CN114524297B - 基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统 - Google Patents

基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统，涉及散粮装载技术领域。解决了现有技术中人工操作装火车时，是通过操作人员的实时监控，粮食比重过大，操作人员往往难以发现和粮食比重过小，火车装不下的情况，需要大量人工进行平车作业的问题。包括火车本体、火车牵引装置、伸缩溜筒、激光测距传感器、智能控制系统和斗秤计量系统，所述火车本体用于装载粮食，完成粮食运输，所述火车牵引装置与火车本体相连，火车牵引装置用于实现火车本体的位置移动。本发明提出的基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统，以基于激光测距技术，通过装火车粮食高度的大数据收集和分析，并与多种传感器相结合，实现散粮智能化平稳装火车。

Description

基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统
技术领域
本发明涉及散粮装载技术领域，特别涉及基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统。
背景技术
粮食从轮船上卸船并输送到筒仓中存储，在客户需要的时候，从筒仓中取出并装载到专用散粮火车车厢中。这些散粮码头的作业环节，其中卸船以及计量系统已实现了全自动化，但在发运装车环节上，仍然需要一定量的人工参与来完成，是实现散粮智慧港口的最大症结。发运环节不仅劳动强度大，而且还存在较多的不稳定因素，诸如误操作带来的计量偏差、粮食撒漏、设备损坏、装车超载、偏载等，特别还存在人员在车厢上作业坠落的安全隐患。因此，行业内急需一款无人化智能装车系统来替代人工完成装车任务。
散粮装火车系统主要由5个组成部分，分别是：调度生产平台、中控室控制系统、装火车计量控制系统、粮食比重实时监测和牵引控制系统。
由于粮食在进筒仓时，粮食在落料过程中，若未采用技术措施，会造成粮食与粉尘分层，在出仓发运时，在装火车的过程中就会发生粮食比重不同的情况，会造成火车偏载、超载、撒漏等问题。实时发现粮食的比重，提前做好预判，是避免火车偏载、超载和撒漏，实现装火车智能化系统的关键要素。因此在现有散粮装火车的5个组成部分里，装火车计量控制系统、粮食比重实时监测与牵引控制系统是散粮智能化装车系统的关键瓶颈。
在现有人工操作装火车时，是通过操作人员的实时监控，可以有效的发现粮食因比重过小，火车装不下的情况，采用人工平车或者减少装车量来实现。但是粮食比重过大时，操作人员往往难以发现，在即将装完料时才能发现，就会出现火车装车偏载情况，就要通过大量人工进行平车作业，来杜绝火车偏载。
发明内容
本发明的目的在于提供基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统，设置有火车本体、火车牵引装置、伸缩溜筒、激光测距传感器和智能控制系统，在火车本体定位过程中，通过激光测距传感器测量火车本体的车厢高度，辅助火车牵引装置实现精准定位；满足火车到达的标准化装车位，在装火车的过程中，激光测距传感器对粮食的高度进行测算，通过装火车粮食高度的大数据收集和分析，得出装火车粮食高度与火车自动牵引的控制公式，并与多种传感器相结合，实现散粮智能化平稳装火车；激光测距传感器自动采集数据，智能控制系统计算和控制整体运作，解决了散粮装火车的难题，解决散粮装卸系统的发运环节了智能化的技术，为实现散粮智能化港口奠定了基础，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统，包括火车本体、火车牵引装置、伸缩溜筒、激光测距传感器、智能控制系统和斗秤计量系统，所述火车本体用于装载粮食，完成粮食运输，所述火车牵引装置与火车本体相连，火车牵引装置用于实现火车本体的位置移动，所述火车本体为L70型散粮专用车，火车本体的一个车厢内共设置有四个漏斗，漏斗的下端设置有放料口，所述伸缩溜筒与斗称连接，伸缩溜筒的两侧均设置有激光测距传感器，伸缩溜筒用于将粮仓中的粮食导入到火车本体内，所述激光测距传感器在火车本体定位时，用于火车本体的车厢高度检测，辅助火车牵引装置实现火车本体的精准定位，激光测距传感器在装火车的过程中，对粮食的高度进行测算，可测出粮食的实时比重，智能调整斗秤计量系统，控制火车牵引装置带动火车本体移动，实现平稳装车，所述智能控制系统分别与火车牵引装置、伸缩溜筒、激光测距传感器和斗秤计量系统通信连接，智能控制系统用于接收激光测距传感器信号，计算先控制斗秤计量系统并发送指令，控制火车牵引装置带动火车本体移动，实现粮食平稳装车，智能控制系统设置有控制单元、报警单元和显示单元，控制单元分别与报警单元和显示单元通信连接；
所述伸缩溜筒包括第一溜筒、第二溜筒和第三溜筒，第一溜筒、第二溜筒和第三溜筒依次排列，且第一溜筒位于火车本体靠近前进方向的一端上方，第一溜筒用于主要平车溜筒，负责火车本体前端装料和全车的平料功能，第二溜筒负责火车本体中间装料功能，第三溜筒负责火车本体末端装料功能，第一溜筒在对火车本体前端装料和全车的平料工作时各自对应的装料速度通过以下方式计算：
获取所述第一溜筒的最大伸缩长度和最小伸缩长度；
根据激光测距传感器对于火车本体的车厢高度检测结果；
根据所述车厢高度检测结果和第一溜筒的最大伸缩长度和最小伸缩长度确定第一溜筒在对火车本体前端装料和全车的平料过程中的伸缩长度范围；
