本发明涉及矿区装载货领域，特别是涉及一种无人值守的矿区装载货系统。
背景技术：
现有的矿山发货区多采用人工操作的方式进行矿料的装载，装载效率受制于工人的技能熟练程度。工作现场环境恶劣，工作强度高，需由多个作业班组24小时轮岗，占用了大量的人力资源，还极易因休息不充分造成事故。为了提高矿区的自动化程度和生产效率，降低人工成本和事故率，需要设计了一种无人值守的发货区自动装载货系统。
技术实现要素：
为了解决上述存在的问题，本发明提供一种无人值守的矿区装载货系统，该装载货系统提高矿区的自动化程度和生产效率，降低人工成本和事故率，为达此目的，本发明提供一种无人值守的矿区装载货系统，由主控系统、三维建模系统和执行机构组成：
所述主控系统控制三维建模系统对矿料堆积区域的外形进行扫描，保存并处理激光雷达生成的点云数据进行三维建模，从而引导执行机构对矿料进行抓取并送至发货区的运输载具上
所述三维建模系统为一个独立的子系统，与主控系统通过无线模块进行通信，内部包含可独立工作运行的微型计算机作为控制器、二轴云台、gps和姿态测量模块，所述微型计算机用于生成现场环境三维点云数据的激光雷达，一个二轴云台用于为激光雷达提供工作水平面和隔离震动，一部gps用于为整套系统提供位置坐标和统一时标，一部姿态测量模块用于测量激光雷达的实时姿态，云台、gps和姿态测量模块与三维建模系统的控制器通过rs232串口进行连接，外部的激光雷达与三维建模系统的控制器通过以太网进行连接；
所述执行机构包括执行控制器、行车和抓斗，主控系统将抓取信息发送至执行机构控制器，执行机构控制器控制行车进行二维水平方向的移动将抓斗移至抓取点上方，抓斗根据矿料的高度信息完成抓取后，再由行车将抓斗移至发货区运输载具处进行装车。
本发明的进一步改进，所述主控系统还担负着对各个子系统进行故障检测和报警，以及为管理人员提供基于互联网的远程访问接口的任务，主控系统除了主要功能外还具有以上功能。
本发明的进一步改进，所述三维建模系统有至少两台可独立工作运行的微型计算机作为控制器，有一台可独立工作运行的微型计算机作为备份计算机，为了防止意外需要备用计算机。
本发明的进一步改进，所述抓取信息包括抓取点三维坐标和发货区运输载具的三维坐标，根据实际情况抓取信息需要以上两个坐标。
本发明一种无人值守的矿区装载货系统，自动装载货系统由主控系统、三维建模系统和执行机构组成，主控系统的主要功能是控制三维建模系统对矿料堆积区域的外形进行扫描，保存并处理激光雷达生成的点云数据进行三维建模，从而引导执行机构对矿料进行抓取并送至发货区的运输载具上，三维建模系统为一个独立的子系统，与主控系统通过无线模块进行通信，内部包含两台可独立工作运行的微型计算机作为控制器，一台用于生成现场环境三维点云数据的激光雷达，一个二轴云台用于为激光雷达提供工作水平面和隔离震动，一部gps用于为整套系统提供位置坐标和统一时标，一部姿态测量模块用于测量激光雷达的实时姿态。云台、gps和姿态测量模块与三维建模系统的控制器通过rs232串口进行连接，激光雷达与三维建模系统的控制器通过以太网进行连接。执行机构包括执行控制器、行车和抓斗，主控系统将抓取信息发送至执行机构控制器，执行机构控制器控制行车进行二维水平方向的移动将抓斗移至抓取点上方，抓斗根据矿料的高度信息完成抓取后，再由行车将抓斗移至发货区运输载具处进行装车。
附图说明
图1为本发明自动装载货系统结构框图；
图2为本发明主控系统结构及主要功能示意框图；
图3为本发明三维建模系统示意框图；
图4为本发明执行机构系统结构示意框图；
图5为本发明基于现场环境构建的三维空间坐标系示意图；
图6为本发明扫描点三维坐标值计算方法示意图；
