河北鋼鐵集團唐鋼信息自動化管理部 張 蕊

基于天車無人化庫區(qū)鋼卷位置坐標精確計算方法研究

河北鋼鐵集團唐鋼信息自動化管理部 張 蕊

唐鋼高強汽車板原料庫天車無人化系統(tǒng)是國內(nèi)第一套自主集成具有完全自主知識產(chǎn)權的庫區(qū)智能物流系統(tǒng)，庫區(qū)鋼卷位置坐標計算是實現(xiàn)天車無人化的關鍵基礎技術。本文詳細系統(tǒng)的論述了庫區(qū)坐標系的建立、天車三軸坐標系定位原理及庫區(qū)鋼卷位置坐標精確計算方法，并著重論述了庫區(qū)二層鋼卷精確坐標計算原理及過程。

天車無人化；智能物流；坐標計算

0 前言

庫區(qū)天車無人化在制造企業(yè)里是信息技術與自動化控制技術發(fā)展的必然產(chǎn)物，它是智能工廠不可或缺的重要組成部分。天車無人化的意義不僅僅是簡單的人員節(jié)省和天車作業(yè)效率的提高，更重要的意義是庫區(qū)管理自動化和透明化。天車作業(yè)無人化主要是靠PLC高精度的位置控制，而這一切最根本的前提是庫區(qū)鋼卷位置在庫區(qū)坐標系化，這個坐標系應當是三位立體的，分別對應天車大車位置、小車位置及主鉤高度。庫區(qū)鋼卷在庫區(qū)坐標系下的坐標定位精度直接關系到自動天車PLC位置控制的精度。

1 庫區(qū)坐標系的建立

庫區(qū)三維坐標系一般以跨為單位，每個跨一個坐標系，坐標系的原點位于庫區(qū)入口側兩跨連接處，X軸為天車大車運行維度，Y軸為天車小車運行維度，Z軸為天車主鉤運行維度。天車在坐標系里的實時位置是靠特定的位置檢測傳感器來反饋的，其中X軸位置定位基于編碼器電纜，Y軸位置定位基于激光測距傳感器，Z軸位置定位基于絕對值編碼器。

圖1 X軸位置定位基本結構示意圖

X軸位置定位分為車上位置檢測系統(tǒng)和地上位置檢測系統(tǒng)，整體結構如圖1所示，由位置信號發(fā)生器、編碼電纜、感應天線、位置檢測器組成。編碼電纜安裝在移動機車的軌道旁邊，感應天線安裝在移動機車上并隨著機車移動，始終與編碼電纜保持距離z（z≈5-30cm），位于中央控制室的位置信號發(fā)生器不斷向編碼電纜中各傳輸對線輪流發(fā)送載波，感應天線中接收線圈與編碼電纜中傳輸對線之間的電磁感應，車上位置檢測器檢測接收線圈感應信號的相位和幅度，經(jīng)過運算得到接收線圈所在的x位置坐標，以此作為移動機車的位置。

Z軸位置定位采用的絕對值編碼器是旋轉編碼器的一種，它是集光機電技術于一體的速度位移傳感器。當旋轉編碼器軸帶動光柵盤旋轉時，經(jīng)發(fā)光元件發(fā)出的光被光柵盤狹縫切割成斷續(xù)光線，并被接收元件接收產(chǎn)生初始信號。該信號經(jīng)后繼電路處理后，輸出脈沖或代碼信號。絕對值編碼器軸旋轉器時，有與位置一一對應的代碼（二進制，BCD碼等）輸出，從代碼大小的變更即可判別正反方向和位移所處的位置，而無需判向電路。它有一個絕對零位代碼，當停電或關機后再開機重新測量時，仍可準確地讀出停電或關機位置地代碼，并準確地找到零位代碼。

