基于激光扫描测距技术的装载机计方和计重方法及装置与流程

本发明属于斗、厢、仓(舱)或罐体中松散或液态物料体积测量技术领域，尤其涉及一种基于激光扫描测距技术的装载机自动计方和计重方法及装置。

背景技术：

目前还没有关于装载机铲斗中物料的计方方法及装置的介绍，已经公开的用于装载机计重的方法及装置大多采用由油压传感器、处理器、控制面板和显示屏等组成的结构，其原理为：加装在装载机动臂油缸上的油压传感器输出油压数据，处理器将该油压数据经模数转换和运算后输出铲斗内物料的重量信息。当该类称重装置(或称电子秤)在作业条件较差的诸如碎(砾)石场、采砂场、制砂场或简易堆料场进行称重时，很难消除由于停机面的倾斜、装载机行驶时的颠簸、动臂提升中的加速度、油温随气温的变化和动臂铰轴润滑状况的改变等因素对计重精度产生的影响，因而其存在适应性差和应用面窄的缺点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于激光扫描测距技术的装载机自动计方和计重方法及装置，该方法和装置利用激光扫描测距系统结构简单，集成容易和测距快速精准的优势，在不需要对装载机工作装置的各个子系统如液压系统等进行改动的条件下，借助于驾驶员平装铲斗的操作方式，实现对装载机铲斗中松散或液态物料体积和重量的精准测量。

该种基于激光扫描测距技术的装载机自动计方和计重方法，包括以下步骤：

第一步：计量铲斗横断面上激光扫描测距传感器每转过一个扫描步进角α所扫过的物料面积。激光扫描测距传感器对空和装满物料的铲斗分别进行两帧扫描并将两组数据对中，设激光扫描测距传感器的基准点为o点，每转过一个扫描步进角α便进行一次激光测距，夹角为α的两条激光测距线与铲斗内表面所围图形为ocd，与物料表面所围图形为oef，从基准点o引一条通过物料表面和铲斗内表面等平分α角的直线有obi和oai，再引两条过bi点和ai点垂直于obi和oai的直线，形成等腰三角形oc′d′和ce′f′，如图1所示。令ocd和oef所围图形的面积等于等腰三角形oc′d′和oe′f′的面积，由等腰三角形面积公式得oc′d′的面积soc′d′：

式中：

同理得oe′f′的面积

式中：

则激光扫描测距传感器每个扫描步进角扫过的铲斗中物料的面积si为：

∵sefcd＝se’f’c’d’＝soc’d’-soe’f’

∴

∴

第二步：计量铲斗横断面上物料的横截面面积s。令其等于激光扫描传感器每一次从起始角到终止角扫过的所有扫描步进角对应的梯形面积si之和：

第三步：计量铲斗中物料的体积v。左和右侧激光扫描传感器同时或同步进行扫描测距，采用平均断面法进行体积计算，以消除偏装载对测量精度产生的影响，用s左、s右表示铲斗左、右侧激光扫描测距传感器扫描的铲斗中物料横断面面积，预先人工测量铲斗横向长度并用l表示，有：

第四步：计量或计算铲斗中物料的重量w。预先人工测量或选取铲斗中物料的比重并用γ表示，有：

w＝v·γ⑥

该种基于激光扫描测距技术的装载机自动计方和计重装置，由以下六部分组成，分别是左侧铲斗激光回转扫描测距传感器1，左侧铲斗激光回转扫描测距传感器支架2，右侧铲斗激光回转扫描测距传感器3，右侧铲斗激光回转扫描测距传感器支架4，控制盒5和控制面板6，参见图2；其中的电子器件各部分包括其上或内部各零部件之间，通过各类接口与接头，插座与插头等，以有线或无线的方式连接；该装置启用前需要做两项准备工作，一是要进行传感器定位基点的校准标定，需在铲斗上根据扫描路径确定扫描起始角和终止角位置，这两个位置点作为基准点可以相互替代，以便进行双向扫描，它们经系统确认后，进行限位装置的锁止；二是要生成用于计算铲斗内物料体积的有关数据，首先通过控制面板6上的键盘将手工测量的铲斗横向长度数据录入到控制盒5中，然后启动激光扫描测距传感器对空的铲斗从起始角到终止角进行一帧扫描，其各个扫描点上的距离数值作为一组基准数据存入控制盒5的内存中，用于装载物料的体积和重量计算，此帧扫描形成的基准数据应与铲斗装满料后的实时扫描数据在各个扫描点上的位置一一对应，该两组数据经控制器处理后可生成铲斗内物料横断面面积数值；此外，内存中还应储存有常用散料在不同湿度状态下的比重数据和液态料(如水泥混凝土)的比重数据，一同用于系统的计方和计重；具体物料的比重数据还可以借助于常用的散料或液态料比重测量装置经测量得到，并通过控制面板6将相应的测量数据输入到控制盒5中。