确定所述火车本体的容积大小；
根据所述火车本体的区域划分规则和其容积大小确定火车本体的前端区域体积；
确定待装材料的平均光滑系数以及火车本体的前端区域底面的平滑度；
根据所述待装材料的平均光滑系数和火车本体的前端区域底面的平滑度确定待装材料在所述前端区域底面的自然流动速度；
根据所述自然流动速度和火车本体的车厢高度检测结果以及第一溜筒在对火车本体前端装料和全车的平料过程中的伸缩长度范围计算出第一溜筒在对火车本体前端装料时的第一装料速度：
Figure GDA0003833435310000031
其中，v表示为第一溜筒在对火车本体前端装料时的第一装料速度，v1表示为第一溜筒的预设最大装料速度，s1表示为第一溜筒在对火车本体进行前端装料过程中的伸缩长度范围，s2表示为火车本体的车厢高度，β表示为长度检测误差因子，ln表示为自然对数，ρ1表示为待装材料的密度，ρ2表示为空气密度，ρ3表示为火车本体底面的材料密度，μ1表示为待装材料在装料过程中与第一溜筒内部的第一摩擦系数，μ2表示为待装材料与火车本体的前端区域底面之间的第二摩擦系数，v3表示为待装材料在所述前端区域底面的自然流动速度；
确定火车本体的中端区域体积以及末端区域体积；
根据火车本体的中端区域体积以及末端区域体积以及前端区域体积确定在同体积装填材料前端区域分别与中端区域和末端区域之间的材料高度差值；
根据所述材料高度差值计算出平均材料高度差值；
基于所述平均材料高度差值，利用所述第一装料速度计算出第一溜筒在对火车本体进行平料工作时的第二装料速度：
Figure GDA0003833435310000041
其中，v2表示为第一溜筒在对火车本体进行平料工作时的第二装料速度， S表示为第一溜筒的表面积，s3表示为平均材料高度差值，s4表示为火车本体的长度，e表示为自然常数，取值为2.72，δ表示为火车本体的倾斜度对计算结果产生的误差；
分别将所述第一装料速度和第二装料速度确认为第一溜筒在对火车本体前端装料和全车的平料工作时各自对应的装料速度。
优选的，所述激光测距传感器的数量为六个，且激光测距传感器分别设置在第一溜筒、第二溜筒和第三溜筒的两侧，激光测距传感器用于实时监测激光测距传感器与下方反射的垂直距离。
优选的，所述智能化系统的工作流程包括以下步骤：
S1火车定位：智能控制系统先接收车厢的既定停车位置，控制火车牵引装置完成火车粗定位，再接收激光测距传感器的信号，再次控制火车牵引装置带动火车本体移动至精准装车位；
S2计量移车高度：第一溜筒、第二溜筒和第三溜筒分别向火车本体1内装料，激光测距传感器测量第一溜筒每斗装料后的粮食高度，智能控制系统计量控制火车本体的移车高度；
S3移车预警：火车牵引装置控制火车本体在相应的移车高度进行移车，并根据需要进行预警，第一溜筒对全车实现平料功能。
优选的，所述火车牵引装置上安装有绝对值编码器，绝对值编码器用于对火车本体同位置的车厢进行编码。
优选的，所述S1火车定位的工作流程包括以下步骤：
S11：绝对值编码器对火车本体不同的车厢进行地址编码，不同的车厢对应不同的地址编码数值；
S12：火车牵引装置按照对应的地址编码数值牵引火车本体至目标位置，完成火车本体粗定位牵引；
S13：激光测距传感器测量火车本体的车厢高度，根据激光测距传感器测量值，火车牵引装置牵引火车本体前进或者后退，直至火车本体达到精准装车位。
优选的，S13包括以下步骤：
S131:当所述火车本体进行装载工作时，所述激光测距传感器分别向所述第一溜筒、第二溜筒和第三溜筒下方的火车本体发射预设激光；
同时，根据所述预设激光获取所述火车本体的当前位置并将其记作初始位置；
S132：将每一溜桶正下方视为初始检测点，获取每一初始检测点对应的反射激光，建立每一初始检测点对应的点云数据组；
基于所述点云数据组建立火车本体的初始三维模型；
S133：在所述初始三维模型上获取每一初始检测点在单位时间内的可堆积体积，同时基于所述初始三维模型估测所述火车本体的容积，根据所述火车本体的估测容积预测出所述火车本体的可装载时长；
基于所述可装载时长，建立火车本体装载时间轴；
将所述初始三维模型设置在所述装载时间轴的初始时间点上；
当所述初始检测点的当前堆积体积大于预设体积时，基于相邻个初始检测点之间的距离，生成火车本体的可移动范围；
S134：在所述可移动范围内获取第一随机距离，并控制所述火车牵引装置牵引火车本体前进对应的第一随机距离，基于所述初始位置，获取所述火车本体的当前位置，视为第一位置；
获取所述第一位置对应的第一点云数据组，建立第一火车三维模型；
将所述第一火车三维模型输入到所述装载时间轴上，获取第一检测点对应的第一堆积体积；
S135：当第一堆积体积大于预设体积时，在所述可移动范围内获取第二随机距离，并控制所述火车牵引装置牵引火车本体后退对应的第一随机距离，将火车本体后退后的距离视为第二位置；
建立第二火车三维模型，并输入到所述装载时间轴上；
S136：分别在进行一次S134或者S135后获取所述装载时间轴的剩余时间段；
若所述剩余时间段大于预设时间段时，循环执行S134或者S135，直到所述剩余时间段小于预设时间段，确定所述火车本体完成装载工作。
优选的，所述S2计量移车高度的工作流程包括以下步骤：
S21：当火车本体达到精准装车位后，第一溜筒、第二溜筒和第三溜筒会按照自身的运转速度与拉绳传感器进行比对，伸至火车本体对应车厢的上方位置；
S22：第一溜筒、第二溜筒和第三溜筒同时向火车本体对应的车厢内放粮，激光测距传感器监测第一溜筒每斗装料后的粮食高度；
