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摘要：针对斗轮机堆取效率低，人工操作稳定性差等问题，本文基于计算机视觉技术，设计了一套条形场斗轮机自动堆取料控制系统。该系统技术激光雷达（LiDAR）技术，实时获取现场分布点云数据，基于点云数据，通过算法计算取料分层策略，获取斗轮机悬臂回转边界和俯仰角度，自动控制斗轮机执行指定任务。本文所设计的智能化控制系统，能够满足料场对散料管理的需求，达到降本增效的目的。

关键词：激光雷达；自动化；计算机视觉；无人值守；智能电厂

0 引言

斗轮堆取料机是一种新型的高效的、连续装卸大型机械，主要用于散货码头、电厂、钢铁厂或矿山等现场对其散料进行堆取作业操作[1]。现阶段，散货的堆取效果完全取决于操作人员的熟练程度，而且散料堆取现场的操作环境一般比较恶劣，烟气、粉尘大，同时现场还存在机械、电气或户外天气等安全隐患，操作人员培训工作周期长，人员操作水平层次不齐等问题[2]。为了解决现场控制问题，部分现场实现了集控室远方控制，操作人员可在集控室对大型机械设备进行手动控制，同时通过组态软件画面实现对现场数据和状态的监管，通过视频设备实现对现场监控。现阶段的远程手动控虽然在一定的程度上解决了现场的部分控制问题，但是并没有真正地将人工操作解脱出来，只是实现了工作场景的更换。

随着激光扫描技术的不断发展和成熟，激光扫描仪这种高精尖的设备在民用市场领域有较广应用，如利用激光扫描仪实现对现场的散料进行盘点管理，统计散料存量；在港口，激光扫描仪可以用来统计车辆数量、防碰撞等功能[3]；在自动驾驶方面，激光扫描仪也有较大的应用市场，基于扫描上来的点云数据，通过算法处理实现防碰撞和规划路径等功能；文章重点研究了计算机视觉技术在圆形料场自动执行堆取作业任务的难题，并提出了一整套成熟的解决方案，同时实现点云数据三维重建、体积计算等功能。对于智能电厂的未来，文章展望了未来火电行业发展的路线和愿景重点强调了智能化控制和管理对于火电行业的重要性。

本文重点研究火电行业未来发展趋势，结合智能化电厂的特点，分析设计了成熟度高、拓展性强的控制系统。基于LiDAR技术，提出一套多功能控制系统，实现悬臂式斗轮机自动堆料、自动取料、自动盘煤等功能，本系统是在传统的控制系统基础之上，结合现阶段先进的计算机视觉技术，最终达到无人值守的效果，实现降本增效的目的。

1  系统架构

为了提高对料场内散料的堆、存等管理，本文所设计的悬臂式斗轮堆取料机智能化控制系统，主要是实现自动扫描散料堆场，获取点云分布数据，自动堆料、自动取料等功能。本系统主要有几大子系统，主要包含：通信系统、定位系统、PLC控制系统、激光扫描系统、综合信息处理系统等。如图1所示，现场所有的设备数据和信号全部通过现场PLC控制系统进行采集，再通过光纤与集控室进行数据传输，集控室部署激光扫描系统和综合信息处理系统实现对PLC数据的直接读写和对激光扫描仪的控制。

定位系统主要利用多圈绝对值编码器和格雷母线对设备进行精准定位，由于激光扫描系统获取到的数据精度和控制系统控制精度对定位系统要求很高，所以定位系统要做到精准可靠，准确地建立起全场坐标系，在此坐标系下才能实现其他主要功能。

综合信息处理系统主要是对获取到的激光扫描点云数据和PLC控制系统数据进行相应的计算，从而为控制系统提高自动堆料、自动取料的策略数据。

2  激光扫描系统

本文所设计的智能化控制系统，主要是计算机视觉技术与传统的PLC控制技术相结合，以执行更复杂控制动作为目的的控制系统。PLC控制有着长久的发展历史，技术非常成熟。本系统主要研发重点在于计算机视觉部分，即激光扫描获取散料分布点云数据。

激光雷达主要的工作原理是向目标发射探测信号即激光束，然后将接受到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，做适当的算法处理后，可以获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态甚至形状等参数。

3  取料策略算法

斗轮机主要的取料方式是水平回转取料，斗轮机行走一段距离，悬臂转转一定角度取料，在每个回转的过程中，每单位回转角度内的取料量是不等的，所以在回转过程中，PLC依据

取煤量控制悬臂回转速度，如此反复，最终料堆呈台阶状。

自动取料策略算法步骤如下：

1）首先对点云数据进行处理，去除噪音数据，提高数据精度

2）对将要取料的料堆进行分层，分层按照轮斗能够取料的最大深度原则，分层后可得到每个取料层的下平面绝对高度；

3）依据2）步计算得到的每个取料层的下平面的绝对高度计算每层取料时悬臂的俯仰角度；

4）依据3）步计算得到的上一步所得到的悬臂的俯仰角度可计算每个取料层悬臂水平回转半径；

5）依据4）步计算得到的每个取料层的悬臂的水平回转半径和当前取料层的点云数据，可计算得到悬臂每个回转所能取到的散料的点云数据；

6）依据5）步计算得到的每个回转取到的散料的点云数据和堆取料机位置数据，计算可得最大回转角度和最小回转角度；

为第一层点云数据在水平面XOY平面的投影。设定斗轮机悬臂长度为dl_R米，轮斗半径为r米，斗轮机位置P（dl_y，0），斗轮机在此层每轮回转能取到的散料点云数据在XOY平面投影的点集为Data（x，y），那么点云数据与斗轮机回转角度为angle=arctan（Data（xi）/（Data（yi）-dl_y）），

假定当前取料层高度绝对高度为h 米，斗轮机悬臂旋转中心绝对高度为H 米，斗轮机悬臂长度为dl_R 米，那么可知堆取料机在当前取料层的俯仰角度为theta=arcsin{（h-H-r）/（dl_R+r）}，在当前层的回转半径为hz_r=dl_R*cos（theta）。

在斗轮堆取料机回转范围内，经常存在异常数据，通过近邻域算法，遍历所有的点云数据，过滤点异常数据，这样会大大提高点云数据的精度，进而提升回转角度计算的准确性。

1234结  语

本文基于激光雷达扫描技术，设计了一套斗轮堆取料机无人值守自动控制系统，通过该系统实现了对堆场内的散料自动盘料，自动堆料和取料，做到无人值守，一键启停，加强了对厂内散料的管理，提高了运行效率，降低生产安全风险。

参考文献：

［1］ 吴颖昕. 斗轮堆取料机堆取料工艺与控制方法的研究[D]. 东北大学， 2009.

［2］ 李松晶， 朱瑞滨， 王广怀. 斗轮机俯仰装置的改进设计[J]. 煤矿机械， 2000（6）： 1-2.

［3］ 陈里. 激光测距在机械手臂防碰撞自动控制中的应用[J]. 激光杂志， 2017， 38（7）： 64-67.