尹新偉， 王艷春， 程偉良

（1.大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 北京 100097； 2.華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院， 北京 102206）

0 引言

目前，數(shù)字化煤場的關(guān)鍵問題是對煤場進(jìn)行實時管理與精確控制。煤場數(shù)字化可以達(dá)到清晰明確的煤場存煤情況信息，以便煤場空間的合理使用，并為鍋爐配煤摻燒提供良好的基礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)[1-2]。數(shù)字化煤場管理能夠為煤場管理提供智能完整的保障鏈，這將可以保證數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，進(jìn)而提高燃料管理的效率[3-5]。精確堆取煤技術(shù)作為數(shù)字化煤場重要的一部分，能夠?qū)γ簣龅剡M(jìn)煤與出煤進(jìn)行嚴(yán)格的管理與精確控制，也能對煤場中斗輪機(jī)的實際狀態(tài)信息進(jìn)行實時監(jiān)控[6-9]。

斗輪機(jī)作為現(xiàn)有火電廠煤場存煤與取煤的主要設(shè)備。煤的精確堆取系統(tǒng)，可以分為斗輪機(jī)的精確定位與斗輪機(jī)的自動控制兩部分。斗輪機(jī)的定位是斗輪機(jī)堆取煤的前提，也是完成堆取煤任務(wù)的限定條件之一。斗輪機(jī)的自動控制在斗輪機(jī)的手動控制與半自動控制發(fā)展的基礎(chǔ)上提出來的。它一方面可以降低人工因素對于精確堆取煤的影響，并減小環(huán)境對于堆取煤任務(wù)的影響，另一方面可以更好地管理監(jiān)控設(shè)備的各種運(yùn)行情況[10-14]。

燃煤電廠要實現(xiàn)數(shù)字化煤場管理，實現(xiàn)精確堆取煤是首要任務(wù)，其特點(diǎn)如下[15]：

1）三維性。精確堆取煤的過程，主要是對斗輪機(jī)與煤場的相互配合，需要實現(xiàn)對斗輪機(jī)的精確控制。而斗輪機(jī)的運(yùn)動軌跡是在三維空間中的，必須對斗輪機(jī)的大車行進(jìn)、懸臂旋轉(zhuǎn)與俯仰運(yùn)動，進(jìn)行精確控制與高效協(xié)調(diào)，并實現(xiàn)斗輪與斗輪機(jī)之間的模型構(gòu)建。

2）環(huán)境特殊性。目前，國內(nèi)的煤場一般為干煤棚、室內(nèi)煤場，也有部分露天煤場。針對不同的環(huán)境，不同定位技術(shù)的適應(yīng)性不同，比如，GPS 定位系統(tǒng)在室外更有效，而UWB 定位系統(tǒng)在室內(nèi)的定位效果好。因此，必須針對復(fù)雜多變的煤場環(huán)境，設(shè)計出適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好的定位系統(tǒng)。

3）實時性。根據(jù)精確堆取煤的任務(wù)要求，必須實現(xiàn)對斗輪機(jī)堆取煤過程的實時精確控制與定位，同時對現(xiàn)場進(jìn)行實時監(jiān)控，從而順利完成精確堆取煤任務(wù)。

斗輪機(jī)定位是實現(xiàn)精確堆取煤的重要前提[15]。要實現(xiàn)精確堆取煤，一方面需要對斗輪機(jī)的具體位置與姿態(tài)信息有精確的掌握，另一方面，斗輪機(jī)的控制需要定位信息作為反饋條件。斗輪機(jī)的定位包括對斗輪機(jī)斗輪的定位、大車位置與懸臂的姿態(tài)定位。目前對斗輪機(jī)的定位有編碼器定位、GPS 定位、UWB 定位以及視覺定位等多種方法。

編碼器定位，是通過控制器對增量編碼器的電信號采集，擬定編碼器模式運(yùn)動定位、長度計算的方式，從而決定機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制方案，實現(xiàn)斗輪機(jī)行進(jìn)距離、旋轉(zhuǎn)俯仰角度的定位。該方法作為實際應(yīng)用中最廣泛的方法，但是存在易受環(huán)境影響，如強(qiáng)電磁環(huán)境下，編碼器定位信號易受干擾，必須采用有線傳輸方式。長時間長距離傳輸時易產(chǎn)生較大誤差，并且煤場環(huán)境往往較差，維護(hù)工作量也比較大。