S23：判断第斗作业后的粮食高度是否超出设定值，并在第斗作业后针对不同的粮食高度，做出对应的响应。
优选的，所述S23包括以下步骤：
S231：第5斗作业后的粮食高度在305-320cm之间，移车高度设置为238cm，智能控制系统不做预警处理；
S232：第5斗作业后的粮食高度在305cm以下，移车高度设置为235cm，智能控制系统做预警处理；
S233：第5斗作业后的粮食高度在320cm以上，移车高度设置为 238+n-320/2cm，智能控制系统做高度移车调整，n表示第5斗作业后的激光测距传感器测量的粮食高度。
优选的，所述斗秤计量系统内设置有三个计量斗称，且三个计量斗称依次与第一溜筒、第二溜筒和第三溜筒连接，计量斗称与智能控制系统通信连接，智能控制系统控制计量斗称的工作过程如下：
S41：智能控制系统根据火车本体的总流量Q，分配第一溜筒、第二溜筒和第三溜筒各自流量，分别计为：q1、q2和q3，可得Q＝q1+q2+q3；
S42：计量斗称计录对应的第一溜筒、第二溜筒和第三溜筒的作业周期,分别计为：T1、T2和T3；
S43：智能控制系统根据第一溜筒、第二溜筒和第三溜筒的对应的作业周期T1、T2和T3，分别计算第一溜筒、第二溜筒和第三溜筒的作业时间，分别记为t1、t2和t3，则：t1＝T1*q1，t2＝T2*q2，t3＝T3*q3；
S44：智能控制系统判断是否需要调整计量斗称控制的第一溜筒、第二溜筒和第三溜筒的作业周期，当t1≥t2≥t3,且T1、T2和T3中任意一个周期不大于其他两个周期中任意一个周期的两倍，则不用调整，否则调整不符合条件的T1、T2或T3。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统，设置有火车本体、火车牵引装置、伸缩溜筒、激光测距传感器和智能控制系统，在火车本体定位过程中，通过激光测距传感器测量火车本体的车厢高度，辅助火车牵引装置实现精准定位；满足火车到达的标准化装车位，在装火车的过程中，激光测距传感器对粮食的高度进行测算，通过装火车粮食高度的大数据收集和分析，得出装火车粮食高度与火车自动牵引的控制公式，并与多种传感器相结合，实现散粮智能化平稳装火车；斗秤计量系统记录第一溜筒、第二溜筒和第三溜筒的作业周期,并通过智能控制系统计算判断，控制斗称的流量控制，激光测距传感器自动采集数据，智能控制系统计算和控制整体运作，解决了散粮装火车的难题，解决散粮装卸系统的发运环节了智能化的技术，为实现散粮智能化港口奠定了基础。
附图说明
图1为本发明的整体模块图；
图2为本发明的火车本体工作示意图；
图3为本发明的伸缩溜筒装车功能示意图；
图4为本发明的整体工作流程图；
图5为本发明的火车定位工作流程图；
图6为本发明的计量移车高度工作流程图；
图7为本发明的移车高度确定流程图；
图8为本发明的斗秤计量系统工作流程图。
图中：1、火车本体；11、放料口；2、火车牵引装置；21、绝对值编码器；3、伸缩溜筒；31、第一溜筒；32、第二溜筒；33、第三溜筒；4、激光测距传感器；5、智能控制系统；51、控制单元；52、报警单元；53、显示单元；6、斗秤计量系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统，包括火车本体1、火车牵引装置2、伸缩溜筒3、激光测距传感器4、智能控制系统5和斗秤计量系统6，火车本体1用于装载粮食，完成粮食运输，火车牵引装置2与火车本体1相连，火车牵引装置2用于实现火车本体1的位置移动，火车本体1 为L70型散粮专用车，火车本体1的一个车厢内共设置有四个漏斗，漏斗的下端设置有放料口11，火车本体1自身长度为16.466m。
请参阅图2-图3，伸缩溜筒3与粮仓连接，伸缩溜筒3的两侧均设置有激光测距传感器4，伸缩溜筒3用于将粮仓中的粮食导入到火车本体1内，伸缩溜筒3包括第一溜筒31、第二溜筒32和第三溜筒33，第一溜筒31、第二溜筒32和第三溜筒33依次排列，且第一溜筒31位于火车本体1靠近前进方向的一端上方，火车本体1由东向西方向移动，第一溜筒31位于火车本体1靠西的一端，第一溜筒31用于主要平车溜筒，负责火车本体1前端装料和全车的平料功能，第二溜筒32负责火车本体1中间装料功能，第三溜筒33负责火车本体1末端装料功能。
激光测距传感器4在火车本体1定位时，用于火车本体1的车厢高度检测，辅助火车牵引装置2实现火车本体1的精准定位，激光测距传感器4在装火车的过程中，对粮食的高度进行测算，可测出粮食的实时比重，智能调整斗秤计量系统6，控制火车牵引装置2带动火车本体1移动，实现平稳装车，智能控制系统5分别与火车牵引装置2、伸缩溜筒3、激光测距传感器4和斗秤计量系统6通信连接，智能控制系统5用于接收激光测距传感器4信号，计算先控制斗秤计量系统6并发送指令，控制火车牵引装置2带动火车本体1 移动，实现粮食平稳装车，激光测距传感器4的数量为六个，且激光测距传感器4分别设置在第一溜筒31、第二溜筒32和第三溜筒33的两侧，六个激光测距传感器4分别记为第一溜筒东、第一溜筒西、第二溜筒东、第二溜筒西、第三溜筒东和第三溜筒西，第一溜筒东和第一溜筒西分别对应第一溜筒 31的东西两侧设置，第二溜筒东和第二溜筒西分别对应第二溜筒32的东西两侧设置，第三溜筒东和第三溜筒西分别对应第三溜筒33的两侧设置，激光测距传感器4用于实时监测激光测距传感器4与下方反射的垂直距离，智能控制系统5包括控制单元51、报警单元52和显示单元53，控制单元51分别与报警单元52和显示单元53通信连接，报警单元52在移车高度调整时，进行预警，通过显示单元53实现显示功能。
