干散堆料三維分布特征分析與抓取安全檢測

于繼明,徐 楠,楊余旺,湯樂軍

(金陵科技學(xué)院 1.機電工程學(xué)院;2.智能科學(xué)與控制工程學(xué)院,江蘇 南京 211169; 3.南京理工大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210094; 4.南京寶地梅山產(chǎn)城發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司,江蘇 南京 210041)

干散堆料發(fā)貨無人化是干散料發(fā)貨行業(yè)的趨勢。當(dāng)前寶鋼、江西銅業(yè)等企業(yè)做了一些嘗試,在自動化、智能任務(wù)交互等方面取得了一些成果[1-3]。但是,系統(tǒng)的安全性成為干散料發(fā)貨無人值守應(yīng)用的攔路虎,不解決抓取安全問題,無人系統(tǒng)難以實現(xiàn)可靠、規(guī)?；瘧?yīng)用。抓取點選擇不當(dāng)會造成抓斗開閉繩脫槽、抓斗翻斗的情形,存在較大的安全隱患。人們在三維激光掃描、建模等方面有一些探索與應(yīng)用。利用三維激光掃描技術(shù)精確獲取黃金礦采場三維空間數(shù)據(jù),構(gòu)建采場三維精細模型,提高采場體積的計算精度和工作效率[4]。用三維激光掃描技術(shù)測量邊坡的3個參數(shù),計算后評價邊坡的狀態(tài),為安全、有效地監(jiān)測礦山邊坡安全狀態(tài)提供一種方法[5]。利用三維激光掃描系統(tǒng)對采空區(qū)進行精準(zhǔn)的激光掃描,建立采空區(qū)的三維實體模型,進行采空區(qū)穩(wěn)定性分析,該方法提高了采空區(qū)穩(wěn)定性分析的可靠性[6]。運用三維激光探測系統(tǒng)對采空區(qū)開展精準(zhǔn)探測,采用該方法獲得探測數(shù)據(jù),構(gòu)建采空區(qū)精確三維模型,能夠為采空區(qū)治理提供有價值的參考數(shù)據(jù)[7]。還有研究人員利用交叉激光中心方法,對三維物體進行實時掃描,重建三維圖像[8],所得圖像的誤差小、精度高。干散料的三維分布特征與安全抓取的關(guān)系是業(yè)務(wù)安全、穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。為此,本文分析了細顆粒干散料的三維分布特征與抓取安全特征,建立了三維分布的安全關(guān)系模型,提供干散料無人值守系統(tǒng)安全抓取的檢測方法。

1 業(yè)務(wù)場景

在干散料碼頭、倉庫中,散料堆通常為傾倒或抓斗拋放形成,其三維分布具有連續(xù)又極不規(guī)則的特征,如圖1所示,整個區(qū)域共由39*99個基本單元格組成。在無人值守系統(tǒng)中,將發(fā)貨區(qū)域分為一個個的抓取方格,即“抓取窗口”。抓取時,抓斗根據(jù)作業(yè)指令,去抓取其覆蓋區(qū)下的抓取窗口,整個發(fā)貨區(qū)域被分為多個抓取窗口,如圖2所示。

圖1 干散堆料三維分布圖

圖2 抓取窗口圖

如圖1所示,整個區(qū)域劃分為m×n個單元窗口,每個單元窗口的邊長為l,整個區(qū)域可視作1個矩陣Amn,每個單元窗口Aij的平均高度為hij,i=1,2,…,m;j=1,2,…,n。在抓取時,以俯視角度按抓斗抓取范圍大小將Amn分成Wpq個窗口,則每個抓取窗口Wxy包含Amn中(m/p)×(n/q)個單元窗口,x=1,2,…,p;y=1,2,…,q。

為了方便分析窗口的三維分布特征與抓取安全特征,將每個抓取窗口劃分為4個子窗口及中心子窗口,分別針對平均高度、坡度等分布特征、安全特征進行分析,并根據(jù)分析情況進行建模與仿真。

2 三維分布特征與抓取安全性因素分析

對于任意1個抓取窗口Wpq,假設(shè)其包含l行c列個基本單元格,則Wpq所在區(qū)域覆蓋了l*c個單元格。將抓取窗口劃分為Wk(k=1,2,…,4)個子窗口和1個中心窗口Wc,Wc在Wpq的中心位置,其余4個子窗口均互不相交,如圖3所示,本例中l(wèi)=12,c=16。圖3中,細顆粒散料的分布是連續(xù)的,理想的情況是中間高、四周低,即物料集中于中心窗口Wc位置時,抓取安全且效果好。下文分別就4種可能情況進行討論,如圖4所示。

圖3 抓取散料與窗口劃分示意圖

圖4 4種典型的三維分布情況圖

圖4中可以看出,只要4個子窗口高度分布較平均,坡度不大,或者堆料集中在中心窗口,呈“峰”狀,則抓取時就比較安全,有較大坡度則容易出現(xiàn)脫槽事故。Wn表示中央窗口高于4個子窗口的數(shù)量。圖4(a)為最理想的情況,料比較集中在抓取窗口中央,四周低,對于抓斗而言,非常安全;圖4(b)中,三角低,一角高,堆料總體上分布在中心位置,周邊3個子窗口W2、W3、W4形成1個穩(wěn)定平面;圖4(c)中,總體分布呈大坡狀,造成抓斗傾斜,當(dāng)角度過大時,容易出現(xiàn)脫槽現(xiàn)象;圖4(d)中,3個角高可形成穩(wěn)定平面,1個角低,不會形成安全威脅。從上述分析可知,抓取的安全與堆料分布位置有關(guān),與形成的坡度大小有關(guān)。

