本发明属于安息角探测技术领域，具体涉及一种主动超声波垛形探测装置以及探测方法。
背景技术：
斗轮堆取料机是散货(散煤、铁矿粉等)料场堆料取料用的大型机械设备，为实现散货料场内堆取料机的自动堆取工艺，其控制源头是料场的料堆垛形识别。现有技术中，主要采用激光点云扫描技术实现垛形的自动识别，其主要识别原理为：采用激光测距原理，扫描整个料堆的外形，然后通过点云技术对料堆垛形进行建模。该种垛形识别方法主要存在以下不足：(1)由于基于激光测距原理，受环境影响因素较多，如雨、雪、粉尘等，均会影响激光测距精度，进而影响料堆垛形识别精度。(2)由于采用点云技术，数据量很大，处理时间较长，对计算机系统要求较高，在工业系统环境下，硬件成本高。
基于以上原因，造成激光点云扫描技术识别垛形的效果并不理想，并且，应用成本偏高，因此，目前迫切需要一种简便易行的垛形探测方法。
技术实现要素：
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种主动超声波垛形探测装置以及探测方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种主动超声波垛形探测装置，包括：主动超声波安息角探测装置(4)和垛形探测平台；
其中，所述主动超声波安息角探测装置(4)包括超声波传感器(9)、云台本体(8)、云台本体底座(7)、倾角传感器和mcu控制系统；所述云台本体底座(7)固定安装于斗轮堆取料机前臂上，所述云台本体(8)可转动安装于所述云台本体底座(7)上面；所述超声波传感器(9)固定安装于所述云台本体(8)上；控制所述云台本体(8)在所述云台本体底座(7)上转动，进而调节所述超声波传感器(9)的俯仰角度；所述倾角传感器固定安装于所述云台本体(8)上，用于测量所述云台本体(8)的实时角度；所述超声波传感器(9)和所述倾角传感器均连接到所述mcu控制系统的输入端；所述mcu控制系统的输出端连接到所述云台本体(8)的控制端；所述mcu控制系统与所述垛形探测平台通信连接。
优选的，在所述云台本体底座(7)上安装有gps定位仪。
本发明还提供一种基于主动超声波垛形探测装置的主动超声波垛形探测方法，包括以下步骤：
步骤1，斗轮堆取料机前臂安装主动超声波安息角探测装置(4)，在斗轮堆取料机堆料过程中，mcu控制系统通过主动超声波安息角探测装置(4)，实时探测到料堆安息角以及云台本体(8)到料堆圆锥表面的垂直距离l；mcu控制系统通过gps定位仪实时探测到云台本体底座(7)的实时位置坐标o1；
mcu控制系统实时将料堆安息角、云台本体(8)到料堆圆锥表面的垂直距离l以及云台本体底座(7)的实时位置坐标发送给垛形探测平台；
步骤2，垛形探测平台预先存储料堆底面中心点的位置坐标o2；垛形探测平台基于料堆底面中心点的位置坐标o2、云台本体底座(7)的实时位置坐标o1、料堆安息角以及云台本体(8)到料堆圆锥表面的垂直距离l，再结合预建立的料堆刚性模型，构建得到料堆实际模型；基于所述料堆实际模型，识别计算出料堆实时体积和垛形。
优选的，步骤1中，具体通过以下方法实时探测到料堆安息角以及云台本体(8)到料堆圆锥表面的垂直距离l：
mcu控制系统通过控制云台本体(8)转动，进而使超声波传感器(9)朝向料堆圆锥表面摆动扫描，每扫描到料堆圆锥表面的某个点a时，就形成一条超声波探测线，该超声波探测线的两端点分别为点a和超声波传感器(9)发射点b，mcu控制系统实时接收扫描形成的超声波探测线的长度值；因此，控制超声波传感器(9)向超声波探测线的长度值减小的方向逐渐扫描，当扫描到点b时，如果继续同向扫描，超声波探测线的长度值开始逐渐增大，则扫描到点b形成的超声波探测线即为超声波探测法线，记录形成超声波探测法线时的倾角传感器测量值，倾角传感器测量值为云台本体(8)与大地水平之间的夹角；倾角传感器测量值的余角即为料堆安息角；同时，记录超声波探测法线长度值，超声波探测法线长度值即为云台本体(8)到料堆圆锥表面的垂直距离l。
