CN110376595A - 自动装车机车辆测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够自动判断待装车辆停车、而且能够自动准确测量出待装车辆车厢尺寸信息以及停车位置的自动装车机车辆测量系统。该测量系统包括：信息测量部，设置在高于待装车辆的高度的位置，包含两个激光雷达，分别为位于后方的后方雷达和位于侧方的侧方雷达；语音提醒部，用于发出语音提醒；以及控制部，其中，在待装车辆驶来过程中，后方雷达实时测量自身与待装车辆之间的距离作为停车预判距离，当停车预判距离的值在预定范围内时，控制部控制语音提醒部发出停车用提醒语音，在待装车辆停止后，信息测量部测量待装车辆到后方雷达的距离、车厢的尺寸信息以及待装车辆的停车位置与预定停车区域的偏移角度。

Description

自动装车机车辆测量系统

技术领域

本发明涉及工业测量控制领域，具体地涉及一种自动装车机车辆测量系统。

背景技术

就现在国内的自动装车系统，还没成熟的自动装车技术，尤其针对像水泥行业，因为现场的灰层特别大，因此对车辆测量系统带来了一定的困难，现在市面上很多用图像识别的方法进行车辆的精准测量，但在实现的过程中通过实验发现，图像识别的方法虽然精度高，可以实现测量要求，但是最大的缺点就是耗时比较长，且数据处理速度较慢。这就意味着生产线的产量降低，且投入也增加。市面上存在的水泥厂装车系统中，没有成熟的车辆自动测量技术，有的是通过人工给机器定位。然而，人工操作不能十分精确地判断车辆的偏转角度和精确的停车距离等参数，若人工的误操作，就会造成装包的失败。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够自动判断待装车辆停车、而且能够自动准确测量出待装车辆车厢尺寸信息以及停车位置的自动装车机车辆测量系统。

本发明提供了一种自动装车机车辆测量系统，用于测量待装车辆停车时的位置信息，待装车辆具有由前挡板、后挡板、前侧挡板、后侧挡板和底板组成的车厢，其特征在于，包括：信息测量部，设置在高于待装车辆的高度的位置，包含两个激光雷达，分别为位于后方的后方雷达和位于侧方的侧方雷达；语音提醒部，用于发出语音提醒；以及控制部，用于控制信息测量部和语音提醒部，其中，在待装车辆驶来过程中，后方雷达实时测量自身与待装车辆之间的距离作为停车预判距离，当停车预判距离的值在预定范围内时，控制部控制语音提醒部发出停车用提醒语音，在待装车辆停止后，信息测量部测量待装车辆到后方雷达的距离、车厢的尺寸信息以及待装车辆的停车位置与预定停车区域的偏移角度。

在本发明提供的自动装车机车辆测量系统中，还可以具有这样的特征，其中，停车预判距离为前挡板到后方雷达的距离，测量过程为：假设集合X＝{x1,x2...x274}表示在测量的一帧的数据过程中后方雷达获取到的水平距离值,采取反向取数据，循环取五个点，当第一次出现五个相邻点之间的x值的误差相差正负20mm时,则确认当前为前挡板，将该五个点的平均x值作为前挡板到后方雷达的距离，即为停车预判距离。

在本发明提供的自动装车机车辆测量系统中，还可以具有这样的特征，其中，车厢尺寸还包含车厢长度，测量过程为：首先，测量前挡板到后方雷达的水平距离D，假设集合X＝{x1,x2...x274}表示在测量的一帧的数据过程中后方雷达获取到的水平距离值,采取反向取数据，循环取五个点，当第一次出现五个相邻点之间的x值的误差相差正负20mm时,则确定为前挡板，将该五个点的平均值作为前挡板到后方雷达的水平距离D，然后，测量后挡板到后方雷达的水平距离L，假设集合xa＝{x1,x2...x274}表示在测量的一帧的数据过程中后方雷达获取到的水平距离值,采取正向取数据，循环取五个点，当第一次出现五个相邻点之间的x值的误差相差正负20mm时,则确定为后挡板，将该五个点的平均值作为后挡板到后方雷达的水平距离L，最后，基于水平距离D和水平距离L得到车厢长度。