本装置各部分的组成、功能和工作原理阐述如下。

所述的左侧铲斗激光回转扫描测距传感器1和右侧铲斗激光回转扫描测距传感器3，其特征在于：它们的结构、组成、功能和原理相同，同步或同时工作，通过左和右侧传感器支架2和4分别安装在铲斗后沿距两端大约横向长度的1/4处的上方(参见图3)，其回转扫描测距面应与地面或铲斗前沿与后沿构成的平面垂直，或与铲斗横截面平行，在不形成扫描盲点的情况下，为简化结构设计，应使回转扫描测距传感器的定位校准基点与铲斗后沿之间的距离尽可能地靠近，若选择或配合铲斗平斗装料作业，即在装满料的瞬间通过操控转斗油缸手柄向铲斗内抖动料或向铲斗外卸料的方式使斗内料而呈平面形态，该尺寸可以缩小到最小；所述左侧或右侧铲斗激光回转扫描测距传感器1或3，由激光测距传感器7和回转驱动装置8组成，二者之间采用直驱、齿轮或齿带等传动方式，其中的测距传感器7，可以由测距控制模块9、激光发射模块10、激光接收模块11和测距模块12等组成，其中的回转驱动装置8可由定位控制模块13、步进驱动模块14和步进或伺服电机15等组成；所述测距控制模块9和定位控制模块13，可选择由同一个plc或单片机替代，也可采用分体安装形式直接由控制盒5中的plc或单片机替代，其目的是要建立起所述的激光发射模块10和步进驱动模块14二者之间的同步或联动关系，其每一帧扫描的控制循环过程可以是：驾驶员按动控制面板6上的计方、计重或累加按键后产生一个电信号→控制盒5中的plc或单片机据此电信号向激光发射模块10发出触发一个激光测距脉冲的指令→激光发射模块10发出的一个激光测距脉冲经激光接收模块11接受，由激光测距模块12计算，输出一个从测距传感器7的基准点到铲斗中物料在扫描起测点即扫描起始角或终止角位置的距离数值→控制盒5中的plc或单片机向步进驱动模块14发出一个驱动步进或伺服电机15转过一个与电机步进角成倍数关系的固定检测角(或称扫描步进角，参见图1)的指令→步进或伺服电机15驱动激光测距传感器7转过一个固定的扫描步进角并做一个暂短停歇→plc或单片机在停歇时刻向激光发射模块10发出触发一个激光测距脉冲的指令→激光测距传感器7重复前述测距过程，输出该测点的距离数值，当步进或伺服电机15受控驱动激光测距传感器7每转过一个扫描步进角在做一个暂短停歇时，激光发射模块10便受控触发一个激光测距脉冲指令，从而产生一个测点的距离数值，当步进或伺服电机15从起始角到终止角或从终止角到起始角位置按等角度-间歇式-连续转动进行一帧扫描后，激光测距传感器7便能输出一组位置相对固定和回转角度相等的扫描测距点的距离数据，完成一帧扫描工作后，plc或单片机再据此数据和储存在内存中的一组对空铲斗扫描的基准数据依次计算出铲斗中物料的横断面面积、体积和重量；为消除左或右侧激光回转扫描测距传感器1或3在工作前因铲斗抖动或行车颠簸等引起其扫描起始角或终止角初始位置的改变，应在其回转扫描起始角或终止角位置处设置限位装置，该限位装置在底座上的位置可调并可锁止，或在步进或伺服电机15的轴端部加装编码器和码盘等进行伺服控制，在扫描驱动程序设计中可加入扫描前的回位和制动程序。

