李立新，李艾華，李建法

LI Li-xin, LI Ai-hua, LI Jian-fa

（安陽師范學院 物理與電氣工程學院，安陽 455002）

0 引言

在工礦企業(yè)中，經(jīng)常需要對車載物料進行取樣檢驗。由于大多數(shù)取樣作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，嚴重影響到人身的健康與安全，同時，取樣中存在的人為干預現(xiàn)象，導致劣質(zhì)原料進廠，提高了生產(chǎn)成本，降低了產(chǎn)品質(zhì)量。中華人民共和國標準GB/T18666—2002《商品煤質(zhì)量抽查和驗收方法》[1]的頒布實施，對車載商品煤取樣方法制定了嚴格規(guī)范。為此，市場盼望形成一種達到國家標準要求并滿足企業(yè)取制樣作業(yè)工藝要求的車載物料智能取樣機設(shè)備。本項目研制的車載物料作業(yè)機器人工作平臺正是針對該領(lǐng)域進行的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究，是把機械取樣機升級為智能化取樣機的配套控制系統(tǒng)，主要針對鋼鐵、電力企業(yè)進廠原材料（鐵粉、焦煤）通道上的汽車物料取樣機。

1 技術(shù)方案

1.1 技術(shù)方案確定

經(jīng)過對眾多電力和鋼鐵企業(yè)汽車進廠原料取樣狀況的調(diào)查得知：幾乎所有企業(yè)的汽車進廠原料通道形式都是道路緩沖帶+通道式取樣區(qū)域；運輸車輛的型號多種多樣；取樣機械主要有橋式和懸臂式兩種類型；當前的取樣普遍存在人為干預的因素。

結(jié)合當前技術(shù)水平，經(jīng)過反復論證后，確定了如下技術(shù)方案：1）采用雙模式全自動汽車定位技術(shù)，適應(yīng)多樣性取樣現(xiàn)場環(huán)境條件；2）采用雙模式取樣控制，適應(yīng)橋式取樣和懸臂式取樣的不同要求；3）采用自動隨機選擇取樣布點方案、強制性取樣進程控制和客戶信息保密的方法，最大限度降低樣品取制驗過程中的人為干預現(xiàn)象；4）采用遠程網(wǎng)絡(luò)取樣控制并全程動態(tài)監(jiān)控取樣工程。

1.2 系統(tǒng)組成

車載物料作業(yè)機器人工作平臺有三個主要部分：中央控制系統(tǒng)、自動汽車定位系統(tǒng)、取樣控制系統(tǒng)，如圖1所示。自動汽車定位系統(tǒng)用于實時掃描檢測車箱的長度、寬度以及停放位置，形成包括全部車箱區(qū)域的取樣區(qū)域。取樣控制系統(tǒng)用于控制全部取樣動作。中央控制系統(tǒng)作為控制核心，協(xié)調(diào)控制自動汽車定位系統(tǒng)和取樣控制系統(tǒng)的工作，完成隨機選擇取樣方案，以及處理客戶信息加密、解密和化驗報表生成，并作為遠程終端的控制服務(wù)器。授權(quán)遠程終端既可以全程監(jiān)控取樣進程，也可以通過現(xiàn)場的主機控制取樣操作。而制樣系統(tǒng)則是相對獨立的設(shè)備，它通過接口與取樣系統(tǒng)進行信息交換和聯(lián)動控制。

圖1 車載物料作業(yè)機器人工作平臺系統(tǒng)組成

1.3 工藝流程

車載物料作業(yè)機器人工作平臺的工藝流程分為作業(yè)流程和信息流程。作業(yè)流程按順序包括自動定位車箱區(qū)域、隨機選擇取樣方案、自動完成取樣進程三個環(huán)節(jié)。從選擇取樣方案到按所選方案完成取樣為自動連續(xù)執(zhí)行，具有強制不可逆性。信息流程按順序包含客戶信息輸入、信息加密、化驗結(jié)果輸入、客戶信息還原、產(chǎn)生報表等環(huán)節(jié)?？蛻粜畔⒁噪S機編號流轉(zhuǎn)于取樣、制樣和化驗環(huán)節(jié)，待編號化驗結(jié)果輸入系統(tǒng)后，再轉(zhuǎn)換為客戶信息化驗結(jié)果，減少人為干預樣品的可能性。

2 系統(tǒng)研制

2.1 自動汽車定位系統(tǒng)

