任偉華，高理富，謝陳磊,3，郭偉斌，江 曼

(1.中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科學(xué)島分院，安徽 合肥 230026；3.安徽建筑大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

在我國，水泥裝袋和傳輸已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化[1]，但水泥袋的裝車和碼放仍需要人工參與。這不僅影響水泥的生產(chǎn)效率，而且在裝車過程中產(chǎn)生的高密度粉塵也會(huì)嚴(yán)重危害裝車工人的身體健康[2]。目前，國外袋裝水泥自動(dòng)裝車系統(tǒng)已經(jīng)足夠完善。其主要面向大型水泥廠，集自動(dòng)生產(chǎn)和裝車為一體，呈現(xiàn)集中化、規(guī)?；忍攸c(diǎn)[3]。但國外的這套自動(dòng)化裝車設(shè)備不適合我國國情，主要原因如下。一方面，我國水泥廠較為分散，且前期對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行改造已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分環(huán)節(jié)自動(dòng)化，如果全面引進(jìn)國外的這套袋裝水泥自動(dòng)裝車系統(tǒng)，必定會(huì)加大資金投入、造成資源浪費(fèi)[4]。另一方面，在我國，袋裝水泥運(yùn)輸車型很多，而國外這套設(shè)備只適用于特定的車型，因此也限制了其在我國大型水泥廠的應(yīng)用。

應(yīng)某大型水泥廠的需求，在現(xiàn)有生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，研發(fā)一套適用于各種車型的自動(dòng)化袋裝水泥裝車設(shè)備。而研發(fā)這一設(shè)備首先要解決的技術(shù)難題是實(shí)現(xiàn)車廂尺寸自動(dòng)化測(cè)量及定位。車廂尺寸測(cè)量和定位屬于三維測(cè)量及定位設(shè)備的控制技術(shù)領(lǐng)域，一般基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)[5]、紅外線光幕測(cè)量[6]、計(jì)算機(jī)視覺[7-10]和激光掃描技術(shù)[11-13]。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)操作復(fù)雜，造價(jià)較高，并對(duì)工作環(huán)境有著較高的要求[14]；紅外光幕測(cè)量和計(jì)算機(jī)視覺測(cè)量系統(tǒng)容易受到外界光線的干擾[15-16]，并且實(shí)現(xiàn)相機(jī)的高精度標(biāo)定比較困難。鑒于水泥裝車車間為半室外環(huán)境，光強(qiáng)變化大，現(xiàn)場(chǎng)灰塵嚴(yán)重，再考慮成本，本文采用激光掃描的方法。

本文選用三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)搭載一維激光測(cè)距傳感器，實(shí)現(xiàn)車廂尺寸自動(dòng)化測(cè)量和定位。與其他技術(shù)方案相比，該方案具有原理簡單、測(cè)量精度高、抗灰塵、受光照影響小等特點(diǎn)。對(duì)貨車模型進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中能長期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 總體結(jié)構(gòu)

基于一維激光測(cè)距傳感器的車廂尺寸測(cè)量及定位系統(tǒng)由一維激光測(cè)距傳感器、三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、控制系統(tǒng)和上位機(jī)四部分組成。車廂的尺寸是指車廂的長度、寬度和深度；車廂的定位是指確定車廂左前端相對(duì)于工作車間的?？课恢?。一維激光測(cè)距傳感器經(jīng)轉(zhuǎn)接板與三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)連接。三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在控制系統(tǒng)作用下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)激光測(cè)距傳感器進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

借助組態(tài)王開發(fā)的上位機(jī)界面，具備顯示、操作和查詢等功能。

1.2 一維激光測(cè)距傳感器

由于水泥裝車車間為半室外環(huán)境、光強(qiáng)變化大、灰塵比較嚴(yán)重，因此在選型時(shí)要保證激光測(cè)距傳感器在較高光強(qiáng)時(shí)能正常工作，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的灰塵環(huán)境有一定防護(hù)能力。經(jīng)反復(fù)調(diào)研，選用上海譽(yù)煊電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的激光測(cè)距傳感器，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 激光測(cè)距傳感器主要技術(shù)參數(shù)

1.3 三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

該三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和X軸輔助導(dǎo)軌組成，采用龍門架式物理機(jī)械結(jié)構(gòu)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)均包括底座、導(dǎo)軌、絲桿、聯(lián)軸器和滑臺(tái)等部分。

