本發(fā)明屬于礦石運輸智能控制領(lǐng)域，特別涉及一種井下電力機車自動識別卸礦系統(tǒng)及卸礦方法。

背景技術(shù)：

鐵軌運輸是目前礦山普遍采用的礦石運輸方式，大多采用底卸和側(cè)卸作為主要卸礦方式。利用曲軌使機車側(cè)翻的側(cè)卸方式在理論上可以實現(xiàn)機車自動卸礦，但在實際使用中還存在很多限制問題。

大部分礦井在建設曲軌時使曲軌遠離軌道，采用可收縮卸翻輪，人工拉動翻卸輪搭上曲軌。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合實際應用部分企業(yè)采用了活動曲軌的方式實現(xiàn)半自動卸礦控制。但是在多類型機車共存的實際復雜環(huán)境下，到目前為止仍未實現(xiàn)側(cè)卸式礦車溜井完全自動卸礦。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有井下機車側(cè)卸技術(shù)中存在的問題，提供了一種井下電力機車自動識別卸礦系統(tǒng)及卸礦方法。

一種井下電力機車自動識別卸礦系統(tǒng)，包括激光掃描儀、控制箱、曲軌引導裝置、伺服電機和接近開關(guān)；

所述激光掃描儀、伺服電機和接近開關(guān)分別與控制箱連接；

所述伺服電機與曲軌引導裝置連接，用于驅(qū)動曲軌引導裝置的移動；

所述曲軌引導裝置位于曲軌的前端；

所述激光掃描儀位于溜井卸礦區(qū)前端的上方，所述卸礦區(qū)前端即電力機車去往溜井卸礦區(qū)的方向；所述激光掃描儀為扇面掃描，掃描面垂直于機車運行方向，射出的光線為一個群族；

所述控制箱位于控制室內(nèi)，控制箱內(nèi)設有主控制器，所述控制箱用于接收激光掃描儀和接近開關(guān)的數(shù)據(jù)，以及控制激光掃描儀和伺服電機；

進一步的，如機車速度為變速運動時，上述裝置中還設有速度檢測裝置，設置于激光掃描儀旁，與控制箱連接，向控制箱發(fā)送速度數(shù)據(jù)并受控制箱控制。

采用上述裝置的卸礦方法，包括如下步驟：

步驟1：通過激光掃描儀慢掃模式自行判斷機車是否進入掃描區(qū)域，如果進入則執(zhí)行步驟2，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟1；

步驟2：主控制器控制激光掃描儀開啟快掃模式，將激光掃描儀快速掃描得到的機車車廂信息傳輸回主控制器，執(zhí)行步驟3；

步驟3：控制箱內(nèi)的主控制器解析機車車廂信息數(shù)據(jù)，若識別出機車車廂類型，并且裝載礦石，也不處于停車狀態(tài)，則執(zhí)行步驟4；若未識別出機車車廂類型，或者機車車廂空載，或者無牽引車廂，或者處于停車狀態(tài)，則執(zhí)行步驟6；

步驟4：控制箱內(nèi)的主控制器進一步解析機車車廂信息，識別出車廂數(shù)量和裝載礦石體積后，開啟伺服電機引導曲軌引導裝置將曲軌牽引到指定位置，進行自動卸礦，并存儲車廂數(shù)量和車廂裝礦體積的數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟5；

步驟5：判斷接近開關(guān)是否有脈沖傳遞給控制箱內(nèi)的主控制器，如果有則證明機車已經(jīng)卸礦完畢并離開卸礦區(qū)域，執(zhí)行步驟6；如果沒有則證明機車還在卸礦中，繼續(xù)保持步驟4進行；

步驟6：關(guān)閉伺服電機，并執(zhí)行步驟1。

上述控制方法中，所述步驟3解析機車信息數(shù)據(jù)的方法為：

激光掃描儀為扇面掃描，掃描面垂直于機車運行方向，射出的光線為一個群族，則具體解析方法如下：

(1)識別車廂類型

利用激光掃描儀掃描的數(shù)據(jù)計算出車廂寬度，并根據(jù)車廂寬度數(shù)據(jù)對機車車廂類型進行識別判斷；

所述車廂寬度計算方法為：

激光掃描為扇面掃描，從掃描到車廂一側(cè)邊緣的光線開始到掃描到另一側(cè)邊緣截止，光線記為l1～ls，l1為掃描到車廂一側(cè)邊緣的光線的長度，ls為掃描到車廂另一側(cè)邊緣的光線的長度，θ為l1與垂直光線的夾角，通過公式：