请参阅图4-图7，智能化系统的工作流程包括以下步骤：
S1火车定位：智能控制系统5先接收车厢的既定停车位置，控制火车牵引装置2完成火车粗定位，再接收激光测距传感器4的信号，控制火车牵引装置2带动火车本体1移动至精准装车位，火车牵引装置2上安装有绝对值编码器21，绝对值编码器21用于对火车本体1不同位置的车厢进行编码，具体包括以下步骤：
S11：绝对值编码器21对火车本体1不同的车厢进行地址编码，如下表，不同的车厢对应不同的地址编码数值。
Figure GDA0003833435310000101
Figure GDA0003833435310000111
S12：火车牵引装置2按照对应的地址编码数值牵引火车本体1至目标位置，完成火车本体1粗定位牵引，
S13：当车厢到位后，因牵引系统存在惯性力以及车厢连接处的不同，无法实现直接通过绝对值编码器21实现火车本体1车厢的精准定位，因此我们采用激光测距传感器4，通过对火车本体1车厢高度进行高度检测，按照下表的高度进行检测，h为激光测距的数值，激光测距传感器4测量火车本体1的车厢高度，根据激光测距传感器4测量值，火车牵引装置2牵引火车本体1 前进或者后退，直至火车本体1达到精准装车位。
Figure GDA0003833435310000112
Figure GDA0003833435310000121
S2计量移车高度：第一溜筒31、第二溜筒32和第三溜筒33分别向火车本体1内装料，激光测距传感器4测量第一溜筒31每斗装料后的粮食高度，智能控制系统5计量控制火车本体1的移车高度，具体包括以下步骤：
S21：当火车本体1达到精准装车位后，第一溜筒31、第二溜筒32和第三溜筒33会按照自身的运转速度与拉绳传感器进行比对，伸至火车本体1对应车厢的上方位置，为了避免第一溜筒31、第二溜筒32和第三溜筒33下降速度过快与装车口进行碰撞，在下降中设置了溜筒防抖位置，并要求在此稳 2S以上，减少碰撞隐患，提高进装车口的成功率；
S22：第一溜筒31、第二溜筒32和第三溜筒33同时向火车本体1对应的车厢内放粮，激光测距传感器4监测第一溜筒31每斗装料后的粮食高度，因为第一溜筒31是平车溜筒，我们只需通过第一溜筒31筒东侧激光测距值，可以实时得出火车装粮的实时高度，基于激光测距及PLC控制技术，自动采集第一溜筒31每斗装料的高度，收集了1年内的第一溜筒31装粮的高度表，并随机抽取了20车的数据，如下表所示。
Figure GDA0003833435310000122
Figure GDA0003833435310000131
为了确保火车不发生偏载，需要确保整节火车粮食尽可能在一个高度，根据装粮高度表可以看出，当作业到第8斗以后，第一溜筒31装料的高度已经基本达到火车的车厢口，开始自动移车进行平料作业，改造前，设置的移车高度为第一溜筒31东侧激光测距高度为238cm，一旦达到238cm，就会进行牵引火车向西，依靠溜筒与粮食的堵料，实现无人化自动平料。
上表可以看出，按照现粮食装车高度进行移车，13斗的粮食高度，为火车最东侧的粮食高度，与西侧的238cm相比，存在偏载，甚至粮食因比重过小，装不进去撒漏的情况，由于L70型散粮专用车底部共有四个放料口11，在车厢内为四个漏斗，所以在精准定位时，第一溜筒31东侧第一溜筒东激光测距，存在最大35cm高度的偏差，因此只有粮食在底部布满后，装车粮食的高度具有相对的平稳性，我们采用第5斗的激光测距高度，作为粮食比重的测算值，当第5斗作业高度粮食高度在305-320cm间的，13斗的高度与238cm 相差比较少，满足平稳装车不偏载的条件，当第5斗作业高度在305cm以下的，装火车会因为粮食比重过小，造成装不下撒漏，且需要人工进行扒粮食；高度在320cm以上的，粮食会因为比重过大，造成火车偏载，也需要人工进行平料，经过多次测试，对偏载可能的粮食移车高度进行了测算，如下表。
品种 5斗高度(cm) 移车高度(cm) 应急方式
大豆(正常) 305-320 238 无
大豆(装满) ＜305 235 预警
大豆(偏载) ＞320 238+(n-320)/2 高度移车调整
S23：判断第5斗作业后的粮食高度是否超出设定值，并在第5斗作业后针对不同的粮食高度，做出对应的响应，具体包括以下步骤：
S231：第5斗作业后的粮食高度在305-320cm之间，移车高度设置为238cm，智能控制系统5不做预警处理；
S232：第5斗作业后的粮食高度在305cm以下，移车高度设置为235cm，智能控制系统5做预警处理；
S233：第5斗作业后的粮食高度在320cm以上，移车高度设置为 238+n-320/2cm，智能控制系统5做高度移车调整，n表示第5斗作业后的激光测距传感器4测量的粮食高度。
S3移车预警：火车牵引装置2控制火车本体1在相应的移车高度进行移车，并根据需要进行预警，第一溜筒31对全车实现平料功能。
请参阅图8，斗秤计量系统6内设置有三个计量斗称，且三个计量斗称依次与第一溜筒31、第二溜筒32和第三溜筒33连接，因为溜管或斗秤会出现故障的情况，因此在3个斗秤流量分配时，就会出现因故障斗秤造成停机，首先智能控制系统5会自动调整流量。但是并没有发生故障时，遇到斗秤内有堵料等问题，造成效率变慢，势必会造成整个装火车时间会提升，不符合智能化控制高效率的要求，制定了1#2#3#斗秤作业周期的时间记录，按照t1≥t2≥t3作业时间的逻辑，来实现智能化作业流量调整，并且三个溜筒的作业周期，不能大于任意一个溜筒作业周期的两倍。