GPS 定位技術(shù)將經(jīng)緯度數(shù)轉(zhuǎn)換為空間直角坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，通過空間幾何關(guān)系計算得到斗輪機(jī)懸臂的空間坐標(biāo)[17-18]。將GPS 天線分別安裝在斗輪機(jī)的大車和懸臂上，在正常運(yùn)行取煤時，實時獲取固定臺天線的坐標(biāo)位置以及航向角，并運(yùn)用三角轉(zhuǎn)換得到懸臂天線的空間位置坐標(biāo)，再根據(jù)懸臂天線的空間位置求出懸臂的回轉(zhuǎn)角和俯仰角，從而可以實現(xiàn)斗輪機(jī)的定位[19]。該技術(shù)屬較為成熟的定位技術(shù)，但在煤場這種特定的環(huán)境中，定位信號到達(dá)地面時較弱，定位精度較低，并且對于目前國內(nèi)較多的干煤棚、室內(nèi)煤場，定位精度會下降，無法應(yīng)用于具有干煤棚的條形煤場或者球形煤場的斗輪機(jī)定位。

UWB 定位技術(shù)將煤場抽象成一個三維坐標(biāo)體系，在斗輪機(jī)的合適位置安裝移動標(biāo)簽，確定坐標(biāo)，通過采集移動標(biāo)簽與接收器之間的距離，使用三維定位算法計算出移動標(biāo)簽的坐標(biāo)，從而實現(xiàn)斗輪機(jī)的精確定位[20]。UWB 定位技術(shù)傳輸速率高、范圍覆蓋廣、實時性好、穿透力強(qiáng)、傳輸能力強(qiáng)且發(fā)射功率小。但是UWB 技術(shù)需要架設(shè)多個基站進(jìn)行定位，在室外易受環(huán)境影響，并且UWB 系統(tǒng)占用的帶寬很高，可能會干擾現(xiàn)有其他無線通信系統(tǒng)[21-25]。

本文通過基于視覺的斗輪機(jī)定位及相關(guān)優(yōu)化算法的技術(shù)研究可解決上述技術(shù)的不足，將通過對圖像的采集與處理，求取斗輪機(jī)的運(yùn)動情況，實現(xiàn)斗輪機(jī)的定位。通過對圖像的采集，可以獲取斗輪機(jī)現(xiàn)場情況監(jiān)測、異物檢測等更多的信息，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

1 精確堆取煤方法

1.1 定位模型

斗輪機(jī)的斗輪位置確定，是基于視覺的精確堆取煤的技術(shù)核心，通過研究獲取斗輪的行進(jìn)距離、旋轉(zhuǎn)角度、俯仰角度與斗輪相關(guān)設(shè)備參數(shù)，從而建立斗輪機(jī)的具體位置與斗輪姿態(tài)參數(shù)之間的相互關(guān)系。這里采用D-H 方法，將斗輪機(jī)簡化成機(jī)器人手臂形式的模型，以機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)方程來計算處理[26]。

D-H 方法是為機(jī)器每個關(guān)節(jié)處的桿件坐標(biāo)系，建立4×4 的齊次變換矩陣，表示它與前一桿件坐標(biāo)系的關(guān)系。這樣逐步變換，即可用基座坐標(biāo)來表示斗輪坐標(biāo)。這樣就可把構(gòu)件坐標(biāo)系嵌入斗輪機(jī)的每一個連桿機(jī)構(gòu)中，用齊次變換來描述這些坐標(biāo)系之間的相對位置和方向。描述出來的一個連桿與下一個連桿之間的關(guān)系矩陣，為齊次變換矩陣，可記為第n個連桿的An矩陣。各連桿參數(shù)的具體定義如下：

轉(zhuǎn)角θn，為連桿n按右手法則繞關(guān)節(jié)n的Zn-1軸的轉(zhuǎn)角；距離dn，為連桿n沿關(guān)節(jié)n的Zn-1軸的位移，沿Zn-1正向為正；長度an，為連桿n沿Xn方向上的長度，與Xn正向一致；扭角αn，為連桿n 按右手法則形成兩關(guān)節(jié)軸線之間的扭角。

