车载物料作业机器人工作平台研究

李立新，李艾华，李建法

LI Li-xin, LI Ai-hua, LI Jian-fa

（安阳师范学院 物理与电气工程学院，安阳 455002）

0 引言

在工矿企业中，经常需要对车载物料进行取样检验。由于大多数取样作业现场环境恶劣，严重影响到人身的健康与安全，同时，取样中存在的人为干预现象，导致劣质原料进厂，提高了生产成本，降低了产品质量。中华人民共和国标准GB/T18666—2002《商品煤质量抽查和验收方法》[1]的颁布实施，对车载商品煤取样方法制定了严格规范。为此，市场盼望形成一种达到国家标准要求并满足企业取制样作业工艺要求的车载物料智能取样机设备。本项目研制的车载物料作业机器人工作平台正是针对该领域进行的基础性和应用性研究，是把机械取样机升级为智能化取样机的配套控制系统，主要针对钢铁、电力企业进厂原材料（铁粉、焦煤）通道上的汽车物料取样机。

1 技术方案

1.1 技术方案确定

经过对众多电力和钢铁企业汽车进厂原料取样状况的调查得知：几乎所有企业的汽车进厂原料通道形式都是道路缓冲带+通道式取样区域；运输车辆的型号多种多样；取样机械主要有桥式和悬臂式两种类型；当前的取样普遍存在人为干预的因素。

结合当前技术水平，经过反复论证后，确定了如下技术方案：1）采用双模式全自动汽车定位技术，适应多样性取样现场环境条件；2）采用双模式取样控制，适应桥式取样和悬臂式取样的不同要求；3）采用自动随机选择取样布点方案、强制性取样进程控制和客户信息保密的方法，最大限度降低样品取制验过程中的人为干预现象；4）采用远程网络取样控制并全程动态监控取样工程。

1.2 系统组成

车载物料作业机器人工作平台有三个主要部分：中央控制系统、自动汽车定位系统、取样控制系统，如图1所示。自动汽车定位系统用于实时扫描检测车箱的长度、宽度以及停放位置，形成包括全部车箱区域的取样区域。取样控制系统用于控制全部取样动作。中央控制系统作为控制核心，协调控制自动汽车定位系统和取样控制系统的工作，完成随机选择取样方案，以及处理客户信息加密、解密和化验报表生成，并作为远程终端的控制服务器。授权远程终端既可以全程监控取样进程，也可以通过现场的主机控制取样操作。而制样系统则是相对独立的设备，它通过接口与取样系统进行信息交换和联动控制。

图1 车载物料作业机器人工作平台系统组成

1.3 工艺流程

车载物料作业机器人工作平台的工艺流程分为作业流程和信息流程。作业流程按顺序包括自动定位车箱区域、随机选择取样方案、自动完成取样进程三个环节。从选择取样方案到按所选方案完成取样为自动连续执行，具有强制不可逆性。信息流程按顺序包含客户信息输入、信息加密、化验结果输入、客户信息还原、产生报表等环节。客户信息以随机编号流转于取样、制样和化验环节，待编号化验结果输入系统后，再转换为客户信息化验结果，减少人为干预样品的可能性。

2 系统研制

2.1 自动汽车定位系统

平台系统兼容两种自动汽车定位系统：声光探测汽车定位系统[2]和双目视觉汽车定位系统。两种汽车定位系统分别需要配合不同的外部设备，能够各自独立完成汽车定位功能。实际工作时，由用户选择采用哪种定位系统。

2.1.1 声光探测汽车定位系统技术原理

以透射式红外光电传感器和超声波测距装置相结合可以实现对平面区域内物体的定位。透射式红外光电传感器由红外发射模块和红外接收模块组成，当收发模块之间有物体遮挡光路时，将改变接收模块的接收状态，据此可以非接触探测物体是否存在。如果把多个发射模块和多个接收模块按固定间隔平行排列成两排，让收发两侧对应位置上的红外模块一对一对地按顺序轮流接通工作，对其间区域进行逐行扫描探测，则依据扫描结果不但可以判断该区域是否有物体存在，还可以计算出物体的长度及其在该区域中的纵向相对位置。分别在物体两侧标定位置安装超声波测距装置，测出与物体的距离，就可以计算出物体的宽度及其在该区域中的横向相对位置。

基于声光探测的汽车定位系统中，由红外发射阵列、红外接收阵列和电子移位电路构成红外线电子移位逐行扫描电路，用于车箱长度和纵向停车位置的测量，由四个超声波测距装置构成的测距系统，用于车箱宽度和横向停车位置的测量。四个超声波测距装置安装在工作区域两侧，分成两组，分别测量前部车箱和后部车箱。

