穿梭車安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王冠華，蔡榮忠，唐敬方，譚麗梅，徐彩珠

紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司會(huì)澤卷煙廠，云南省曲靖市會(huì)澤縣金鐘鎮(zhèn)東郊 654200

穿梭車作為卷煙物流輸送的主要設(shè)備在運(yùn)輸過程中發(fā)揮著重要作用［1-2］。但實(shí)際生產(chǎn)中，由于穿梭車的運(yùn)行軌道區(qū)域未全部封閉，容易出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人員穿行或跨越作業(yè)區(qū)域以及物體掉落等問題，存在安全隱患。穿梭車現(xiàn)有的安全聯(lián)鎖裝置包括安全門和急停按鈕，均需人工手動(dòng)操作才能使穿梭車報(bào)警停機(jī)。當(dāng)前因穿梭車運(yùn)行軌道區(qū)域缺乏檢測(cè)裝置［3-4］，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)及停機(jī)功能。對(duì)此，劉偉等［5］采用條形碼讀碼器和激光測(cè)距儀對(duì)軌道式穿梭車進(jìn)行了改造；吳澤樟［6］在穿梭車的前后方分別加裝紅外探測(cè)傳感器，利用傳感器信號(hào)對(duì)穿梭車進(jìn)行控制；王建成等［7］在穿梭車兩側(cè)加裝檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)穿梭車的安全控制；張廣喜等［8］利用工業(yè)攝像機(jī)采集運(yùn)行軌道與穿梭車的圖像數(shù)據(jù)，以識(shí)別運(yùn)行軌道上是否有異物，同時(shí)在軌道兩端四角處分別安裝紅外熱釋電傳感器，用于檢測(cè)是否有人員進(jìn)入運(yùn)行軌道區(qū)域。上述改進(jìn)雖在一定程度上降低了穿梭車的安全風(fēng)險(xiǎn)，但檢測(cè)功能單一且有局限性，在安全控制方面仍然存在檢測(cè)盲區(qū)。激光傳感器技術(shù)具有測(cè)量精度高、準(zhǔn)直性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在精密測(cè)量、安全監(jiān)測(cè)以及智能控制等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［9］。其中，溫凱［9］基于脈沖式激光測(cè)距原理構(gòu)建了激光測(cè)距系統(tǒng)；蘇燕等［10］基于三角測(cè)量原理構(gòu)建測(cè)距傳感器并設(shè)計(jì)了一種激光測(cè)距系統(tǒng)；張海濤等［11］將陣列探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于回波信號(hào)較弱空間，提高了碎片激光測(cè)距的準(zhǔn)確率。為此，以紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司會(huì)澤卷煙廠成品高架庫使用的穿梭車為例，采用激光測(cè)距、激光陣列檢測(cè)等技術(shù)設(shè)計(jì)了一種穿梭車安全控制系統(tǒng)，以期提高穿梭車運(yùn)行安全性能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體構(gòu)架

穿梭車安全控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、激光傳感器、測(cè)距傳感器、工控?cái)z像頭、單片機(jī)、固態(tài)繼電器、音箱等部分組成，其核心是采集激光陣列信號(hào)、車輛測(cè)距定位以及安全輸出控制，見圖1。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)來自激光傳感器、測(cè)距傳感器和工控?cái)z像頭。其中，采用激光傳感器構(gòu)建激光陣列檢測(cè)方式，檢測(cè)信號(hào)通過單片機(jī)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)；測(cè)距傳感器通過串口通信方式（RS-485轉(zhuǎn)RS-232）接入計(jì)算機(jī)；工控?cái)z像頭采用USB方式接入計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)處理的核心是計(jì)算機(jī)，利用Microsoft Visual Studio（美國微軟公司）軟件編程進(jìn)行運(yùn)算和判斷；數(shù)據(jù)通過輸出模塊經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，實(shí)現(xiàn)穿梭車的自動(dòng)啟停、報(bào)警提醒并將圖片、日志記錄等信息進(jìn)行保存。

圖1 穿梭車安全控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of safety control system for shuttle vehicle