平臺系統(tǒng)兼容兩種自動汽車定位系統(tǒng)：聲光探測汽車定位系統(tǒng)[2]和雙目視覺汽車定位系統(tǒng)。兩種汽車定位系統(tǒng)分別需要配合不同的外部設(shè)備，能夠各自獨立完成汽車定位功能。實際工作時，由用戶選擇采用哪種定位系統(tǒng)。

2.1.1 聲光探測汽車定位系統(tǒng)技術(shù)原理

以透射式紅外光電傳感器和超聲波測距裝置相結(jié)合可以實現(xiàn)對平面區(qū)域內(nèi)物體的定位。透射式紅外光電傳感器由紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊組成，當收發(fā)模塊之間有物體遮擋光路時，將改變接收模塊的接收狀態(tài)，據(jù)此可以非接觸探測物體是否存在。如果把多個發(fā)射模塊和多個接收模塊按固定間隔平行排列成兩排，讓收發(fā)兩側(cè)對應(yīng)位置上的紅外模塊一對一對地按順序輪流接通工作，對其間區(qū)域進行逐行掃描探測，則依據(jù)掃描結(jié)果不但可以判斷該區(qū)域是否有物體存在，還可以計算出物體的長度及其在該區(qū)域中的縱向相對位置。分別在物體兩側(cè)標定位置安裝超聲波測距裝置，測出與物體的距離，就可以計算出物體的寬度及其在該區(qū)域中的橫向相對位置。

基于聲光探測的汽車定位系統(tǒng)中，由紅外發(fā)射陣列、紅外接收陣列和電子移位電路構(gòu)成紅外線電子移位逐行掃描電路，用于車箱長度和縱向停車位置的測量，由四個超聲波測距裝置構(gòu)成的測距系統(tǒng)，用于車箱寬度和橫向停車位置的測量。四個超聲波測距裝置安裝在工作區(qū)域兩側(cè)，分成兩組，分別測量前部車箱和后部車箱。

主控計算機對縱向檢測和橫向檢測的數(shù)據(jù)進行綜合處理和分析，判斷出工作區(qū)是否有車、哪種車型，并計算出汽車在區(qū)域中的停車位置參數(shù)和車箱幾何參數(shù)。

2.1.2 雙目視覺汽車定位系統(tǒng)技術(shù)原理

雙目視覺汽車定位系統(tǒng)[3]硬件主要由照明系統(tǒng)、攝像機、圖像采集卡、計算機等構(gòu)成。如圖2所示，系統(tǒng)由兩臺攝像機固定于取樣區(qū)域的正上部，兩者之間有一定的間距，分別可以獲得車輛及周圍場景的俯視圖，視頻輸出信號經(jīng)圖像采集卡輸入到計算機。利用雙目成像和視差理論的基本原理，軟件系統(tǒng)對兩臺不同位置攝像機拍攝的同一幅場景進行分析、處理，通過計算兩臺攝像機公共視野中車廂邊緣上任一空間點在兩幅圖像中視差，可以獲取該空間點的三維坐標，從而可以準確實現(xiàn)汽車定位。

圖2 圖像采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)中由于被測對象體積較大，且要求圖像連續(xù)采集，重復性要好，照明系統(tǒng)必須保證長時間提供穩(wěn)定的照明。同時為了提高系統(tǒng)的處理速度，攝像機需選用工業(yè)黑白大幅面CCD相機，選擇的鏡頭要求畸變盡可能小，圖像邊緣失真度低。圖像采集卡用于控制相機拍照，它的選擇要求與相機相匹配。本系統(tǒng)軟件部分模塊多、計算量大，要求計算機采用高速CPU和大內(nèi)存的硬件配置，從而提高系統(tǒng)的速度和效率。

軟件部分主要由車輛檢測、圖像采集、圖像拼接、圖像預處理、攝像機標定、尺寸測量、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析、幫助與異常處理幾大模塊構(gòu)成，軟件流程如圖3所示。

2.2 取樣控制系統(tǒng)

平臺系統(tǒng)兼容兩種取樣控制模式：橋式取樣控制模式和懸臂式取樣控制模式。兩種取樣控制模式的硬件系統(tǒng)主體基本一致，但控制軟件和算法不同，通過軟件設(shè)置可以切換取樣控制模式。取樣控制軟件集成于中央控制系統(tǒng)軟件中。

