角度在
±
17
°
之间，则变幅应保持在最大角度 15
°
、伸缩溜筒必须保证在最高位置、臂架伸缩位置要大于8米；
[0054]
(6.4)当两台装船机的距离在88-99米时，若变幅角度 15
°
、伸缩溜筒必须保证在最高位置、以及臂架伸缩位置要大于8米这三个条件没有同时满足，则回转不允许在
±
17
°
之间工作；
[0055]
(6.5)当两台装船机的距离在99-104米时，若要使sl2回转角度在
±
17
°
之间，则变幅应保持在最大角度 15
°
、伸缩溜筒必须保证在最高位置、臂架伸缩要全部缩回；
[0056]
(6.6)当两台装船机的距离在99-104米时，若变幅角度 15
°
、伸缩溜筒必须保证在最高位置、以及臂架伸缩位置要全部缩回这三个条件没有同时满足，则回转不允许在
±
17
°
之间工作；
[0057]
(6.7)当两台装船机的距离在104-123米时，若要使sl2回转角度在
±
17
°
之间，则变幅应保持在最大角度 15
°
、伸缩溜筒必须保证在最高位置；
[0058]
(6.8)当两台装船机的距离在104-123米时，若变幅角度 15
°
、以及伸缩溜筒必须保证在最高位置这两个条件没有同时满足，则回转不允许在
±
17
°
之间工作；
[0059]
(6.9)选中自动模式、手动模式、就地模式中任一种模式才可以进行动作。
[0060]
本发明的有益效果：
[0061]
(1)本发明克服了安全防撞防护的巨大挑战，实现了装船机的全自动无人化操作模式；
[0062]
(2)本发明考虑到两台装船机在多种工作模式(自动、手动和就地)和大车行走距离、变幅角度、回转角度下的相互位置逻辑关系，建立了一种全新的防碰撞模型，相较于传统的装船机人为避障不同，本发明可实现自动化无人预判避障，进而降低了人为犯错的概率。
附图说明
[0063]
为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0064]
图1为本发明的控制原理图。
[0065]
图2为本发明的结构模型示意图。
[0066]
图3为本发明单台装船机后部配重与尾车结构的防碰撞逻辑图。
[0067]
图4为本发明单台装船机前部卸料斗与码头和走道的防碰撞一逻辑图。
[0068]
图5为本发明单台装船机前部卸料斗与码头和走道的防碰撞二逻辑图。
[0069]
图6为本发明单台装船机臂架与尾车结构的防碰撞逻辑图。
[0070]
图7为本发明两台装船机之间的防碰撞逻辑图。
具体实施方式
[0071]
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0072]
本发明的一种两台同轨道自动化装船机综合防碰撞方法，如图1～7所示，涉及到两台套皮带式装船机的数据传感、运算及传输的元器件，两台装船机形成了以工业以太网为基础的局域网，实现了数据的实时传输，为装船机的全自动化无人装船提供了良好的硬件条件；单台装船机通过所有传感器元件的数据收集，在plc控制单元中进行数据处理并做好自身与码头、自身结构件之间的相互防撞保护，同时两台装船机将所有数据通过光纤传输给中控控制设备(地面控制站)，中控设备将收到的数据再经过整合发送给两台装船机，其具体包括以下步骤：
[0073]
(1)两台装船机的plc控制单元分别计算各自的大车行走距离、变幅角度以及回转角度，并将计算结果发送至中控室cpu；
[0074]
在上述步骤中，大车行走距离是根据行走编码器与跟随轮的机械齿轮传动原理来
确定，且其计算公式为：
[0075][0076]
式中，l
t
为大车行走距离，单位为m；pi为圆周率；d为跟随轮直径；r
t
为行走编码器单圈脉冲数；v
0t
为行走编码器校准原始值；v
at
为行走编码器实时数据。
[0077]
在上述步骤中，变幅编码器安装在臂架铰点，并根据此位置角度变化与变幅编码器数据变化的关系来确定变幅角度，其计算公式为：
[0078][0079]
式中，ab为变幅编码器变化总角度；rb为变幅编码器单圈脉冲数；v
0b
为变幅编码器校准原始值；v
