CN110360937B - 一种基于激光测距仪的纸卷幅宽自动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测距仪的纸卷幅宽自动测量系统和方法，包括第一激光测距仪，第二激光测距仪，工控机及自动测量软件。激光测距仪实时将测量距离信息通过串口线以报文形式传送至工控机，工控机接收激光测距仪的实时测量数据并转发给自动测量软件。自动测量软件接收到实时测量值，并结合计算好的固定参数，依据几何公式：W=D‑(X*COSα+Y*COSβ)，实时计算纸卷幅宽值。本发明利用高精度的激光测距仪，使测量精度达到毫米级。同时提供一种固定参数的计算、校准和调整的方法，确保自动测量时所使用的固定参数的正确性，提高了纸卷幅宽测量的精度。

Description

一种基于激光测距仪的纸卷幅宽自动测量方法

技术领域

本发明是一种基于激光测距仪的纸卷幅宽自动测量方法，尤其是纸卷输送过程中的幅宽测量，适用于造纸行业。

背景技术

复卷机，是一种用于纸类、云母带、薄膜的专用设备，其用途是将造纸机生产出来的纸卷(称为原纸卷)进行依次复卷，纸张经过复卷后做成成品纸入库。在入库之前需要采集纸卷的各项指标信息，包括纸卷测量幅宽。传统的人工测量和其他接触式测量方式，存在效率低、人工成本高、不适用于自动输送状态中的纸卷等问题。

一种造纸行业应用比较广泛的工作方式，是利用物理公式“距离＝时间×速度”的方式。此种工作方式要求被测物体的运动速度保持匀速。在实际应用中，经常由于输送设备的功率不稳定，编码器的误差等原因，造成测量值与实际值误差过大，达不到误差小于5毫米的精度要求。比如中国专利CN206208206U“一种非接触式卷材宽度检测装置”就是利用编码器测速的原理。

发明内容

为了实现纸卷幅宽的自动测量并解决测量精度达不到精度要求的问题，本发明提供一种基于激光测距仪的纸卷幅宽自动测量方法。安装在纸卷输送方向一前一后的激光测距仪(与水平方向夹角在0度和90度之间、精度为毫米)，可以自动获取激光发射点到纸卷端面的距离(令距离为X、Y)，通过几何公式W＝D-(X*COSα+Y*COSβ)并结合计算出的固定参数值D、COSα、COSβ可以自动精确测量出纸卷幅宽。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于激光测距仪的纸卷幅宽自动测量系统，包括第一激光测距仪，第二激光测距仪，工控机和自动测量软件。所述激光测距仪，用于实时将测量距离信息以报文形式通过串口线传送至所述工控机。安装位置可根据现场情况灵活调整，但必须安装在纸卷输送方向的一前一后，且要保证安装完成之后激光点能照射到纸卷的端面且不经过纸芯管。

所述工控机，用于接收所述激光测距仪的实时测量数据并运行所述自动测量软件。工控机提供串行接口，通过串口线连接至激光测距仪实时采集数据。

所述自动测量软件，用于固定参数计算、校准和调整，测量值实时显示。自动测量软件通过监控工控机串行接口，实时获取激光测距仪测量数据。获取测量数据后，根据固定参数自动实时计算并显示出纸卷幅宽。

一种基于激光测距仪的纸卷幅宽自动测量方法，基于几何公式W＝D-(X*COSα+Y*COSβ)(式1)，W为纸卷测量幅宽值，D为两个激光测距仪间水平投影面上的距离，X为纸卷后方激光测距仪的读数，Y为纸卷前方激光测距仪的读数，α为纸卷后方激光测距仪与水平投影面上的倾斜角，β为纸卷前方激光测距仪与水平投影面上的倾斜角。其中X、Y可以通过激光测距仪读数自动精确获取，而固定参数D、COSα、COSβ需手动测量，但手动测量无法保证精确度。故此方法分为两个阶段：精确计算固定参数D、COSα、COSβ，实时测量和显示纸卷幅宽，包含以下步骤：