對于斗輪機(jī)基座，即行走機(jī)構(gòu)來講，距離d1是其關(guān)節(jié)變量；對于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)來講，轉(zhuǎn)角θ2、θ3是其關(guān)節(jié)變量。

在斗輪各連桿坐標(biāo)系建立后，n-1 坐標(biāo)系與n坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系可用坐標(biāo)系的平移、旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。

從n-1 系到n系的變換流程：

1）令n-1 系繞Zn-1軸旋轉(zhuǎn)θ 角，使Xn-1與Xn平行；

2）沿Zn-1軸平移dn，使Xn-1與Xn重合；

3）沿Xn-1軸平移an，使兩個坐標(biāo)系原點(diǎn)重合；

4）繞Xn-1軸旋轉(zhuǎn)αn角，使得n-1 系與n系重合。

用一個總的變換矩陣An來表示連桿n的齊次變換矩陣為：

由此可推出第n坐標(biāo)系相對于基座坐標(biāo)系位置，齊次變換矩陣為：

式中：[nn pn qn]是固連在第n個桿件上的第n個坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣，Wn是由基座坐標(biāo)系原點(diǎn)指向第n個坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置矢量。

對于斗輪機(jī)而言，斗輪機(jī)的斗輪相對于行走機(jī)構(gòu)的位置齊次變換矩陣為T3=A1，A2，A3。只要求出A1、A2、A3，便可得到斗輪機(jī)的斗輪相對于基座坐標(biāo)系位置的齊次變換矩陣。在此基礎(chǔ)上，即可實現(xiàn)對斗輪進(jìn)行準(zhǔn)確的坐標(biāo)定位。

1.2 控制策略

斗輪機(jī)自動控制算法可以分為斗輪機(jī)堆煤、取煤過程、故障、大車定位、大臂水平位置的定位、大臂垂直位置的定位過程與控制等部分[27-28]。斗輪機(jī)的控制順序如圖1 所示。

圖1 斗輪機(jī)自動控制系統(tǒng)

首先選擇斗輪機(jī)堆取煤任務(wù)，針對斗輪機(jī)任務(wù)，選擇控制順序。然后控制斗輪機(jī)位置，使斗輪機(jī)能在一個合適的位置開始工作。再控制大臂旋轉(zhuǎn)俯仰角，通過調(diào)整大車在軌道上的位置、大臂的水平、垂直位置等，確定斗輪的位置，控制完成斗輪機(jī)任務(wù)[29]。

斗輪機(jī)的運(yùn)動主要由行走、回轉(zhuǎn)、俯仰以及輸煤取煤等幾部分組成[30]。斗輪機(jī)的堆煤順序與取煤順序如圖2 所示。

圖2 堆取煤流程

基于以上定位和控制策略的建模技術(shù)，實現(xiàn)了斗輪機(jī)的精確堆取煤，對定位技術(shù)和控制模型進(jìn)行算法優(yōu)化，提高了定位精確度，在滿足安全要求的情況下，最大化降低運(yùn)行成本，提高運(yùn)行效率。該技術(shù)形成的算法，還具有較好的魯棒性，可適應(yīng)復(fù)雜多樣的煤場情況。該算法控制系統(tǒng)在運(yùn)行中，可協(xié)調(diào)好控制成本與精度需求的關(guān)系，盡可能降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

2 結(jié)語

伴隨電煤供應(yīng)緊張狀況的持續(xù)，數(shù)字化煤場管理系統(tǒng)，斗輪機(jī)的安全高效運(yùn)行，將是保證機(jī)組正常運(yùn)行，提高發(fā)電效率，降低發(fā)電成本的有效手段，已越來越受到火電企業(yè)重視，因此數(shù)字化煤場的高效精確堆取煤管理具有重要的意義。

本文進(jìn)行了斗輪機(jī)精確定位技術(shù)和算法優(yōu)化研究，提出了精確高效堆取料的計算模型。該模型考慮了定位時的三維性及不同煤場特點(diǎn)，并保持斗輪、懸臂、斗輪機(jī)的定位數(shù)據(jù)實時有效傳輸，滿足了反饋控制的精確堆取料，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的適應(yīng)性、魯棒性、實用性和經(jīng)濟(jì)性，這些方面的研究將為數(shù)字化煤場中的精確堆取煤技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用拓展提供了新思路。