ab
为变幅编码器实时数据。
[0080]
在上述步骤中，回转角度根据机械齿轮传动原理来确定，且其计算公式为：
[0081][0082]
式中，a
t
为回转编码器变化总角度；rs为回转编码器单圈脉冲数；mb为大齿圈齿数；ms为小齿圈齿数；v
0s
为回转编码器校准原始值；v
as
为回转编码器实时数据；
[0083]
再通过逻辑判断计算回转实时角度aa，且逻辑判断方法为：
[0084]
a)如果0
°
≤a
t
≤360
°
，则aa＝a
t
；
[0085]
b)如果-360
°
≤a
t
《0
°
，则aa＝a
t
360；
[0086]
c)如果a
t
《-360
°
或者a
t
》360，则aa＝a
t mod
±
360。
[0087]
本发明将所需控制的条件扩大至普遍模型，列矩阵如下：
[0088][0089][0090]
针对逻辑特点来建立数学模型，设每个条件的控制因子为：
[0091][0092]
上述公式(4)应满足条件
[0093]
其中，i为条件序列号；j为单个条件对应值序列号；m为最大条件数目；n为单个条
件最多数值区间序号；si为条件是否需要参与考虑的系数。
[0094]
该数学模型可以处理此种多因素考虑的泛化控制系统。
[0095]
(2)两台装船机的plc控制单元分别根据数学模型设定输入输出值，计算单台装船机后部配重与尾车结构的防碰撞结果，并控制其动作；
[0096]
单台装船机防碰撞首先应考虑臂架配重在回转过程中与尾车结构的防碰撞，因此，如图3所示，单台装船机后部配重与尾车结构的防碰撞逻辑为需同时满足以下条件便可实现两个机构的动作保护：
[0097]
(2.1)当变幅角度大于0
°
的条件不满足时，回转动作不允许在-30
°
和 30
°
之间工作；
[0098]
(2.2)当回转角度在-30
°
和 30
°
之间时，变幅角度不允许小于0
°
；
[0099]
(2.3)选中自动模式、手动模式、就地模式中任一种模式才可以进行动作。
[0100]
(3)两台装船机的plc控制单元分别根据数学模型设定输入输出值，计算单台装船机前部卸料斗与码头和走道的防碰撞一结果，并控制其动作；
[0101]
单台装船机防碰撞其次应考虑前部卸料斗与码头和走道的防碰撞，因此，如图4所示，单台装船机前部卸料斗与码头和走道的防碰撞一逻辑为需同时满足以下条件便可实现四个机构的保护：
[0102]
(3.1)当回转角度在-35
°
和-30
°
之间或者 30
°
和 35
°
时，变幅的最小动作角度为-4
°
，伸缩溜筒必须保证在最高位置，臂架伸缩最小位置为6m；
[0103]
(3.2)当变幅角度大于-4
°
、伸缩溜筒必须保证在最高位置、以及臂架伸缩位置大于6m这三个条件没有同时满足时，回转不允许在-35
°
和-30
°
之间或者 30
°
和 35
°
工作；
[0104]
(3.3)当回转角度在-30
°
和-26
°
之间或者 26
°
和 30
°
时，变幅的最小动作角度为0
°
，伸缩溜筒必须保证在最高位置，臂架伸缩最小位置为12m；
[0105]
(3.4)当变幅角度大于0
°
、伸缩溜筒必须保证在最高位置、以及臂架伸缩位置大于12m这三个条件没有同时满足时，回转不允许在-30
°
和-26
°
之间或者 26
°
和 30
°
工作；
[0106]
(3.5)选中自动模式、手动模式、就地模式中任一种模式才可以进行动作。
[0107]
(4)两台装船机的plc控制单元分别根据数学模型设定输入输出值，计算单台装船机前部卸料斗与码头和走道的防碰撞二结果，并控制其动作；
[0108]
随着回转角度的逐渐缩小防碰撞模型的数据和对机构动作的约束也在发生变化，因此，如图5所示，单台装船机前部卸料斗与码头和走道的防碰撞二逻辑为需同时满足以下条件：
[0109]
(4.1)当回转角度在-26
°
和-17
°
之间或者 17
°
和 26
°
时，变幅的最小动作角度为0
°
，伸缩溜筒必须保证在最高位置；
[0110]
(4.2)当变幅角度大于0
°
