CN101424517B - 叉车货叉自然下滑量的自动测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叉车货叉自然下滑量的自动测量系统。包括CCD图像采集系统、二维转动平台、目标LED和液压系统。CCD图像采集系统由PC机、图像采集CCD、图像采集卡、长焦距透镜和短焦距透镜组成；二维转动平台由角度编码器和二维转动架和驱动电机组成，把长、短焦距透镜安装在二维转动架，用驱动电机驱动二维转动架转动，通过透镜成像跟踪目标LED，角度编码器装在转动轴上记录角度；把叉车货叉安装在货叉试验台上，再把目标LED固定在叉车货叉壁上，通过液压系统代替叉车动力系统来提供动力。自然下滑量通过长焦距透镜成像后的图像用图像处理软件精确检测得到。使叉车货叉自然下滑量的测量精度超出目前市场精度要求一个数量级。

Description

叉车货叉自然下滑量的自动测量系统

技术领域

本发明涉及一种自动测量系统，尤其是涉及一种叉车货叉自然下滑量的自动测量系统。

背景技术

目前我国全社会物流成本占GDP的比重连续7年在21.3％上下徘徊，而国外物流发达国家的水平是10％左右。国内物流业仍处在高速发展阶段。叉车作为物流的一个重要工具，其普及使用将大大缩减企业的物流成本。面对这个庞大的细分市场，世界上所有先进的叉车品牌都已以各种形式进入中国市场。中国本土的叉车工程机械厂应该提升自己产品的质量来占领中国市场刻不容缓。(杭州叉车工程机械股份有限公司作为国内叉车行业的骨干企业之一，从2001年到2005年销量平均增长速度41.8％，2005市场占有率年达到了35.9％。但2005年，由于受生产技术的限制，销售只增长8％。明显低于国内平均水平。)叉车门架是叉车的起升工作装置，是叉车的主要部件。其质量的好坏直接决定了叉车的性能优劣。叉车正朝着高升降度发展。三层门架高度达到6米以上。高门架的性能对叉车整体性能的影响更为重要。现在国内门架的生产工艺，特别是检测手段比较落后，以人工和原始手段为主，严重制约了产品质量和整机性能的提升。(门架升降高度和速度的检测目前比较先进的技术是使用激光测距仪。但激光测距仪的特点是只能测量门架上一个点的移动情况。对整个门架的运动情况需要多台激光测距仪从前后左右不同方位上同时工作。由于门架在生产过程中需要使用行车对门架进行起吊运输操作。有些方位上不允许安装激光测距仪。而且不同的门架形状尺寸不同，使用激光测距仪时，需要调节测距仪的位置。由于门架上升高度可达6米多，位置调节比较困难。因此激光测距仪难以实现叉车门架前后左右倾斜等多参数的测量。)其中叉车货叉的自然下滑量目前还没有比较先进的方法进行测量，并且精度不高。自由下滑量是叉车货叉的一个非常重要的质量性能参数。要想提高叉车的质量就需要有一种先进的测量技术来解决这个问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种叉车货叉自然下滑量的自动测量系统，采用快速图像采集目标LED像和图像处理软件处理采集到的图像，使叉车货叉自然下滑量的测量精度超出目前市场精度要求一个数量级。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

包括CCD图像采集系统、二维转动平台、目标LED结构和液压系统；其中：

1)CCD图像采集系统：在长焦距透镜和短焦距透镜后面分别接图像采集CCD，图像采集卡与CCD相连，把图像采集卡插在PC机上；

2)二维转动平台：在底板装有固定托板，在固定托板下面分别安装水平面驱动电机和水平方向角度编码器，水平面驱动电机输出轴上装有同步带轮，水平方向角度编码器的水平方向转动轴穿过固定托板，位于固定托板下面的水平方向转动轴上装有同步带轮，水平面驱动电机上的同步带轮与水平方向角度编码器上的同步带轮用同步带转动连接，水平面转动的U型架安装在位于固定托板上面的水平方向转动轴端面，垂直方向转动U型架安装在水平面转动U型架内，水平面转动U型架的右侧安装垂直方向驱动电机，垂直方向驱动电机轴穿过水平面转动U型架与垂直方向转动U型架固定连接，左垂直转动轴穿过水平面转动U型架后，其一端与垂直方向转动U型架固定连接，左垂直转动轴另一端连接垂直方向角度编码器，在垂直方向转动U型架底面上安装一个短焦距透镜和一个长焦距透镜，控制电路板与水平驱动电机和垂直方向驱动电机连接；