计量斗称与智能控制系统5通信连接，智能控制系统5控制计量斗称的工作过程如下：
S41：智能控制系统5根据火车本体1的总流量Q，分配第一溜筒31、第二溜筒32和第三溜筒33各自流量，分别计为：q1、q2和q3，可得Q＝q1+q2+ q3；
S42：计量斗称计录对应的第一溜筒31、第二溜筒32和第三溜筒33的作业周期,分别计为：T1、T2和T3；
S43：智能控制系统5根据第一溜筒31、第二溜筒32和第三溜筒33的对应的作业周期T1、T2和T3，分别计算第一溜筒31、第二溜筒32和第三溜筒 33的作业时间，分别记为t1、t2和t3，则：t1＝T1*q1，t2＝T2*q2，t3＝ T3*q3；
S44：智能控制系统5判断是否需要调整计量斗称控制的第一溜筒31、第二溜筒32和第三溜筒33的作业周期，当t1≥t2≥t3,且T1、T2和T3中任意一个周期不大于其他两个周期中任意一个周期的两倍，则不用调整，否则调整不符合条件的T1、T2或T3，如下例：
正常情况下溜筒作业周期为42S，但是发现3#溜管作业周期达到了90S, 其他两个正常，那么根据原来制定的流量，按照一个火车69吨流量进行计算，第一溜筒31、第二溜筒32、第三溜筒33的流量应该29、22、18吨，那么按照计算60S周期进行计算，第一溜筒31完成时间为t1＝29*42＝1218S,第二溜筒32为t2＝22*42＝942S,第三溜筒33为t3＝18*90＝1620S，可以得出t1 ＜t3，那么与逻辑不符，则第三溜筒33则进行智能化调整，按照逻辑调整，满足1＞2＞3，且周期不得大于任意一个溜筒作业周期的两倍。
采用以上方法随机对20个车厢装车情况进行数据收集，如下表，通过比对装车未发生显著偏载情况，同时也能及时发现粮食比重过小的情况，并实现了流量智能化调整，实现了无人化平车智能装车系统。
车厢 5斗 13斗
1 315 240
2 316 238
3 306 238
4 319 242
5 318 241
6 295 236
7 326 241
8 309 239
9 335 246
10 305 238
11 312 240
12 310 238
13 309 237
14 329 244
15 349 254
16 318 240
17 305 236
18 318 241
19 315 239
20 341 247
在一个实例中，S13包括以下步骤：
S131:当所述火车本体1进行装载工作时，所述激光测距传感器4分别向所述第一溜筒34、第二溜筒35和第三溜筒33下方的火车本体1发射预设激光；
同时，根据所述预设激光获取所述火车本体1的当前位置并将其记作初始位置；
S132：将每一溜桶正下方视为初始检测点，获取每一初始检测点对应的反射激光，建立每一初始检测点对应的点云数据组；
基于所述点云数据组建立火车本体1的初始三维模型；
S133：在所述初始三维模型上获取每一初始检测点在单位时间内的可堆积体积，同时基于所述初始三维模型估测所述火车本体1的容积，根据所述火车本体1的估测容积预测出所述火车本体1的可装载时长；
基于所述可装载时长，建立火车本体1装载时间轴；
将所述初始三维模型设置在所述装载时间轴的初始时间点上；
当所述初始检测点的当前堆积体积大于预设体积时，基于相邻个初始检测点之间的距离，生成火车本体1的可移动范围；
S134：在所述可移动范围内获取第一随机距离，并控制所述火车牵引装置2牵引火车本体1前进对应的第一随机距离，基于所述初始位置，获取所述火车本体1的当前位置，视为第一位置；
获取所述第一位置对应的第一点云数据组，建立第一火车三维模型；
将所述第一火车三维模型输入到所述装载时间轴上，获取第一检测点对应的第一堆积体积；
S135：当第一堆积体积大于预设体积时，在所述可移动范围内获取第二随机距离，并控制所述火车牵引装置2牵引火车本体1后退对应的第一随机距离，将火车本体1后退后的距离视为第二位置；
建立第二火车三维模型，并输入到所述装载时间轴上；
S136：分别在进行一次S134或者S135后获取所述装载时间轴的剩余时间段；
若所述剩余时间段大于预设时间段时，循环执行S134或者S135，直到所述剩余时间段小于预设时间段，确定所述火车本体1完成装载工作。
该实例中，点云数据组每个溜桶一左一右两个点云数据的组合，其中点云数据表示指在一个三维坐标系统中的一组向量的集合，扫描资料以点的形式记录，每一个点包含有三维坐标；
该实例中，初始火车三维模型表示进行装载初期的火车模型，其车厢内的粮食体积远远小于车厢容积；
该实例中，单位时间内的可堆积体积表示一个固定时间内车厢内增加的粮食体积；
该实例中，可装载时长表示将火车本体填满需要的时长；
该实例中，初始检测点表示与火车初始位置对应的检测点；
该实例中，第一火车三维模型表示火车本体在第一位置时对应的三维火车模型，且该第一火车三维模型与初始火车模型的区别在于：第一火车三维模型中的散粮体积大于初始火车模型中的散粮体积；
该实例中，第二火车三维模型表示火车本体在第二位置时对应的三维火车模型，且该第二火车三维模型与第一火车三维模型的区别在于：第二火车三维模型中的散粮体积大于第一火车三维模型中的散粮体积；
该实例中，第一位置与第一火车三维模型对应，第二位置与第二火车三维模型对应；
该实例中，火车三维模型仅包含火车车厢的区域。
