李立新，李艾華，李建法

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

（安陽師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，安陽 455002）

0 引言

在工礦企業(yè)中，經(jīng)常需要對(duì)車載物料進(jìn)行取樣檢驗(yàn)。由于大多數(shù)取樣作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，嚴(yán)重影響到人身的健康與安全，同時(shí)，取樣中存在的人為干預(yù)現(xiàn)象，導(dǎo)致劣質(zhì)原料進(jìn)廠，提高了生產(chǎn)成本，降低了產(chǎn)品質(zhì)量。中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)GB/T18666—2002《商品煤質(zhì)量抽查和驗(yàn)收方法》[1]的頒布實(shí)施，對(duì)車載商品煤取樣方法制定了嚴(yán)格規(guī)范。為此，市場盼望形成一種達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求并滿足企業(yè)取制樣作業(yè)工藝要求的車載物料智能取樣機(jī)設(shè)備。本項(xiàng)目研制的車載物料作業(yè)機(jī)器人工作平臺(tái)正是針對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究，是把機(jī)械取樣機(jī)升級(jí)為智能化取樣機(jī)的配套控制系統(tǒng)，主要針對(duì)鋼鐵、電力企業(yè)進(jìn)廠原材料（鐵粉、焦煤）通道上的汽車物料取樣機(jī)。

1 技術(shù)方案

1.1 技術(shù)方案確定

經(jīng)過對(duì)眾多電力和鋼鐵企業(yè)汽車進(jìn)廠原料取樣狀況的調(diào)查得知：幾乎所有企業(yè)的汽車進(jìn)廠原料通道形式都是道路緩沖帶+通道式取樣區(qū)域；運(yùn)輸車輛的型號(hào)多種多樣；取樣機(jī)械主要有橋式和懸臂式兩種類型；當(dāng)前的取樣普遍存在人為干預(yù)的因素。

結(jié)合當(dāng)前技術(shù)水平，經(jīng)過反復(fù)論證后，確定了如下技術(shù)方案：1）采用雙模式全自動(dòng)汽車定位技術(shù)，適應(yīng)多樣性取樣現(xiàn)場環(huán)境條件；2）采用雙模式取樣控制，適應(yīng)橋式取樣和懸臂式取樣的不同要求；3）采用自動(dòng)隨機(jī)選擇取樣布點(diǎn)方案、強(qiáng)制性取樣進(jìn)程控制和客戶信息保密的方法，最大限度降低樣品取制驗(yàn)過程中的人為干預(yù)現(xiàn)象；4）采用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)取樣控制并全程動(dòng)態(tài)監(jiān)控取樣工程。

1.2 系統(tǒng)組成

車載物料作業(yè)機(jī)器人工作平臺(tái)有三個(gè)主要部分：中央控制系統(tǒng)、自動(dòng)汽車定位系統(tǒng)、取樣控制系統(tǒng)，如圖1所示。自動(dòng)汽車定位系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)掃描檢測車箱的長度、寬度以及停放位置，形成包括全部車箱區(qū)域的取樣區(qū)域。取樣控制系統(tǒng)用于控制全部取樣動(dòng)作。中央控制系統(tǒng)作為控制核心，協(xié)調(diào)控制自動(dòng)汽車定位系統(tǒng)和取樣控制系統(tǒng)的工作，完成隨機(jī)選擇取樣方案，以及處理客戶信息加密、解密和化驗(yàn)報(bào)表生成，并作為遠(yuǎn)程終端的控制服務(wù)器。授權(quán)遠(yuǎn)程終端既可以全程監(jiān)控取樣進(jìn)程，也可以通過現(xiàn)場的主機(jī)控制取樣操作。而制樣系統(tǒng)則是相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備，它通過接口與取樣系統(tǒng)進(jìn)行信息交換和聯(lián)動(dòng)控制。

圖1 車載物料作業(yè)機(jī)器人工作平臺(tái)系統(tǒng)組成

1.3 工藝流程

車載物料作業(yè)機(jī)器人工作平臺(tái)的工藝流程分為作業(yè)流程和信息流程。作業(yè)流程按順序包括自動(dòng)定位車箱區(qū)域、隨機(jī)選擇取樣方案、自動(dòng)完成取樣進(jìn)程三個(gè)環(huán)節(jié)。從選擇取樣方案到按所選方案完成取樣為自動(dòng)連續(xù)執(zhí)行，具有強(qiáng)制不可逆性。信息流程按順序包含客戶信息輸入、信息加密、化驗(yàn)結(jié)果輸入、客戶信息還原、產(chǎn)生報(bào)表等環(huán)節(jié)?？蛻粜畔⒁噪S機(jī)編號(hào)流轉(zhuǎn)于取樣、制樣和化驗(yàn)環(huán)節(jié)，待編號(hào)化驗(yàn)結(jié)果輸入系統(tǒng)后，再轉(zhuǎn)換為客戶信息化驗(yàn)結(jié)果，減少人為干預(yù)樣品的可能性。

2 系統(tǒng)研制

2.1 自動(dòng)汽車定位系統(tǒng)

