基于激光雷達組測量的全自動卸料系統(tǒng)研究*

武徽

(1.煤炭科學研究總院 儲裝分院，北京 100013；2.中國煤炭科工集團 天地科技股份有限公司，北京 100013)

0 引言

鐵路快速定量裝車站在散料卸料過程中，主要涉及裝車站的定量倉、定量倉閘門、伸縮溜槽和列車車廂等部分。自動卸料時，上述設備需與火車車廂相互配合，火車保持在方向(X軸)的相對位移，通過控制溜槽的位置和定量倉閘門開閉的時機均勻地卸料至車廂內(nèi)，并完成物料的平整,如圖1所示。過程中，定量倉中料位的變化和火車的速度可通過定量倉稱重傳感器和火車雷達獲得，但跟蹤動態(tài)車廂與溜槽的相對位置一直是實現(xiàn)自動化的“卡脖子”問題[1]，因為在火車行駛方向上不易安裝位移傳感器,火車車廂體積較大且構(gòu)件多，配套傳感器不易選擇,火車裝車時屬于低速動態(tài)過程，不能觸碰，須選用非接觸式傳感器為自控系統(tǒng)在線實時反饋移動情況。

1-緩沖倉；2-給料閘門；3-定量倉；4-稱重傳感器；5-標定砝碼；6-裝車溜槽；7-控制室；8-定量倉閘門；9-三級采樣；10-稱重傳感器；11-車廂；12-測速傳感器；13-垂直伸縮溜槽；14-定量倉閘門；15-定量倉。圖1 快速定量裝車站及自動卸料設備組成圖

傳統(tǒng)對射式傳感器的測量數(shù)據(jù)量有限，并且在復雜工況下存在易受干擾等問題。而激光雷達具有精度高，單側(cè)安裝，易于維護等特點，并且根據(jù)其特點采用的算法避免了可能出現(xiàn)的問題。根據(jù)上述情況，研究了基于激光雷達組的動態(tài)車廂跟蹤監(jiān)測技術(shù)及基于該測量數(shù)據(jù)的PLC自控過程的實現(xiàn)。

1 激光雷達組車廂動態(tài)測量技術(shù)

1.1 激光雷達組的測量原理

對于動態(tài)車廂，很難在其行進方向測量位移；因此設計了安裝在車廂側(cè)面利用激光雷達傳感器組對車廂距離檢測[2]，轉(zhuǎn)化后得到車輛與溜槽相對位移的方法，如圖2所示。二維激光雷達是在一個平面以雷達為中心發(fā)出一圈激光束。每個激光束對應一個角度，并利用激光回波測量該點到物體的距離,激光雷達參數(shù)見表1。

傳感器因裝車站鋼結(jié)構(gòu)遮擋的原因和檢測的精度需要，與車廂的距離保持在2 m左右，分辨率選用0.5°。以傳感器到車廂垂直距離為中心線，使用的測量角度一般控制在±60°，共120°的范圍。受到每個測量點與車廂角度的影響，測量精度因角度不同在約從17～70 mm，整體滿足卸料設備需要。但是單個雷達傳感器因與車廂距離較近，無法測量足夠的長度，需要傳感器組配合使用。根據(jù)車廂長度的需要確定所需要的個數(shù)，一般為2～3個。這里主要測量為C80系列敞車車型，車廂長度一般在11 m左右，以2個傳感器為一組進行測量。

在測量車廂時，傳感器的安裝水平面不能在同一高度，避免互相影響。以溜槽前唇部為測量起始點，圖2中是為測量起始線，也是A的起始角。傳感器在起始角到終止角范圍內(nèi)，每隔0.5°有一個測量點。激光雷達距離車廂位置為H，也是激光雷達傳感器與車輛最近點，每個測量點與其夾角θ，該點的測量長度d≈H/cosθ。設h=d·cosθ，如果h與H的差值大于某個閾值，則認為其超出了車廂范圍。如傳感器B右側(cè)超過其終止角的區(qū)域?qū)⒉辉儆嬎阍趦?nèi)。傳感器誤差在12 mm左右，閾值設定一般在25～30 mm。