1.1.1 激光陣列信號(hào)采集

（1）激光陣列布局。由于穿梭車軌道間寬度為90 cm，故采用分布式多點(diǎn)激光檢測(cè)方式，即采用6對(duì)激光傳感器（KM8LD-200P1型對(duì)射式激光傳感器，深圳市興天宇電子設(shè)備有限公司）組成一元激光陣列，形成由線到面的檢測(cè)區(qū)域，見圖2。6對(duì)激光傳感器分別布置在穿梭車軌道始末兩端，始端為發(fā)射端，末端為接收端，發(fā)射端與接收端等高等間距，同一端各激光傳感器間隔20 cm。其中，穿梭車軌道外側(cè)布置2對(duì)激光傳感器，內(nèi)側(cè)布置4對(duì)激光傳感器，故軌道內(nèi)側(cè)的4條激光線可完全覆蓋檢測(cè)區(qū)域。根據(jù)人體身高及相應(yīng)尺寸，設(shè)定軌道外側(cè)激光傳感器安裝高度為40 cm左右，內(nèi)側(cè)激光傳感器的高度距穿梭車車體底部15 cm，避免穿梭車運(yùn)行時(shí)因軌道不平整而遮擋激光線。

圖2 激光陣列布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of laser array layout

（2）信號(hào)處理。激光傳感器發(fā)射端與接收端可以形成激光線，6對(duì)激光傳感器共有6條激光線，當(dāng)其中某條激光線被遮擋時(shí)，該激光傳感器輸出電壓為0，而未被遮擋的激光傳感器輸出電壓為24 V，故激光傳感器輸出電壓包括0和24 V兩種信號(hào)。而單片機(jī)信號(hào)范圍為0～5 V，為滿足單片機(jī)信號(hào)采集要求，采用分壓電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行規(guī)格化處理，見圖3。根據(jù)公式U0=Ui/（R1+R2）R2，當(dāng)作業(yè)區(qū)域無人員闖入或物體掉落，激光線未被遮擋，輸出電壓Ui為24 V，經(jīng)過電阻R1和R2分壓后，U0=24/（50+10）×10=4 V；當(dāng)激光線被遮擋時(shí)，輸出電壓Ui為0，經(jīng)過電阻R1和R2分壓后，U0=0/（50+10）×10=0。因此，激光傳感器輸出電壓可轉(zhuǎn)換為0和4 V兩種信號(hào)，能夠滿足單片機(jī)對(duì)信號(hào)范圍的要求。

圖3 分壓電路圖Fig.3 Voltage divider circuit diagram

（3）信號(hào)采集。由于激光陣列檢測(cè)有6路輸出電壓且均為模擬信號(hào)，故采用多端口電壓輸入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖4中，STC90C58AD單片機(jī)（上海宏晶科技有限公司）共有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，其A/D轉(zhuǎn)換口在P1口（P1.0～P1.7），電壓輸入型A/D數(shù)量（8路）大于激光陣列電壓輸出數(shù)量（6路），能夠滿足激光陣列信號(hào)采集要求。選擇單片機(jī)中的6路模擬量輸入端（P1.0～P1.5）對(duì)接規(guī)格化處理后的激光陣列信號(hào)，由單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。計(jì)算機(jī)與單片機(jī)采用串口通信方式（RS-232）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可實(shí)現(xiàn)激光陣列檢測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控。

圖4 單片機(jī)信號(hào)采集線路圖Fig.4 Data acquisition circuit diagram of single chip microcomputer

1.1.2 車輛測(cè)距定位

測(cè)距傳感器采用集發(fā)射與接收為一體的激光傳感器（型號(hào)MSE-LED10，煙臺(tái)莫頓測(cè)控技術(shù)有限公司），與一元激光陣列共同構(gòu)成二元激光陣列，由發(fā)射端向目標(biāo)端發(fā)射激光，經(jīng)目標(biāo)端反射后返回接收端，采用計(jì)時(shí)器測(cè)定激光從發(fā)射到接收的時(shí)間T，已知光速V，可計(jì)算得到總行程L，而發(fā)射端到目標(biāo)端的距離為L/2。圖5中，在穿梭車軌道起始端，將激光測(cè)距傳感器安裝在兩軌道正中間位置，并在穿梭車車體上安裝反射板，根據(jù)測(cè)距傳感器發(fā)出的激光照射到反射板再返回至測(cè)距傳感器的時(shí)間，可以追蹤定位穿梭車位置并記錄報(bào)警停車位置。測(cè)距傳感器與計(jì)算機(jī)采用串口通信方式，由于兩者通信接口不一致，在兩者之間增加一個(gè)串口轉(zhuǎn)換器MODEL 2107C（RS-232至RS-422/485雙向轉(zhuǎn)換器），將測(cè)距傳感器RS-485信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS-232信號(hào)。計(jì)算機(jī)將接收的RS-232信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并以固定頻率上傳，實(shí)現(xiàn)穿梭車位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和信息更新。