在本发明提供的自动装车机车辆测量系统中，还可以具有这样的特征，其中，车厢尺寸包含后挡板高度，测量过程为：后方雷达扫描的顺序依次是地面、后挡板底部、后挡板、后挡板顶部、部分底板、前挡板、前挡板顶部，假设集合Y＝{y1,y2...y274}表示在测量的一帧的数据过程中后方雷达获取到的垂直距离值，首先，确定后挡板的顶点，采用正向取数据，从yl开始循环，当第一次出现y值减小大于100mm的点的前一个点时，将该点确定为后挡板的顶点，此时的y值为后挡板的顶高，然后，确定底板，从后挡板的顶点开始，循环取五个点，当第一次出现五个点相邻距离的y值的误差相差正负20mm时，将该五个点的平均y值作为底板的高度，最后，基于后挡板的顶高和底板的高度得到后挡板高度。

在本发明提供的自动装车机车辆测量系统中，还可以具有这样的特征，其中，待装车辆的停车位置与预定停车区域的偏移角度的测量过程为：假设O点是激光源，O₁为待装车辆停止在预定区域时激光源照射到后侧挡板的点，线段OP1表示是P1激光面的照射在后侧挡板上的点，OP2线段表示P4激光面照射到后侧挡板的点，P1面垂直地面，α为已知的P4面与P1面之间的夹角，c为偏移角度，则这里，O₁P₁＝OO₁-OP₁，OO₁＝OP₂*cosα，O₁P₂＝OP₂sinα。

在本发明提供的自动装车机车辆测量系统中，还可以具有这样的特征，其中，激光雷达基于Timeof-Flight原理进行主式光电激光测量，该激光雷达的参数为：最远测量距离65米，平面的最大测量点数274个，测量角度的范围96度，角度分辨率0.3516。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的自动装车机车辆测量系统，在高于车辆整体高度的位置设置了两个激光雷达，分别位于车辆后方和侧方，这样，在车辆驶入停车区域的过程中，后方雷达能够实时采集待装车辆到后方雷达的距离，通过该距离能够判断出待装车辆何时停车，语音提醒部在需要停车时发出停车提醒，便于驾驶员准确获知停车指令，从而保证待装车辆能够较准确停入停车区域内，另外，当车辆停止后，对于待装车辆的实际停车位置与预定停车区域的偏移角度以及车厢信息进一步进行测量，基于该测量数据调整自动装车机的机械臂，从而保证自动装车机更精准地进行装车，用自动化代替人工的操作，大大提高了装车效率。

附图说明

图1是本发明的实施例中自动装车机车辆测量系统的结构框图。

图2是本发明的实施例中激光雷达测量水平距离示意图。

图3是本发明的实施例中激光雷达光束分解图。

图4是本发明的实施例中激光雷达光束分解后照射在车厢上的图形示意图。

图5是本发明的实施例中激光雷达理想安装下的示意图。

图6是本发明的实施例中激光雷达实际安装下的示意图。

图7是图6中激光雷达安装偏差角度修正后的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

<实施例>

图1是本发明的实施例中自动装车机车辆测量系统的结构框图。

如图1所示，在本实施例中，自动装车机车辆测量系统100应用在水泥行业的装车系统中，考虑到现实的环境因素以及装车效率等问题，自动装车机车辆测量系统100运用了多面激光雷达扫描测量，实现了待装车辆的停车报警，测量出了待装车辆停车时的位置信息，而且实现了对车辆的停车偏移进行了测量计算。如图5所示，在本实施例中，任意的待装车辆都具有由前挡板、后挡板、前侧挡板、后侧挡板和底板组成的车厢。

