用于采矿挖掘设备的实际负载重量的方法和系统与流程

本公开涉及用于露天矿场填装操作的重型设备，诸如人类操作和/或自主采矿铲、索铲等，并且更特别地涉及在此类设备上用来实际地测量每个负载中的挖出材料的净重的系统。

背景技术：

在大规模露天采矿操作中，使用巨大比例的挖掘设备来挖掘和填装材料。挖掘通常是用每个铲子具有数十吨的铲斗容量的采矿铲执行的。

已经开发了测量系统来在采矿铲的铲斗中的材料被传递至卡车时确定采矿铲的铲斗中材料的净重。然而，在确定负载的净重超过所要求的重量时，可迫使挖掘设备倾倒挖出材料，引起挖掘循环时间的增加、产生安全危险和因此的较高总体劳动和维护成本。

技术实现要素：

提供了用于实际地确定用于采矿挖掘设备的负载重量的方法和系统。在一个实施例中，扫描挖掘表面，基于扫描的挖掘表面来确定挖掘表面形状，从采矿挖掘设备确定挖掘路径，至少基于挖掘表面形状和采矿挖掘设备的挖掘路径来计算由采矿挖掘设备挖掘的材料的体积，以及基于至少一个密度因数来计算由采矿挖掘设备挖掘的材料的重量。

在实施例中，挖掘表面的扫描包括使用多个激光扫描仪来扫描围绕采矿挖掘设备的挖掘表面，以及基于由所述多个激光扫描仪生成的多个图像来生成多个数据点。

在实施例中，确定挖掘表面形状包括将所述多个图像组合成挖掘表面的三维模型，获得所述多个图像中的每一个的多个坐标集合，以及基于所述多个坐标集合来确定挖掘表面形状。

在实施例中，随着采矿挖掘设备在工作面（bank）中行进，使用编码器来记录铲斗的位置，并且确定用于采矿挖掘设备的挖掘路径，其中，确定用于采矿挖掘设备的挖掘路径包括将所述多个数据点划分成多个群组并计算用于所述多个群组中的每一个的多项式系数，获得采矿挖掘设备前面的所述多个图像中的每一个的多个坐标集合，以及基于所述多个坐标集合来确定挖掘路径。

在实施例中，其中，计算由采矿挖掘设备挖掘的材料的体积包括计算挖掘表面形状与挖掘路径之间的面积差值，以及响应于确定面积差值是正值而在由采矿挖掘设备挖掘的材料的总体积中包括该面积差值。

在实施例中，如果在单个切片中去除的面积的值是已知的，则计算采矿挖掘设备的铲斗中材料的重量包括针对每个切片或者通过将在单个切片中由铲斗去除的面积的值乘以采矿挖掘设备的铲斗宽度的值来确定铲斗中材料的体积，通过将铲斗中材料的体积乘以密度因数来确定铲斗中材料的重量，使用本领域中已知的重量计算方法中的一个（例如，采掘后方法）来计算材料的重量，通过用通过本领域中已知的重量计算方法中的一个确定的材料的重量除以材料的体积来确定第一密度因数，通过将用本领域中已知的重量计算方法中的一个确定的材料的重量与使用第二密度因数用第二重量计算方法确定的材料的重量相比较来验证用在本公开中描述的重量计算方法中的一个确定的材料的重量在预定极限内，响应于验证了用在本公开中描述的重量计算方法中的一个确定的材料的重量在预定极限内而将第一密度因数存储在数据库中。

在实施例中，其中，计算由采矿挖掘设备挖掘的材料的体积包括使用以体素表示的工作面的3D模型，使得可以比较采掘路径和工作面形状并且可以进行工作面形状与采掘路径之间的所有体素都被去除了的确定。由于每个体素的体积是已知的，因此可以计算被去除的总体积。