2×l1sinθ

計算出機車車廂的寬度。

(2)識別車廂是否裝礦

設定地面至車廂內(nèi)的某個高度點的長度lk為裝礦最低值，l為激光掃描儀垂直光線掃描到地面的長度，當掃描到車廂時垂直光線長度大于(l-lk)時，即可判定車廂為空載，如果整個車廂經(jīng)過時垂直光線距離載礦車廂距離均大于(l-lk)則認為車廂并未裝礦。

(3)識別機車是否處于停車狀態(tài)

當不設置速度檢測裝置時，如果激光掃描儀的光線被間斷性的遮擋，則機車未處于停車狀態(tài)；如果光線持續(xù)被遮擋，則機車處于停車狀態(tài)。

或者，采用速度檢測裝置檢測到的機車速度來識別機車是否停車。

(4)識別是否牽引車廂

如果機車車頭通過之后，在一定時間內(nèi)，光線均未受到遮擋，則說明未牽引車廂；如果有遮擋，并識別出遮擋物寬度為車廂寬度則證明牽引車廂。

上述控制方法中，所述步驟4進一步解析機車信息數(shù)據(jù)的方法為：

(1)車廂數(shù)量的識別：

當機車頭通過之后，車廂會開始有間斷性的遮擋激光掃描儀的光線，每次經(jīng)過車廂連接處時即下一次遮擋激光光線開始時，主控制器計數(shù)一次，直到機車全部通過，所計數(shù)值即為機車所牽引的車廂數(shù)。

(2)車廂裝礦體積識別

當激光掃描儀開啟快速掃描模式時，開始掃描車廂內(nèi)裝礦的每個點的高度，由于礦石整體高度非常不平均，有時出現(xiàn)很多地方高度相差很大的情況，所以將整個礦車內(nèi)不規(guī)范體積的礦物分成無限小的小立方體，立方體的高即為激光掃描檢測時礦物在當前掃描點處與車廂底部的距離，而通過激光掃描光線之間的距離間隔來取盡量小的數(shù)值作為立方體的寬度，通過車廂速度判斷激光在礦物表面掃過的點來確定立方體的長度，此時分為兩種情況考慮：

①車速為勻速運動：其裝礦體積計算公式為：

其中s為車廂長度(固定值，確定卸礦的礦車種類后，每節(jié)車廂長度均相同)，t為每節(jié)車廂掃描所需時間，θ為ln與垂直光線的夾角，k為第k次采樣點，δt為采樣時間，lm為車廂底距離地面距離(固定值，確定卸礦的礦車種類后，每節(jié)車廂長度均相同)，此時ln為激光在機車運行過程中掃過車廂內(nèi)礦石表面的光線即時長度，激光掃描儀垂直地面光線的長度為l，式中l(wèi)-lm-ln·cosθ(k)為在當前掃描點處的礦石即時高度，式中sinθ(k+1)-sinθ(k)為2條相鄰采樣光線的夾角，這樣可以算出每個小立方體的體積，然后通過求和求出整個車廂的裝礦體積；

②當車速為變速運動時，采用速度檢測裝置對即時速度進行檢測，然后將即時速度通過信號傳遞給主控制器，變速運動的礦車每節(jié)車廂內(nèi)裝礦體積計算公式為：

其中，θ為ln與垂直光線的夾角，k為第k次采樣點，δt為采樣時間，lm為車廂底距離地面距離(固定值，確定卸礦的礦車種類后，每節(jié)車廂長度均相同)，此時ln為激光在機車運行過程中掃過車廂內(nèi)礦石表面的光線即時長度，激光掃描儀垂直地面光線的長度為l，式中l(wèi)-lm-ln·cosθ(k)為在當前掃描點處的礦石即時高度，式中sinθ(k+1)-sinθ(k)為2條相鄰采樣光線的夾角，v(k)為第k次采樣點的即時速度，這樣可以算出每一個小立方體在即時速度下的體積，然后通過求和求出整個車廂的裝礦體積。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：

本發(fā)明設計的裝置實現(xiàn)了機車空重車識別，可以準確區(qū)分機車是否裝礦，是否進行卸礦操作，使得卸礦操作可以無需人工干預，實現(xiàn)無人值守，提高整體卸礦效率，使得整體操作更加安全，可靠，高效。

