基千激光测距的车载沙石体积测量系统
基千激光测距的车载沙石体积测量系统
作者:吉华;戴健伟;孔令钊;岳显;樊刚
预拌混凝土是国家建设的基础生产物资,其需求噩大。预拌混凝土的原材料成本占了整个成本的70%以上 [I] '沙和石是预拌混凝土的最主要原材料。为降低沙石原材料成本,必须准确测量其数量,为保证预拌混凝土的质量,需监控沙石原材料质量。沙石采用的运输方式主要为船只或汽车,目前预拌混凝土生产企业对进厂时采用汽车运输的车载沙石的计量普遍采用地磅。这种计量方式受天气因素、人为因素、沙石质量等影响大,如雨天沙的质量可为晴天的1. 2倍以上,使得预拌混凝土企业对沙石这一重要原材料的数量和质量缺乏有效控制,进而影响到出厂混凝上的质星和成本。沙石的体积测量可弥补质量计量方式的缺点,并可联合质量计量方式,获得沙石的综合密度,在一定程度上有效监控沙石质量。目前也有少量企业采用方量作为计量和结算的方式,但主要采用手工测量和人工估计,精度和效率低下。根据测量方式的不同,有关的料堆体积测量主要有基于激光扫描的体积测量技术及基于图像采集的体积测量技术。文献[2]基于激光测距仪 ,使用 2个步进电机测量煤场料堆体积,其重点在三维曲面的拟合,对测量装置的具体实现和实施描述少,而且其装置没有电机旋转角度的反馈,由于步进电机为开环控制,不能保证角度的准确,极大地影响到测量精度;对于测量边界的判断也未作讨论。将激光测距仪安装在数控机床上实现对零件自由曲面测量,这种方式应用于车载沙石体积测量,需搭建比车更大的运动支架,在现场实施不易,同时成本也高。也有三维激光扫描仪应用于地质 、建筑、机械、林业等行业的曲面测量和重构,但价格昂贵,如应用于车载沙石体积自动测量这 一 特定的场合,也需要大量二次开发工作。基于图像采集进行体积测量 [8 -9] 受现场条件影响大,不能全天候工作,不适合预拌混凝土工厂这种粉尘较大的场合。
为实现对车载沙石表面的扫描,设计了X -y平面旋转与y -z平面偏转协同工作的机构,并采用高精度的轴编码器获取激光测距仪的偏转角度。对基于激光测距的车载沙石体积测量系统中的延时策略和边界判断等重点进行了详细描述。
1.测量原理
对于某一 确定车辆 ,车厢内壁的长度(沙石长度)a、宽度(沙石宽度)b和底部距离地面的高度h d 是确定的。将沙石分为若干个长方体。
所以当长方体均匀划分,体积的测肚问题可以简化为特征点沙石高度h,的测扯。沙石表面是不规则的曲面,对于h,的测扯,采用如图2所示的测社方式,这种方式将装咒固定在被测沙石正上方,由2个步进电机协同控制测距仪M的运动(详见第3部分),实现对沙石表面的扫描。
2 系统框架及主要元器件
沙石体积测批系统从安装的角度上主要分为2部分,一部分是安装在控制室中的接线盒、计箕机等;另一部分是固定在立住的刚性横什上沙石体积测扭仪,沙石体积测拭仪主要有上下2个箱体,上箱体中的旋转电机带动下箱体在元-y平面旋转,角度范围为0-180°,下箱体中的偏转电机带动测距仪在y-z平面旋转,角度范围为-90-90°(可根据最大车辆长度缩小角度范围),保证了测距仪制址到沙石表面任意点。
沙石体积测忧系统的核心在计莽机控制软件,它通过通信的方式控制PLC程序的运行,从而拧制PLC向步进电机控制器发送脉冲和方向信号,最终控制2个步进电机的旋转,实现对沙石表面的扫描;计算机控制软件和激光测距仪之间也是通过通信的方式,控制测距仪进行测扭,读取距离数据C计箕控制软件使用vc6.0开发,采用DLL封装,调试测试工具和ERP可调用其封装的功能。ERP同时还读取地磅数据,进行沙石入库等,实现对沙石质拭的监控。PLC软件采用梯形图开发,主要功能是根据计算机控制软件写入PLC的脉冲数和方向输出到步进电机控制器和实现自动旋转到Z脉冲位牲。
系统中的主要测控元器件如下:
(I)测距仪。目前测距仪从原理上分主要有红外、超声波、激光3类测距仪。红外测距仪价格便宜,但测扯距离短;超声波测距仪价格中等,测扯距离中等;激光测距仪价格较贵,测讥距离和精度均能满足测扯工况需要,故选择DI.S-830作为测距仪,该激光测距仪测程0.05-200 m, 测忧精度0.3mm, 可使用RS-232和RS-422通信方式实现对测距仪的控制和数据的读取。
(2)步进电机。驱动装趾常采用伺服电机或步进电机,伺服电机自身可实现闭环控制,使用方便,运动粕确,但价格贵;步进电机为开环控制,存在掉步,精度相对较差,但价格便宜。沙石体积测贷系统并不盆要稍矿h运动,只盆要稍确知道旋转角度即可,故选用步进电机作为驱动装忧。
(3)轴编码器。偏转电机旋转范围在180 °内,角度的精度对最终测量结果的精度影响大,所以选择了旋转1周产生4 096?? 个脉冲的轴编码器进行角度测量。为确定测距仪与垂直线之间的夹角,需准确确定垂直位置;而且仪器在运行的过程中,可能由于停电等原因没有回到垂直位置,需能精确回到垂直位置,所以轴编码器有ABZ三向,Z向用于确定测距仪垂直位置。
(4)PLC。PLC主要作用是输出脉冲和方向给步进电机控制器,以控制电机运动。由于安装空间小,有体积小的要求。故选用FPX Cl4T.