圖5 穿梭車測(cè)距定位示意圖Fig.5 Schematic diagram of laser ranging and shuttle vehicle positioning

1.1.3 安全控制

安全控制方式是指一旦檢測(cè)到人員闖入或物體掉落到穿梭車作業(yè)區(qū)域時(shí)，立刻進(jìn)行語音報(bào)警并停止穿梭車運(yùn)行。計(jì)算機(jī)根據(jù)激光陣列檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)1條或多條激光信號(hào)從高電平向低電平變化時(shí)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件輸出數(shù)字信號(hào)，由輸出模塊進(jìn)行控制并驅(qū)動(dòng)繼電器，進(jìn)而控制穿梭車的安全聯(lián)鎖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)穿梭車自動(dòng)啟停。此外，計(jì)算機(jī)同步啟動(dòng)智能語音程序，通過音箱進(jìn)行安全廣播，提醒人員注意。其中，輸出模塊采用16通道的隔離數(shù)字量模塊DAQM-4304（西安舟正電子科技有限公司），輸出通道為NPN集電極開路輸出方式，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器，通信方式為485總線。輸出模塊的輸入端RS-485接口與計(jì)算機(jī)接口無法直接對(duì)接，故增加一個(gè)串口轉(zhuǎn)換器MODEL 2107C，將計(jì)算機(jī)的RS-232信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS-485信號(hào)，并將RS-485信號(hào)傳送至輸出模塊；輸出端與繼電器的24 V線圈相連，繼電器輸出線路與安全開關(guān)信號(hào)串聯(lián)，共同構(gòu)成安全聯(lián)鎖開關(guān)，安全聯(lián)鎖開關(guān)一旦觸發(fā)，穿梭車立刻停止運(yùn)行。

農(nóng)作物種植過程中的病蟲害防治十分重要，甚至直接關(guān)系到當(dāng)年玉米的產(chǎn)量是否會(huì)大幅度下降，乃至顆粒無收。目前，我國山區(qū)玉米高產(chǎn)栽培技術(shù)應(yīng)用過程中對(duì)病蟲害防治、藥物使用時(shí)機(jī)、藥物施用計(jì)量有較為嚴(yán)格的要求，但我國農(nóng)民普遍存在缺乏系統(tǒng)培養(yǎng)的問題，對(duì)于病蟲害的防治方面存在缺失，農(nóng)民在辨別病蟲害、使用藥物的過程中存在滯后問題和缺乏針對(duì)性、有效性的問題，導(dǎo)致病蟲害大面積泛濫、不科學(xué)施用藥物導(dǎo)致害蟲產(chǎn)生抗藥性，玉米螟、地老虎、葉斑病等病蟲害的頻繁發(fā)作使玉米高產(chǎn)栽培技術(shù)的作用無法有效顯現(xiàn)，推廣進(jìn)度受到阻礙。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)在Windows開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行，利用Microsoft Visual Studio（美國微軟公司）軟件編寫源程序，包括系統(tǒng)初始化、視頻采集模塊、激光測(cè)距模塊、激光陣列檢測(cè)模塊、硬件聯(lián)鎖停機(jī)、語音播報(bào)、視頻圖片抓拍、事件日志記錄等，程序流程見圖6。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，對(duì)應(yīng)用變量、輸入輸出端口等進(jìn)行定義；當(dāng)計(jì)算機(jī)被觸發(fā)時(shí)，換算得到各條激光線的電平數(shù)據(jù)值，當(dāng)所有激光信號(hào)均為高電平“1”狀態(tài)時(shí)，表示作業(yè)區(qū)域正常，系統(tǒng)返回繼續(xù)監(jiān)測(cè)；當(dāng)有1條及以上激光信號(hào)為低電平“0”狀態(tài)時(shí)，表示存在人員闖入或物體掉落到作業(yè)區(qū)域，系統(tǒng)立即輸出停止穿梭車信號(hào)，并調(diào)用視頻圖片捕捉程序?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)情景進(jìn)行抓拍和保存，同時(shí)將穿梭車停車位置、被遮擋激光線標(biāo)號(hào)、被遮擋激光線數(shù)目、事件停機(jī)時(shí)間等信息合并為1條記錄追加保存，調(diào)用相關(guān)語音庫內(nèi)容進(jìn)行播報(bào)；當(dāng)故障處理完畢后，系統(tǒng)進(jìn)行延時(shí)設(shè)備恢復(fù)警告及復(fù)位穿梭車安全聯(lián)鎖開關(guān)，系統(tǒng)返回到繼續(xù)監(jiān)測(cè)狀態(tài)。