以X軸輔助導(dǎo)軌與Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)交點(diǎn)作為原點(diǎn)O，構(gòu)建直角坐標(biāo)系。坐標(biāo)系的x軸、y軸和z軸方向分別與X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)平行，代表長度測(cè)量方向、寬度測(cè)量方向和深度測(cè)量方向。三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)兩端與X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的滑臺(tái)及X軸輔助導(dǎo)軌固接，沿X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)作直線往返運(yùn)動(dòng)。Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的滑臺(tái)固接，并沿Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)作直線往返運(yùn)動(dòng)。激光測(cè)距傳感器經(jīng)轉(zhuǎn)接板與Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的滑臺(tái)固接，并沿Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)作直線往返運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)軸經(jīng)聯(lián)軸器分別與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的絲桿連接，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的滑臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。

1.4 上位機(jī)界面

本文基于組態(tài)王開發(fā)了上位機(jī)界面。上位機(jī)經(jīng)以太網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議與主控制器通信，可以在水泥裝車現(xiàn)場(chǎng)較惡劣環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。人機(jī)交互界面的作用分為三方面。一方面為用戶提供控制接口，用戶通過點(diǎn)擊啟動(dòng)或復(fù)位按鈕可以控制三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作；另一方面用來實(shí)時(shí)顯示車廂的尺寸和位置信息以及檢測(cè)所處的狀態(tài)；再者可以將歷史車輛的相關(guān)信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，方便查詢。其中，管理員具有最高權(quán)限，可以設(shè)置上位機(jī)界面的訪問權(quán)限，具有訪問權(quán)限的操作員可以進(jìn)行相關(guān)操作。

2 控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)主控制器選用西門子S7-200 SMART系列，型號(hào)為CPU ST40的PLC。上位機(jī)選用聯(lián)想Y430P，其具有4 GB運(yùn)行內(nèi)存、i5-4210M處理器和1 TB硬盤。選用1.2節(jié)所述的激光測(cè)距傳感器測(cè)量沿z軸負(fù)方向的距離值，并采用其4～20 mA模擬電流輸出接口。由于CPU ST40不支持模擬量輸入，因此選用西門子擴(kuò)展模塊EM AM03來接收激光測(cè)距傳感器輸出的模擬電流信號(hào)。該擴(kuò)展模塊支持0～20 mA模擬電流輸入。運(yùn)動(dòng)模塊選用松下A6系列的伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，測(cè)量定位系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量定位系統(tǒng)控制框圖

主控制器通過RS-485通信口采用Modbus-RTU協(xié)議與驅(qū)動(dòng)器連接。其中，主控制器作為主站，X軸驅(qū)動(dòng)器、Y軸驅(qū)動(dòng)器和Z軸驅(qū)動(dòng)器分別作為從站1、從站2和從站3，形成一條Modbus-RTU傳輸通道；主控制器的數(shù)字量輸出口與X軸驅(qū)動(dòng)器、Y軸驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字量輸入口連接。主控制器經(jīng)RS-485通信口和數(shù)字量輸出口發(fā)出控制信號(hào)控制伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。激光測(cè)距傳感器以20 Hz的頻率采集數(shù)據(jù)，并將采集到的信號(hào)經(jīng)EM AM03傳送給主控制器；同時(shí)主控制器在每個(gè)掃描周期經(jīng)RS-485通信口讀取X，Y軸驅(qū)動(dòng)器記錄的編碼器信號(hào)。該編碼器信號(hào)代表X，Y軸電機(jī)的位置信息，即激光測(cè)距傳感器沿長度測(cè)量方向和寬度測(cè)量方向的位置坐標(biāo)。

3 車廂尺寸測(cè)量及定位原理

3.1 檢測(cè)原理

將被測(cè)車輛?？吭谌杂啥冗\(yùn)動(dòng)平臺(tái)下方，并沿長度測(cè)量方向運(yùn)動(dòng)至待檢區(qū)域。上位機(jī)向主控制器發(fā)送控制指令，由主控制器控制X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)以及Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)激光測(cè)距傳感器運(yùn)動(dòng)。車廂尺寸測(cè)量及定位流程如圖3所示。

圖3 車廂尺寸測(cè)量及定位流程圖

具體檢測(cè)流程實(shí)施步驟如下。

①系統(tǒng)上電后，主控制器首先完成自檢和參數(shù)初始化，然后等待上位機(jī)指令。

②若收到的指令為啟動(dòng)指令，主控制器控制激光測(cè)距傳感器沿長度測(cè)量方向開始運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)車廂長度。在運(yùn)動(dòng)過程中，主控制器實(shí)時(shí)地將激光傳感器的測(cè)量值及其沿長度測(cè)量方向的坐標(biāo)值傳送給上位機(jī)，并存儲(chǔ)到Access數(shù)據(jù)庫中。若收到的指令為復(fù)位指令，則直接跳轉(zhuǎn)到步驟⑤。

