使用RTK技术扩大排土机作业范围的装置及方法与流程

本发明涉及一种使用rtk技术扩大排土机作业范围的方法，应用于露天矿山将废岩排弃的排土机设备。

背景技术：

1、排土机是露天矿山连续或半连续剥离系统中排弃表土作业使用的，主要动作由电驱动的，具有行走、回转、俯仰、散料输送功能的机械设备。排土机中存在三个回转自由度，分别是排料臂与履带之间、排料臂与受料臂之间、受料臂与卸料车之间。为了覆盖尽量大的排土作业区域，且避免相关结构之间发生碰撞，一般三个回转运动部件上设置了若干组限位开关。

2、现有排土机的三套回转运动的角度限制多采用机械式行程开关或感应式非接触接近开关。相对旋转的两部件运动到某预设极限位置时，行程开关的摇臂被撞块推到触发角度，或感应开关的感应区域内检测到有物体接近，触发报警向控制系统发出停机信号，回转运动停止。

3、限位开关的主要缺点在于安装时难以精确定位和损失了部分作业范围。

4、相比于开关能正确触发且不损坏的毫米级精度要求，排土机各部件的尺寸过于巨大，制造误差的存在使得必须在排土机总装调试末期安装限位开关，通过不断反复尝试和手动调整，以保证所需要的限位角度和触发精度，最终确定限位开关的安装位置。这个尝试和调整的过程只能依靠人目测，存在较大随机性。特别是在调整排料臂与履带之间、排料臂与受料臂之间这两处回转限位开关的位置时，由于其回转存在耦合关系，如果想确定顺时针和逆时针两个方向的极限安装位置，必须让排土机的履带行走机构拐大弯，极为费时费力。

5、针对受料臂较短的机型，存在一种特殊的干涉情况，即排料臂头部与卸料车尾部的碰撞。此时，排料臂与受料臂和受料臂与卸料车之间的回转角度都处于安全区域，但排料臂与卸料车却发生了事实上的碰撞，如图1所示。为了解决这一问题，传统的限位开关方案无法处理两处回转运动的耦合关系，只能压缩排料臂与受料臂之间或受料臂与卸料车之间的有效工作范围。这样做带来的问题是，在排土机正常工作时，其有效的作业范围被牺牲。

技术实现思路

1、本发明要解决传统排土机回转限位开关定位困难和损失部分作业范围的问题。通过在排土机各部位上安装若干套rtk定位装置，实时测量各控制点的位置，计算排土机和卸料车的相对位置和姿态，在接近碰撞极限位置时向控制系统发出停机型号，起到限位保护的作用，同时避免了原机械限位开关的过度限制，扩大了排土机的作业范围。

2、为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

3、一种使用rtk技术扩大排土机作业范围的装置，包括控制装置、卸料车、排土机下车、受料臂、排料臂以及用于限制卸料车、排土机下车、受料臂、排料臂作业范围的限位装置，所述的限位装置为rtk定位装置；rtk定位装置包括1个rtk基准站以及5个rtk流动站；

4、所述的rtk基准站固定安装在排土机作业现场；

5、所述的5个rtk流动站分别为第一至第五rtk流动站；其中：所述的第一rtk流动站安装在排土机下车上，用于直接输出1号控制点的经纬高坐标至控制装置； 所述的第二rtk流动站安装在排料臂上，用于直接输出2号控制点的经纬高坐标至控制装置；所述的第三rtk流动站安装在受料臂上，用于输出3号控制点的经纬高坐标至控制装置；所述的第四rtk流动站安装在卸料车头部，用于输出4号控制点的经纬高坐标至控制装置；所述的第五rtk流动站安装在卸料车尾部，用于输出5号控制点的经纬高坐标至控制装置；rtk基准站与各rtk流动站之间的距离根据工程需要设置；

