基于激光测距的车载沙石体积测量系统

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预拌混凝土是国家建设的基础生产物资，其需求量大。预拌混凝土的原材料成本占了整个成本的70%以上，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-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土的质量和成本。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-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，基金项目：四川势技厅科技支撑项 目(2009GZ0009)收稿 日期：2012-02-29 收修改稿日期：2012-09-28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。文献[3-5]介绍了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-特定的诚，也需要大量二次开发工作。基于图像采集进行体积测量 I9 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诚。

为实现对车载沙石表面的扫描，设计了 -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-确定车辆，如图1、图2，车厢内壁的长度(沙石长度)U、宽度(沙石宽度)b和底部距离地面的高度h 是确定的。

将沙石分为若干个长方体，车载沙石的体积 计算如下：V∑AS h (1)当AS 为定值时，式(1)可为：Instrument Technique and Sensor Feb.2015(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。

(5)通信拈。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拈分别和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拈均采用有源转换器。

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：(1)测距仪安装高度 h ；(2)Z脉冲和测距仪垂直位置间的脉冲数 及偏转方向。

如图5，在-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，测距仪不在垂直位置 ，所以需先将下箱体和测距仪调整到正确位置。

面 r-厂 丽]测量循环开始I l I读编码器脉冲电机轨钾制[ 口测量距离测量循环结柬. . . . . . . . . . . . . . . . I . ...- 数据处理. . . . . . . . . . . . . . . . ：I[. ...- 垂直位置校准图5 -车沙石测量过程然后进入循环，以获得多个 2 ，此处的循环实际上包含了2重循环，分别为旋转电机的运动循环和偏转电机的运动循环。

在循环中，先调用电机轨钾制拈控制电机的运动，这个拈主要完成的工作有获得当前运动参数(脉冲数和方向)、向PLC发送当前运动参数和记录当前电机运动位置。当前电机运动位置的记录是为了保证测量过程中出现问题时，在错误处理拈中能根据记录的数据回到正确位置。

在距离测量前后均会使用到延时拈，其主要功能是采用延时，使电机运动到规定的位置后开始距离测量；在距离测量完毕后开始下-次运动。延时策略详见第4部分。

数据处理除了进行在第2部分阐述的计算原理外，由于测量的过程中测距仪可能测量到车载沙石外的点 ，所以还要进行数据的有效性判断，即边界的判断，边界判断详见第 5部分。

最后进行垂直位置校准，因为机器正常运行-段时间后也会由于步进电机的掉步出现测距仪测量第-特征点时不在垂直位置的情况，虽然这并不会影响到测量的精度(因为角度是由轴编码器的脉冲数(n )/4 096确定)，但是偏转电机的轨钾制以垂直位置为起点，偏差太大会引起轨钾制的错误，而且边界判断也是以第-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-个动作。

在-个特征点距离测量的过程中，核心动作有 5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之问可以同时进行，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量姿态后进行距离测量，此处延时称为t.。动作3和动作 1之间需进行延时，以保证-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：。

所使用的激光测距仪在沙石体积测量系统所测量的距离范围内费时相差不大，每个特征点的测量费时不超过3 s，所以固定t：3 S.t 和旋转角度的大小相关，在系统中，t 采用式(4)确定：tlkn pulses (g)式中：npulses为电机旋转脉冲数； 为修正系数，和步进电机的转速有关。

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h 8 nl，测距仪到沙石表面的垂直高度 P 2～4 m，当测量点没有在沙石上，即测量到测距仪到地面的距离 ，有式(5)：PehbL cos3 P P42 (5) - 。，式中：e为下标的表示无效点的数据 ；e为下标的表示有效点的数据。

因为地面不平整，P。不可能精确等于h ，但不会相差太大；再因为P 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。

在实际应用中，以式(6)作为判断依据：第2期 吉华等：基于激光测距的车载沙石体积测量系统 45-PiL P 2 (6) l co ! l -式中：1为下标的表示第 1个特征点的数据 ；i为下标的表示其他特征点的数据。

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-个特征点的数据P。为判断依据。

图6 边界判断6 结论(1) -Y平面旋转与 Y- 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)系统核心拈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，使得核心拈既可单独使用，又可实现与ERP系统集成，成为ERP系统的有益拈。

车载沙石体积激光测量系统为典型机电-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-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。