這樣每個傳感器測量的長度是兩個邊界點角度正切值加減后與H值的乘積(終止角-起始角>α時加，<α時減)，即LA=H·(tanα±tanβ)。具體參數(shù)根據(jù)傳感器安裝位置和現(xiàn)場具體情況獲得。

該方法的優(yōu)勢在于車廂長度的測量，其最大的干擾是車廂連接部分有構(gòu)件或灑物對空檔誤判，進而導致對車長誤判。采用單邊加閾值的原理，可有效避開干擾物，提升可靠性。

根據(jù)裝車時的實際情況，以圖2為例，車輛由左向右，當傳感器A的起始點檢測到距離在閾值范圍內(nèi)后，則從傳感器A的起始點開始輪詢測量。以傳感器為中心進行逆時針(左向右)的連續(xù)判斷。當前一個測量點所得到的h在閾值范圍內(nèi)，則其之后的點才繼續(xù)與閾值進行比較判斷。如果h超過閾值，則停止繼續(xù)計算，前一個點測量的范圍就是車廂長。如果一個傳感器范圍不夠，則跨過激光雷達傳感器分界線，傳感器A完成范圍內(nèi)測量后向B發(fā)出指令，傳感器B按著上述原理繼續(xù)分析，以此方式延續(xù)，直到到達超出閾值的點。過程中需考慮傳感器邊界測量線的設置，使傳感器測量光束互不越界。

實際應用中采用霧矯正技術(shù)，系統(tǒng)20 ms掃描，多次測量計算后取值，0.5 s為取值周期。通過測量結(jié)果出現(xiàn)的變化實現(xiàn)動態(tài)測量。圖2通過溜槽的車長為L=LA+LB。系統(tǒng)設備的自動控制則根據(jù)L作為自變量最終實現(xiàn)作業(yè)。

1.2 測量數(shù)據(jù)的處理

裝車過程屬于半露天環(huán)境，在非接觸式測量方法下，測量數(shù)據(jù)易受干擾，如裝車過程中隨機灑落的物料，環(huán)境因素等情況。為避免數(shù)據(jù)發(fā)生擾動造成設備的誤動作，在獲取一組完整數(shù)據(jù)后，進行運算或自控之前，采用了以下辦法。

1)平均值濾波。把激光雷達傳感器測量得到的連續(xù)取得的n次回波測量的h采樣值組成集合，去掉1個最大值，去掉1個最小值，計算剩余測量數(shù)的平均值，平均值作為這個測量周期的最終返回值。

2)與速度傳感器配合使用。對裝車過程配備的火車雷達所測得的速度進行積分，則可以計算出積分時間內(nèi)的變化位移。因精度問題，火車雷達測速轉(zhuǎn)化的長度無法直接作為自動控制用參數(shù)，但是可以利用該位移與激光雷達傳感器所測的位移變化進行比對，確保激光雷達組位移在合理范圍給出測量值。

3)與敞車數(shù)據(jù)庫配合使用。鐵路各類敞車車廂的輪廓尺寸具有相關(guān)標準。根據(jù)標準建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。對當前卸料中的車輛測量值與調(diào)取數(shù)據(jù)庫比對確認，確保車輛的測量值不超過邊界值。

1.3 實際測量情況

圖3中的數(shù)據(jù)是在內(nèi)蒙古鄂爾多斯李家塔煤礦鐵路快速定量裝車站對裝車中的C80車型的實際測量記錄情況。在車輛進入溜槽初期，以傳感器A測量值為主，到達測量分界線之后，A的測量不再變化，測量以B為主，兩者之和仍然隨著B測量值的變化而變化。

