車廂尺寸測量及定位系統(tǒng)研究

任偉華，高理富，謝陳磊,3，郭偉斌，江 曼

(1.中國科學院合肥智能機械研究所，安徽 合肥 230031；2.中國科學技術大學科學島分院，安徽 合肥 230026；3.安徽建筑大學電子與信息工程學院，安徽 合肥 230601)

0 引言

在我國，水泥裝袋和傳輸已經(jīng)實現(xiàn)了自動化[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嚴重危害裝車工人的身體健康[2]。目前，國外袋裝水泥自動裝車系統(tǒng)已經(jīng)足夠完善。其主要面向大型水泥廠，集自動生產(chǎn)和裝車為一體，呈現(xiàn)集中化、規(guī)?；忍攸c[3]。但國外的這套自動化裝車設備不適合我國國情，主要原因如下。一方面，我國水泥廠較為分散，且前期對生產(chǎn)線進行改造已經(jīng)實現(xiàn)了部分環(huán)節(jié)自動化，如果全面引進國外的這套袋裝水泥自動裝車系統(tǒng)，必定會加大資金投入、造成資源浪費[4]。另一方面，在我國，袋裝水泥運輸車型很多，而國外這套設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用。

應某大型水泥廠的需求，在現(xiàn)有生產(chǎn)線的基礎上，研發(fā)一套適用于各種車型的自動化袋裝水泥裝車設備。而研發(fā)這一設備首先要解決的技術難題是實現(xiàn)車廂尺寸自動化測量及定位。車廂尺寸測量和定位屬于三維測量及定位設備的控制技術領域，一般基于三坐標測量機[5]、紅外線光幕測量[6]、計算機視覺[7-10]和激光掃描技術[11-13]。

三坐標測量機操作復雜，造價較高，并對工作環(huán)境有著較高的要求[14]；紅外光幕測量和計算機視覺測量系統(tǒng)容易受到外界光線的干擾[15-16]，并且實現(xiàn)相機的高精度標定比較困難。鑒于水泥裝車車間為半室外環(huán)境，光強變化大，現(xiàn)場灰塵嚴重，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動平臺搭載一維激光測距傳感器，實現(xiàn)車廂尺寸自動化測量和定位。與其他技術方案相比，該方案具有原理簡單、測量精度高、抗灰塵、受光照影響小等特點。對貨車模型進行驗證性試驗，結果表明該系統(tǒng)在現(xiàn)場環(huán)境中能長期穩(wěn)定運行。

1 系統(tǒng)構成

1.1 總體結構

基于一維激光測距傳感器的車廂尺寸測量及定位系統(tǒng)由一維激光測距傳感器、三自由度運動平臺、控制系統(tǒng)和上位機四部分組成。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于工作車間的?？课恢谩Ｒ痪S激光測距傳感器經(jīng)轉接板與三自由度運動平臺連接。三自由度運動平臺在控制系統(tǒng)作用下進行運動，進而驅動激光測距傳感器進行相應的運動。

借助組態(tài)王開發(fā)的上位機界面，具備顯示、操作和查詢等功能。

1.2 一維激光測距傳感器

由于水泥裝車車間為半室外環(huán)境、光強變化大、灰塵比較嚴重，因此在選型時要保證激光測距傳感器在較高光強時能正常工作，并對現(xiàn)場的灰塵環(huán)境有一定防護能力。經(jīng)反復調(diào)研，選用上海譽煊電子技術有限公司生產(chǎn)的激光測距傳感器，主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 激光測距傳感器主要技術參數(shù)

1.3 三自由度運動平臺

該三自由度運動平臺由X軸運動平臺、Y軸運動平臺、Z軸運動平臺和X軸輔助導軌組成，采用龍門架式物理機械結構。每個運動平臺均包括底座、導軌、絲桿、聯(lián)軸器和滑臺等部分。

以X軸輔助導軌與Y軸運動平臺交點作為原點O，構建直角坐標系。坐標系的x軸、y軸和z軸方向分別與X軸運動平臺、Y軸運動平臺和Z軸運動平臺平行，代表長度測量方向、寬度測量方向和深度測量方向。三自由度運動平臺結構如圖1所示。

圖1 三自由度運動平臺結構圖

Y軸運動平臺兩端與X軸運動平臺的滑臺及X軸輔助導軌固接，沿X軸運動平臺作直線往返運動。Z軸運動平臺與Y軸運動平臺的滑臺固接，并沿Y軸運動平臺作直線往返運動。激光測距傳感器經(jīng)轉接板與Z軸運動平臺的滑臺固接，并沿Z軸運動平臺作直線往返運動。伺服電機的轉軸經(jīng)聯(lián)軸器分別與運動平臺的絲桿連接，驅動運動平臺上的滑臺進行相應運動。

1.4 上位機界面

本文基于組態(tài)王開發(fā)了上位機界面。上位機經(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)場較惡劣環(huán)境中穩(wěn)定運行。人機交互界面的作用分為三方面。一方面為用戶提供控制接口，用戶通過點擊啟動或復位按鈕可以控制三自由度運動平臺進行相應的動作；另一方面用來實時顯示車廂的尺寸和位置信息以及檢測所處的狀態(tài)；再者可以將歷史車輛的相關信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，方便查詢。其中，管理員具有最高權限，可以設置上位機界面的訪問權限，具有訪問權限的操作員可以進行相關操作。