步骤1：固定参数D、COSα、COSβ在激光测距仪安装，化简公式为W＝D-(X*K*COSβ+Y*COSβ)。由于固定参数D、COSα、COSβ在激光测距仪安装完成之后，都具有确定性和唯一性，所以角度比K＝COSα/COSβ也是固定值，故所述式1可以简化为W＝D-(X*K*COSβ+Y*COSβ)。

步骤2：计算角度比K。同一个纸卷，如果将纸卷停于输送设备的不同位置，则可以根据

得到角度比K的计算公式/>

因此，可以选取端面平整的纸卷，将其均匀地停放于输送设备的不同位置，记录下两个激光测距仪的读数，再根据角度比K的计算公式计算两个激光测距仪角度比K。理论上样本数据越多，计算得到的K值会越精确。根据经验，如果有20组以上的样本数据，计算得到的K值会非常准确。

步骤3，校验K值是否正确。从公式W＝D-(X*K*COSβ+Y*COSβ)中可以得到，在D、COSβ、W固定的情况下，如果K值不正确，那么同一纸卷停于输送设备不同位置时，得到的测量幅宽将会不同。因此，在计算得到K值后，可以将同一个纸卷停放于输送设备的不同位置，检查其测量幅宽值是否一致或者差别极小(差别小于3毫米、无需测量幅宽值正确)，如果测量的幅宽值一致(或差别极小)，则表明角度比K值精确。如果差别较大，则需要根据步骤2重新校准K值。

步骤4，计算角度余弦值COSβ。两个不同幅宽的纸卷，根据式2可以得到角度余弦值的计算公式：

因此，可以选取端面平整的纸卷，将其停放于输送设备上，记录下两个激光测距仪的读数，再根据角度余弦值的计算公式计算COSβ。理论上样本数据越多、幅宽跨度越大，计算得到的COSβ越精确。根据经验，如果有100组以上的样本数据，计算得到的COSβ值会非常准确。同时，样本数据可以保存到数据库中，为步骤5中COSβ值的校验和微调提供数据支撑。

步骤5，校验COSβ值是否正确及微调。由式1可以发现如下规律：如果计算得到的角度值不准确，则幅宽较小的纸卷，由于激光读数X和Y值大，测量幅宽的误差值也会比幅宽大的纸卷大。幅宽较大的纸卷，由于激光读数X和Y小，测量幅宽的误差值也会较小。进一步观察可以发现最小幅宽纸卷的平均误差值Δw₁和最大幅宽纸卷的平均误差值Δw_n与cosβ存在以下关系：如果Δw₁-Δw_n＞0，说明计算得到的cosβ比真实值小；如果Δw₁-Δw_n＜0，说明计算得到的cosβ比真实值大；如果Δw₁-Δw_n＝0，则说明cosβ计算准确。根据以上规律，可以将计算得到cosβ进行微调，微调的步骤是以

作为微调的上限值，将/>

为每次调整的值(m为迭代的次数，根据经验，3<m<10为宜)。如果Δw₁-Δw_n＞0，将计算得到的cosβ减去/>

并再次计算Δw₁和Δw_n值，如果迭代后的Δw₁-Δw_n较迭代前Δw₁-Δw_n小，则cosβ继续减去/>

再次进行迭代，直至迭代后的Δw₁-Δw_n<0，则说明已经找到最接近真实值的角度值，完成迭代；反之，如果Δw₁-Δw_n＜0，则说明需要将计算得到的角度值加/>

后进行迭代，直至Δw₁-Δw_n＞0。

步骤6，根据角度余弦值COSβ和角度比K计算另一角度于余弦COSα。得到精确的COSβ后，就可以根据角度比K求得另外一个测距仪的角度值COSα。

步骤7，最后根据计算出的COSα、COSβ和任何一组测试数据计算出D。根据角度余弦值COSα、COSβ和任何一组测试数据得到。

步骤8，根据D、COSα、COSβ、X、Y结合公式W＝D-(X*COSα+Y*COSβ)，自动计算纸卷幅宽W。精确计算出D、COSα、COSβ后，结合激光测距仪实时获取的读数X、Y根据公式W＝D-(X*COSα+Y*COSβ)，可以实时计算出纸卷幅宽W。