3)目标LED：

在前面板上开个出光孔和装有固定磁铁，在后面板上装有电路板，电路板上的四个LED分别对准前面板的四个出光孔，LED发出的光被短焦距透镜和长焦距透镜跟踪，把目标LED固定在叉车货叉上，液压系统代替叉车动力系统。

本发明具有的有益效果是

目前在国内外还没有可以精确测量出叉车货叉的自然下滑量的测量系统。自然下滑量在本系统中通过长焦距透镜成像后的图像用图像处理软件精确检测得到。使叉车货叉自然下滑量的测量精度超出目前市场精度要求一个数量级。大大提升了我国叉车的生产质量和市场竞争力，让叉车在实际物流应用中更安全更方便。

附图说明

图1是本发明的自动检测框架图。

图2是本发明中的目标LED排列示意图。

图3是本发明目标LED结构主视图。

图4是本发明目标LED结构俯视图之一。

图5是本发明目标LED结构俯视图之二。

图6是本发明二维转动平台主视图。

图7是本发明二维转动平台右视图。

图8是本发明二维转动平台俯视图。

图9是本发明二维转动平台的控制电路板。

图10是本发明目标LED电路板原理图。

图11是本发明二维转动平台电路板图。

图中：1-固定磁铁，2-手柄，3-固定螺钉，4-电路板，5-供电电池，6-LED，7-前面板8-后面板，9左侧板，10-右侧板，11-下底板，12-磁铁固定板，13-上顶板，14-固定螺孔15-电池固定板，16-水平面驱动电机，17-固定支板，18-同步带动轴，19-固定托板，20-轴承，21-水平面转动U型架，22-垂直方向角度编码器，23-左垂直方向转动轴，24-控制电路板，25-保护罩，26-左侧板，27-短焦距透镜，28-长焦距透镜，29-右侧板，30-垂直方向驱动电机，31-垂直方向驱动电机轴，32-垂直方向转动U型架，33-固定轴套，34-水平方向转动轴，35-同步带动轴，36-水平方向角度编码器，37-固定支板，38-底板，39-固定螺钉，40-电源端口，41-控制电路板，42-驱动电路板，43-U型固定座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明包括以下部分：

1)CCD图像采集系统：它由PC机、图像采集CCD、图像采集卡、长焦距透镜28和短焦距透镜27组成。在长焦距透镜28和短焦距透镜27后面分别接图像采集CCD，图像采集卡与CCD相连，把图像采集卡插在PC机上。

2)二维转动平台：它由角度编码器和二维转动架和驱动电机组成。把长焦距透镜和短焦距透镜安装在二维转动架，用驱动电机驱动二维转动架二维转动通过透镜成像来跟踪目标LED，角度编码器安装在转动轴上来记录角度。

3)液压系统：把叉车货叉安装在货叉试验台上，再把目标LED固定在叉车货叉壁上，通过液压系统代替叉车动力系统来提供动力。

在图2中，由四个直径为d的LED组成，4个光源成正方形排列，对角光源中心点间的距离为D。四个LED通过毛玻璃使各个方向上的发光亮度一致后经过前面板上的出光孔出射。用LED有如下优点：光源明亮，体积小，发光效率高，寿命长，直流供电，安全可靠。