图7为本发明三维建模结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种无人值守的矿区装载货系统，该装载货系统提高矿区的自动化程度和生产效率，降低人工成本和事故率。
本发明如图1所示该自动装载货系统由主控系统、三维建模系统和执行机构组成。
本发明主控系统(如图2所示)的主要功能是控制三维建模系统对矿料堆积区域的外形进行扫描，保存并处理激光雷达生成的点云数据进行三维建模，从而引导执行机构对矿料进行抓取并送至发货区的运输载具上。此外，主控系统还担负着对各个子系统进行故障检测和报警，以及为管理人员提供基于互联网的远程访问接口的任务。
本发明三维建模系统(如图3所示)为一个独立的子系统，与主控系统通过无线模块进行通信，内部包含两台可独立工作运行的微型计算机作为控制器(其中一台为备份)，一台用于生成现场环境三维点云数据的激光雷达，一个二轴云台用于为激光雷达提供工作水平面和隔离震动，一部gps用于为整套系统提供位置坐标和统一时标，一部姿态测量模块用于测量激光雷达的实时姿态。云台、gps和姿态测量模块与三维建模系统的控制器通过rs232串口进行连接，激光雷达与三维建模系统的控制器通过以太网进行连接。
本发明执行机构(如图4所示)包括执行控制器、行车和抓斗，主控系统将抓取信息(抓取点三维坐标、发货区运输载具的三维坐标)发送至执行机构控制器，执行机构控制器控制行车进行二维水平方向的移动将抓斗移至抓取点上方，抓斗根据矿料的高度信息完成抓取后，再由行车将抓斗移至发货区运输载具处进行装车。
本发明系统工作场景、安装环境及工作流程如下：
如图5所示，在行车臂的扩展支架上装有云台，云台下方固定安装激光雷达和姿态测量模块，云台为激光雷达正常扫描工作提供水平面，姿态测量模块可以实时测量激光雷达的姿态。三维建模系统的控制器安装在行车控制室，随行车的移动而移动，而整套系统的主控系统可布置在矿料堆积区域外围的控制室中，位置相对固定，使用无线模块与三维建模系统以及执行机构通信。
整套系统工作时，首先由主控系统向执行机构发送指令，将行车移至矿料堆积区域的一端(即行车归位)，接着启动激光雷达并令行车匀速向另一端移动，在此过程中激光雷达对整个料区进行扫描，所生成的点云数据被保存在三维建模系统控制器的存储设备中。扫描结束后由系统控制器绘制出当前料区的三维图像，并计算出图像中料堆堆峰的三维坐标值。这些堆峰坐标值连同当次扫描的点云数据随后被发送到主控系统，由其控制执行机构通过智能调度算法依次进行抓取。
以下为三维建模系统的建模原理：
根据激光雷达的内部结构和工作原理，其可对固定方向上的对象表面进行线扫描，因此在行车的带动下，将多次等间隔的线扫描结果拼接在一起就是对象表面的扫描图像。如图5所示，建立以起始点右下角为原点的三维空间坐标系(xyzo)，因机械机构限制，行车只能沿y轴方向移动，抓斗只能沿x轴方向移动，激光雷达安装在行车横梁正中间向外伸出的扩展支架上，激光雷达扫描头到行车横梁中心线的距离为s，激光雷达扫描头的高度为h，待扫描区域为一长m(y轴方向)、宽n(x轴方向)的矩形。综上，当行车沿y轴移动距离l后，激光雷达扫描头的三维坐标为(n/2，l+s，h)。
如图6所示，某一时刻激光雷达对某一反射点(如c点)的量测结果包括该点与扫描头之间的直线距离l和该点相对于扫描头正前方的方向角α，则c点在三维空间坐标系中的坐标值为(l+s，n/2+lsinα,h-lcosα)。同理可得被扫描物体表面各点的坐标值，将这些点在三维坐标系中绘制出来就是被扫描物体的完整三维图像(如图7所示)。最后利用算法找出局部高点(峰值)，并将这些点的坐标值发送至执行机构进行抓取和装载。抓取过程会对已有的料堆外观造成破坏，可以在抓取过程中进行实时扫描，对三维模型进行实时更新，从而提高抓取效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。