本发明提供的主动超声波垛形探测装置以及探测方法具有以下优点：
在斗轮堆取料机堆料过程中，基于实时探测到料堆安息角以及云台本体到料堆圆锥表面的垂直距离，从而通过简单的方法即可实时识别到料堆的体积和垛形，实现堆垛过程的自动监测，具有料堆的体积和垛形识别精度高、识别速度快以及硬件开销小的优点。还具有系统稳定可靠，设备结构简单，现场安装简便，符合实际应用现场条件的工业级需求。
附图说明
图1为本发明提供的主动超声波安息角探测装置的整体结构示意图；
图2为本发明提供的超声波传感器、云台本体和云台本体底座装配关系主视图；
图3为本发明提供的超声波传感器、云台本体和云台本体底座装配关系后视图；
图4为本发明提供的主动超声波安息角探测装置的原理框图；
图5为本发明提供的安息角和倾角传感器测量角之间的关系图。
其中：1是斗轮堆取料机主体结构，2是堆料下料口和取料斗轮，3是散货料堆，4是主动超声波安息角探测装置，5是超声波安息角探测法线，5a为安息角探测角度a探测线，5b为安息角探测角度b探测线，6是斗轮机后方皮带机；7是云台本体底座，8为云台本体，9为超声波传感器。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为实现斗轮机堆料过程中的垛形自动探测，实时了解堆垛情况，本发明提供一种动态主动跟踪式的超声波探测装置，可以主动实时探测堆垛垛形状态变化，，解决堆垛时的自动监测问题，为实现堆垛自动化提供一种新的方法。本发明解决原超声波测距仪固定安装应用场景限制，拓展到动态的散货装卸设备斗轮堆取料机(简称斗轮机)设备上。
本发明提供一种主动超声波垛形探测装置，用于散货装卸设备斗轮堆取料机(简称斗轮机)设备堆料时，探测堆垛的垛形和体积的自动化机电装置，本发明将云台、超声波传感器、倾角传感器集成到一体，通过主动安息角探测及测距的方法，为斗轮机自动化运行提供了一种新的检测建模方法，具有实际数据量小，应用成本低，系统稳定可靠的特点。设备结构简单，现场安装简便，符合实际应用现场条件的工业级需求。
结合图1-图4，主动超声波垛形探测装置包括：主动超声波安息角探测装置4和垛形探测平台；
其中，主动超声波安息角探测装置4包括超声波传感器9、云台本体8、云台本体底座7、倾角传感器和mcu控制系统；云台本体底座7固定安装于斗轮堆取料机前臂上，云台本体8可转动安装于云台本体底座7上面；超声波传感器9固定安装于云台本体8上，可以根据mcu控制主动探寻目标。控制云台本体8在云台本体底座7上转动，进而调节超声波传感器9的俯仰角度；倾角传感器固定安装于云台本体8上，用于测量云台本体8的实时角度；超声波传感器9和倾角传感器均连接到mcu控制系统的输入端；mcu控制系统的输出端连接到云台本体8的控制端；mcu控制系统与垛形探测平台通信连接。另外，在云台本体底座7上安装有gps定位仪。
具体的，图1是系统整体应用示意图，图中斗轮堆取料机进行堆料作业，物料从堆料下料口处自由落下，形成散货物料料堆，根据物料的物理特性，料堆成圆锥体，圆锥体的锥度不会随意变化，学名叫做安息角。在斗轮堆取料机的前伸主臂上安装有主动超声波安息角探测装置，如超声波安息角探测法线5所示，超声波安息角探测法线与料堆圆锥体表面垂直，超声波传感器同时测出传感器与料堆椎体表面之间的距离，随着料堆体积的不断增大，可以间接算出圆锥体的体积变化。