自动装车机车辆测量系统100包括：信息测量部10、语音提醒部20以及控制部30。

信息测量部10设置在预定停车区域近处，且高于待装车辆整体的高度的位置，实际安装时选择的是距离地面5米左右的位置。信息测量部10包含两个激光雷达，分别为位于待装车辆的停车位置的后方的后方雷达11和位于待装车辆的停车位置的侧方的侧方雷达12。

语音提醒部20用于发出语音提醒，方便车辆驾驶员能够清楚听见指令。

控制部30包含用于控制信息测量部10和语音提醒部20运行的计算机程序。具体地，

在待装车辆朝向预定停车区域驶来过程中，后方雷达11实时测量其自身与待装车辆之间的距离作为停车预判距离，当停车预判距离的值在预定范围内时，控制部30控制语音提醒部20发出停车用提醒语音，让驾驶员清楚地获得停车指令并执行。这里的停车预判距离为前挡板到后方雷达的距离，具体测量过程为：

假设集合X＝{x1,x2...x274}表示在测量的一帧的数据过程中后方雷达获取到的水平距离值,采取反向取数据，循环取五个点，当第一次出现五个相邻点之间的x值的误差相差正负20mm时,则确认当前为前挡板，将该五个点的平均x值作为前挡板到后方雷达的距离，即为停车预判距离。

在待装车辆停止后，控制部30控制信息测量部10测量待装车辆到后方雷达的距离、车厢的尺寸信息以及待装车辆的停车位置与预定停车区域的偏移角度。在本实施例中，待装车辆到后方雷达的距离为车厢的前挡板到后方雷达的距离，车厢尺寸信息包含车厢的长度和后挡板高度。

以下具体阐述后方雷达11和侧方雷达12的测量过程。

在本实施例中，采用的是TL900激光扫描雷达，它是基于Timeof-Flight(ToF)原理的主动式光电激光测量系统。如果激光束入射到一个物体上，它会反射到传感头上。基于在发射光脉冲的时刻和接收相同光脉冲的反射部分的时刻之间测量的时间延迟，可以确定到物体的距离。

激光雷达的重要参数：最远测量距离65米，平面的最大测量点数274个，测量角度的范围96度，角度分辨率0.3516，输出接口为RS-485，波特率为460800，编码为1个起始位、1个停止位和无奇偶校验位，高低字节反转。

自动装车机车辆测量系统电源供电部分：采用的是24V直流稳压源，当做激光雷达的电源以及485转以太网的转接器的供电。

因为激光雷达安装时有一定的偏角，所以需要通过软件进行自行调试修正，俯视图如图1所示。

要想得到激光雷达与车厢前挡板的水平距离，在理想的安装情况没有偏角θ，即水平距离是激光雷达直接照射在挡板上的点的经过分解后的值，但是在安装过程中为了测量的精准度，需要将安装的人工误差进行修正，即水平距离x如下等式：

x＝L*cosθ

在现场进行安装的时候，安装人员调整好照射角度，然后尽可能使多的点照射到需要测量的地方，这样可以提高测量的精度。

为了方便车辆测量系统系统的安装与调试，需要将得到的数据，进行图形的实时显示即先需要将激光雷达通信协议中的数据解析出来，然后利用三角函数知识，将其分解成水平距离和垂直距离。

坐标分解：

将解析得到的数据通过与水平地面校准，然后再确定零点，再通过三角函数分解，即可得到激光雷达照射的点与激光雷达的水平距离和垂直距离。分解原理如图2所示。

相对于雷达的位置在近端和远端，各取五个点算垂直方向的平均值，作差，如果误差小于30，则认为找到水平线n。数学表达过程如下：

设集合A＝{a1,a2,a3...}共274个值，由于激光扫描的角度为96度，因此角分辨率Angular_resolution＝96/273＝0.3516。

由于此时是照射在水平面上，

近端取五个A1＝{a1,a2,a3,a4,a5}

远端取五个点A2＝{a269,a270,a271,a272,a273,a274}

以近端为例说明此找到水平线的方法：

将近端的五个点所得到的值A1,将其分解到水平线的垂直位置，由上图知道，要想得到垂直距离需要知道雷达照射的点与地面垂直的点是对应的A集合中的第几个点(用n表示)所以就需要人为去设n大致为多少，然后通过调节n，然后看分解近端和远端的五个点的垂直距离是否在30mm的误差内，在300mm误差内，就人为此时的n值是对的，也就是找到了水平线。即平均垂直距离为：