③主控制器控制激光測(cè)距傳感器沿寬度測(cè)量方向開始運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)車廂寬度。在運(yùn)動(dòng)過程中，主控制器實(shí)時(shí)地將激光傳感器的測(cè)量值及其沿寬度測(cè)量方向的坐標(biāo)值傳送給上位機(jī)，并存儲(chǔ)到Access數(shù)據(jù)庫中。

④上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)庫中測(cè)距值和坐標(biāo)值進(jìn)行分析，得到被測(cè)量車輛車廂的長度、寬度、深度以及?？课恢茫⒂缮衔粰C(jī)界面進(jìn)行顯示。

⑤執(zhí)行復(fù)位操作，使激光測(cè)距傳感器運(yùn)動(dòng)至原點(diǎn)處。本次檢測(cè)完畢，等待下次檢測(cè)。

3.2 車廂長度測(cè)量

車廂長度測(cè)量如圖4所示。

圖4 車廂長度測(cè)量圖

由圖4可知，a點(diǎn)表示在車廂尾部擋板處的采樣值，b點(diǎn)表示在車廂頭部擋板處的采樣值。記車廂長度為L，則有：

L=x2-x1

(1)

3.3 車廂寬度和深度測(cè)量

車廂寬度和深度曲線如圖5所示。

圖5 車廂寬度和深度測(cè)量圖

由圖5可知，c點(diǎn)表示車廂右側(cè)擋板處的采樣值，d點(diǎn)表示車廂左側(cè)擋板處的采樣值，e點(diǎn)表示車廂底部右端的采樣值，f點(diǎn)表示車廂底部左端的采樣值。記車廂寬度為W、車廂深度為H，則有：

(2)

3.4 車廂位置測(cè)量

記車廂位置為點(diǎn)P，由圖4和圖5可知，車廂在工作車間的?？课恢脼镻(x2，y2)。

4 結(jié)果分析

所選用的三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)尺寸為(1 000×1 000×200)mm，通過控制Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)使激光測(cè)距傳感器至地面距離為930 mm。作為前期驗(yàn)證，采用貨車模型進(jìn)行試驗(yàn)，所采用的貨車模型車廂尺寸為(295×270×80)mm，?？课恢脼?625mm，600 mm)。將貨車模型固定在上述位置，進(jìn)行10次測(cè)試，實(shí)際測(cè)量值如表2所示。

表2 實(shí)際測(cè)量值

從表2計(jì)算可得，貨車模型的尺寸測(cè)量及定位偏差如表3所示。由表3可知，該系統(tǒng)在長度、寬度和深度上的最大測(cè)量絕對(duì)偏差分別為5 mm、10 mm、3.0 mm。尺寸測(cè)量相對(duì)偏差小于3.8%，驗(yàn)證了該方案的可行性。

表3 實(shí)際測(cè)量偏差

對(duì)于車廂定位偏差，為了使試驗(yàn)結(jié)果更直觀，采用歐式距離來衡量，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：i=1，2，…，10；(xo，yo)為車廂實(shí)際?？课恢脺y(cè)量值，(xi，yi)為車廂?？课恢脺y(cè)量值；D為測(cè)量位置到實(shí)際位置的歐式距離，代表定位偏差。車廂定位偏差分布如圖6所示。從圖6可以看出，定位絕對(duì)偏差最大為11.2 mm，滿足需求。

圖6 車廂定位偏差分布

5 結(jié)束語

本文采用基于三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)搭載一維激光測(cè)距傳感器的方法，實(shí)現(xiàn)車廂尺寸自動(dòng)化測(cè)量和定位。該系統(tǒng)通過控制三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，實(shí)時(shí)采集激光傳感器位置坐標(biāo)及其測(cè)距值，并將相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)傳送給上位機(jī)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。對(duì)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得車廂的長度、寬度、深度以及停靠位置，并基于組態(tài)王開發(fā)了上位機(jī)界面，便于用戶操作和數(shù)據(jù)顯示。

對(duì)貨車模型進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在灰塵嚴(yán)重、光照強(qiáng)度大的半室外環(huán)境中能穩(wěn)定運(yùn)行，可以很好地完成車廂尺寸測(cè)量和定位任務(wù)，并且整個(gè)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好。系統(tǒng)由于采用一維激光測(cè)距傳感器，有效地簡化了測(cè)量定位原理和復(fù)雜算法的運(yùn)算。