圖6 控制系統(tǒng)程序流程圖Fig.6 Program flow of control system

1.2.1 數(shù)據(jù)處理

計(jì)算機(jī)將接收到的單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一維數(shù)組內(nèi)存空間，每兩個(gè)字節(jié)代表1條激光線的信號(hào)值。其中，第1條激光線對(duì)應(yīng)數(shù)組的1、2字節(jié)，第2條激光線對(duì)應(yīng)3、4字節(jié)，第3條激光線對(duì)應(yīng)5、6字節(jié)，第4條激光線對(duì)應(yīng)7、8字節(jié)，第5條激光線對(duì)應(yīng)9、10字節(jié)，第6條激光線對(duì)應(yīng)11、12字節(jié)。由于單片機(jī)采用的是10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～1 024（210）的數(shù)字量，而單片機(jī)可檢測(cè)的最大電壓為直流5 V，將其換算為mV則需利用四舍五入函數(shù)Round（）再乘以1 000，從而得到實(shí)際電壓的整數(shù)值。因此，激光線電壓數(shù)值=Round（（（高字節(jié)×256+低字節(jié)）/1 024）×5，3）×1 000。將6條激光線對(duì)應(yīng)數(shù)組的字節(jié)代入公式進(jìn)行計(jì)算，即可得到各條激光線的電壓數(shù)值。計(jì)算機(jī)根據(jù)激光線的電壓數(shù)值進(jìn)行“或門式”程序判斷，若有1條激光線電平進(jìn)行高低躍變，表明有人員或物體進(jìn)入作業(yè)區(qū)域；若6條激光線電平均未躍變，表明無人員或物體進(jìn)入作業(yè)區(qū)域，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)激光線的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

1.2.2 痕跡管理

攝像頭在穿梭車運(yùn)行過程中起到視頻監(jiān)控作用，當(dāng)穿梭車作業(yè)區(qū)域有物體引發(fā)停機(jī)時(shí)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件啟動(dòng)抓拍程序控制攝像頭進(jìn)行抓拍并上傳至計(jì)算機(jī)進(jìn)行保存。利用測(cè)距傳感器可檢測(cè)穿梭車的停車位置，在穿梭車運(yùn)行過程中一旦檢測(cè)到激光線被遮擋，系統(tǒng)將產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的激光線標(biāo)號(hào)、被遮擋激光線數(shù)目、穿梭車停機(jī)位置、日期時(shí)間等信息，并根據(jù)事件和日期添加記錄和分類。

1.2.3 設(shè)備恢復(fù)

檢測(cè)到穿梭車作業(yè)區(qū)域無人員或物體時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行延時(shí)設(shè)備恢復(fù)警告及復(fù)位穿梭車安全聯(lián)鎖開關(guān)。第一次語音警告后，啟動(dòng)延時(shí)程序，延時(shí)時(shí)間15 s，同時(shí)按100，99，98，…，3，2，1，0的遞減順序在監(jiān)控界面進(jìn)行顯示；當(dāng)屏幕顯示到數(shù)字9時(shí)，第二次語音警告，輸出9，8，7，…，0讀數(shù)，然后向輸出模塊DAQM-4304發(fā)送接通繼電器的指令，完成安全聯(lián)鎖開關(guān)復(fù)位；第三次語音警告后，重新啟動(dòng)穿梭車進(jìn)行輸送。