平臺(tái)系統(tǒng)兼容兩種自動(dòng)汽車定位系統(tǒng)：聲光探測汽車定位系統(tǒng)[2]和雙目視覺汽車定位系統(tǒng)。兩種汽車定位系統(tǒng)分別需要配合不同的外部設(shè)備，能夠各自獨(dú)立完成汽車定位功能。實(shí)際工作時(shí)，由用戶選擇采用哪種定位系統(tǒng)。

2.1.1 聲光探測汽車定位系統(tǒng)技術(shù)原理

以透射式紅外光電傳感器和超聲波測距裝置相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)平面區(qū)域內(nèi)物體的定位。透射式紅外光電傳感器由紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊組成，當(dāng)收發(fā)模塊之間有物體遮擋光路時(shí)，將改變接收模塊的接收狀態(tài)，據(jù)此可以非接觸探測物體是否存在。如果把多個(gè)發(fā)射模塊和多個(gè)接收模塊按固定間隔平行排列成兩排，讓收發(fā)兩側(cè)對(duì)應(yīng)位置上的紅外模塊一對(duì)一對(duì)地按順序輪流接通工作，對(duì)其間區(qū)域進(jìn)行逐行掃描探測，則依據(jù)掃描結(jié)果不但可以判斷該區(qū)域是否有物體存在，還可以計(jì)算出物體的長度及其在該區(qū)域中的縱向相對(duì)位置。分別在物體兩側(cè)標(biāo)定位置安裝超聲波測距裝置，測出與物體的距離，就可以計(jì)算出物體的寬度及其在該區(qū)域中的橫向相對(duì)位置。

基于聲光探測的汽車定位系統(tǒng)中，由紅外發(fā)射陣列、紅外接收陣列和電子移位電路構(gòu)成紅外線電子移位逐行掃描電路，用于車箱長度和縱向停車位置的測量，由四個(gè)超聲波測距裝置構(gòu)成的測距系統(tǒng)，用于車箱寬度和橫向停車位置的測量。四個(gè)超聲波測距裝置安裝在工作區(qū)域兩側(cè)，分成兩組，分別測量前部車箱和后部車箱。

主控計(jì)算機(jī)對(duì)縱向檢測和橫向檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和分析，判斷出工作區(qū)是否有車、哪種車型，并計(jì)算出汽車在區(qū)域中的停車位置參數(shù)和車箱幾何參數(shù)。

2.1.2 雙目視覺汽車定位系統(tǒng)技術(shù)原理

雙目視覺汽車定位系統(tǒng)[3]硬件主要由照明系統(tǒng)、攝像機(jī)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。如圖2所示，系統(tǒng)由兩臺(tái)攝像機(jī)固定于取樣區(qū)域的正上部，兩者之間有一定的間距，分別可以獲得車輛及周圍場景的俯視圖，視頻輸出信號(hào)經(jīng)圖像采集卡輸入到計(jì)算機(jī)。利用雙目成像和視差理論的基本原理，軟件系統(tǒng)對(duì)兩臺(tái)不同位置攝像機(jī)拍攝的同一幅場景進(jìn)行分析、處理，通過計(jì)算兩臺(tái)攝像機(jī)公共視野中車廂邊緣上任一空間點(diǎn)在兩幅圖像中視差，可以獲取該空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)汽車定位。

圖2 圖像采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)中由于被測對(duì)象體積較大，且要求圖像連續(xù)采集，重復(fù)性要好，照明系統(tǒng)必須保證長時(shí)間提供穩(wěn)定的照明。同時(shí)為了提高系統(tǒng)的處理速度，攝像機(jī)需選用工業(yè)黑白大幅面CCD相機(jī)，選擇的鏡頭要求畸變盡可能小，圖像邊緣失真度低。圖像采集卡用于控制相機(jī)拍照，它的選擇要求與相機(jī)相匹配。本系統(tǒng)軟件部分模塊多、計(jì)算量大，要求計(jì)算機(jī)采用高速CPU和大內(nèi)存的硬件配置，從而提高系統(tǒng)的速度和效率。

軟件部分主要由車輛檢測、圖像采集、圖像拼接、圖像預(yù)處理、攝像機(jī)標(biāo)定、尺寸測量、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析、幫助與異常處理幾大模塊構(gòu)成，軟件流程如圖3所示。

2.2 取樣控制系統(tǒng)

平臺(tái)系統(tǒng)兼容兩種取樣控制模式：橋式取樣控制模式和懸臂式取樣控制模式。兩種取樣控制模式的硬件系統(tǒng)主體基本一致，但控制軟件和算法不同，通過軟件設(shè)置可以切換取樣控制模式。取樣控制軟件集成于中央控制系統(tǒng)軟件中。

