1.1 概述

　　隨著水路運輸業的快速發展，現代港口規模和吞吐量不斷增長，港口各種裝卸設備數量不斷增加，如何高效可靠使用這些裝卸設備是各港口單位關心的問題。港口裝卸設備中主要的斗輪堆取料機又稱懸臂式堆取料機，是散貨堆場作業的核心設備。它是堆取料合一的機械，即是一種挖取和堆存煤炭、礦石、砂石等松散物料的高效率機械。它不僅適用于電廠，而且在碼頭、港口也很適用，大多數的轉運煤及松散物料的碼頭、港口都采用斗輪堆取料機。斗輪堆取料機的采用，大大縮短了堆取時間，提高了工作效率，減輕了工人勞動強度。

　　為提高裝卸均化作業的效率和安全問題，應保證堆取料機具備尋堆認址、定位, 自動確定各層料堆起點、終點及位置跟蹤、終點記憶、料流對中心、電纜保護、整機自動堆取料，從而實現流暢和高效的堆取料自動作業。同時中控室能夠對作業過程進行監視。所以有必要對堆取料機大機位置進行連續跟蹤、懸臂三維位置實時檢測，解決堆取料作業過程中空間防碰撞的難題。

1.2 目前大機采用的定位方式

　　目前堆取料機位置檢測大多采用的是人眼定位、光電編碼器裝置（光碼盤）、激光位移傳感器、行走限位開關、RFID方式。光電編碼器裝置，整套裝置安裝在驅動電機前部的一個金屬殼體內，由盤狀齒輪與定位車齒條嚙合，通過驅動軸驅動編碼器。盤狀齒輪的圓周與定位車驅動小齒輪的圓周相同。編碼器由傳動齒輪自下而上通過減速機、聯軸節驅動，實現定位車的位置檢測。這幾種檢測位置的方式均存在一定缺陷，具體表現如下：

1) 人眼定位受制于眼睛健康狀況和精神狀態，環境影響比較大，作業時間長；

2) 光電編碼器裝置在車輪打滑就會形成累計誤差, 相對定位的機械接觸工作方式；

3) 激光位移傳感器在不潔凈環境會失去作用，軌道沉降導致車輛走行抖動會使反光板靶位不準，亦會導致位置檢測不準；

4) 行走限位開關由于是點定位，對連續性位置檢測存在盲區；

5) RFID方式是無線點定位，存在漏讀現象, 延時較大；

　　故這幾種傳感器在檢測位置時多數為機械式、靈敏度低、壽命短、故障率高、可靠性低，操作繁鎖，而且存在溜放環節(即失控區)，致使半自動操作難以可靠穩定運行。由于堆取料機是較大的設備，其慣性較大，在啟動和停止時也是硬性的，所以在工作過程中會產生很大的撞擊和震動，噪音污染嚴重，嚴重影響其安全性和有關零部件的壽命，易于損壞設備，由此設備精確位置控制顯得尤為重要。

1.3 懸臂采用的檢測技術

　　通常的懸臂空間位置反饋都是采用行走、旋轉、俯仰三個旋轉編碼器的數值計算得出的，對懸臂的空間位置計算過程非常復雜，該計算過程需要結合行走、俯仰、旋轉三個編碼器的數值進行空間建模，而這三個編碼器都有不同程度的誤差，這就造成累積誤差，故懸臂空間坐標的準確性不高。現有的防碰撞方法是根據兩臺堆取料機是否處于同一個場垛進行判斷，如果兩臺堆取料機不在同一個場垛就可以正常作業。兩臺堆取料機進入一個場垛進行作業時，就對兩臺堆取料機同時進行鎖定，使其不能工作，由此避免堆取料機之間發生碰撞，這嚴重影響了堆取料機的同場作業。

　　由于以上原因，當前都采用人工監控的方法來避免空間碰撞事故。現有的防碰撞方法無法有效避免堆取料機空間防碰撞問題，使得兩臺堆取料機無法同時在同一個堆場中安全作業，嚴重影響效率。