2 庫區(qū)鋼卷位置坐標計算

庫區(qū)無人天車作業(yè)位置主要有設備位置（步進梁鞍座、過跨車鞍座、汽車卷位置）、庫區(qū)鞍座位置、二層鋼卷位置。設備位置和庫區(qū)鞍座位置在坐標系里都是相對固定的位置。庫區(qū)鞍座位置按照區(qū)、列、行、層進行區(qū)分。每個區(qū)有若干列（工藝上所說的跺），同列根據(jù)庫區(qū)坐標系的建立x坐標值或y坐標值相同，同時一層的z坐標值也相同，每列有若干行，每行對應一個一層和二層位置（每列的最后一行除外）。其中一層為物理實際位置，二層為虛位置，它只有在其對應的兩個一層位置都有鋼卷時才有效。庫區(qū)天車可作業(yè)的每個位置都有一個唯一的邏輯編碼，這個邏輯編碼與其對應的坐標系精確坐標唯一對應。

庫區(qū)鋼卷位置坐標計算根據(jù)鋼卷位置邏輯編碼識別位置屬性，確定天車作業(yè)鋼卷位置的邏輯編碼是固定位置還是虛位置，如果固定位置則直接查表計算該位置的精確坐標，如果是虛位置則首先確定兩相鄰一層邏輯位置，并查表獲取兩個一層邏輯位置的精確坐標，然后根據(jù)三個圓在同一坐標系下兩兩相切的三角幾何關系，列方程組并求解精確計算二層鋼卷精確坐標。二層鋼卷位置模型如圖2所示。

已知條件為R1、R2、R3、Y1、Y2，求CE和Y3其中R1為前方一層鋼卷外徑，R2為后方一層鋼卷外徑，R3為二層鋼卷外徑，Y1為前方一層邏輯位置對應的Y軸坐標值，Y2為后方一層邏輯位置對應的Y軸坐標值，CE為二層鋼卷Z值，Y3為二層鋼卷對應的Y軸坐標值。計算過程如下：

圖2 二層鋼卷位置模型圖

第一步：計算三角形面積，設三邊邊長分別為a,b,c,三角形周長的一半為p,面積為S1, 已知三角形的三邊，其面積可運用海倫公式計算。計算過程參數(shù)方程如下：

第二步：設梯形ADFB的面積為S2，根據(jù)梯形面積計算公式有如下公式：

第三步：計算梯形ADEC與梯形CEFB面積，計算公式如下：

第四步：五邊形ADFBC面積恒定且EC可求，五邊形ADFBC面積根據(jù)不同的分割組合方法可列一個方程，EC可根據(jù)三角函數(shù)列一個方程，方程組如下：

第五步：求解方程組，為方便編程引入中間變量，各中間變量及計算結果表達如下：

在無人天車系統(tǒng)運行初期，二層鋼卷位置坐標計算都是采用一層兩相鄰位置的平均值，由于庫存緊張及天車手動放卷的隨意性造成一層兩卷外徑差別太大，進而導致無人天車設定坐標精度存在較大偏差，天車自動作業(yè)時位置定位不準導致自動作業(yè)中斷無法繼續(xù)。通過研究改進鋼卷位置坐標計算方法，從根源上解決了這些問題，大大降低了自動天車作業(yè)過程中的錯誤率，使得無人天車自動作業(yè)更加順暢有序。

3 結束語

天車無人化庫區(qū)鋼卷位置坐標精確計算方法的研究在國內(nèi)屬于首次應用，它打破了國外對天車無人化關鍵技術的壟斷突破了國外天車無人化技術對庫區(qū)鋼卷嚴格碼放的限制。該法原理簡單易懂，解決了庫區(qū)天車無人化的核心基礎問題。著國內(nèi)對天車無人化技術研究的深入，天車無人化技術將徹底國產(chǎn)化。

張蕊（1983—），河北唐山人，大學本科，現(xiàn)就職于河北鋼鐵集團唐鋼信息自動化管理部，主要從事信息自動化系統(tǒng)維護、優(yōu)化及開發(fā)工作。