橋式取樣控制系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)、控制板、驅(qū)動(dòng)板和多種傳感器組成，完成全部取樣動(dòng)作的執(zhí)行控制和狀態(tài)檢測。取樣動(dòng)作可分為三類，第一類是大小行車走行動(dòng)作，包括大行車前進(jìn)、后退，小行車前進(jìn)、后退；第二類是取樣桿動(dòng)作，包括取樣桿上升、下降，螺旋桿上旋、下旋，縮分倉開門、關(guān)門；第三類是警示動(dòng)作，包括欄桿升起、放下和響鈴。在設(shè)計(jì)上有如下特點(diǎn)：1）所有動(dòng)作控制都采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)；2）每組的兩個(gè)動(dòng)作繼電器均采用互鎖方式，確保不會(huì)同時(shí)動(dòng)作；3）取樣桿下探動(dòng)作采用行程保護(hù)和遇阻保護(hù)兩種保護(hù)模式，使取樣桿既可以下探到最大行程返回，也可以遇到阻力返回。遇阻保護(hù)模式可以保證取樣桿一直下探到車箱底面，達(dá)到全斷層取樣的目的，也可以在遇到異常情況時(shí)，達(dá)到保護(hù)取樣機(jī)和汽車的目的。

圖3 雙目視覺汽車定位軟件流程圖

懸臂式取樣與橋式取樣相比主要有兩點(diǎn)不同：一是機(jī)械結(jié)構(gòu)不同，主要是取樣頭移動(dòng)方式的不同，它通過懸臂轉(zhuǎn)動(dòng)和小行車的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)取樣頭移動(dòng)；二是軟件算法不同，在橋式取樣模式，軟件中對(duì)取樣頭的移動(dòng)控制采用直角坐標(biāo)系，而在懸臂式取樣模式時(shí)，軟件中對(duì)取樣頭的移動(dòng)控制采用極坐標(biāo)系。

2.3 中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制軟件和人機(jī)交流平臺(tái)，安裝于現(xiàn)場的主控計(jì)算機(jī)內(nèi)。它集成了自動(dòng)定位系統(tǒng)的核心軟件、取樣控制系統(tǒng)的核心軟件以及智能取樣工藝流程所需的全部功能。系統(tǒng)首先自動(dòng)定位車箱區(qū)域，動(dòng)態(tài)檢測直至有汽車進(jìn)入取樣區(qū)域并完成汽車定位。接下來輸入當(dāng)前所定位汽車的客戶信息（戶名或單位名稱），該客戶信息將以隨機(jī)加密的編號(hào)進(jìn)入后面的工序。之后，啟動(dòng)取樣進(jìn)程，系統(tǒng)將在完全無人干預(yù)的狀態(tài)下，連續(xù)完成從“隨機(jī)選擇取樣方案”到“自動(dòng)完成取樣進(jìn)程”的諸多環(huán)節(jié)。授權(quán)遠(yuǎn)程終端可以遠(yuǎn)程操作完成“自動(dòng)定位車箱區(qū)域”環(huán)節(jié)，而對(duì)其后的環(huán)節(jié)只能遠(yuǎn)程監(jiān)視，必須由現(xiàn)場主機(jī)來完成。

通過中央控制系統(tǒng)，可以選擇定位工作模式，設(shè)置定位的速度、環(huán)境變量等參數(shù)，可以選擇取樣控制模式，設(shè)置取樣速度、取樣工藝，可以打印和上傳取樣信息報(bào)表，還可以采用錯(cuò)位掃描等多種算法，完成系統(tǒng)自檢和故障診斷。

主機(jī)軟件采用Delphi編寫[4],視頻采集采用微軟公司關(guān)于數(shù)字視頻的軟件包VFW，視頻的傳輸采用Delphi提供的idUDP控件，文字信息的傳輸采用Delphi提供的NMUDP控件。遠(yuǎn)程控制功能的實(shí)現(xiàn)使用了TCPserver和TCPclient控件。

3 結(jié)論

車載物料作業(yè)機(jī)器人工作平臺(tái)集自動(dòng)汽車定位、自動(dòng)取樣控制于一體，兼容聲光探測汽車定位和雙目視覺汽車定位兩種汽車定位系統(tǒng)，適應(yīng)橋式取樣和懸臂式取樣兩種控制模式，采用隨機(jī)布點(diǎn)方案，全面適配取制樣工藝，滿足了取樣的客觀性、公正性和真實(shí)代表性，達(dá)到了國標(biāo)和取制樣工藝的要求。系統(tǒng)經(jīng)過了實(shí)際工作環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)、調(diào)試和檢測，進(jìn)一步解決了設(shè)計(jì)和安裝工藝的影響，主要技術(shù)參數(shù)優(yōu)于預(yù)期性能指標(biāo)。

[1]GB/T18666—2002, 商品煤質(zhì)量抽查和驗(yàn)收方法.

[2]李立新, 丁電寬.聲光探測技術(shù)在汽車定位中的應(yīng)用[J].壓電與聲光, 2010, (5).

[3]劉曉紅, 文懷興.基于雙目立體視覺技術(shù)的無人化自動(dòng)裝載機(jī)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2010, (12).

[4]王小華.Delphi5程序設(shè)計(jì)與控件參考[M].北京∶ 電子工業(yè)出版社, 2000.