上述技术方案的工作原理：当所述火车本体进行装载工作时，获取火车本体的记作初始位置，将每一溜桶下方视为初始检测点，由激光测距传感器采集多组初始点云数据，建立初始火车三维模型，根据火车的容积和单位时间的填充量，估测火车的可装载时长，建立装载时间轴并将初始火车三维模型放置在装置时间轴的初始时间点上，根据实际情况生成可移动范围在可移动范围内，火车牵引装置牵引火车本体前进或者后退，在此期间，持续获取当前检测点的堆积体积，当堆积体积大于预设体积时执行下一次前进或者后退，直到装载时间轴的剩余时间段小于预设时间段，确定所述火车本体完成装载工作。
上述技术方案的有益效果：利用激光反射或者多组点云数据，然后利用点云数据建立火车模型，为了避免过度装载，提前根据火车的容积和单位时间的填充量估测火车的可装载时长，然后根据实际情况控制火车前进或后退，进行均匀装载，有效的避免了偏载，实现精准装载。
在一个实施例中，所述第一溜筒31在对火车本体1前端装料和全车的平料工作时各自对应的装料速度通过以下方式计算：
获取所述第一溜筒31的最大伸缩长度和最小伸缩长度；
根据激光测距传感器4对于火车本体1的车厢高度检测结果；
根据所述车厢高度检测结果和第一溜筒31的最大伸缩长度和最小伸缩长度确定第一溜筒31在对火车本体1前端装料和全车的平料过程中的伸缩长度范围；
确定所述火车本体1的容积大小；
根据所述火车本体1的区域划分规则和其容积大小确定火车本体1的前端区域体积；
确定待装材料的平均光滑系数以及火车本体1的前端区域底面的平滑度；
根据所述待装材料的平均光滑系数和火车本体1的前端区域底面的平滑度确定待装材料在所述前端区域底面的自然流动速度；
根据所述自然流动速度和火车本体1的车厢高度检测结果以及第一溜筒31在对火车本体1前端装料和全车的平料过程中的伸缩长度范围计算出第一溜筒31在对火车本体1前端装料时的第一装料速度：
Figure GDA0003833435310000201
其中，v表示为第一溜筒31在对火车本体1前端装料时的第一装料速度， v1表示为第一溜筒31的预设最大装料速度，s1表示为第一溜筒31在对火车本体1进行前端装料过程中的伸缩长度范围，s2表示为火车本体1的车厢高度，β表示为长度检测误差因子，ln表示为自然对数，ρ1表示为待装材料的密度，ρ2表示为空气密度，ρ3表示为火车本体1底面的材料密度，μ1表示为待装材料在装料过程中与第一溜筒31内部的第一摩擦系数，μ2表示为待装材料与火车本体1的前端区域底面之间的第二摩擦系数，v3表示为待装材料在所述前端区域底面的自然流动速度；
确定火车本体1的中端区域体积以及末端区域体积；
根据火车本体1的中端区域体积以及末端区域体积以及前端区域体积确定在同体积装填材料前端区域分别与中端区域和末端区域之间的材料高度差值；
根据所述材料高度差值计算出平均材料高度差值；
基于所述平均材料高度差值，利用所述第一装料速度计算出第一溜筒31 在对火车本体1进行平料工作时的第二装料速度：
Figure GDA0003833435310000202
其中，v2表示为第一溜筒31在对火车本体1进行平料工作时的第二装料速度，S表示为第一溜筒31的表面积，s3表示为平均材料高度差值，s4表示为火车本体1的长度，e表示为自然常数，取值为2.72，δ表示为火车本体1 的倾斜度对计算结果产生的误差；
分别将所述第一装料速度和第二装料速度确认为第一溜筒31在对火车本体1前端装料和全车的平料工作时各自对应的装料速度。
上述技术方案的有益效果为：可精确地根据火车本体的实际形状和容积参数以及第一溜筒的预设工作参数来计算出第一溜筒在对火车本体前端装料时的第一装料速度既可以保证对于火车本体前端区域的装料效率又可以避免由于装填材料累计过多导致溢出情况的发生提高了稳定性，进一步地，通过根据火车本体每个区域内的材料高度差值来计算出第一溜筒在进行平料工作时的第二装料速度既可以保证对于火车本体内材料装填铺设的平稳性又可以保证各个区域的装填材料都在一个水平线上，进一步地提高了材料装填效率和稳定性，同时还保证了火车本体的空间利用率最大化，可实现单次运输材料量的最大化，一定程度上节约了运输次数，间接地节省了运输成本。
综上所述：本基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统，设置有火车本体1、火车牵引装置2、伸缩溜筒3、激光测距传感器4和智能控制系统5，在火车本体1定位过程中，通过激光测距传感器4测量火车本体1的车厢高度，辅助火车牵引装置2实现精准定位；满足火车到达的标准化装车位，在装火车的过程中，激光测距传感器4对粮食的高度进行测算，通过装火车粮食高度的大数据收集和分析，得出装火车粮食高度与火车自动牵引的控制公式，并与多种传感器相结合，实现散粮智能化平稳装火车；激光测距传感器4 自动采集数据，智能控制系统5计算和控制整体运作，解决了散粮装火车的难题，解决散粮装卸系统的发运环节了智能化的技术，为实现散粮智能化港口奠定了基础。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统，包括火车本体(1)、火车牵引装置(2)、伸缩溜筒(3)、激光测距传感器(4)、智能控制系统(5)和斗秤计量系统(6)，其特征在于：所述火车本体(1)用于装载粮食，完成粮食运输，所述火车牵引装置(2)与火车本体(1)相连，火车牵引装置(2)用于实现火车本体(1)的位置移动，所述火车本体(1)为L70型散粮专用车，火车本体(1)的一个车厢内共设置有四个漏斗，漏斗的下端设置有放料口(11)，所述伸缩溜筒(3)与斗称连接，伸缩溜筒(3)的两侧均设置有激光测距传感器(4)，伸缩溜筒(3)用于将粮仓中的粮食导入到火车本体(1)内，所述激光测距传感器(4)在火车本体(1)定位时，用于火车本体(1)的车厢高度检测，辅助火车牵引装置(2)实现火车本体(1)的精准定位，激光测距传感器(4)在装火车的过程中，对粮食的高度进行测算，可测出粮食的实时比重，智能调整斗秤计量系统(6)，控制火车牵引装置(2)带动火车本体(1)移动，实现平稳装车，所述智能控制系统(5)分别与火车牵引装置(2)、伸缩溜筒(3)、激光测距传感器(4)和斗秤计量系统(6)通信连接，智能控制系统(5)用于接收激光测距传感器(4)信号，计算先控制斗秤计量系统(6)并发送指令，控制火车牵引装置(2)带动火车本体(1)移动，实现粮食平稳装车，智能控制系统(5)设置有控制单元(51)、报警单元(52)和显示单元(53)，控制单元(51)分别与报警单元(52)和显示单元(53)通信连接；