6、所述的控制装置包括坐标转换模块、姿态计算模块以及防撞限位判断模块；

7、所述坐标转换模块用于将所接收到的1号至5号控制点的经纬高坐标变换为1号至5号控制点的站心坐标，并上传至姿态计算模块；

8、所述的姿态计算模块，用于通过1号至5号控制点的站心坐标实时计算出排料臂与履带的夹角γ、排料臂与受料臂的夹角β以及受料臂与卸料车的夹角α，并上传至防撞限位判断模块；

9、所述的防撞限位判断模块，用于判断夹角α、β、γ是否在预设的相应限位角范围内，并根据判断结果分别向卸料车、排土机下车、排土机上车输出相应的执行指令，以分别对应地控制卸料车沿着轨道的行车运动、排土机的行走运动以及排土机上车的回转运动；

10、所述夹角α的限位角即为受料臂与卸料车发生碰撞的临界角度δ1；

11、所述夹角β的限位角通过计算出受料臂与排料臂发生碰撞的临界角度δ2并预留安全裕量而获得；

12、所述夹角γ的限位角即为排料臂与排土机下车发生碰撞的临界角度δ3。

13、优选地，1号控制点为排土机左履带中部；2号控制点为排料臂张紧滚筒中部；3号控制点为受料臂吊挂回转中心；4号控制点为卸料车料仓中心；5号控制点为卸料车尾部中心。

14、优选地，所述的防撞限位判断模块中，针对夹角β还预设有预限位角β01，β01<β0；针对夹角γ还预设有预限位角γ01，γ01<γ0；

15、当判断结果为|β-β01|<b1时，表明排料臂与受料臂存在发生碰撞的风险，防撞限位判断模块向排土机上车发出减速指令，控制排土机上车的回转运动减速；

16、当判断结果为|γ-γ01|<c1时，表明排料臂与排土机下车存在发生碰撞的风险，限位判断模块向排土机上车发出减速指令，控制排土机上车的回转运动减速；b1、c1为预设常数。

17、优选地，所述的防撞限位判断模块中：针对夹角β预设有两个限位角，对应为预限位角β01、终限位角β02，且β01<β02；针对夹角γ预设有两个限位角，对应为预限位角γ01、终限位角γ02，且γ01<γ02；

18、当防撞限位判断模块输出的判断结果为|β-β01|<b1且|γ-γ01|<c1时，防撞限位判断模块向排土机上车发出减速指令，控制排土机上车的回转运动减速；

19、当防撞限位判断模块输出的判断结果为|β-β02|<b2且|γ-γ02|<c2时，防撞限位判断模块分别向排土机上车、卸料车发出紧急制动指令，制停排土机上车的回转运动以及卸料车沿着轨道的行车运动；b1、c1、b2、c2为预设常数。

20、优选地，所述的姿态计算模块中，还能够计算出2号控制点与5号控制点之间的水平距离d，并能够将所计算出的水平距离d上传至防撞限位判断模块；

21、所述的防撞限位判断模块中，判断所接收到的水平距离d是否在预设的安全距离内，当水平距离d小于预设的安全距离时，表明排料臂与受料臂存在发生碰撞的可能，防撞限位判断模块分别向排土机下车、排土机上车、卸料车发出紧急制动指令，制停排土机下车的行走运动、排土机上车的回转运动以及卸料车沿着轨道的行车运动。

22、本发明的另一个技术目的是提供一种使用rtk技术扩大排土机作业范围的方法，包括如下步骤：

23、步骤一、安装rtk定位装置：

24、rtk定位装置包括1个rtk基准站以及5个rtk流动站；rtk基准站包括gnss接收机、gnss天线、发送差分数据的设备；

25、安装时，将所述rtk基准站固定安装在排土机作业现场，将5个rtk流动站分别安装在排土机下车、排料臂、受料臂、卸料车头部以及卸料车尾部；

26、其中：安装在排土机下车的rtk流动站记为第一rtk流动站，安装在排料臂的rtk流动站记为第二rtk流动站，安装在受料臂的rtk流动站记为第三rtk流动站，安装在卸料车头部的rtk流动站记为第四rtk流动站，安装在卸料车尾部的rtk流动站记为第五rtk流动站；