附圖說明

圖1、實施例1中裝置的工作原理簡圖。

圖2、控制方法流程圖

圖中，1：激光掃描儀；2：控制箱；3：伺服電機；4：接近開關(guān)；5：曲軌引導裝置。

具體實施方式

實施例1

一種井下電力機車自動識別和側(cè)卸裝置，如圖1所示，包括激光掃描儀1、控制箱2、曲軌引導裝置5、伺服電機3和接近開關(guān)4；

所述激光掃描儀1、伺服電機3和接近開關(guān)4分別與控制箱2連接；

所述伺服電機3與曲軌引導裝置5連接，用于驅(qū)動引導裝置5的移動；

所述曲軌引導裝置5位于曲軌的前端；

所述激光掃描儀1位于溜井卸礦區(qū)前端的上方，所述卸礦區(qū)前端即電力機車去往溜井卸礦區(qū)的方向；

所述控制箱2位于控制室內(nèi)，控制箱內(nèi)設有主控制器，用于接收激光掃描儀和接近開關(guān)及相關(guān)設備的數(shù)據(jù)，以及控制激光掃描儀和伺服電機及相關(guān)設備。

上述裝置的控制方法，如圖2所示，包括如下步驟：

步驟1：通過激光掃描儀慢掃模式自行判斷機車是否進入掃描區(qū)域，如果進入則執(zhí)行步驟2，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟1；

步驟2：主控制器控制激光掃描儀開啟快掃模式，將快速掃描得到的機車車廂信息傳輸回主控制器，執(zhí)行步驟3；

步驟3：控制箱內(nèi)的主控制器解析機車車廂信息數(shù)據(jù)，識別機車車廂類型和是否裝載礦石，若識別出機車車廂類型，并且裝載礦石，也不處于停車狀態(tài)，則執(zhí)行步驟4；若未識別出機車車廂類型，或者機車車廂空載，或者無牽引車廂，或者處于停車狀態(tài)，則執(zhí)行步驟6；

步驟4：控制箱內(nèi)的主控制器進一步解析機車車廂信息，識別出車廂數(shù)量和裝載礦石體積后，開啟伺服電機引導曲軌引導裝置將曲軌牽引到指定位置，進行自動卸礦，并存儲車廂數(shù)量和車廂狀況體積的數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟5；

步驟5：判斷接近開關(guān)是否有脈沖傳遞給控制箱內(nèi)的主控制器，如果有則證明機車已經(jīng)卸礦完畢并離開卸礦區(qū)域，執(zhí)行步驟6；如果沒有則證明機車還在卸礦中，繼續(xù)保持步驟4進行；

步驟6：關(guān)閉伺服電機，并執(zhí)行步驟1。

上述控制方法中，所述步驟3解析機車信息數(shù)據(jù)的方法為：

激光掃描儀為扇面掃描，掃描面垂直于機車運行方向，射出的光線為一個群族，則具體解析方法如下：

(1)識別車廂類型

利用激光掃描儀掃描的數(shù)據(jù)計算出車廂寬度，并根據(jù)車廂寬度數(shù)據(jù)對機車車廂類型進行識別判斷；

所述車廂寬度計算方法為：

激光掃描為扇面掃描，從掃描到車廂一側(cè)邊緣的光線開始到掃描到另一側(cè)邊緣截止，光線記為l1～ls，l1為掃描到車廂一側(cè)邊緣的光線的長度，ls為掃描到車廂另一側(cè)邊緣的光線的長度，θ為l1與垂直光線的夾角，激光掃描儀垂直地面光線的長度為l，l即為激光掃描儀到地面的垂直距離，通過公式：

2×l1sinθ

計算出機車車廂的寬度。

(2)識別車廂是否裝礦

設定地面至車廂內(nèi)的某個高度點的長度lk為裝礦最低值，l為激光掃描儀垂直光線掃描到地面的長度，當掃描到車廂時垂直光線長度大于(l-lk)時，即可判定車廂為空載，如果整個車廂經(jīng)過時垂直光線距離載礦車廂距離均大于(l-lk)則認為車廂并未裝礦。

(3)識別機車是否處于停車狀態(tài)

如果激光掃描儀的光線被有規(guī)律的遮擋，則機車未處于停車狀態(tài)；如果光線持續(xù)被遮擋，則機車處于停車狀態(tài)。

(4)識別是否牽引車廂

如果機車車頭通過之后，在一定時間內(nèi)，光線均未受到遮擋，則說明未牽引車廂；如果有遮擋，并識別出遮擋物寬度為車廂寬度則證明牽引車廂。

上述控制方法中，所述步驟4進一步解析機車信息數(shù)據(jù)的方法為：

(1)車廂數(shù)量的識別：

當機車頭通過之后，車廂會開始有規(guī)律的遮擋激光掃描儀的光線，每次經(jīng)過車廂連接處時主控制器計數(shù)一次，直到機車全部通過，所計數(shù)值即為機車所牽引的車廂數(shù)。