所述伸缩溜筒(3)包括第一溜筒(31)、第二溜筒(32)和第三溜筒(33)，第一溜筒(31)、第二溜筒(32)和第三溜筒(33)依次排列，且第一溜筒(31)位于火车本体(1)靠近前进方向的一端上方，第一溜筒(31)用于主要平车溜筒，负责火车本体(1)前端装料和全车的平料功能，第二溜筒(32)负责火车本体(1)中间装料功能，第三溜筒(33)负责火车本体(1)末端装料功能，第一溜筒(31)在对火车本体(1)前端装料和全车的平料工作时各自对应的装料速度通过以下方式计算：
获取所述第一溜筒(31)的最大伸缩长度和最小伸缩长度；
根据激光测距传感器(4)对于火车本体(1)的车厢高度检测结果；
根据所述车厢高度检测结果和第一溜筒(31)的最大伸缩长度和最小伸缩长度确定第一溜筒(31)在对火车本体(1)前端装料和全车的平料过程中的伸缩长度范围；
确定所述火车本体(1)的容积大小；
根据所述火车本体(1)的区域划分规则和其容积大小确定火车本体(1)的前端区域体积；
确定待装材料的平均光滑系数以及火车本体(1)的前端区域底面的平滑度；
根据所述待装材料的平均光滑系数和火车本体(1)的前端区域底面的平滑度确定待装材料在所述前端区域底面的自然流动速度；
根据所述自然流动速度和火车本体(1)的车厢高度检测结果以及第一溜筒(31)在对火车本体(1)前端装料和全车的平料过程中的伸缩长度范围计算出第一溜筒(31)在对火车本体(1)前端装料时的第一装料速度：
Figure FDA0003833435300000021
其中，v表示为第一溜筒(31)在对火车本体(1)前端装料时的第一装料速度，v1表示为第一溜筒(31)的预设最大装料速度，s1表示为第一溜筒31在对火车本体(1)进行前端装料过程中的伸缩长度范围，s2表示为火车本体(1)的车厢高度，β表示为长度检测误差因子，ln表示为自然对数，ρ1表示为待装材料的密度，ρ2表示为空气密度，ρ3表示为火车本体(1)底面的材料密度，μ1表示为待装材料在装料过程中与第一溜筒(31)内部的第一摩擦系数，μ2表示为待装材料与火车本体(1)的前端区域底面之间的第二摩擦系数，v3表示为待装材料在所述前端区域底面的自然流动速度；
确定火车本体(1)的中端区域体积以及末端区域体积；
根据火车本体(1)的中端区域体积以及末端区域体积以及前端区域体积确定在同体积装填材料前端区域分别与中端区域和末端区域之间的材料高度差值；
根据所述材料高度差值计算出平均材料高度差值；
基于所述平均材料高度差值，利用所述第一装料速度计算出第一溜筒(31)在对火车本体(1)进行平料工作时的第二装料速度：
Figure FDA0003833435300000031
其中，v2表示为第一溜筒(31)在对火车本体(1)进行平料工作时的第二装料速度，S表示为第一溜筒(31)的表面积，s3表示为平均材料高度差值，s4表示为火车本体(1)的长度，e表示为自然常数，取值为2.72，δ表示为火车本体(1)的倾斜度对计算结果产生的误差；
分别将所述第一装料速度和第二装料速度确认为第一溜筒(31)在对火车本体(1)前端装料和全车的平料工作时各自对应的装料速度。
2.如权利要求1所述的基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统，其特征在于：所述激光测距传感器(4)的数量为六个，且激光测距传感器(4)分别设置在第一溜筒(31)、第二溜筒(32)和第三溜筒(33)的两侧，激光测距传感器(4)用于实时监测激光测距传感器(4)与下方反射的垂直距离。
3.如权利要求1所述的基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统，其特征在于：所述智能化系统的工作流程包括以下步骤：
S1火车定位：智能控制系统(5)先接收车厢的既定停车位置，控制火车牵引装置(2)完成火车粗定位，再接收激光测距传感器(4)的信号，再次控制火车牵引装置(2)带动火车本体(1)移动至精准装车位；
S2计量移车高度：第一溜筒(31)、第二溜筒(32)和第三溜筒(33)分别向火车本体(1)内装料，激光测距传感器(4)测量第一溜筒(31)每斗装料后的粮食高度，智能控制系统(5)计量控制火车本体(1)的移车高度；
S3移车预警：火车牵引装置(2)控制火车本体(1)在相应的移车高度进行移车，并根据需要进行预警，第一溜筒(31)对全车实现平料功能。
4.如权利要求3所述的基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统，其特征在于：所述火车牵引装置(2)上安装有绝对值编码器(21)，绝对值编码器(21)用于对火车本体(1)不同位置的车厢进行编码。
5.如权利要求4所述的基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统，其特征在于：所述S1火车定位的工作流程包括以下步骤：