主控计算机对纵向检测和横向检测的数据进行综合处理和分析，判断出工作区是否有车、哪种车型，并计算出汽车在区域中的停车位置参数和车箱几何参数。

2.1.2 双目视觉汽车定位系统技术原理

双目视觉汽车定位系统[3]硬件主要由照明系统、摄像机、图像采集卡、计算机等构成。如图2所示，系统由两台摄像机固定于取样区域的正上部，两者之间有一定的间距，分别可以获得车辆及周围场景的俯视图，视频输出信号经图像采集卡输入到计算机。利用双目成像和视差理论的基本原理，软件系统对两台不同位置摄像机拍摄的同一幅场景进行分析、处理，通过计算两台摄像机公共视野中车厢边缘上任一空间点在两幅图像中视差，可以获取该空间点的三维坐标，从而可以准确实现汽车定位。

图2 图像采集系统

本系统中由于被测对象体积较大，且要求图像连续采集，重复性要好，照明系统必须保证长时间提供稳定的照明。同时为了提高系统的处理速度，摄像机需选用工业黑白大幅面CCD相机，选择的镜头要求畸变尽可能小，图像边缘失真度低。图像采集卡用于控制相机拍照，它的选择要求与相机相匹配。本系统软件部分模块多、计算量大，要求计算机采用高速CPU和大内存的硬件配置，从而提高系统的速度和效率。

软件部分主要由车辆检测、图像采集、图像拼接、图像预处理、摄像机标定、尺寸测量、数据统计和分析、帮助与异常处理几大模块构成，软件流程如图3所示。

2.2 取样控制系统

平台系统兼容两种取样控制模式：桥式取样控制模式和悬臂式取样控制模式。两种取样控制模式的硬件系统主体基本一致，但控制软件和算法不同，通过软件设置可以切换取样控制模式。取样控制软件集成于中央控制系统软件中。

桥式取样控制系统由主控计算机、控制板、驱动板和多种传感器组成，完成全部取样动作的执行控制和状态检测。取样动作可分为三类，第一类是大小行车走行动作，包括大行车前进、后退，小行车前进、后退；第二类是取样杆动作，包括取样杆上升、下降，螺旋杆上旋、下旋，缩分仓开门、关门；第三类是警示动作，包括栏杆升起、放下和响铃。在设计上有如下特点：1）所有动作控制都采用闭环结构；2）每组的两个动作继电器均采用互锁方式，确保不会同时动作；3）取样杆下探动作采用行程保护和遇阻保护两种保护模式，使取样杆既可以下探到最大行程返回，也可以遇到阻力返回。遇阻保护模式可以保证取样杆一直下探到车箱底面，达到全断层取样的目的，也可以在遇到异常情况时，达到保护取样机和汽车的目的。

图3 双目视觉汽车定位软件流程图

悬臂式取样与桥式取样相比主要有两点不同：一是机械结构不同，主要是取样头移动方式的不同，它通过悬臂转动和小行车的运动实现取样头移动；二是软件算法不同，在桥式取样模式，软件中对取样头的移动控制采用直角坐标系，而在悬臂式取样模式时，软件中对取样头的移动控制采用极坐标系。

2.3 中央控制系统

中央控制系统是整个系统的核心控制软件和人机交流平台，安装于现场的主控计算机内。它集成了自动定位系统的核心软件、取样控制系统的核心软件以及智能取样工艺流程所需的全部功能。系统首先自动定位车箱区域，动态检测直至有汽车进入取样区域并完成汽车定位。接下来输入当前所定位汽车的客户信息（户名或单位名称），该客户信息将以随机加密的编号进入后面的工序。之后，启动取样进程，系统将在完全无人干预的状态下，连续完成从“随机选择取样方案”到“自动完成取样进程”的诸多环节。授权远程终端可以远程操作完成“自动定位车箱区域”环节，而对其后的环节只能远程监视，必须由现场主机来完成。

通过中央控制系统，可以选择定位工作模式，设置定位的速度、环境变量等参数，可以选择取样控制模式，设置取样速度、取样工艺，可以打印和上传取样信息报表，还可以采用错位扫描等多种算法，完成系统自检和故障诊断。

主机软件采用Delphi编写[4],视频采集采用微软公司关于数字视频的软件包VFW，视频的传输采用Delphi提供的idUDP控件，文字信息的传输采用Delphi提供的NMUDP控件。远程控制功能的实现使用了TCPserver和TCPclient控件。

3 结论

车载物料作业机器人工作平台集自动汽车定位、自动取样控制于一体，兼容声光探测汽车定位和双目视觉汽车定位两种汽车定位系统，适应桥式取样和悬臂式取样两种控制模式，采用随机布点方案，全面适配取制样工艺，满足了取样的客观性、公正性和真实代表性，达到了国标和取制样工艺的要求。系统经过了实际工作环境下的实验、调试和检测，进一步解决了设计和安装工艺的影响，主要技术参数优于预期性能指标。

[1]GB/T18666—2002, 商品煤质量抽查和验收方法.

[2]李立新, 丁电宽.声光探测技术在汽车定位中的应用[J].压电与声光, 2010, (5).

[3]刘晓红, 文怀兴.基于双目立体视觉技术的无人化自动装载机研究[J].机械设计与制造, 2010, (12).

[4]王小华.Delphi5程序设计与控件参考[M].北京∶ 电子工业出版社, 2000.