、以及伸缩溜筒必须保证在最高位置这两个条件没有同时满足时，回转不允许在-26
°
和-17
°
之间或者 17
°
和 26
°
工作；
[0111]
(4.3)当回转角度在
±
17
°
时，变幅的最小动作角度为4
°
，伸缩溜筒必须保证在最高位置；
[0112]
(4.4)当变幅角度大于4
°
、以及伸缩溜筒必须保证在最高位置这两个条件没有同时满足时，回转不允许在
±
17
°
工作；
[0113]
(4.5)选中自动模式、手动模式、就地模式中任一种模式才可以进行动作。
[0114]
(5)两台装船机的plc控制单元分别根据数学模型设定输入输出值，计算单台装船机臂架与尾车结构的防碰撞结果；
[0115]
在上述步骤中，为了防止单台装船机的臂架与自己的尾车和过渡尾车碰撞，需要同时满足以下条件，如图6所示：
[0116]
(5.1)当回转角度小于-115
°
之间或者大于 115
°
时，变幅的最大动作角度为12
°
；
[0117]
(5.2)当变幅的最大动作角度为12
°
不满足时，回转不允许在小于-115
°
或者大于 115
°
工作；
[0118]
(5.3)选中自动模式、手动模式、就地模式中任一种模式才可以进行动作。
[0119]
(6)中控室cpu根据数学模型设定输入输出值，计算两台装船机之间的防碰撞结果，并将防碰撞结果发送至两台装船机，两台装船机根据接收到的防碰撞结果来控制其动作。
[0120]
双机之间的防碰撞需要将行走距离、回转角度、臂架幅度、伸缩溜筒高度等诸多因素考虑进来，因此，如图7所示，两台装船机之间的防碰撞逻辑为需同时满足以下条件：
[0121]
(6.1)当两台装船机的距离在82-88米时，若要使sl2回转角度在
±
17
°
之间，则变幅应保持在最大角度 15
°
、伸缩溜筒必须保证在最高位置；
[0122]
(6.2)当两台装船机的距离在82-88米时，若变幅角度 15
°
、以及伸缩溜筒必须保证在最高位置这两个条件没有同时满足，则回转不允许在
±
17
°
之间工作；
[0123]
(6.3)当两台装船机的距离在88-99米时，若要使sl2回转角度在
±
17
°
之间，则变幅应保持在最大角度 15
°
、伸缩溜筒必须保证在最高位置、臂架伸缩位置要大于8米；
[0124]
(6.4)当两台装船机的距离在88-99米时，若变幅角度 15
°
、伸缩溜筒必须保证在最高位置、以及臂架伸缩位置要大于8米这三个条件没有同时满足，则回转不允许在
±
17
°
之间工作；
[0125]
(6.5)当两台装船机的距离在99-104米时，若要使sl2回转角度在
±
17
°
之间，则变幅应保持在最大角度 15
°
、伸缩溜筒必须保证在最高位置、臂架伸缩要全部缩回；
[0126]
(6.6)当两台装船机的距离在99-104米时，若变幅角度 15
°
、伸缩溜筒必须保证在最高位置、以及臂架伸缩位置要全部缩回这三个条件没有同时满足，则回转不允许在
±
17
°
之间工作；
[0127]
(6.7)当两台装船机的距离在104-123米时，若要使sl2回转角度在
±
17
°
之间，则变幅应保持在最大角度 15
°
、伸缩溜筒必须保证在最高位置；
[0128]
(6.8)当两台装船机的距离在104-123米时，若变幅角度 15
°
、以及伸缩溜筒必须保证在最高位置这两个条件没有同时满足，则回转不允许在
±
17
°
之间工作；
[0129]
(6.9)选中自动模式、手动模式、就地模式中任一种模式才可以进行动作。
[0130]
本发明的有益效果：
[0131]
(1)本发明克服了安全防撞防护的巨大挑战，实现了装船机的全自动无人化操作模式；
[0132]
(2)本发明考虑到两台装船机在多种工作模式(自动、手动和就地)和大车行走距离、变幅角度、回转角度下的相互位置逻辑关系，建立了一种全新的防碰撞模型，相较于传统的装船机人为避障不同，本发明可实现自动化无人预判避障，进而降低了人为犯错的概率。
[0133]
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。