附图说明

图1图示出根据实施例的用于确定用于采矿挖掘设备的实际负载重量的方法；

图2图示出根据实施例的用于获得工作面信息的方法；

图3图示出根据实施例的用于确定采掘面的方法；

图4图示出根据实施例的用于确定工作面的二维坐标的方法；

图5图示出用于获得用于挖掘设备的采掘路径的方法；

图6图示出根据实施例的用于计算用于采掘的成对坐标的方法；

图7图示出用于计算被挖掘设备去除的面积的方法；

图8图示出用于计算铲斗中材料的重量的方法；

图9图示出用于存储材料密度因数值的方法；

图10图示出可被用于实现用于挖掘采矿设备的实际负载重量测量的示例性计算机的示例性高层级框图；

图11图示出工作面的三维模型；

图12图示出工作面作为多项式的图形表示；

图13图示出被从工作面去除的材料的图形表示；

图14图示出用三维体素呈现的示例性工作面；

图15图示出使用体素的工作面的三维模型；以及

图16图示出用体素呈现的工作面以及采掘路径的侧视图。

具体实施方式

提供了用于实际地确定用于采矿挖掘设备的负载重量的方法和系统。

图1图示出根据实施例的用于实际地确定由采矿挖掘设备挖掘的材料的重量的示例性方法100。方法100在步骤102处开始。在步骤104处，扫描挖掘表面以确定挖掘表面（即，工作面）的形状。可通过使用适合于提供周围环境的扫描的多个激光扫描仪来扫描挖掘表面。可以本地地在采矿挖掘设备上安装或者远程地安装所述多个激光扫描仪。远程安装的激光扫描仪可以经由有线和/或无线收发机被通信耦合到设备。

图2图示出用于接收工作面信息的示例性方法200。可以实现方法200以执行图1的步骤104。方法200在步骤202处在从所述多个激光扫描仪接收到新的工作面数据（例如，工作面的多次激光扫描）时开始。在步骤204处，从用于存储先前扫描的工作面的激光扫描的数据存储装置擦除在在先的工作面扫描期间获得的所有数据点。在实施例中，对应于多个材料类型的密度因数值仍将被存储在用于存储密度因数值的数据存储装置中。密度因数值将被用来计算在未来挖掘的材料的量。

在步骤206处，从所述多个激光扫描仪接收到的新工作面数据被存储在用于存储工作面的激光扫描的数据存储装置中。该新工作面信息包括定义可能干涉铲的活动的挖掘表面、物体和/或地形、和/或铲的区域中的运载工具和/或与铲相关联的拖曳机器的多个参数。方法200在步骤208处结束，并且控制被传递回到图1的方法100。

返回图1，在步骤106处，进行关于工作面数据的什么部分正在被采矿挖掘设备占用的确定（即，确定采掘面），并且计算工作面形状。图3图示出用于确定采掘面的示例性方法300。方法300可以用来实现图1中所示的方法100的步骤106的第一部分。方法300在步骤302处在采矿挖掘设备进入工作面时开始。在步骤304处，进行关于工作面数据的什么部分正在被采矿挖掘设备占用的确定。如上所述，可以用安装在挖掘设备上的激光扫描仪来确定工作面的形状。随着机器旋转，这些扫描仪取得垂直距离读数。然后将这些扫描加在一起以创建3D模型。图11图示出基于工作面的激光扫描而生成的示例性3D模型。

通过分析在铲的前面附近取得的扫描的X和Y（即，水平和垂直）坐标来确定工作面的形状。当采矿挖掘设备占用工作面时，可以基于采矿挖掘设备的角度来进行关于采矿挖掘设备实际上在占用扫描中的哪些的确定。基于从运动编码器接收到的位置反馈来确定采矿挖掘设备的铲斗的位置。使用几何计算，可以将编码器值转换到激光扫描仪所使用的相同X/Y坐标系中，使得由激光扫描仪生成的扫描的X和Y坐标可以被与基于编码器值计算的X和Y坐标相比较。在步骤306处，存储许多工作面数据集以用于体积和重量计算。方法300在步骤308处结束，并且控制被中继到用于计算工作面形状的方法。

图4图示出根据第一实施例的用于计算工作面形状的方法400。方法400可以用来实现图1中所示的方法100的步骤106的第二部分。方法400在步骤402处在用于确定采掘面的方法300结束时开始。在步骤404处，计算多个线性或多阶多项式方程。具体地，使用接收到的针对工作面路径的数据点来计算线性或多项式方程以表示工作面路径和采掘路径的曲线中的每一个。在实施例中，为了增加计算准确度，不用单个方程来表示工作面路径和采掘路径中的每一个的曲线。替代地，将工作面路径和采掘路径中的每一个解析成曲线的小的子段，并计算用于每个曲线的每个小部分的系数。计算用于曲线的每个小部分的系数将导致异常仅影响在小面积中的系数，从而改善计算的准确度。