3 三維分布特征模型與抓取安全檢測方法

i=1,2,…,m;j=1,2,…,n

(1)

假設(shè)任意1個抓取窗口Wpq包含l行c列個單元窗口,則窗口Wpq的坐標(biāo)位置

p=1,2,…,l;q=1,2,…,c

(2)

對于任何抓取窗口Wpq,設(shè)其中心窗口的平均高度與抓取窗口的平均高度差為

CHS=meanWc-meanWpq

(3)

為表達4個子窗口堆料的分布情況,假設(shè)中心窗口的高度與各子窗口的高度差hSk(k∈[1,4])組成的矩陣為H4S,則

(4)

當(dāng)同一邊的2個端點所對應(yīng)的子窗口值均高于對應(yīng)另一邊的2個端點所對應(yīng)的子窗口值時,則為“坡”,坡度越大值越大。假設(shè)以東西方向坡度與抓斗長邊方向一致,則安全隱患主要來源于左右兩邊平均高差。假設(shè)左右兩邊平均高差為hSlr,則

(5)

另外,4個子窗口Wk的堆料分布也與抓斗的安全有一定關(guān)系,分布情況越離散風(fēng)險越大,對于整個抓取窗口Wpq,分布的離散風(fēng)險用std(H4S)表示。根據(jù)第2節(jié)中分析可知H4S中平均高度的正負(fù)數(shù)量情況以及CHS的值,很容易看出堆料的分布特征。當(dāng)堆料總體一定時,CHS的值較大時,中心為“峰”,CHS為較大負(fù)值時中心為“谷”,相對均安全;當(dāng)堆料為大坡時,hSlr值越大安全風(fēng)險越高,成正比關(guān)系;與離散程度成正比關(guān)系。因此設(shè)抓取窗口的安全特征表達式為

SWpq=φ*hSlr*std(H4S)/abs(CHS)

(6)

根據(jù)式(3)、(4)、(5)可知,在Wpq抓取業(yè)務(wù)之前,需檢測堆料的三維分布特征,包括中心窗口堆料高度差CHS,4個子窗口的堆料分布離散程度及坡度,由式(6)進行計算得到其風(fēng)險值。當(dāng)風(fēng)險值越小時,抓斗重心與抓取窗口的物料分布中心越接近,在抓斗閉合方向出現(xiàn)翻斗事故的可能性越小,其安全性越好。根據(jù)鐵精礦倉抓取的現(xiàn)場實驗,SWpq>500時,易發(fā)生翻斗事故,需要根據(jù)檢測值避免在風(fēng)險抓取窗口上進行作業(yè)。在實際應(yīng)用中,需要進一步研究散裝物料的物理特性,通過實驗確定安全風(fēng)險域值,當(dāng)風(fēng)險值超過預(yù)定的域值時,存在較大的安全風(fēng)險隱患,易發(fā)生安全事故。

4 仿真分析

為驗證三維分布特征與安全性關(guān)系,對圖1的情況進行仿真。圖1中共33*99個單元格,設(shè)l=16,c=32,U=4,V=8,則全場劃分為(39/16)*(99/32)共6個抓取窗口,每個抓取窗口又劃分為16個子窗口。對全場景所有抓取窗口,按如下流程檢測處理:

(1)根據(jù)式(1)、式(2)獲取各窗口Wpq坐標(biāo),(p=1,2;q=1,2,3);

(2)根據(jù)式(3)～(5),獲得各窗口的CHS、hSk、H4S、hSlr等三維特征分布數(shù)據(jù);

(3)根據(jù)式(6)計算得到窗口分布特征Fpq,并統(tǒng)計各Wpq中的Wn數(shù)據(jù);

(4)對各數(shù)據(jù)相關(guān)的圖形進行三維展示,結(jié)合數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)與圖形的一致性;

(5)對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析,得出結(jié)論。

根據(jù)上述算法,各窗口的三維分布與安全特征仿真結(jié)果如表1和圖5所示,φ=1。

表1 示例窗口三維分布數(shù)據(jù)特征及窗口安全特征表

圖5 不同Wpq坐標(biāo)示例窗口三維分布數(shù)據(jù)特征圖

根據(jù)三維分布模型的特征值CHS、H4S、hSlr、Wn計算得到安全特征值SWpq。結(jié)合實際三維圖,根據(jù)重心與平衡的關(guān)系,特征值越小,重心越靠近抓取窗口的中心位置,抓取安全性越高,理論模型仿真數(shù)據(jù)與實際安全風(fēng)險一致。實際操作上,需避開大斜坡。在實際應(yīng)用中,通過以上三維特征分布,可有效地檢測窗口的安全系數(shù),具有良好的應(yīng)用價值。

5 結(jié)束語

在無人值守行車系統(tǒng)中,抓取的安全是業(yè)務(wù)正常進行的關(guān)鍵因素。干散堆料在抓取窗口的三維分布特征決定了抓取安全性。對現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)進行規(guī)格化,根據(jù)抓取業(yè)務(wù)的安全需求,對堆料的三維分布特征進行建模,包括中心子窗口、周邊4個子窗口的均高、凹凸特征、表面坡度等特征,并對數(shù)據(jù)特征進行仿真。仿真結(jié)果與現(xiàn)場實際情況較一致。從理論上解決了抓取窗口的三維分布特征與安全性的關(guān)系,為實際抓取業(yè)務(wù)的安全檢測與安全避險提供了理論模型與檢測方法。