S11：绝对值编码器(21)对火车本体(1)不同的车厢进行地址编码，不同的车厢对应不同的地址编码数值；
S12：火车牵引装置(2)按照对应的地址编码数值牵引火车本体(1)至目标位置，完成火车本体(1)粗定位牵引；
S13：激光测距传感器(4)测量火车本体(1)的车厢高度，根据激光测距传感器(4)测量值，火车牵引装置(2)牵引火车本体(1)前进或者后退，直至火车本体(1)达到精准装车位。
6.如权利要求5所述的基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统，其特征在于：所述S13包括以下步骤：
S131:当所述火车本体(1)进行装载工作时，所述激光测距传感器(4)分别向所述第一溜筒(31)、第二溜筒(32)和第三溜筒(33)下方的火车本体(1)发射预设激光；
同时，根据所述预设激光获取所述火车本体(1)的当前位置并将其记作初始位置；
S132：将每一溜桶正下方视为初始检测点，获取每一初始检测点对应的反射激光，建立每一初始检测点对应的点云数据组；
基于所述点云数据组建立火车本体(1)的初始三维模型；
S133：在所述初始三维模型上获取每一初始检测点在单位时间内的可堆积体积，同时基于所述初始三维模型估测所述火车本体(1)的容积，根据所述火车本体(1)的估测容积预测出所述火车本体(1)的可装载时长；
基于所述可装载时长，建立火车本体(1)装载时间轴；
将所述初始三维模型设置在所述装载时间轴的初始时间点上；
当所述初始检测点的当前堆积体积大于预设体积时，基于相邻个初始检测点之间的距离，生成火车本体(1)的可移动范围；
S134：在所述可移动范围内获取第一随机距离，并控制所述火车牵引装置(2)牵引火车本体(1)前进对应的第一随机距离，基于所述初始位置，获取所述火车本体(1)的当前位置，视为第一位置；
获取所述第一位置对应的第一点云数据组，建立第一火车三维模型；
将所述第一火车三维模型输入到所述装载时间轴上，获取第一检测点对应的第一堆积体积；
S135：当第一堆积体积大于预设体积时，在所述可移动范围内获取第二随机距离，并控制所述火车牵引装置(2)牵引火车本体(1)后退对应的第二随机距离，将火车本体(1)后退后的距离视为第二位置；
建立第二火车三维模型，并输入到所述装载时间轴上；
S136：分别在进行一次S134或者S135后获取所述装载时间轴的剩余时间段；
若所述剩余时间段大于预设时间段时，循环执行S134或者S135，直到所述剩余时间段小于预设时间段，确定所述火车本体(1)完成装载工作。
7.如权利要求3所述的基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统，其特征在于：所述S2计量移车高度的工作流程包括以下步骤：
S21：当火车本体(1)达到精准装车位后，第一溜筒(31)、第二溜筒(32)和第三溜筒(33)会按照自身的运转速度与拉绳传感器进行比对，伸至火车本体(1)对应车厢的上方位置；
S22：第一溜筒(31)、第二溜筒(32)和第三溜筒(33)同时向火车本体(1)对应的车厢内放粮，激光测距传感器(4)监测第一溜筒(31)每斗装料后的粮食高度；
S23：判断第5斗作业后的粮食高度是否超出设定值，并在第5斗作业后针对不同的粮食高度，做出对应的响应。
8.如权利要求7所述的基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统，其特征在于：所述S23包括以下步骤：
S231：第5斗作业后的粮食高度在305-320cm之间，移车高度设置为238cm，智能控制系统(5)不做预警处理；
S232：第5斗作业后的粮食高度在305cm以下，移车高度设置为235cm，智能控制系统(5)做预警处理；
S233：第5斗作业后的粮食高度在320cm以上，移车高度设置为238+(n-320)/2cm，智能控制系统(5)做高度移车调整，n表示第5斗作业后的激光测距传感器(4)测量的粮食高度。
9.如权利要求1所述的基于激光测距技术的散粮装火车智能化系统，其特征在于：所述斗秤计量系统(6)内设置有三个计量斗称，且三个计量斗称依次与第一溜筒(31)、第二溜筒(32)和第三溜筒(33)连接，计量斗称与智能控制系统(5)通信连接，智能控制系统(5)控制计量斗称的工作过程如下：
S41：智能控制系统(5)根据火车本体(1)的总流量Q，分配第一溜筒(31)、第二溜筒(32)和第三溜筒(33)各自流量，分别计为：q1、q2和q3，可得Q＝q1+q2+q3；
S42：计量斗称计录对应的第一溜筒(31)、第二溜筒(32)和第三溜筒(33)的作业周期,分别计为：T1、T2和T3；
S43：智能控制系统(5)根据第一溜筒(31)、第二溜筒(32)和第三溜筒(33)的对应的作业周期T1、T2和T3，分别计算第一溜筒(31)、第二溜筒(32)和第三溜筒(33)的作业时间，分别记为t1、t2和t3，则：t1＝T1*q1，t2＝T2*q2，t3＝T3*q3；
S44：智能控制系统(5)判断是否需要调整计量斗称控制的第一溜筒(31)、第二溜筒(32)和第三溜筒(33)的作业周期，当t1≥t2≥t3,且T1、T2和T3中任意一个周期不大于其他两个周期中任意一个周期的两倍，则不用调整，否则调整不符合条件的T1、T2或T3。
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