如图2所示，超声波传感器安装在云台本体底座上的转台上，转台可以俯仰旋转，带动调整超声波传感器的探测线。转台内装有倾角传感器，可以测量出转台与大地水平之间的夹角。转台内装有mcu控制器，超声波传感器和倾角传感器的实时测量值送到mcu中处理计算，根据结果对云台进行控制和结果输出，云台本体内有电源装置和控制通讯装置，负责供电和对外数据传输。
如图3所示，探测安息角的初始阶段，由于不确定超声波安息角探测法线的具体位置，因此，由mcu控制转台的俯仰转动，探测出安息角探测角度a探测线5a和安息角探测角度b探测线5b及对侧的探测法线长度即距离值，距离最小值即为超声波安息角探测法线的角度，此时，云台本体内的倾角传感器测量出超声波传感器与大地水平面之间的夹角的余角即为料堆的安息角。参考图5，安息角为β，倾角传感器测量角用α表示。
本发明还提供一种基于主动超声波垛形探测装置的主动超声波垛形探测方法，主要构思为：将超声波测距仪安装在工业云台上，可以调整超声波探测方向，主动探测寻找散货料堆的安息角和斜边距离，配合云台的安装几何位置和料堆的刚性模型建模，可以计算出料堆的体积和形状。本装置通过主动探寻物料料堆的安息角，并同时实时测量出料堆的体积数据，为斗轮机自动化建模提供基础。本方法具有数据量小，容错要求低，稳定可靠，应用成本不高的特点。整个系统方案可行，易于实现，具备应用价值。
具体包括以下步骤：
步骤1，斗轮堆取料机前臂安装主动超声波安息角探测装置4，在斗轮堆取料机堆料过程中，mcu控制系统通过主动超声波安息角探测装置4，实时探测到料堆安息角以及云台本体8到料堆圆锥表面的垂直距离l；mcu控制系统通过gps定位仪实时探测到云台本体底座7的实时位置坐标o1；
mcu控制系统实时将料堆安息角、云台本体8到料堆圆锥表面的垂直距离l以及云台本体底座7的实时位置坐标发送给垛形探测平台；
其中，具体通过以下方法实时探测到料堆安息角以及云台本体8到料堆圆锥表面的垂直距离l：
mcu控制系统通过控制云台本体8转动，进而使超声波传感器9朝向料堆圆锥表面摆动扫描，每扫描到料堆圆锥表面的某个点a时，就形成一条超声波探测线，该超声波探测线的两端点分别为点a和超声波传感器9发射点b，mcu控制系统实时接收扫描形成的超声波探测线的长度值；因此，控制超声波传感器9向超声波探测线的长度值减小的方向逐渐扫描，当扫描到点b时，如果继续同向扫描，超声波探测线的长度值开始逐渐增大，则扫描到点b形成的超声波探测线即为超声波探测法线，记录形成超声波探测法线时的倾角传感器测量值，倾角传感器测量值为云台本体8与大地水平之间的夹角；倾角传感器测量值的余角即为料堆安息角；同时，记录超声波探测法线长度值，超声波探测法线长度值即为云台本体8到料堆圆锥表面的垂直距离l。
步骤2，垛形探测平台预先存储料堆底面中心点的位置坐标o2；垛形探测平台基于料堆底面中心点的位置坐标o2、云台本体底座7的实时位置坐标o1、料堆安息角以及云台本体8到料堆圆锥表面的垂直距离l，再结合预建立的料堆刚性模型，构建得到料堆实际模型；基于料堆实际模型，识别计算出料堆实时体积和垛形。
本发明提供的主动超声波垛形探测装置以及探测方法具有以下优点：
在斗轮堆取料机堆料过程中，基于实时探测到料堆安息角以及云台本体到料堆圆锥表面的垂直距离，从而通过简单的方法即可实时识别到料堆的体积和垛形，实现堆垛过程的自动监测，具有料堆的体积和垛形识别精度高、识别速度快以及硬件开销小的优点。还具有系统稳定可靠，设备结构简单，现场安装简便，符合实际应用现场条件的工业级需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。