1.2.4 監(jiān)控界面與顯示

由圖7可見，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可視化圖像功能。監(jiān)控界面上方通過工控?cái)z像頭采集現(xiàn)場(chǎng)視頻，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示穿梭車的運(yùn)行軌跡。監(jiān)控界面下方可實(shí)時(shí)顯示車輛測(cè)距值以及穿梭車運(yùn)行位置，能夠模擬顯示6條激光線的檢測(cè)狀態(tài)，有效區(qū)分“無障礙物阻擋”和“被障礙物阻擋”兩種狀態(tài)，紅色表示“無障礙物阻擋”，黑色顯示“被障礙物阻擋”，其中1表示1號(hào)激光傳感器，2表示2號(hào)激光傳感器，依此類推。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)控界面Fig.7 Monitoring interface of the system

2 應(yīng)用效果

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)備：BZF105型穿梭車1臺(tái)（昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司）；PPC-3708A-N270型計(jì)算機(jī)1臺(tái)（沈陽創(chuàng)想科技發(fā)展有限公司）；KM8LD-200P1型對(duì)射式激光傳感器6對(duì)（深圳市興天宇電子設(shè)備有限公司）；MSE-LED10型激光測(cè)距傳感器1個(gè)（煙臺(tái)莫頓測(cè)控技術(shù)有限公司）；RER-USBFHD01M型工控?cái)z像頭1個(gè)（深圳市銳爾威視科技有限公司）。

方法：以應(yīng)用于紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司會(huì)澤卷煙廠成品高架庫的穿梭車為對(duì)象，采用支架將6對(duì)激光傳感器分別安裝在穿梭車軌道兩端，同一端各激光傳感器間隔20 cm；2對(duì)軌道外激光傳感器安裝高度為40 cm，4對(duì)軌道內(nèi)激光傳感器安裝高度為10 cm（距穿梭車車體底部15 cm）。在穿梭車軌道起始端，將激光測(cè)距傳感器安裝在兩軌道正中間位置，安裝高度為45 cm，并在穿梭車車體上粘貼反射板。將攝像頭安裝在穿梭車前方的安全防護(hù)欄上，檢測(cè)范圍覆蓋整個(gè)作業(yè)區(qū)域；計(jì)算機(jī)安裝在穿梭車作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，方便在線監(jiān)控。系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后投入使用，于2020—2021年對(duì)穿梭車安全控制系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤記錄，以驗(yàn)證系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確率。

2.2 數(shù)據(jù)分析

由表1可見，2020—2021年間穿梭車安全控制系統(tǒng)共發(fā)出故障報(bào)警11次，經(jīng)核實(shí)無誤報(bào)和漏報(bào)，并可準(zhǔn)確定位穿梭車停車位置及激光線標(biāo)號(hào)，檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

表1 系統(tǒng)故障報(bào)警統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of alarms sent by the system

現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在穿梭車作業(yè)區(qū)域形成激光陣列檢測(cè)，當(dāng)有人員或物體進(jìn)入時(shí)，系統(tǒng)立即報(bào)警停機(jī)，同時(shí)播報(bào)安全語音提示，監(jiān)控界面顯示提示信息并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；當(dāng)故障解除后，3次安全語音提示后恢復(fù)正常運(yùn)行。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種穿梭車安全控制系統(tǒng)，將分布式多點(diǎn)激光對(duì)射與單線激光測(cè)距相結(jié)合，同時(shí)利用視頻采集技術(shù)形成可視化的二元激光陣列檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了穿梭車作業(yè)區(qū)域的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。以會(huì)澤卷煙廠成品高架庫的穿梭車為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：2020—2021年間穿梭車安全控制系統(tǒng)共發(fā)出故障報(bào)警11次，無誤報(bào)和漏報(bào)，可準(zhǔn)確定位穿梭車停車位置及激光線標(biāo)號(hào)，檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到100%，實(shí)現(xiàn)了穿梭車運(yùn)行軌道區(qū)域的全覆蓋檢測(cè)，有效降低了穿梭車運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。