2 控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)主控制器選用西門子S7-200 SMART系列，型號為CPU ST40的PLC。上位機選用聯(lián)想Y430P，其具有4 GB運行內(nèi)存、i5-4210M處理器和1 TB硬盤。選用1.2節(jié)所述的激光測距傳感器測量沿z軸負方向的距離值，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，因此選用西門子擴展模塊EM AM03來接收激光測距傳感器輸出的模擬電流信號。該擴展模塊支持0～20 mA模擬電流輸入。運動模塊選用松下A6系列的伺服電機和驅動器，測量定位系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 測量定位系統(tǒng)控制框圖

主控制器通過RS-485通信口采用Modbus-RTU協(xié)議與驅動器連接。其中，主控制器作為主站，X軸驅動器、Y軸驅動器和Z軸驅動器分別作為從站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軸驅動器、Y軸驅動器的數(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)出控制信號控制伺服驅動器，由伺服驅動器控制伺服電機運動，進而控制三自由度運動平臺運動。激光測距傳感器以20 Hz的頻率采集數(shù)據(jù)，并將采集到的信號經(jīng)EM AM03傳送給主控制器；同時主控制器在每個掃描周期經(jīng)RS-485通信口讀取X，Y軸驅動器記錄的編碼器信號。該編碼器信號代表X，Y軸電機的位置信息，即激光測距傳感器沿長度測量方向和寬度測量方向的位置坐標。

3 車廂尺寸測量及定位原理

3.1 檢測原理

將被測車輛?？吭谌杂啥冗\動平臺下方，并沿長度測量方向運動至待檢區(qū)域。上位機向主控制器發(fā)送控制指令，由主控制器控制X軸運動平臺、Y軸運動平臺以及Z軸運動平臺運動，進而驅動激光測距傳感器運動。車廂尺寸測量及定位流程如圖3所示。

圖3 車廂尺寸測量及定位流程圖

具體檢測流程實施步驟如下。

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

②若收到的指令為啟動指令，主控制器控制激光測距傳感器沿長度測量方向開始運動，檢測車廂長度。在運動過程中，主控制器實時地將激光傳感器的測量值及其沿長度測量方向的坐標值傳送給上位機，并存儲到Access數(shù)據(jù)庫中。若收到的指令為復位指令，則直接跳轉到步驟⑤。

③主控制器控制激光測距傳感器沿寬度測量方向開始運動，檢測車廂寬度。在運動過程中，主控制器實時地將激光傳感器的測量值及其沿寬度測量方向的坐標值傳送給上位機，并存儲到Access數(shù)據(jù)庫中。

④上位機對數(shù)據(jù)庫中測距值和坐標值進行分析，得到被測量車輛車廂的長度、寬度、深度以及?？课恢?，并由上位機界面進行顯示。

⑤執(zhí)行復位操作，使激光測距傳感器運動至原點處。本次檢測完畢，等待下次檢測。

3.2 車廂長度測量

車廂長度測量如圖4所示。

圖4 車廂長度測量圖

由圖4可知，a點表示在車廂尾部擋板處的采樣值，b點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 車廂寬度和深度測量圖

由圖5可知，c點表示車廂右側擋板處的采樣值，d點表示車廂左側擋板處的采樣值，e點表示車廂底部右端的采樣值，f點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 車廂位置測量

記車廂位置為點P，由圖4和圖5可知，車廂在工作車間的停靠位置為P(x2，y2)。

4 結果分析

所選用的三自由度運動平臺尺寸為(1 000×1 000×200)mm，通過控制Z軸運動平臺運動使激光測距傳感器至地面距離為930 mm。作為前期驗證，采用貨車模型進行試驗，所采用的貨車模型車廂尺寸為(295×270×80)mm，停靠位置為(625mm，600 mm)。將貨車模型固定在上述位置，進行10次測試，實際測量值如表2所示。

表2 實際測量值

從表2計算可得，貨車模型的尺寸測量及定位偏差如表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量絕對偏差分別為5 mm、10 mm、3.0 mm。尺寸測量相對偏差小于3.8%，驗證了該方案的可行性。

表3 實際測量偏差

對于車廂定位偏差，為了使試驗結果更直觀，采用歐式距離來衡量，計算公式如下：

(3)

式中：i=1，2，…，10；(xo，yo)為車廂實際停靠位置測量值，(xi，yi)為車廂停靠位置測量值；D為測量位置到實際位置的歐式距離，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，定位絕對偏差最大為11.2 mm，滿足需求。

圖6 車廂定位偏差分布

5 結束語

本文采用基于三自由度運動平臺搭載一維激光測距傳感器的方法，實現(xiàn)車廂尺寸自動化測量和定位。該系統(tǒng)通過控制三自由度運動平臺，實時采集激光傳感器位置坐標及其測距值，并將相關數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)傳送給上位機，存儲在數(shù)據(jù)庫中。對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行處理，獲得車廂的長度、寬度、深度以及?？课恢?，并基于組態(tài)王開發(fā)了上位機界面，便于用戶操作和數(shù)據(jù)顯示。

對貨車模型進行試驗。試驗結果表明，該系統(tǒng)在灰塵嚴重、光照強度大的半室外環(huán)境中能穩(wěn)定運行，可以很好地完成車廂尺寸測量和定位任務，并且整個測試結果準確度高、重復性好。系統(tǒng)由于采用一維激光測距傳感器，有效地簡化了測量定位原理和復雜算法的運算。