在步骤406处，通过使用在步骤404中确立的所述多个线性或多阶多项式方程，针对预定义范围的X坐标计算Y坐标以生成用于已知X范围的Y坐标。

在步骤408处，存储工作面形状的参数（X和Y坐标），并且在步骤410处，方法400使控制返回到图1的方法100。

返回图1，在步骤108处，接收采矿挖掘设备正在工作面中在其上行进的路径（即，采掘路径）。图5图示出用于接收采掘路径的示例性方法500。方法500可以用来实现图1的步骤108。方法500在步骤502处开始，并且在步骤504处，随着采矿挖掘设备移动通过工作面而获得采掘路径坐标。在实施例中，使用安装在采矿挖掘设备的铲上的一个或多个运动编码器来获得采掘路径坐标。在步骤506处，所获得的采掘路径坐标被变换成X和Y坐标。在步骤508处，方法500结束，并且控制被传递到图1的方法100。

在图1的步骤110处，实际地计算采掘路径。在实施例中，为了实际地计算采掘路径，必须存储采掘路径的成对X和Y坐标。图6图示出用于采掘路径的实际计算的示例性方法600。方法600可以用来实现图1的步骤110。方法600在步骤602处开始。在步骤604处，将采掘路径划分成多个小群组。在步骤606处，计算用于每个小群组的系数，从而以类似于上述方法400的步骤404的方式创建线性或多阶多项式方程。在步骤608处，通过使用这些线性或多阶多项式方程，针对在上述方法400的步骤406中使用的X坐标的相同预置范围计算Y坐标。在步骤610处，方法600结束，并且控制被传递到图1的方法100。

图12图示出工作面形状的实际生成。特别地，图12示出了重新创建的工作面形状（1202）、将工作面表示为一个多项式的重新创建的工作面形状（1206）以及将工作面表示为多个多项式的重新创建的工作面形状（1204）。如从图表可认识到的，使用多个多项式来表示工作面形状更加准确，并且导致更精确的计算。

在工作面路径和采掘路径两者现在针对所有相同的X值具有Y坐标的情况下，计算什么面积被去除是可能的。可以针对每个连续X坐标，针对工作面路径和采掘路径计算在曲线下面的面积。在图1的步骤112处，计算被去除的面积。图7图示出用于计算被去除面积的示例性方法700。方法700可以用来实现在图1中的方法100的步骤112处的用于计算被去除面积的方法。方法700在步骤702处开始。

在实施例中，可以将用以计算曲线下面的面积的方程呈现为：面积=0.5*∆Χ*[(Y_bank1+Y_bank2)-(Y_dig1+Y_dig2)]，其中，∆Χ是两个X坐标之间的x值的变化；Y_bank1是第一坐标处的工作面的高度；Y_bank2是第二坐标处的工作面的高度；Y_dig1是第一坐标处的采掘路径的高度；且Y_dig2是第二坐标处的采掘路径的高度。应理解的是，上面呈现的方程是示例性方程，并且可以使用其它方程来计算曲线下面的面积。

在步骤704处，可以针对每个连续X坐标，针对工作面路径和采掘路径计算在曲线下面的面积。如果工作面曲线下面的面积大于采掘路径下面的面积，则可以推断两者之间的差是被去除的材料。如果采掘路径下面的面积大于工作面，则采矿挖掘设备一定是在工作面上面移动了。可以针对所有X值完成此计算，其中所有有效面积的和包括被去除的材料的面积。

在步骤706处，进行关于计算出的面积差是正还是负的确定。如果做出了计算出的面积差为正的确定，则方法700前进至步骤708，在该处将正面积朝着有效面积计数。如果做出了计算出的面积差为负的确定，则方法700前进至步骤710，在该处忽视负面积，因为计算出的负面积是采矿挖掘设备正在工作面上移动的指示。在步骤712处，计算并存储用于计算出的有效面积的值。方法700在步骤714处结束，并且控制被传递回到图1的方法100。