27、步骤二、rtk定位装置的调试：

28、在完成rtk定位装置的安装后，根据gnss天线、gnss接收机、控制点的相对位置配置杆臂参数；上电检查是否正常与基站通讯并获取差分信号；查看rtk收敛状态，能否输出固定解；

29、步骤三、坐标值的转换：

30、先将各rtk流动站输出的相应控制点处的经纬高坐标转换为地心原点的空间直角坐标，再转换为站心坐标；

31、步骤四、排土机和卸料车姿态计算：

32、在得到各控制点的站心坐标值后，计算出实时的实时计算出受料臂与卸料车的夹角α、排料臂与履带的夹角γ以及排料臂与受料臂的夹角β，从而获得确定的排土机和卸料车姿态信息；

33、步骤五、防撞限位功能设计：

34、步骤5.1、计算各构件发生碰撞的临界角度：

35、根据排土机和卸料车各部位的结构尺寸，分别计算出受料臂与卸料车发生碰撞的临界角度δ1、受料臂与排料臂发生碰撞的临界角度δ2以及排料臂与排土机下车发生碰撞的临界角度δ3；

36、步骤5.2、计算夹角α、β、γ的限位角：

37、针对夹角α预设有限位角α0，α0=δ1；

38、针对夹角β预设有限位角β0，β0=δ2-σ，σ表示预留安全裕量；

39、针对夹角γ预设有限位角γ0，γ0=δ3；

40、步骤5.3、防撞限位判断与控制：

41、判断夹角α、β、γ是否邻近相应的限位角边界，并根据判断结果分别向卸料车、排土机下车、排土机上车输出相应的执行指令，以分别对应地控制卸料车沿着轨道的行车运动、排土机的行走运动以及排土机上车的回转运动。

42、步骤四中，基于2号控制点与5号控制点的站心坐标值，实时计算出2号控制点与5号控制点之间的水平距离d；

43、步骤五中，预设2号控制点与5号控制点之间安全距离d0；并将步骤四所计算出的水平距离d与预设的安全距离d0进行比较，当水平距离d小于预设的安全距离时，表明排料臂与受料臂存在发生碰撞的可能，制停排土机下车的行走运动、排土机上车的回转运动以及卸料车沿着轨道的行车运动。

44、优选地，步骤5.2中，针对夹角β还预设有预限位角β01，β01<β0；针对夹角γ还预设有预限位角γ01，γ01<γ0；步骤5.3中，当判断结果为|β-β01|<b1时，表明排料臂与受料臂存在发生碰撞的风险，控制排土机上车的回转运动减速；当判断结果为|γ-γ01|<c1时，表明排料臂与排土机下车存在发生碰撞的风险，控制排土机上车的回转运动减速；b1、c1为预设常数。

45、基于上述的技术目的，相对于现有技术，本发明具有如下的优势：

46、1、本发明把人员从限位开关安装位置的反复试错性调整中解放出来，极大地节约了排土机的系统装调时间。不再使用行程开关或接近开关，改为使用rtk定位技术，实时测量若干控制点的经纬高坐标，再根据各坐标计算相对运动部件之间的回转角度，当角度达到预定极限位置时，向控制系统发出停机信号，回转运动停止。

47、2、本技术扩大了排土机的有效工作范围。由各控制点坐标值计算出的结果可以反映排料臂与卸料车的实时位置关系，若几何关系判断其存在碰撞风险时，也可发送停机信号，即便此时两处回转运动都未达到预设极限。按此方法，两处回转运动的预设极限可以只考虑其本身的碰撞而无需考虑耦合，即通过增大限位角α0、γ0来增大排料臂、受料臂的安全工作范围，即变相扩大了排土机的有效工作范围。