1.4 本系統采用的GNSS定位技術

　　本系統采用在堆場合適位置建立基準站，在堆取料機的回轉中心和懸臂中部或者頭部中心點安裝GPS流動站。通過GPS的位置信息和空間幾何算法，得出兩臺堆取料機之間的最小距離，從而可以判斷出堆取料機發生碰撞的可能性，使得作業人員進行相應處理。本系統可以實時計算出堆取料機懸臂的相對位置和距離，實現多臺堆取料機在同一個場垛中安全作業。該系統包括：大機及懸臂位置反饋系統、空間數據算法系統、空間防碰撞預警控制系統。

第2章 GNSS定位系統

2.1 GNSS系統組成

　　GNSS是全球衛星導航系統的總稱,包括GPS（美國）、GLONASS（俄羅斯）、伽利略（歐盟）、北斗（中國）總共四套導航系統。而目前在軌運行并能真正實現民用定位功能的只有GPS和GLONASS兩套定位系統。

　　主要特點：具有全球覆蓋、全天候、高精度、實時導航定位等優點。

 

2.2 GNSS系統介紹

　　GNSS系統主要由三部分構成：空間衛星部分、地面監控部分、用戶GNSS接收機部分。

   衛星部分主要是再軌運行的專門用于導航的衛星，目前GPS和GLONASS在軌運行的衛星總共有60多顆，每顆衛星均在不間斷地向地球播發調制在兩個頻段上的衛星信號。在地球上任何一點，均可連續地同步觀測至少4顆GNSS衛星，從而保障了全球、全天候的連續地三維定位，而且具有良好的抗干擾性和保密性。地面監控部分主要是控制衛星姿態、參數設置等得主控站和測控站，都是有政府部門控制的。第三部分就是我們用戶接收機部分，這部分就是我們通常所說的GPS接收機。

2.3 GNSS定位原理

　　一般來說，在平面上要確定某點的位置，需要兩個要素。而在空間上，要確定某點的位置，就需要三個要素。GNSS定位空間上的某一點，首先我們可以得到GPS衛星的位置；其次，我們又能準確測定我們所在地點A至衛星之間的距離，那么A點一定是位于以衛星為中心、所測得距離為半徑的圓球上。進一步，我們又測得點A至另一衛星的距離，則A點一定處在前后兩個圓球相交的圓環上。我們還可測與第三個衛星的距離，就可以確定A點只能是在三個圓球相交的兩個點上。根據一些地理知識，可以很容易排除其中一個不合理的位置。但是由于GPS的干擾因素較多，所以定位空間上的某一點，至少需要五顆以上的衛星。

2.4 差分技術的應用

　　單臺GNSS接收進行定位因為受到很多干擾因素的影響，精度很低，一般只有三四米左右。所以為了提高定位精度，我們引進了差分技術。差分GPS產品一般由基準站、流動站和數據鏈三部分構成，在測量時兩臺或多臺GPS接收機同步觀測GPS衛星。由基準站發射衛星的改正信息，流動站在收到GPS信號的同時接收到基準站的定位結果。

　　差分技術很早就被人們所應用。它實際上是在一個測站對兩個目標的觀測量、兩個測站對一個目標的觀測量或一個測站對一個目標的兩次觀測量之間進行求差。其目的在于消除公共項，包括公共誤差和公共參數。安裝和防護，不影響作業環境。

　　隨著GPS技術的發展和完善，應用領域的進一步開拓，人們越來越重視利用差分GPS技術來改善定位性能。它使用一臺GPS基準接收機和一臺用戶接收機，利用實時或事后處理技術，就可以使用戶測量時消去公共的誤差源。這樣就可以大幅提高測量精度，可以達到厘米級精度。

第3章 系統架構建立

　　本系統主要由大機及懸臂位置反饋系統、空間數據算法系統、空間防碰撞預警控制系統等構成。

3.1 基準站系統

　　基準站系統給各臺堆取料機提供差分數據，是整個系統的控制部分。其工作原理是基準站接收機將自己獲取的高精度定位數據，通過光纖模式、電臺、GPRS或WIFI方式將差分數據發送到堆取料機的接收機上；接收機通過將自身的定位數據和基準站的差分數據進行差分解算，最后得到厘米級定位數據。

　　差分示意圖

     基準站差分系統主要包括基準站GNSS接收機和差分數據電臺。基準站作為整個系統的基準必須建立在一個干擾少，基礎穩定的位置，以便保證整個系統的定位精度以及全天候使用。一般來說基準站系統建立空曠的房屋樓頂上，單獨建立立柱必須做好防雷措施。