2 基于測量數(shù)據(jù)的自動機模型的設計

裝車卸料過程作為混雜系統(tǒng)，其控制屬于有限狀態(tài)自動機[3-4]，初始狀態(tài)唯一。有限狀態(tài)自動機是具有離散輸入和輸出系統(tǒng)的一種五元組的數(shù)學模型(1)。Q為狀態(tài)的非空有窮集合；?q∈Q，q稱為M的一個狀態(tài)；Σ為輸入字母表；δ:Q×Σ→Q,δ(q,a)=p；M在狀態(tài)q讀入字符a,將狀態(tài)變成p，并將讀頭指向輸入字符串的下一個字符；q0為初始狀態(tài)；F為終止狀態(tài)集合。

圖3 裝車車輛長度動態(tài)實際跟蹤數(shù)據(jù)

M=(Q,Σ,δ,q0,F)

(1)

整個控制過程根據(jù)第1部分得到的車輛與溜槽相對位移以及定量倉中的值作為依據(jù)，以速度作為邊界條件，實現(xiàn)4個部分的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。分別是裝車過程的判斷，車速的狀態(tài)，定量倉的狀態(tài)和伸縮溜槽的狀態(tài)。4個狀態(tài)并行，意味著4個自動機模型可同時進行，但其中的參數(shù)又互相影響。卸料過程首先各自動機處于啟動狀態(tài)q0，當傳感器信號超過閾值或者其他自動機狀態(tài)改變時，將形成對系統(tǒng)的輸入字符，并形成字母表Σ，進一步觸發(fā)轉(zhuǎn)移函數(shù)δ，轉(zhuǎn)移至下一狀態(tài)p。當整個卸料過程完成后，所以自動機回歸終止狀態(tài)F。

在Matlab中Stateflow編輯器繪制狀態(tài)機所需的流程圖的圖形對象，并通過測量長度變化形成轉(zhuǎn)移和結(jié)點，構(gòu)建狀態(tài)機[5-6]，利用真值表創(chuàng)建函數(shù)，并實現(xiàn)自變量數(shù)據(jù)的調(diào)取，相關(guān)函數(shù)的變化將實現(xiàn)仿真和控制過程。圖4中分別顯示了系統(tǒng)的當前車輛卸料狀態(tài)的啟動和停止，定量倉閘門的開閉狀態(tài)，伸縮溜槽的伸長、縮短和停止狀態(tài)，以及火車車速在正常、超速、低速3個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

圖4 卸料自動控制有限狀態(tài)自動機模型

1)卸料狀態(tài)。通過系統(tǒng)狀態(tài)判斷當前車廂卸料過程的開始和停止。當系統(tǒng)處于自動化狀態(tài)時，判斷該車廂開始卸料流程，開始跟蹤位移，定量倉料位等參數(shù)，并控制定量倉閘門和垂直伸縮溜槽；當系統(tǒng)停止時，判斷該車廂開始卸料流程結(jié)束，準備開始下一節(jié)車廂的卸料。

2)車輛速度狀態(tài)。設計車速0.22～0.28 m/s為合理區(qū)間。初始狀態(tài)q0為0 m/s，屬于低速狀態(tài)。當速度在合理區(qū)間時，狀態(tài)轉(zhuǎn)為正常狀態(tài)。當速度離開合理區(qū)間時，狀態(tài)在超速或低速狀態(tài)中轉(zhuǎn)換。最終的狀態(tài)F為低速狀態(tài)0 m/s。

3)定量倉卸料閘門。在列車運行到合適位置時，在完成物料稱量和系統(tǒng)允許條件下開啟，待定量倉中物料卸光時，定量倉閘門關(guān)閉。

4)垂直伸縮溜槽。根據(jù)卸料工藝，車廂進入溜槽卸料范圍內(nèi)后開始時從停止狀態(tài)進行伸長下探入車廂后達到預定長度后停止至物料上方，溜槽往車廂堆料同時進行物料平整。在車廂通過溜槽區(qū)域接近完成前為防止碰撞車廂，由停止狀態(tài)變?yōu)榭s回狀態(tài)，待縮回動作到位后恢復停止狀態(tài)。