(2)車廂裝礦體積識別

當激光掃描儀開啟快速掃描模式時，開始掃描車廂內(nèi)裝礦的每個點的高度，由于礦石整體高度非常不平均，有時出現(xiàn)很多地方高度相差很大的情況，所以將整個礦車內(nèi)不規(guī)范體積的礦物分成無限小的小立方體，立方體的高即為激光掃描檢測時礦物在當前掃描點處與車廂底部的距離，而通過激光掃描光線之間的距離間隔來取盡量小的數(shù)值作為立方體的寬度，通過車廂速度判斷激光在礦物表面掃過的點來確定立方體的長度，此時其裝礦體積計算公式為：

其中s為車廂長度(固定值，每節(jié)車廂長度均相同)，t為每節(jié)車廂掃描所需時間，θ為ln與垂直光線的夾角，k為第k次采樣點，δt為采樣時間，lm為車廂底距離地面距離(固定值，每節(jié)車廂距地面高度均相同)，此時ln為激光在機車運行過程中掃過車廂內(nèi)礦石表面的光線即時長度，激光掃描儀垂直地面光線的長度為l，式中l(wèi)-lm-ln·cosθ(k)為在當前掃描點處的礦石即時高度，式中sinθ(k+1)-sinθ(k)為2條相鄰采樣光線的夾角，這樣可以算出每個小立方體的體積，然后通過求和求出整個車廂的裝礦體積。

實施例2

一種井下電力機車自動識別和側(cè)卸裝置，包括激光掃描儀、控制箱、曲軌引導裝置、伺服電機、接近開關(guān)和速度檢測裝置；

所述激光掃描儀、伺服電機和接近開關(guān)分別與控制箱連接；

所述伺服電機與曲軌引導裝置連接，用于驅(qū)動引導裝置的移動；

所述曲軌引導裝置位于曲軌的前端；

所述激光掃描儀位于溜井卸礦區(qū)前端的上方，所述卸礦區(qū)前端即電力機車去往溜井卸礦區(qū)的方向；

所述控制箱位于控制室內(nèi)，控制箱內(nèi)設有主控制器，用于接收激光掃描儀和接近開關(guān)及相關(guān)設備的數(shù)據(jù)，以及控制激光掃描儀和伺服電機及相關(guān)設備；

所述速度檢測裝置設置于激光掃描儀旁，與控制箱連接，向控制箱發(fā)送速度數(shù)據(jù)。

上述裝置的控制方法，包括如下步驟：

步驟1：通過激光掃描儀慢掃模式自行判斷機車是否進入掃描區(qū)域，如果進入則執(zhí)行步驟2，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟1；

步驟2：主控制器控制激光掃描儀開啟快掃模式，將快速掃描得到的機車車廂信息傳輸回主控制器，執(zhí)行步驟3；

步驟3：控制箱內(nèi)的主控制器解析機車車廂信息數(shù)據(jù)，識別機車車廂類型和是否裝載礦石，若識別出機車車廂類型，并且裝載礦石，也不處于停車狀態(tài)，則執(zhí)行步驟4；若未識別出機車車廂類型，或者機車車廂空載，或者無牽引車廂，或者處于停車狀態(tài)，則執(zhí)行步驟6；

步驟4：控制箱內(nèi)的主控制器進一步解析機車車廂信息，識別出車廂數(shù)量和裝載礦石體積后，開啟伺服電機引導曲軌引導裝置將曲軌牽引到指定位置，進行自動卸礦，并存儲車廂數(shù)量和車廂狀況體積的數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟5；

步驟5：判斷接近開關(guān)是否有脈沖傳遞給控制箱內(nèi)的主控制器，如果有則證明機車已經(jīng)卸礦完畢并離開卸礦區(qū)域，執(zhí)行步驟6；如果沒有則證明機車還在卸礦中，繼續(xù)保持步驟4進行；