由上述知道n为假设的垂直地面的点，Angular_resolution为角分辨率，得出平均垂直距离之后，然后分别用每个点的垂直分量去进行判断，若在误差30mm。则认为此时找到了水平线。

现假设射线n即为要找的水平线，则对于点A有

水平方向：

垂直方向：

最后经过分解后的照在车厢上的图形如图3所示。

图3的说明：下面的直线是照射在地面上的点，第一条竖直的线是测量的车厢的后挡板，然后由于激光雷达安装位置的原因，照射不全车厢的底板，因此有部分显示不出来，上面的水平线表示车厢的底部，然后一条垂线表示的是车厢的前挡板，之后的水平线是照射到车辆的车头的部分，最后一条线是照射到地面上去的点。

待装车辆停止后，测量车辆的前挡板到后方雷达的距离的过程为：

这里的距离是车辆停止以后前挡板到达雷达的水平距离。假设集合X＝{x1,x2...x274}表示的是在测量的一帧的数据过程中后方雷达获取到的水平距离值，采取的是反向取数据，处理数据的方式是，取五个点，当第一次找到五个相邻点之间的x值的误差相差正负20mm，则认为是找到的前挡板，且取这五个点的平均值当做前挡板到雷达的距离。若在编程中的集合的索引值为n，则x平均距离表示为：

而实际中需要用的是，水泥自动装车机需要前进的距离Distance3，雷达安装的过程中可以测量出后方雷达与水泥自动装车机原点的水平距离D，则满足如下数学表达式即可得到水泥自动装车机需要前进的距离：

车厢的长度的测量过程为：

首先，测量前挡板到后方雷达的水平距离D，假设集合X＝{x1,x2...x274}表示在测量的一帧的数据过程中后方雷达获取到的水平距离值,采取反向取数据，循环取五个点，当第一次出现五个相邻点之间的x值的误差相差正负20mm时,则确定为前挡板，将该五个点的平均值作为前挡板到后方雷达的水平距离D。若在编程中的集合的索引值为n，则x平均距离表示为：

X的平均距离为前挡板到雷达的水平距离D。

然后，测量后挡板到后方雷达的水平距离L，假设集合xa＝{x1,x2...x274}表示在测量的一帧的数据过程中后方雷达获取到的水平距离值,采取正向取数据，循环取五个点，当第一次出现五个相邻点之间的x值的误差相差正负20mm时,则确定为后挡板，将该五个点的平均值作为后挡板到后方雷达的水平距离L。若在编程中的集合的索引值为k，则xa平均距离表示为：

xa平均距离则为后挡板到雷达的水平距离L。

最后，基于水平距离D和水平距离L得到车厢长度。即车厢长度Car_length为：

Car_length＝D-L

车厢的后挡板高度的测量过程为：

关键步骤找到底板，后方雷达扫描的顺序依次是地面>后挡板底部>后挡板>后挡板顶部>底板(由于有照射角度即只能看到部分底板)>前挡板>前挡板顶部，假设集合Y＝{y1,y2...y274}表示在测量的一帧的数据过程中后方雷达获取到的垂直距离值。

首先，确定后挡板的顶点，采用的是正向取数据，从从数据的起始值开始找，找到第一次y值减小大于100mm的点的前一个点，此点为后挡板的顶点，取出此时的y值为后挡板的顶高Distance6。