本发明的有益效果：与传统的人工测量和其他接触式测量方式相比，提高了效率、降低了人工成本、适用于自动输送状态中的纸卷、并且能够安装在纸卷运动方向；与利用编码器测速原理的技术相比，提高了测量精度，在实际应用中能达到5毫米的精度要求。

附图说明

图1为系统结构框图。

图2为纸卷幅宽自动测量的数学模型图。

图3为纸卷幅宽自动测量方法流程图。

图4为自动测量软件计算角度比的界面。

图5为自动测量软件计算角度及距离的界面。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1和图2，系统总体构架包括第一激光测距仪、第二激光测距仪、工控机、自动测量软件。第一激光测距仪和第二激光测距仪通过串口线连接至工控机，用户通过工控机上运行的自动测量软件进行纸卷幅宽的自动测量。在测量之前需要用自动测量软件进行参数的计算和校准。激光测距仪用于测量激光发射点和纸卷端面的距离(精度为毫米)并通过串口线传送给工控机。工控机的任务是通过设备自带的串口接收上述测量数据，并运行图4和图5所示的测量软件。

自动测量软件主要是用计算机程序的方式实现图3所示的参数计算方法，从而达到自动精确测量和显示纸卷幅宽的目的。在实际应用中，参数计算只需在激光测距仪安装完成之后进行一次，如激光测距仪位置没有调整，无需进行重复的参数计算。该自动测量方法包含以下八个步骤：

步骤1：化简公式为W＝D-(X*K*COSβ+Y*COSβ)。由于固定参数D、COSα、COSβ在激光测距仪安装完成之后，都具有确定性和唯一性，所以角度比K＝COSα/COSβ也是固定值，故公式W＝D-(X*COSα+Y*COSβ)可以简化为W＝D-(X*K*COSβ+Y*COSβ)。

步骤2：计算角度比K。选取端面平整的纸卷，将其均匀地停放于输送设备的不同位置，记录下两个激光测距仪的读数，再根据角度比K的计算公式计算两个激光测距仪角度比

理论上样本数据越多，计算得到的K值会越精确。根据经验，如果有20组以上的样本数据，计算得到的K值会非常准确。

步骤3：校验角度比K的准确性。从公式W＝D-(X*K*COSβ+Y*COSβ)中可以得到，在D、COSβ、W固定的情况下，如果K值不正确，那么同一纸卷停于输送设备不同位置时，得到的测量幅宽将会不同。因此，在计算得到K值后，可以将同一个纸卷停放于输送设备的不同位置，检查其测量幅宽值是否一致或者差别极小(差别小于3毫米、无需测量幅宽值正确)，如果测量的幅宽值一致(或差别极小)，则表明角度比K值精确。如果差别较大，则需要根据步骤2重新校准K值。

步骤4：计算角度余弦值COSβ。两个不同幅宽的纸卷，根据公式

可以得到角度余弦值计算公式：/>

因此，可以选取端面平整的纸卷，将其停放于输送设备上，记录下两个激光测距仪的读数，再根据角度余弦值的计算公式计算COSβ。理论上样本数据越多、幅宽跨度越大，计算得到的COSβ越精确。根据经验，如果有100组以上的样本数据，计算得到的COSβ值会非常准确。同时，样本数据可以保存到数据库中，为步骤5中COSβ值的校验和微调提供数据支撑。

步骤5：校验角度余弦值COSβ及微调。由公式W＝D-(X*K*COSβ+Y*COSβ)可以发现如下规律：如果计算得到的角度值不准确，则幅宽较小的纸卷，由于激光读数X和Y值大，测量幅宽的误差值也会比幅宽大的纸卷大。幅宽较大的纸卷，由于激光读数X和Y小，测量幅宽的误差值也会较小。进一步观察可以发现最小幅宽纸卷的平均误差值Δw₁和最大幅宽纸卷的平均误差Δw_n与cosβ存在以下关系：如果Δw₁-Δw_n＞0，说明计算得到的cosβ比真实值小；如果Δw₁-Δw_n＜0，说明计算得到的cosβ比真实值大；如果Δw₁-Δw_n＝0，则说明cosβ计算准确。根据以上规律，可以将计算得到cosβ进行微调，微调的步骤是以