在图3，图4，图5中，前面板7上开4个通光孔，从通光孔射出LED6，在前面板7上开个孔安装固定磁铁1的开关，在右侧板10上安装把柄2。在后面板上通过固定螺钉固定电路板4，使电路板上的四个LED刚好对准前面板7的四个出光孔。供电电池5用电池固定板15固定于左侧板上。下底板11有充电插槽。六块侧板用固定螺钉构成一个方盒。

在图6，图7，图8，图9中，在底板38上安装四块固定支板17支撑起固定托板19。在固定托板19下面安装固定U型座43。在固定U型座43上安装水平面驱动电机16，水平面驱动电机16连接同步带轮18，同步带轮18用皮带连接同步带轮35，同步带轮35带动水平方向转动轴34使固定在轴上的水平面转动U型架21水平方向转动。其中固定轴套33安装在固定托板19，在固定轴套33里安装轴承20，在轴承20里安装水平方向转动轴34。水平方向转动轴34的下面安装水平方向角度编码器36，水平方向角度编码器36用来记录水平方向转动过的角度。水平面转动U型架21的右侧板上安装垂直方向驱动电机30，垂直方向驱动电机驱动右水平方向转动轴34。垂直方向转动U型架32通过左垂直方向转动轴23和右水平方向转动轴架34在水平面转动U型架21中可以垂直方向转动。左垂直方向转动轴23的左侧安装垂直方向角度编码器22，用来记录垂直方向上转过的角度。垂直方向转动U型架32上安装两个长短焦距的透镜短焦距透镜27和长焦距透镜28。把控制电路板24固定在底板38上。最后用保护罩25，套在护整个二维转动平台。

在图10中，所述电路板4上分别装有两个三极管Q1、Q2，第一个二极管D1、第二个二极管D2和第二阻R2串联，第一个LED1和第二个LED2串联，第一个三极管Q1的基极与第二个二极管D2负极和第二电阻R2的一端连接，第一个三极管Q1的发射极与第一电阻R1的一端连接，第一个三极管Q1的集电极与第一个LED1的正极连接；第三个二极管D3、第四个二极管D4和第四阻R4串联，第三个LED3和第四个LED4串联，第二个三极管Q2的基极与第四个二极管D4负极和第四电阻R4的一端连接，第二个三极管Q2的发射极与第三电阻R3的一端连接，第二个三极管Q2的集电极与第三个LED3的正极连接；第五电阻R5、反向稳压管D5和第五个LED5串联，第四个LED4的负极、第四电阻R4的另一端、第二个LED2的负极、第二电阻R2的另一端和第五个LED5的负极接电池的负极；第三电阻R3的另一端、第三个二极管D3的正极、第一电阻R1的另一端、第一个二极管D1的正极和第五电阻R5的另一端经开关SW1接电池的正极。其中LED1，LED2，LED3，LED4是四个目标光源，LED5用来做电源的指示灯。

在图11中，所述控制电路板24上的型号为Q3HB64MA第一电路驱动器DR1和型号为Q3HB64MA第二电路驱动器DR2的HV接口分别与第一变压器TR1和第二变压器TR2连接，两个变压器接220V电源；第一电路驱动器DR1的U、V、W端口接水平面驱动电机16的U、V、W端口；第二电路驱动器DR2的U、V、W端口接垂直方向驱动电机30的U、V、W端口；两个驱动器的OPTO、CP、DIR、FREE通过总线分别与各自单片机的第一单片机cpu2和第二单片机cpu1的CP+、DIR+、EN+、负电位相连；第一单片机cpu2和第二单片机cpu1的限位开关总线与各自的12V的限位器相连；第一单片机cpu2和第二单片机cpu1串联后经RS232串口与PC机相连。

首先把待测叉车货叉安置在液压货叉试验台上，再把目标LED通过固定磁铁1固定在叉车货叉壁上，使其随货叉一起升降。在离固定试验台水平4米远处，把二维转动平台固定在离地面4米高的地方，并使长短焦距镜头对着目标LED方向，拿去保护罩25，准备跟踪目标LED，进行图像采集。通过控制台设置液压站的工作方式来给货叉升降提供动力。通过PC机使系统初始化后，进入检测阶段。