　　基準站觀測墩

3.2 流動站系統

　　在每臺堆取料機上安裝兩臺流動站，流動站接收機天線分別安放在大機回轉中心和懸臂中部或者頭部中心點處。兩臺流動站實時檢測空間的三維坐標信息，并計算出每臺堆取料機的位置、俯仰、角度信息等，并通過數據鏈路傳輸給中控室的PLC主機，這樣根據“兩點確定一條直線”原理，中控PLC就可以實時的知道堆取料機的大機回轉中心和堆取料機的懸臂頭部中心所在軸線的位置了。并對相鄰的堆取料機進行兩兩比較，計算出他們之間的安全距離，臂架俯仰和旋轉的最大角度。一旦相鄰的堆取料機之間的距離小于安全距離或旋轉、俯仰角度超出安全角度時，軟件將自動向操作人員發出報警信息以及停機信號，防止意外事故的發生。

　　通過RTK方式來檢測懸臂位置信息可以精確到厘米級，并且不受自身行車輪打滑和其它編碼器累積誤差的影響，比現有的防碰撞方法更加準確高效。克服了現有技術中由于懸臂空間位置反饋都是采用行走、旋轉、俯仰三個編碼器的數值計算，而造成的誤差累積問題。

3.3 空間數據算法系統

　　空間數據算法系統的主要任務是，根據采集到的各堆取料機懸臂位置信息，來計算任意兩臺堆取料機懸臂的空間最小距離。由于堆取料機的懸臂較長，兩臺堆取料機之間的距離，可以近似看作是兩臺堆取料機懸臂之間的距離。

　　兩臺基準站和五臺堆取料機精確定位和防碰撞系統結構圖

　　兩臺堆取料機之間的最小距離為：1#堆取料機的大機回轉中心和堆取料機的懸臂頭部中心所構成的線段AB，與2#堆取料機的大機回轉中心和堆取料機的懸臂頭部中心，所構成的線段CD之間的最小距離，同理1#和3#、2#和3#也一樣。其中，當兩臺堆取料機的懸臂共面時，最小距離為：1臺堆取料機的懸臂頭部中心，到另1臺大機回轉中心和懸臂頭部中心，所構成的線段的垂直距離，或兩臺堆取料機的懸臂頭部中心之間的最小距離；當兩臺堆取料機的懸臂異面時，最小距離為：l臺堆取料機的大機回轉中心和堆取料機的懸臂頭部中心所構成的線段，與另1臺堆取料機的大機回轉中心和堆取料機的懸臂頭部中心，所構成的線段的公垂線段的距離，或兩臺堆取料機的懸臂頭部中心之問的最小距離。

　　通過RTK分別采集1#、2#大機流動站4個點的坐標，三維坐標值分辨為A (x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3)、D(x4，y4，z4)，確定直線段AB和CD。根據空間立體幾何，兩條直線線段的關系有兩種情況，共面和異面。所謂共面是指兩條直線在一個平面內，而異面則指兩條直線不在一個平面內，在這兩種情況下確定1#和2#堆取料機之間的最小距離。

3.3.1 共面情況

　　兩條直線共面存在兩種情況，一種是兩條直線平行，另一種是兩條直線相交。兩條直線平行的情況是指2臺堆取料機的懸臂在空間坐標中平行時的狀態；而兩條直線相交在實際中則不能發生，因為懸臂是實體，不可能出現相交的情況。由于懸臂的長度有限，所以在共面的情況下，除了平行，另一種狀態則是不平行，有相交的趨勢。在這兩種情況下，出現2臺堆取料機的懸臂相碰撞的可能情形有三種：①第一堆取料機的懸臂的頭部，碰到第二堆取料機的懸臂的頭部。②第一堆取料機的懸臂的頭部，碰到第二堆取料機的懸臂的上下左右側部。③第二堆取料機的懸臂的頭部，碰到第一堆取料機的懸臂的上下左右側部。在共面的情況下，不可能出現兩個懸臂的側部相碰。

　　共面情況算法的原理是，求出一個懸臂的頭部中心，到另一個大機回轉中心和懸臂頭部中心，所構成的線段的垂直距離。當每個懸臂頭部中心，到另1臺堆取料機的大機回轉中心和懸臂頭部中心，所構成的線段都沒有垂線時，可直接求出兩懸臂頭部中心之間的最小距離。