步驟6：關(guān)閉伺服電機，并執(zhí)行步驟1。

上述控制方法中，所述步驟3解析機車信息數(shù)據(jù)的方法為：

激光掃描儀為扇面掃描，掃描面垂直于機車運行方向，射出的光線為一個群族，則具體解析方法如下：

(1)識別車廂類型

利用激光掃描儀掃描的數(shù)據(jù)計算出車廂寬度，并根據(jù)車廂寬度數(shù)據(jù)對機車車廂類型進行識別判斷；

所述車廂寬度計算方法為：

激光掃描為扇面掃描，從掃描到車廂一側(cè)邊緣的光線開始到掃描到另一側(cè)邊緣截止，光線記為l1～ls，l1為掃描到車廂一側(cè)邊緣的光線的長度，ls為掃描到車廂另一側(cè)邊緣的光線的長度，θ為l1與垂直光線的夾角，激光掃描儀垂直地面光線的長度為l，l即為激光掃描儀到地面的垂直距離，通過公式：

2×l1sinθ

計算出機車車廂的寬度。

(2)識別車廂是否裝礦

設定地面至車廂內(nèi)的某個高度點的長度lk為裝礦最低值，l為激光掃描儀垂直光線掃描到地面的長度，當掃描到車廂時垂直光線長度大于(l-lk)時，即可判定車廂為空載，如果整個車廂經(jīng)過時垂直光線距離載礦車廂距離均大于(l-lk)則認為車廂并未裝礦。

(3)識別機車是否處于停車狀態(tài)

如果激光掃描儀的光線被間斷性的遮擋，則機車未處于停車狀態(tài)；如果光線持續(xù)被遮擋，則機車處于停車狀態(tài)。

或者，采用速度檢測裝置檢測到的機車速度來識別機車是否停車。

(4)識別是否牽引車廂

如果機車車頭通過之后，在一定時間內(nèi)，光線均未受到遮擋，則說明未牽引車廂；如果有遮擋，并識別出遮擋物寬度為車廂寬度則證明牽引車廂。

上述控制方法中，所述步驟4進一步解析機車信息數(shù)據(jù)的方法為：

(1)車廂數(shù)量的識別

當機車頭通過之后，車廂會開始有規(guī)律的遮擋激光掃描儀的光線，每次經(jīng)過車廂連接處時主控制器計數(shù)一次，直到機車全部通過，所計數(shù)值即為機車所牽引的車廂數(shù)。

(2)車廂裝礦體積識別

當激光掃描儀開啟快速掃描模式時，開始掃描車廂內(nèi)裝礦的每個點的高度，由于礦石整體高度非常不平均，有時出現(xiàn)很多地方高度相差很大的情況，所以將整個礦車內(nèi)不規(guī)范體積的礦物分成無限小的小立方體，立方體的高即為激光掃描檢測時礦物在當前掃描點處與車廂底部的距離，而通過激光掃描光線之間的距離間隔來取盡量小的數(shù)值作為立方體的寬度，通過車廂速度判斷激光在礦物表面掃過的點來確定立方體的長度，此時分為兩種情況考慮：

①車速為勻速運動：其裝礦體積計算公式為：

其中s為車廂長度(固定值，每節(jié)車廂長度均相同)，t為每節(jié)車廂掃描所需時間，θ為ln與垂直光線的夾角，k為第k次采樣點，δt為采樣時間，lm為車廂底距離地面距離(固定值，每節(jié)車廂距地面高度均相同)，此時ln為激光在機車運行過程中掃過車廂內(nèi)礦石表面的光線即時長度，激光掃描儀垂直地面光線的長度為l，式中l(wèi)-lm-ln·cosθ(k)為在當前掃描點處的礦石即時高度，式中sinθ(k+1)-sinθ(k)為2條相鄰采樣光線的夾角，這樣可以算出每個小立方體的體積，然后通過求和求出整個車廂的裝礦體積；

②當車速為變速運動時，采用速度檢測裝置對即時速度進行檢測，然后將即時速度通過信號傳遞給主控制器，變速運動的礦車每節(jié)車廂內(nèi)裝礦體積計算公式為：

其中，θ為ln與垂直光線的夾角，k為第k次采樣點，δt為采樣時間，lm為車廂底距離地面距離(固定值，每節(jié)車廂長度均相同)，此時ln為激光在機車運行過程中掃過車廂內(nèi)礦石表面的光線即時長度，激光掃描儀垂直地面光線的長度為l，式中l(wèi)-lm-ln·cosθ(k)為在當前掃描點處的礦石即時高度，式中sinθ(k+1)-sinθ(k)為2條相鄰采樣光線的夾角，v(k)為第k次采樣點的即時速度，這樣可以算出每一個小立方體在即時速度下的體積，然后通過求和求出整個車廂的裝礦體積。