系统利用短焦距透镜27，长焦距透镜28进行成像，其成像目标为两个对角LED的距离D。LED规则排列，方便图像的识别。当货叉运动时，LED在CCD上的成像将会形成拖影。由于二个LED的拖影是基本相同，LED彼此间的对角中心D可以认为保持不变。因此可用两个LED的对角中心距离作目标物高。这个目标光源的设计为图象处理提供了极大的方便。

二个成像透镜安装在二维转动平台上。短焦距透镜27成像有较大的视场角，保证货叉上下运动时目标LED可以始终在短焦距透镜27的视场范围内，使二维转动平台能实时跟踪到目标LED。长焦距透镜28成像其视场角小，对成像目标成一个放大的像，用来测量目标位置的细小变化。当货叉运动到指定高度停止时，通过二维转动平台的转动跟踪到目标LED，用长焦距透镜28成像，使目标LED完整成像在长焦距透镜的CCD像面上。通过图像采集系统对不同时刻的目标进行采集并传输回采集到的数据和通过蓝牙无线传输回角度编码器计录的角度信息。系统利用图像处理软件对短焦距透镜27所成目标图像的处理就可计算出叉车的运动高度和速度。当门架在指定高度停止后，长焦距透镜28跟踪到目标LED，并进行图像采集。系统再利用图像处理软件对长焦距透镜28所成目标图像的处理就可以算出自然微下滑量。其中自然微下滑量是当叉车货叉上升到指定点叉车货叉停止运动，由于在实际情况中叉车货叉会慢慢的往下移动，这个微小量称之为自然下滑量。

其中本系统中用到的CCD是1/3英寸大小，800×600像素的规格，长焦距透镜的焦距为200mm，短焦距透镜的焦距为35mm。蓝牙无线传输用的是由南京国春电气设备有限公司出的GC-05蓝牙集成块，图像采集卡用的是CG300。

目前在国内外还没有可以精确测量出叉车货叉的自然下滑量的测量系统。自然下滑量在本系统中通过长焦距透镜精确检测到。具体原理如下：在CCD像面上，LED中心距D对应的像素为N，1个像素对应的物体高度a：

a＝D/N

如果经过一段时间后，LED光源中心点下移了n个像素，则自然下滑量Δs

Δs＝a×n

当长焦距取40cm，D为10cm，物距为4米时，a约为0.14mm。自然下滑量的误差由CCD像素分辨率决定。由前面的分析，一个像素对应0.14mm，这个就是微下移的测量误差。100mm对应的相对测量误差为0.14％。这种测量精度满足实际生产要求并超出了一个数量级的精度。

液压工作站配置：

储油箱：1000升储油量(含进出油孔，液位显示等)

三相电机：28KW 1470rpm

液压泵：80SCY14-1B

冷却方式：风冷

防振压力表：25MPax6

换向阀：上下方向控制阀一个、前后倾方向控制阀一个、下降流量控制阀、前后倾速度控制阀

电控箱(下位机)：变频器：28KW

接触器：

换向控制继电器：

控制开关：

电流互感器及电流表：75A

液压工作站主要技术指标：

适应范围：吨位：2.5吨。最大高度4.5米。

下降速度可调范围：300-600mm/s

上升速度可调，最大值500mm/s

倾斜速度可调范围：1-5mm/s

Claims (3)