3.3.2 異面情況

　　在異面的情況下，求兩個懸臂的最小距離，可以采用兩條直線間計算公垂線的辦法來實現。但是，由于兩條懸臂的長度有限，有可能不存在公垂線，這時則需要將兩條大機回轉中心和懸臂頭部中心，所構成的線段延長為兩條直線，求出直線的公垂線和兩條懸臂的交點p1、p2。①檢查交點pl有沒有在第一堆取料機的懸臂上。如果在，則選定p1為第一個點；如果不在則選擇第一堆取料機的懸臂頭部的點A作為第一點。②檢查p2點有沒有在第二．堆取料機的懸臂上，同理如果在，則作為第二個點；如果不在，則選中第二堆取料機的懸臂頭部的點C作為第二點。兩點選擇完畢后，計算兩點之間的最小距離。

3.4 空間防碰撞預警控制系統

　　根據空間數據算法系統得出最小距離后，可以將最小距離，與第一預定距離和第二預定距離進行比較。當最小距離小于第一預定距離，判斷碰撞可能性為較高；當最小距離小于第一預定距離而大于第二預定距離時，判斷碰撞可能性為中等；當最小距離大于第二預定距離時，判斷碰撞可能性為較低。判斷可能性為較高時，進行碰撞報警，使得作業人員得知堆取料機之間即將發生碰撞，可以進行停機等處理；當判斷可能性為中等時，進行減速報警，使得作業人員得知堆取料機之間可能要發生碰撞，需要減慢堆取料機運行速度；當判斷可能性為較低時，不進行報警，堆取料機可以安全地進行作業。

　　其中，第一預定距離小于第二預定距離，并且都可以根據需要預先設定。在應用中，第一預定距離設定為 3m，第二預定距離設定 8m。

3.5 多臺堆取料機的防碰撞控制

　　為了合理利用堆場，通常一個堆場上會出現多臺堆取料機作業的情況，現以3臺堆取料機同時工作為例，進行多臺堆取料防碰撞控制的分析。設3臺堆取料機分別為A、B、C，則作為A堆取料機，需要同時計算與B堆取料機、C堆取料機之間的最小距離，即MindistlAB(共面)、MindistlAC(共面)、Mindist2AB(異面)、Mindist2AC(異面)，然后分別與B堆取料機、c堆取料機的第一和第二預定距離進行比較，根據對比情況進行相應的報警。同理，作為B堆取料機和C堆取料機，采用同樣的方法進行計算對比，由此可實現多臺堆取料機的防碰撞控制。

3.6 預警數據處理方式

　　大機司機操作室預警方式一般用聲光報警器提醒司機操作；還可以按照要求定制成開關量信號接入原有監控報警系統；或者自成一套系統。

 

 

第6章 系統實現功能效果

　　使用本系統后，進行數據采集和空間幾何算法，再將計算結果傳給PLC，進行大機精確位置檢測和防碰撞控制的計算與報警，還可以檢測懸臂旋轉角度及俯仰角度，效果顯著。不但解決了其它位移傳感器檢測大機位置不準確的問題，而且節省了檢測懸臂旋轉角度及俯仰角度的傳感器，消除了數據檢測中間轉換的誤差，提高了數據精準度。同時，計算過程簡單、直觀，可實現多臺堆取料機同場同時作業，實時檢測各個懸臂之間的最小距離，防止發生碰撞，提高了安全性和作業效率，可用于多種類型的堆取料機，提高同場作業效率達到80％左右，可以實現無人操作。

* 堆取料機走行位置、裝卸位置精確檢測；

* 可實現堆取料機自動走行，自動堆取料；

* 實現位置聯鎖，可以防止兩端掉道或碰撞事故；

* 與堆取料機小皮帶聯鎖控制，防止混料、錯料、堵料事故；

* 可進行鱗狀堆積預混勻作業，以提高原料成分的均勻度、減少粒度偏析；

* 實現堆取料機遠程監控功能；

* 結合皮帶秤數據對堆場堆存量數字化管理；

* 嚴格控制堆料形狀和取料規律，可以大大提高料場的存儲容量，提高料場的利用率;

* 變起點定終點工藝可將料堆截面堆成長方形，減少端部料的產生和浪費，也同時減少鏟車進場的作業量。