【行业应用】基于三角激光测距技术的装车定位装置的设计
摘要：目前国内汽车装车站主要通过人工引导实现待装车辆入位，无法一次精确到位的问题成为影响装车效率和装车精度的主要因素之一。针对上述问题，基于三角激光测距技术的基础，研究并设计了基于三角法的激光测距定位装置。实现了无需人工干预的车辆一次入位，通过毫米级别的装置精度实现了定位精度在0.01ｍ，解决了现有因定位不准确而造成的洒煤问题，并且对装车设备及车辆起到了很好的保护作用，提高了装车精度和装车速度，提高了汽车装车效率，为装车自动化技术研究开拓了新的思路。
关键词：汽车装车站；位移测量；角度传感器；激光测距仪
近年来国内汽车装车站普遍采用刮板机装置进行装车，但由于煤场装车站工况复杂，粉尘较大，车型多样，目前汽车装车站大都使用人工操作指挥入位，使得车辆位置监测与控制难度较大，往往不能一次入位，另外受操作人员经验的制约及车辆入位不准的影响，在装车过程中很容易洒煤漏煤，这就大大降低了装车精度。目前，还没有较理想的办法解决该问题。鉴于此，本文通过对现有测距技术的研究，设计了一种基于三角激光法进行车辆测距定位的装置。
１ 传统汽车装车流程
目前国内汽车装车站主要的装车流程为：操作人员指挥车辆入位后，装车员对待装车载重确认后进行配料，然后手动操作调节刮板机的位置，同时打开称重仓的闸门，放下物料进行装车。在放料的过程中操作人员指挥车辆缓慢向前行驶，达到煤料均匀装车的目的。流程如图１所示。
图１ 传统装车工作流程
人工方法装车，存在装车效率低、煤炭外洒、粉尘污染严重、操作人员工作强度大等问题，所以需研究一种装车效率高、有效避免粉尘外撒、降低劳动强度的自动化程度较高的装车系统，而车辆准确入位是其重要前提。
2 装车定位装置设计
２．１ 激光测距方案介绍
装车站是由缓冲仓、定量仓、刮板机等部分组成的，其中刮板机与车辆的位置关系是车辆定位的关键环节。本文提出了一种装车定位装置的设计方案，将激光定位装置由支架固定在刮板机的头部和尾部，使激光定位装置的光束能垂直射到装载车的顶部，当检测到车辆开始进入待装载区，激光测距装置能自动对运载车的车斗进行准确定位，通过指示灯及语音播报提醒司机将车辆开到标准位置，以方便快速装载煤料。
２．２ 激光测距装置的选型设计、原理及安装
由于在工况中，车辆与刮板机及侧柱距离较短，激光测距的范围为３～６ｍ的近距离测量，测量的精度要求能至少达到厘米级，而被测对象有较为缓慢的移动。在通过对现有诸如脉冲法、相位法、三角法等激光技术进行比较分析后，采用了具有精度较高、距离近、量程适中等特点的三角法激光测距技术。三角法激光测距与其他方法不同的是完全摆脱了对时间的测量，也就规避了时间因素带来的影响，提高了准确度与响应速度。三角测距法是使激光发射器与被测物体成一定的角度发射激光，利用被测物体的漫反射作用，使光电探测器件在另一个角度上可以接收到反射光线，这样被测物体，激光光源和接收系统构成了三角形的光路，它利用测量的角度来计算出被测目标的位移量。
图２ 三角法测距原理
图２为传统三角法基本原理。激光发射器发射激光到被测物体上，激光与被测物体的反射点为A，反射角为θ。反射点到激光接收器中透镜的距离为a，透镜到光电处理器的距离为b。当被测物体移动x距离后，光电接收器上前后两次的接收光线位置变化量为x＇，根据x＇和相关数据就可计算出被测物体的位移量x。
在ΔＡＢＣ（∠ＡＣＢ＝φ）中，由正弦定理知：
将ｓｉｎ（θ－φ）＝ｓｉｎθｃｏｓφ－ｃｏｓθｓｉｎφ代入（１）式中，整理得，此时x是下移量：
当x是上移量时，
三角法按接受光屏与光轴的角度不同，分为垂直接受屏方式和非垂直接收屏方式，由于测量位移变化范围较大，所以采用非垂直接收屏，如图３。
图３ 非垂直接受光屏原理
图中N２为非垂直接受光屏，α为屏与接收光线夹角，Δx＇２为接收光线位置变化量。位移量计算公式可由类似（２）、（３）式的推导方法，得：
三角法激光测距还可以根据被测目标的外观、位移方式等特性，灵活地选择激光发射器和接收器的安装方式，例如使激光发射器垂直于被测目标发射激光，而接收系统与被测目标呈一定角度接收；也可以激光发射系统与被测目标呈一定角度，而接收系统垂直于被测目标接收。