1.一种叉车货叉自然下滑量的自动测量系统，其特征在于：包括CCD图像采集系统、二维转动平台、目标LED结构和液压系统；其中：

1)CCD图像采集系统：在长焦距透镜(28)和短焦距透镜(27)后面分别接图像采集CCD，图像采集卡与CCD相连，把图像采集卡插在PC机上；

2)二维转动平台：在底板(38)装有固定托板(19)，在固定托板(19)下面分别安装水平面驱动电机(16)和水平方向角度编码器(36)，水平面驱动电机(16)输出轴上装有同步带轮(18)，水平方向角度编码器(36)的水平方向转动轴(34)穿过固定托板(19)，位于固定托板(19)下面的水平方向转动轴(34)上装有同步带轮(35)，水平面驱动电机(16)上的同步带轮(18)与水平方向角度编码器(36)上的同步带轮(35)用同步带转动连接，水平面转动U型架(21)安装在位于固定托板(19)上面的水平方向转动轴(34)端面，垂直方向转动U型架(32)安装在水平面转动U型架(21)内，水平面转动U型架(21)的右侧安装垂直方向驱动电机(30)，垂直方向驱动电机轴(31)穿过水平面转动U型架(21)与垂直方向转动U型架(32)固定连接，左垂直转动轴(23)穿过水平面转动U型架(21)后，其一端与垂直方向转动U型架(32)固定连接，左垂直转动轴(23)另一端连接垂直方向角度编码器(22)，在垂直方向转动U型架(32)底面上安装一个短焦距透镜(27)和一个长焦距透镜(28)，控制电路板(24)与水平面驱动电机和垂直方向驱动电机连接；

3)目标LED：

在前面板(7)上开4个出光孔和装有固定磁铁(1)，在后面板上装有电路板(4)，电路板(4)上的四个LED分别对准前面板(7)的四个出光孔，LED发出的光被短焦距透镜(27)和长焦距透镜(28)跟踪，把目标LED固定在叉车货叉上，液压系统代替叉车动力系统。

2.根据权利要求1所述的一种叉车货叉自然下滑量的自动测量系统，其特征在于：所述控制电路板(24)上的型号为Q3HB64MA第一电路驱动器(DR1)和型号为Q3HB64MA第二电路驱动器(DR2)的HV接口分别与第一变压器(TR1)和第二变压器(TR2)连接，两个变压器接220V电源；型号为Q3HB64MA第一电路驱动器(DR1)的U、V、W端口接水平面驱动电机(16)的U、V、W端口；型号为Q3HB64MA第二电路驱动器(DR2)的U、V、W端口接垂直方向驱动电机(30)的U、V、W端口；型号为Q3HB64MA第一电路驱动器的OPTO、CP、DIR、FREE通过总线与第一单片机(cpu2)的CP+、DIR+、EN+、负电位相连，型号为Q3HB64MA第二电路驱动器的OPTO、CP、DIR、FREE通过总线与第二单片机(cpu1)的CP+、DIR+、EN+、负电位相连；第一单片机(cpu2)和第二单片机(cpu1)的限位开关总线与各自的12V的限位器相连；第一单片机(cpu2)和第二单片机(cpu1)串联后经RS232串口与PC机相连。

3.根据权利要求1所述的一种叉车货叉自然下滑量的自动测量系统，其特征在于：所述电路板(4)上分别装有两个三极管(Q1、Q2)，第一个二极管(D1)、第二个二极管(D2)和第二电阻(R2)串联，第一个LED和第二个LED串联，第一个三极管(Q1)的基极与第二个二极管(D2)负极和第二电阻(R2)的一端连接，第一个三极管(Q1)的发射极与第一电阻(R1)的一端连接，第一个三极管(Q1)的集电极与第一个LED的正极连接；第三个二极管(D3)、第四个二极管(D4)和第四电阻(R4)串联，第三个LED和第四个LED串联，第二个三极管(Q2)的基极与第四个二极管(D4)负极和第四电阻(R4)的一端连接，第二个三极管(Q2)的发射极与第三电阻(R3)的一端连接，第二个三极管(Q2)的集电极与第三个LED的正极连接；第五电阻(R5)、反向稳压管(D5)和第五个LED串联，第四个LED的负极、第四电阻(R4)的另一端、第二个LED的负极、第二电阻(R2)的另一端和第五个LED的负极接电池的负极；第三电阻(R3)的另一端、第三个二极管(D3)的正极、第一电阻(R1)的另一端、第一个二极管(D1)的正极和第五电阻(R5)的另一端经开关(SW1)接电池的正极。

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