完成狀態(tài)機構(gòu)建后，利用Simulink子系統(tǒng)實現(xiàn)仿真和控制過程[7]。圖5即為在Simulink中實現(xiàn)了Stateflow開發(fā)的控制模塊與其他子系統(tǒng)融合下的仿真環(huán)境。其中Control_Logic部分即為圖4的封裝。根據(jù)自動機的需求，將所需信號以引腳的模式接入。

圖6仿真結(jié)果呈現(xiàn)了一輛C80型車(車廂長約11 m，標載80 t)在45 s卸料過程中的速度變化、位移變化、溜槽的伸縮情況和定量倉閘門的開閉情況。設定列車處于合適速度區(qū)間行駛，一節(jié)車廂卸料的完整流程為其車長所經(jīng)歷的卸料過程，其中定量倉閘門開啟后，定量倉中80 t的物料在15 s內(nèi)卸至溜槽和車廂中，伸縮溜槽分別在卸料初期和接近完成時，進行了伸長和縮短，在達到預定長度后停止動作，定量倉閘門在定量倉中物料清空后關(guān)閉。存留在溜槽中的物料繼續(xù)逐步置于車廂中并完成平整。仿真結(jié)果符合預期要求。

圖5 Matlab環(huán)境下基于Stateflow的仿真設計

圖6 Matlab環(huán)境下基于Stateflow的仿真結(jié)果

3 控制程序的實現(xiàn)

Stateflow編輯器的 PLC Coder功能可為PLC設備生成 IEC 61131結(jié)構(gòu)化語句[8]，支持主流PLC系統(tǒng)，包括AB、西門子、通用等。以AB PLC所使用的Logix 5000為例。在確認模型后，可以生成Logix 5000可讀取的編碼類型文件.L5X[9]。導入到工程所需Logix 5000文件后，即可形成模型塊，無需編寫代碼。圖7中的功能塊Control_Logic即為Stateflow中的邏輯塊，PLC程序直接生成。其在這里作為已經(jīng)驗證過的功能塊，以引腳的形式將系統(tǒng)中各傳感器的信號接入，即可投入使用。

圖7 PLC自動代碼生成

在具體實施過程中，激光雷達組的信號在處理完畢后是通過OPC通信的模式與Matlab和PLC系統(tǒng)進行交互的。為了使激光雷達組測量的信號能夠接入到PLC系統(tǒng)，開發(fā)了“激光雷達鐵路裝車動態(tài)跟蹤系統(tǒng)”，如圖8所示。一方面該系統(tǒng)通過設置參數(shù)連接各個雷達的地址，查詢連接狀態(tài)，回調(diào)信息，處理數(shù)據(jù)，在線實時對裝車過程中進入裝車區(qū)域車輛的長度和速度進行測量，將車廂與溜槽相對位移的情況以動畫的形式直觀的展現(xiàn)出來；另一方面將激光雷達組的信號處理后，按照自動卸料控制的需要與裝車系統(tǒng)通過OPC的方式進行對接，形成PLC中與車輛測量數(shù)據(jù)的同步，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化控制過程。同時，裝車站內(nèi)卸料設備的工作狀態(tài)也通過OPC連接直觀地顯示在軟件的界面上。

圖8 激光雷達鐵路裝車動態(tài)跟蹤系統(tǒng)

4 結(jié)論

研究采用激光雷達組測量的方法，實現(xiàn)了對裝車過程動態(tài)車輛與溜槽相對位移的測量?；谠摲椒ㄋ鶞y量的連續(xù)數(shù)據(jù)，通過Matlab/Stateflow建立了裝車卸料的控制模型進行仿真，利用基于IEC 6113標準進行了代碼轉(zhuǎn)換工具實現(xiàn)控制模塊的生成，實現(xiàn)了全自動卸料過程。該方法在內(nèi)蒙古自治區(qū)李家塔煤礦通過實驗測試，準確有效。