然后，确定底板，从后挡板的顶点开始，循环取五个点，第一次找到五个点相邻距离的y值差正负20mm，然后取这五个点的平均y值作为底板的高度D。

最后，将后挡板的高度Distance6减去底板的高度D，则为车厢的后挡板高度Distance5。

假设集合Y的索引为n的点满足找到后挡板的数据要求，索引为k的点满足找到底板的要求，数学公式如下所示：

Distance6＝y_n

Distance5＝Distance6-D

待装车辆的停车位置与预定停车区域的偏移角度的测量过程为：

此安装方式是理想的安装模型，在侧方雷达安装后，通过测试得到θ角为6度，则可以得出p1和P4两个面照射在后挡板上的AB两点在参考垂直面的分解量。由于在实际安装过程中有安装偏差角，即侧面的激光雷达不一定是正对着指定的区域，所以计算过程中经过了修正的步骤。原理图如图5所示。

OP1为p1激光面达到后侧挡板，OP2为p4激光面达到后侧挡板，车辆偏移角度为c,要解此三角形需要知道角b的值，通过调零的方法，将b角修正，修正b角之后的数学模型图如图6所示。

已知O点是激光源，O₁为待装车辆停止在预定区域时激光源照射到后侧挡板的点，线段OP1表示是P1激光面的照射在后侧挡板上的点，OP2线段表示P4激光面照射到后侧挡板的点，P1面垂直地面，α为已知的P4面与P1面之间的夹角(具体为6度)，c为偏移角度。

则这里，O₁P₁＝OO₁-OP₁，OO₁＝OP₂*cosα，O₁P₂＝OP₂sinα。

通过以上数学关系式，可以求出偏移角度c。

综上，将该自动装车机车辆测量系统在某水泥厂中进行了现场实施，结果表明该测量系统的测量结果可以达到自动装车要求。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的自动装车机车辆测量系统，在高于车辆整体高度的位置设置了两个激光雷达，分别位于车辆后方和侧方，这样，在车辆驶入停车区域的过程中，后方雷达能够实时采集待装车辆到后方雷达的距离，通过该距离能够判断出待装车辆何时停车，语音提醒部在需要停车时发出停车提醒，便于驾驶员准确获知停车指令，从而保证待装车辆能够较准确停入停车区域内，另外，当车辆停止后，对于待装车辆的实际停车位置与预定停车区域的偏移角度以及车厢信息进一步进行测量，基于该测量数据调整自动装车机的机械臂，从而保证自动装车机更精准地进行装车。

在本实施例的自动装车机车辆测量系统应用到水泥行业的装车系统中，只需要人工在车辆来的时候点击开始按钮，即可实现自动化处理，运用多面激光雷达扫描测量，实现了车辆的停车报警，而且测量出了停车距离，并且有偏移角度的测量可以减少由于驾驶员没有正确停到预定停车区域带来的时间上的消耗，用自动化代替人工的操作，大大提高了装车效率。

另外，在软件方面运用了winform窗体程序和wincc编程以及plc控制软件，测量部分的数据通过winform窗程序和wincc编程来分工合作实现，软件部分的可扩展行很强，方便后续的升级，以及不同环境的水泥厂自动装车测量系统的安装，也方便后续的水泥厂信息化建设，比如自动开票，网上订单等。本发明的技术方案的运用场景也可以扩展到其他的行业，例如糖业、盐业或者一些其他需要测量车辆车厢的数据的场景，都可以使用。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种自动装车机车辆测量系统，用于测量待装车辆停车时的位置信息，所述待装车辆具有由前挡板、后挡板、前侧挡板、后侧挡板和底板组成的车厢，其特征在于，包括：