作为微调的上限值，将/>

为每次调整的值(m为迭代的次数，根据经验，3<m<10为宜)。如果Δw₁-Δw_n＞0，将计算得到的cosβ减去/>

并再次计算Δw₁和Δw_n值，如果迭代后的Δw₁-Δw_n较迭代前Δw₁-Δw_n小，则cosβ继续减去/>

再次进行迭代，直至迭代后的Δw₁-Δw_n<0，则说明已经找到最接近真实值的角度值，完成迭代；反之，如果Δw₁-Δw_n＜0，则说明需要将计算得到的角度值加/>

后进行迭代，直至Δw₁-Δw_n＞0。

步骤6：根据角度余弦值COSβ和角度比K计算另一角度于余弦COSα。

步骤7：根据角度余弦值COSα、COSβ和任何一组测试数据得到D。

步骤8：根据D、COSα、COSβ、X、Y结合公式W＝D-(X*COSα+Y*COSβ)，自动计算纸卷幅宽W。

提高测量精度一直是纸卷幅宽测量中的关键以及难点部分。本发明利用高精度的激光测距仪，使测量精度达到毫米级。同时提供一种固定参数的计算、校准和调整的方法，确保自动测量时所使用的固定参数的正确性，提高了纸卷幅宽测量的精度。

Claims (2)

1.一种基于激光测距仪的纸卷幅宽自动测量方法，其特征在于：采用的测量系统包括第一激光测距仪、第二激光测距仪、工控机，所述第一激光测距仪、第二激光测距仪用于实时将测量距离信息以报文形式传送至自动测量软件，所述工控机用于接收所述激光测距仪的实时测量数据并运行所述自动测量软件；基于几何公式W＝D-(X*COSα+Y*COSβ)，W为纸卷测量幅宽值，D为两个激光测距仪间水平投影面上的距离，X为纸卷后方激光测距仪的读数，Y为纸卷前方激光测距仪的读数，α为纸卷后方激光测距仪与水平投影面上的倾斜角，β为纸卷前方激光测距仪与水平投影面上的倾斜角，包括以下步骤：

步骤1：在激光测距仪安装完成后固定参数D、COSα、COSβ，化简公式为W＝D-(X*K*COSβ+Y*COSβ)；

步骤2：计算角度比K，选取端面平整的纸卷，将其均匀地停放于输送设备的不同位置，记录下两个激光测距仪的读数，再根据角度比K的计算公式

计算两个激光测距仪角度比K；

步骤3：校验角度比K的准确性；

步骤4：计算角度余弦值COSβ，选取端面平整的纸卷，将其停放于输送设备上，记录下两个激光测距仪的读数，再根据角度余弦值的计算公式

计算COSβ；

步骤5：校验角度余弦值COSβ及微调，以

作为微调的上限值、/>

为调整基数，其中m为迭代的次数作为调整基数，3<m<10；如果Δw₁-Δw_n＞0，将计算得到的cosβ减去/>

并再次计算Δw₁和Δw_n值，如果迭代后的Δw₁-Δw_n较迭代前Δw₁-Δw_n小，则cosβ继续减去/>

再次进行迭代，直至迭代后的Δw₁-Δw_n<0，则说明已经找到最接近真实值的角度值，完成迭代；反之，如果Δw₁-Δw_n＜0，则说明需要将计算得到的角度值加/>

后进行迭代，直至Δw₁-Δw_n＞0；

步骤6：根据角度余弦值COSβ和角度比K计算另一角度于余弦COSα；

步骤7：根据角度余弦值COSα、COSβ和任何一组测试数据得到；

步骤8：根据D、COSα、COSβ、X、Y结合公式W＝D-(X*COSα+Y*COSβ)，自动计算纸卷幅宽W。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光测距仪的纸卷幅宽自动测量方法，其特征在于，所述步骤3具体实现为：将同一个纸卷停放于输送设备的不同位置，检查其测量幅宽值是否在±3毫米，如果差别较大，则需要根据步骤2重新校准K值。

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