由于载重货车是被测对象，所以经过对各汽车厂商和煤矿进行广泛细致的调研，结果表明，目前主力运煤车型基本为三桥四桥，长度在５～９ｍ之间，刮板机正常布料平料即可，此时只需要在刮板机头部装一个测距传感器；但有时车辆为带挂车，这就需要同时在刮板机尾部安装一个测距传感器，在车辆缓慢行进的装车过程中，刮板机尾部伸缩板打开，加大放料口，延伸布料距离，此时车辆缓慢前进，经尾部传感器检测可知尾部车斗是否已过伸缩板，控制伸缩板的开合，通过尾部传感器随时测知挂车所处位置及有无溢煤等情况。
本文就一般情况做详细介绍。将激光定位传感器由支架分别固定在距刮板机头部边缘处、距尾部边缘１ｍ处，使激光定位装置的光束能垂直射到装载车的顶部，图４和图５为激光测距传感器布置图。
图４ 测距传感器平面布置（ｍｍ）
图５ 测距传感器立面布置（ｍｍ）
由于装车车辆种类繁杂，本文将装载车辆的通用信息提炼出来并将其模型化，避免不同车型对这种测量方法的影响。如图５：激光发射器发射激光与反射激光形成夹角θ，反射点到激光接收器中透镜的距离为a，透镜到光电处理器的距离为b。①当车辆未驶入时，激光发射器发射激光到地面上，可得θ１、a１；②当车辆缓慢驶入时，激光发射器发射激光到车头上，可得θ２、x＇２、a２；③当车辆继续行驶，激光被发射到车头与车斗中间空当处后，可得θ３、x＇３、a３；④当车辆继续行驶，激光被发射到车斗边缘处，可得θ４、x＇４、a４；此处结合①～③阶段时间累积量，避免因车斗边缘过于狭窄造成的误操作；⑤当激光被发射到车斗内，可得θ５、x＇５、a５。b为固定参数。根据x＇２、x＇３、x＇４、x＇５和相关数据就可计算出在每一阶段的激光实际长度变化量，①～②：x１、②～③：x２、③～④：x３、④～⑤：x４。
从车辆驶入装车站，到ＰＬＣ接收到测距系统信号开始装车，直至装车结束，逻辑曲线如图６。时间t为横坐标，激光测距距离h为纵坐标，在一个装车周期中，随着车辆的缓慢驶入、装车、驶出，当头部传感器激光打到地面时，h＝５ｍ；随后激光打到车头，h＜５ｍ（车头高度），溜槽下放至距地３ｍ处；随着车辆行驶，激光打到空隙、车斗边缘直至车斗，h由２.4ｍ减至０.2ｍ再升至２.４ｍ；待开始装车，h由２.4ｍ最终逐渐减小至０.2ｍ，最后装车结束，车辆驶出。由此，h的变化趋势为：高低高低高，且其趋势应符合图６曲线。
图６ 测距逻辑曲线
２．３ 激光测距装置的工作流程
本文按装车最常见车辆高度２.8ｍ，车头高度２.４ｍ，车斗高度２.２ｍ做为参数。刮板机最高距离地面５ｍ，最低距地面３ｍ，放料时距车斗０.２ｍ。
待装车辆进入装载区时，车辆信息识别系统启动，射频扫描仪读取到司机车上的IC卡后，系统控制激光测距装置开启，此时激光测量距离x０＝５ｍ，曲线数值最高；待装载车仍然缓慢向前行驶，当车辆的车头经过刮板机下方后，激光定位装置的测距激光打在车头顶部，此时激光测距x１＝０.４ｍ，体现在曲线中为瞬间低值，定位装置可以判定车辆的车头已经处于刮板机的下方；而车辆继续行驶一定距离后，测距激光会打在车头与车斗中间，引发测距点到固定的激光传感器的距离变化，此时测距x２＝２.４ｍ，体现在曲线中为数值升高，可获知车头已驶过刮板机下方；车辆继续前进，当x３＝０.２ｍ时，曲线数值降低；当x４＝２.４ｍ时，曲线数值又恢复到前一个状态值，此时可判定车斗已在刮板机下方。经过系统判定，当检测到车斗前缘已驶过刮板机下方时，将到位信号发送给PLC,进行装车准备动作。工作流程如图７。
图７ 测距系统检测流程
由于测距为定量测算，比传统的激光对射方式从信号有无判断位置更加可靠。同时，可设置阈值，当检测到h逼近于０时，存在以下情况：刮板机与车辆相距过近，此时紧急停止刮板机下放，可有效避免设备撞击，提高设备安全性；车斗堆放物料已满，此时停止刮板机放料，可避免洒煤，避免了洒煤以后人工铲煤所造成的时间消耗与洒煤对结算造成的困扰，提高了装车精度和效率，比传统激光对射方式有显著优势。
３ 结语
本文研究设计的装车定位装置，采用的激光测距技术根据距离的实时变化判断车辆位置，装置精度可达到0.005ｍ，比传统的人工方式、激光对射方式可靠性高、实时性强，有较强的通用性，可适用于不同车型，通过毫米级别的装置精度实现了定位精度在0.01ｍ，有效地提高了一次入位的成功率。该装置同时由于解决了撞击和洒煤问题，压缩了无效工作时间，提高了设备使用安全性，节约了一次投入成本，提高了与装车系统的配合度，为提升装车效率和精度提供了条件。且可配合使用声光报警及语音广播装置实现准确定位，实现自动化入位检测，为促进装车系统自动化提供了新的思路。
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