橋式取樣控制系統(tǒng)由主控計算機、控制板、驅(qū)動板和多種傳感器組成，完成全部取樣動作的執(zhí)行控制和狀態(tài)檢測。取樣動作可分為三類，第一類是大小行車走行動作，包括大行車前進、后退，小行車前進、后退；第二類是取樣桿動作，包括取樣桿上升、下降，螺旋桿上旋、下旋，縮分倉開門、關(guān)門；第三類是警示動作，包括欄桿升起、放下和響鈴。在設(shè)計上有如下特點：1）所有動作控制都采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)；2）每組的兩個動作繼電器均采用互鎖方式，確保不會同時動作；3）取樣桿下探動作采用行程保護和遇阻保護兩種保護模式，使取樣桿既可以下探到最大行程返回，也可以遇到阻力返回。遇阻保護模式可以保證取樣桿一直下探到車箱底面，達到全斷層取樣的目的，也可以在遇到異常情況時，達到保護取樣機和汽車的目的。

圖3 雙目視覺汽車定位軟件流程圖

懸臂式取樣與橋式取樣相比主要有兩點不同：一是機械結(jié)構(gòu)不同，主要是取樣頭移動方式的不同，它通過懸臂轉(zhuǎn)動和小行車的運動實現(xiàn)取樣頭移動；二是軟件算法不同，在橋式取樣模式，軟件中對取樣頭的移動控制采用直角坐標系，而在懸臂式取樣模式時，軟件中對取樣頭的移動控制采用極坐標系。

2.3 中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心控制軟件和人機交流平臺，安裝于現(xiàn)場的主控計算機內(nèi)。它集成了自動定位系統(tǒng)的核心軟件、取樣控制系統(tǒng)的核心軟件以及智能取樣工藝流程所需的全部功能。系統(tǒng)首先自動定位車箱區(qū)域，動態(tài)檢測直至有汽車進入取樣區(qū)域并完成汽車定位。接下來輸入當前所定位汽車的客戶信息（戶名或單位名稱），該客戶信息將以隨機加密的編號進入后面的工序。之后，啟動取樣進程，系統(tǒng)將在完全無人干預的狀態(tài)下，連續(xù)完成從“隨機選擇取樣方案”到“自動完成取樣進程”的諸多環(huán)節(jié)。授權(quán)遠程終端可以遠程操作完成“自動定位車箱區(qū)域”環(huán)節(jié)，而對其后的環(huán)節(jié)只能遠程監(jiān)視，必須由現(xiàn)場主機來完成。

通過中央控制系統(tǒng)，可以選擇定位工作模式，設(shè)置定位的速度、環(huán)境變量等參數(shù)，可以選擇取樣控制模式，設(shè)置取樣速度、取樣工藝，可以打印和上傳取樣信息報表，還可以采用錯位掃描等多種算法，完成系統(tǒng)自檢和故障診斷。

主機軟件采用Delphi編寫[4],視頻采集采用微軟公司關(guān)于數(shù)字視頻的軟件包VFW，視頻的傳輸采用Delphi提供的idUDP控件，文字信息的傳輸采用Delphi提供的NMUDP控件。遠程控制功能的實現(xiàn)使用了TCPserver和TCPclient控件。

3 結(jié)論

車載物料作業(yè)機器人工作平臺集自動汽車定位、自動取樣控制于一體，兼容聲光探測汽車定位和雙目視覺汽車定位兩種汽車定位系統(tǒng)，適應(yīng)橋式取樣和懸臂式取樣兩種控制模式，采用隨機布點方案，全面適配取制樣工藝，滿足了取樣的客觀性、公正性和真實代表性，達到了國標和取制樣工藝的要求。系統(tǒng)經(jīng)過了實際工作環(huán)境下的實驗、調(diào)試和檢測，進一步解決了設(shè)計和安裝工藝的影響，主要技術(shù)參數(shù)優(yōu)于預期性能指標。

[1]GB/T18666—2002, 商品煤質(zhì)量抽查和驗收方法.

[2]李立新, 丁電寬.聲光探測技術(shù)在汽車定位中的應(yīng)用[J].壓電與聲光, 2010, (5).

[3]劉曉紅, 文懷興.基于雙目立體視覺技術(shù)的無人化自動裝載機研究[J].機械設(shè)計與制造, 2010, (12).

[4]王小華.Delphi5程序設(shè)計與控件參考[M].北京∶ 電子工業(yè)出版社, 2000.