图13图示出采掘路径（线1）、潜在工作面（线2）的面积以及其之间的被认为材料已被去除的面积M的计算。

返回图1，在步骤114处，基于被去除的面积来计算铲斗中材料的重量。图8图示出根据实施例的用于计算铲斗中材料的重量的方法800。方法800可以用来确定铲斗中材料的重量。方法800在步骤802处开始。在步骤804处，通过将计算出的被去除面积乘以铲斗的已知宽度来确定被去除材料的体积。应理解的是为了增加准确度，可以针对所有被占用工作面的扫描来执行先前步骤中的计算。在步骤806处，将所确定的材料体积存储在存储器中。在步骤808处，通过将存储的材料体积乘以存储在用于存储密度因数值的数据存储装置中的密度因数值来确定被去除材料的重量。在步骤810处，存储计算出的材料重量。在步骤812处，进行关于采矿挖掘设备是否在工作面中仍被占用的确定。如果做出了采矿挖掘设备仍在工作面中被占用的确定，则方法800前进至步骤814，在该处重复方法500的步骤。如果做出了采矿挖掘设备在工作面中不再被占用的确定，则方法800在步骤816处结束，并且控制返回到方法100。

根据第二实施例的用于计算铲斗中材料的体积的方法采用以体素表示的工作面的3D模型。可以代替图8的步骤804处的体积计算而使用这种方法。图14图示出被“开启”或“关闭”的体素——3D形状的方格。如果用来扫描在图15上图示出的工作面的任何激光扫描仪在某个体素内检测到物体，则此体素被认为处于‘开’状态（有阴影且包含“x”标记的方格）。体素尺寸被用户控制且将取决于环境和激光扫描仪的类型。

在用体素来表示工作面的情况下，可以比较采掘路径和工作面形状。图16图示出工作面（用包含“x”标记且被命名为“1”的阴影方格来表示处于‘开’状态的体素）和采掘路径（用线“2”示出）的侧视图。应理解的是由于激光扫描仪不能扫描通过材料，因此可见的工作面的部分将仅是工作面的前面。可以假设在工作面中不存在孔，并且在被扫描点后面的所有体素也应被认为处于‘开’状态。

可以进行工作面形状（用“x”符号标记的阴影方格1）与采掘路径（线2）之间的所有体素都被去除了的确定。由于每个体素的体积是已知的，因此可以计算被去除的总体积。应理解的是，所描述的分析将是针对采矿挖掘设备占用的所有体素完成的。

一旦使用上述两个方法中的一个来计算材料的体积，则将计算出的体积乘以密度因数。此类计算将提供铲斗的重量。由于材料的密度可以取决于许多因数，因此可以通过使用采掘后负载重量计算系统来计算密度因数。在2013年2月12日发布的美国专利号8,373,078“System and Method for Load Measuring by Motor Torque（用于通过电动机扭矩进行的负载测量的系统和方法）”中详细地描述采掘后负载重量计算系统的示例，该美国专利被整体地通过引用结合到本文中。

返回图1，在方法100的步骤116处，存储密度因数。图9图示出用于存储密度因数的示例性方法900。方法900在步骤902处开始。在步骤904处，进行关于材料的重量是否在可接受极限内的确定。每当采矿挖掘设备结束其操作时，将通过将体积乘以密度因数计算出的材料重量的值与所定义的范围相比较。此范围取决于机器的物理能力和尺寸。

如果做出了材料重量不在可接受极限内的确定，则方法900在步骤908处终止，并且控制返回到方法100。如果做出了材料重量在可接受极限内的确定，则方法900前进至步骤906，在该处，将材料的体积与由其它负载重量计算系统提供的重量值相比较。

在步骤910处，进行关于新密度因数的值是否在先前计算的密度因数的可接受范围内的确定。如果检测到计算出的密度因数的当前计算值与先前计算出的密度因数之间的差，则在每个循环之后使用检测到的密度因数值的差来修改密度因数。然后已更新密度因数将被用于下一次重复。如果做出了密度因数的值相差超过可接受极限的确定，则方法900前进至步骤914，在该处生成并显示误差。

应理解的是，密度因数值超过可接受极限的变化可能由于不正确的计算、不正确（例如，误用）数据或材料密度的实际变化而发生。在生成并显示误差时，方法900前进至步骤916，在该处方法916结束。如果在步骤910处，做出了密度因数的值与先前结果没有相差超过可接受极限的确定，则方法900前进至步骤912，在该处，存储最近计算出的密度因数以用于下一次重复。然后，方法900前进至步骤916，在该处方法916结束，并且控制返回到步骤100。