信息测量部，设置在高于所述待装车辆的高度的位置，包含两个激光雷达，分别为位于后方的后方雷达和位于侧方的侧方雷达；

语音提醒部，用于发出语音提醒；以及

控制部，用于控制所述信息测量部和所述语音提醒部，

其中，在所述待装车辆驶来过程中，所述后方雷达实时测量自身与所述待装车辆之间的距离作为停车预判距离，

当所述停车预判距离的值在预定范围内时，所述控制部控制所述语音提醒部发出停车用提醒语音，

在所述待装车辆停止后，所述信息测量部测量所述待装车辆到所述后方雷达的距离、所述车厢的尺寸信息以及所述待装车辆的停车位置与预定停车区域的偏移角度。

2.根据权利要求1所述的自动装车机车辆测量系统，其特征在于：

其中，所述停车预判距离为所述前挡板到所述后方雷达的距离，测量过程为：

假设集合X＝{x1,x2...x274}表示在测量的一帧的数据过程中所述后方雷达获取到的水平距离值,采取反向取数据，循环取五个点，当第一次出现五个相邻点之间的x值的误差相差正负20mm时,则确认当前为所述前挡板，将该五个点的平均x值作为所述前挡板到所述后方雷达的距离，即为所述停车预判距离。

3.根据权利要求1所述的自动装车机车辆测量系统，其特征在于：

其中，所述车厢尺寸还包含车厢长度，测量过程为：

首先，测量所述前挡板到所述后方雷达的水平距离D，假设集合X＝{x1,x2...x274}表示在测量的一帧的数据过程中所述后方雷达获取到的水平距离值,采取反向取数据，循环取五个点，当第一次出现五个相邻点之间的x值的误差相差正负20mm时,则确定为所述前挡板，将该五个点的平均值作为所述前挡板到所述后方雷达的水平距离D，

然后，测量所述后挡板到所述后方雷达的水平距离L，假设集合xa＝{x1,x2...x274}表示在测量的一帧的数据过程中所述后方雷达获取到的水平距离值,采取正向取数据，循环取五个点，当第一次出现五个相邻点之间的x值的误差相差正负20mm时,则确定为所述后挡板，将该五个点的平均值作为所述后挡板到所述后方雷达的水平距离L，

最后，基于所述水平距离D和所述水平距离L得到所述车厢长度。

4.根据权利要求1所述的自动装车机车辆测量系统，其特征在于：

其中，所述车厢尺寸包含后挡板高度，测量过程为：

所述后方雷达扫描的顺序依次是地面、后挡板底部、后挡板、后挡板顶部、部分底板、前挡板、前挡板顶部，假设集合Y＝{y1,y2...y274}表示在测量的一帧的数据过程中所述后方雷达获取到的垂直距离值，

首先，确定所述后挡板的顶点，采用正向取数据，从yl开始循环，当第一次出现y值减小大于100mm的点的前一个点时，将该点确定为所述后挡板的顶点，此时的y值为所述后挡板的顶高，

然后，确定所述底板，从所述后挡板的顶点开始，循环取五个点，当第一次出现五个点相邻距离的y值的误差相差正负20mm时，将该五个点的平均y值作为所述底板的高度，

最后，基于所述后挡板的顶高和所述底板的高度得到所述后挡板高度。

5.根据权利要求1所述的自动装车机车辆测量系统，其特征在于：

其中，所述待装车辆的停车位置与预定停车区域的偏移角度的测量过程为：

假设O点是激光源，O₁为所述待装车辆停止在所述预定区域时激光源照射到所述后侧挡板的点，线段OP1表示是P1激光面的照射在所述后侧挡板上的点，OP2线段表示P4激光面照射到所述后侧挡板的点，P1面垂直地面，α为已知的P4面与P1面之间的夹角，c为所述偏移角度，

则这里，O₁P₁＝OO₁-OP₁，OO₁＝OP₂*cosα，O₁P₂＝OP₂sinα。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的自动装车机车辆测量系统，其特征在于：

其中，所述激光雷达基于Timeof-Flight原理进行主式光电激光测量，该激光雷达的参数为：最远测量距离65米，平面的最大测量点数274个，测量角度的范围96度，角度分辨率0.3516。