(5)通信模块。由于沙石体积测量仪安装位置较高(约8??m),??而且距离控制室距离较远,故需解决较长距离通信的问题。测距仪支持RS -422通信,PLC选用了支持RS -422通信方式的插卡,在控制室的控制盒中有2个RS -422转RS -232?? 模块分别和PLC、激光测距仪连接,计算机控制软件使用通信协议通过计算机的串口和PLC、测距仪进行通信。为解决现场干扰大的问题,2个RS-422转RS-232模块均采用有源转换器。
3.测量过程
沙石体积测量系统在安装完毕后,使用调试测试工具进行设备的调试,主要获得下面2个参数:
(l)测距仪安装高度h b ;
(2)Z 脉冲和测距仪垂直位置间的脉冲数 nb 及偏转方向。
在一车沙石测量过程中,首先要进行错误处理,由于在上次的测量中,有可能由于停电、或者仪器测量出错而引起下箱体没有在初始位置,测距仪不祚垂直位置,所以需先将下箱体和测距仪调整到正确位置。
最后进行垂直位置校准,因为机器正常运行一 段时间后也会由于步进电机的掉步出现测距仪测量第一 特征点时不在垂直位置的情况,虽然这并小会影响到测董的精度(因为角度是由轴编码器的脉冲数(n+nb )/ 4 096确定),但是偏转电机的轨迹控制以垂直位置为起点,偏差太大会引起轨迹控制的错误,而且边界判断也是以第一 个特征点的数据为依据,所以需要进行垂直位置的校准。垂直位置的校准是让偏转电机先旋转到Z脉冲位置,再根据设备调试时获得的Z脉冲和测距仪垂直位置间的脉冲数及偏转方向到达垂直位置。在目前系统中,垂直位置的校准是完成正常测量20车后进行1次。
4.延时策略
沙石体积测量系统功能的实现主要依靠步进电机旋转和距离测量协同工作完成,由于计算机软件的执行速度比电机旋转和距离测量的速度都快得多,因此每次计算机控制软件向硬件发送控制命令后,必须要等待硬件操作执行完毕后计算机控制软件才能进行下一 个动作。
在一个特征点距离测量的过程中,核心动作有3个,分别为:旋转电机转动带动下箱体到达指定的位置(动作1) ;??偏转电机带动激光测距仪摆动(动作 2);测距仪测距(动作 3)。
动作1和动作2之间可以同时进行,以提高效率;动作2和动作3之间需进行延时,以保证激光测距仪到达指定的测凰姿态后进行距离测量,此处延时称为t i 。动作 3 和动作 1 之间需进行延时,以保证一 个特征点测量完毕后才进行测距仪测量姿态的改变,此处延时称为t 2。
在满足要求的情况下,k越小越好,以提高效率。采用式(4),??由于步进电机运动采用梯形加减速,所以在旋转角度较大时,延时超过实际需要值,但是此方法简单,效率降低不多,较好地满足了系统需要。
5.边界判断
在测量过程中,如果测量到沙石以外的数据为无效数据,需对这部分数据进行筛除,如图6, 安装高度hh = 8 m,??测距仪到沙石表面的垂直高度P,=2-4m, 当测量点没有在沙石上。
因为地面不平整,P, 不可能精确等千hb , 但不会相差太大;再因为 E 的范围相对实际情况进行了放大,所以 4 -2能够作为判断的依据。
在测量过程中,测量从测距仪处于垂直位置开始,由于要求汽车停在沙石体积测量仪下方,可以保证此时测量数据为有效数据,所以以第一个特征点的数据九为判断依据。
6 结论
(l)x -y平面旋转与y-z平面偏转机构配合运动实现了激光测距仪对沙石表面若干特征点的沙石高度的有效测量,同时使得车载沙石体积测量装置的体积小,安装方便,工业应用成为可能。由于轴编码器的应用,使得测量精度得到保证。
(2)延时策略简单有效,使电机运动与激光测距仪协同工作;车载沙石的边界判断能有效筛除无效数据。
(3)系统核心模块封装在计算机控制软件中,有利于系统的升级更新;采用动态链接库封装,使得核心模块既可单独使用,又可实现与ERP系统集成,成为ERP系统的有益模块。车载沙石体积激光测量系统为典型机电 一 体化设备,机械、控制、测量协同完成了对车载沙石的体积测量,解决了车载沙石体积测量这一瓶颈问题,目前为止,测量系统在全国获得10余例应用,取得良好效果,图7为装置在杭州某搅拌站应用实例。
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