应理解的是，负责监视自动维护和控制内部状态的多个传感器（诸如本体感受型传感器）可以提供关于采矿挖掘设备的多种信息，诸如采矿挖掘设备相对于工作面定位的测量角、与采矿挖掘设备相关联的所测量的马达功率和/或扭矩等，以确定和/或优化挖掘程序。来自多个外感受型（例如，接近）传感器的信息可以用来计算和/或确定挖掘表面的二维和/或三维模型。可向采矿挖掘设备的挖掘设备或自主控制系统的操作员提示挖掘表面的二维和/或三维模型。

应理解的是，由所述多个激光扫描仪确定的信息可以被无线发射到采矿挖掘设备。在实施例中，可以将无线发射的信息提供给信息装置和/或远程服务器。无线接收的信息可以被存储在存储器装置中和/或经由客户端信息装置来远程地报告。客户端信息装置可以跨多个挖掘机器、拖曳机器、升降机、变速器、时间段、操作员、管理者和/或矿而再现和/或累积数据以允许进行报告和/或分析。

在实施例中，采矿挖掘设备可以从与例如服务器和/或客户端信息装置相关联的远程无线发射机无线地接收信息，诸如重量信息。接收到的信息可以例如指示是否应在拖曳机器上填装采矿挖掘设备铲斗中的材料。接收到的信息可以包括分配给挖掘设备的拖曳机器的索引、与材料挖掘有关的性能相关信息和/或与挖掘设备有关的修理建议等。

图10是可被用于实现抢先确定用于挖掘采矿设备的负载重量的示例性计算机的高层级框图。计算机1000包括被操作耦合到数据存储装置1002和存储器1003的处理器1001。处理器1001通过执行定义此类操作的计算机程序指令来控制计算机1000的总体操作。计算机程序指令可被存储在数据存储装置1002或其它计算机可读介质中，并且在期望执行计算机程序指令时被加载到存储器1003中。因此，图1-9的示例性方法的步骤可以由存储在存储器1003和/或数据存储装置1002中的计算机程序指令定义并被执行计算机程序指令的处理器1001控制。例如，可以将计算机程序指令实现为由本领域技术人员编程以执行由图1-9的方法步骤定义的算法的计算机可执行代码。因此，通过执行计算机程序指令，处理器1001执行由图1-9的方法步骤定义的算法。计算机1000还包括用于经由网络与其它装置通信的一个或多个网络接口1005。计算机1000还包括使得能够与计算机1000进行用户交互的一个或多个输入/输出装置1004（例如，显示器、键盘、鼠标、扬声器、按钮等）。

处理器1001可包括通用和专用微处理器两者，并且可以是计算机1000的唯一处理器或多个处理器中的一个。处理器1001可包括例如一个或多个中央处理单元（CPU）。处理器1001、数据存储装置1002和/或存储器1003可包括一个或多个专用集成电路（ASIC）和/或一个或多个现场可编程门阵列（FPGA）、由其补充或被结合在其中。

数据存储装置1002和存储器1003每个包括有形非暂时性计算机可读存储介质。数据存储装置1002以及存储器1003每个可包括高速随机存取存储器，诸如动态随机存取存储器（DRAM）、静态随机存取存储器（SRAM）、双倍数据速率同步动态随机存取存储器（DDR RAM）或其它随机存取固态存储器装置，并且可包括非易失性存储器，诸如一个或多个磁盘存储装置，诸如内部硬盘和可移除盘、磁光盘存储装置、光盘存储装置、闪速存储器装置、半导体存储器装置，诸如可擦可编程只读存储器（EPROM）、电可擦可编程只读存储器（EEPROM）、紧凑盘只读存储器（CD-ROM）、数字多功能盘只读存储器（DVD-ROM）盘或其它非易失性固态存储装置。

输入/输出装置1004可包括外围设备，诸如打印机、扫描仪、显示屏等。例如，输入/输出装置1004可包括用于向用户显示信息的显示装置，诸如阴极射线管（CRT）、等离子体或液晶显示器（LCD）监视器，用户可以用来向计算机1000提供输入的键盘以及指针装置，诸如鼠标或轨迹球。

本领域技术人员将认识到的是，实际计算机或计算机系统的实施方式可具有其它结构，并且也可包含其它组件，并且图10是出于例证性目的的此类计算机的组件中的某些的高层级表示。