所述的左侧铲斗激光回转扫描测距传感器支架2或右侧铲斗激光回转扫描测距传感器支架4，其特征在于：其下端与铲斗可拆卸式连接，其上端与对应的左侧铲斗激光回转扫描测距传感器1或右侧铲斗激光回转扫描测距传感器3连接，其具体结构形式和连接形式以保证能完成激光扫描测距传感器的定位校准基点位置在空间可调为依据，能完成左或右侧铲斗激光回转扫描测距传感器定位校准基点与铲斗安装点的初始标定作业。

所述的控制盒5，其特征在于：它安装或固定于驾驶室内便于驾驶员操作和观察的位置如动臂油缸操作手柄附近，它由盒体、控制器(由plc、单片机、定位控制模块和激光测距控制模块等的单体或组合体构成)、存储器、步进驱动模块、数据转换模块、显示模块、输入输出接口、总线等组成，通过接口、连接器和总线等与左和右侧铲斗激光回转扫描测距传感器1或3、控制面板6等有线或无线连接。

所述的控制面板6，其特征在于：它由显示屏、按钮或按键、指示灯、报警蜂鸣器、语音提示器等组成，可与控制盒5集成为一体，并可配置集成为一体的子机，便于机下人员查看，它的基本配置按键有三组：第一组是系统设置按键：包括扫描起始角确认、扫描终止角确认、铲斗横向长度和实测比重确认按键；第二组是功能选择按键：包括计方、计重和累加按键等，其中，当按下计重按键时，系统能显示材料比重数据输入方式选项，其数据来源有两个：一是系统内存中常用散料在不同湿度状态下的比重数据，二是手工输入借助于常用的散料比重测量装置测量的比重数据；第三组是包括0-9个数字键；此外，控制面板6上还应设置电源键等。

附图说明

图1是计算激光扫描测距传感器每转过一个扫描步进角α所扫过的铲斗中物料面积的原理示意图。

图2是本发明的结构原理示意图。

图3是激光扫描传感器安装位置示意图，其中，1-左侧铲斗激光回转扫描测距传感器，2-左侧铲斗激光回转扫描测距传感器支架，3-右侧铲斗激光回转扫描测距传感器，4-右侧铲斗激光回转扫描测距传感器支架。

具体实施方式

下面以clg856(zl50)装载机为例，说明本发明结构原理的实施过程。

作为主流配置机型的clg856装载机，其铲斗的基本参数为：额定容量3m³，[横长×纵宽](m)尺寸为2.86×1.38，挡板高0.27(m)；驾驶员操作采用铲斗平斗装料作业。本发明的基本结构尺寸和工作参数可以是：①左和右侧激光回转扫描测距传感器支架2和4的高度取0.3m，一帧扫描的扫描角大约为70°，其安装姿态应略向铲斗内倾斜以消除扫描盲点，其在铲斗后沿上的安装位置分别距两端大约0.6m(横向长度的1/4)处；②校准左和右侧激光回转扫描测距传感器1和3的回转扫描测距面时，传感器支架2和4应垂直于铲斗后沿，可以沿铲斗纵向在前后沿距两端等距处摆放一把平尺，点亮激光使光斑沿平尺的边缘擦边照射在铲斗内壁上，做几帧扫描并查看其轨迹，应保证该轨迹与平尺边缘到铲斗侧壁的距离相等；③左或右侧扫描测距传感器1或3采用回转支承结构，回转支承的内圈与左或右侧扫描测距传感器支架2或4上的固定底座连接，回转支承的外圈与安装了激光测距传感器7和步进或伺服电机15的回转底座连接，回转支承的内圈上加工有内齿圈，它与步进或伺服电机15轴端的驱动齿轮啮合，减速比取10，步进或伺服电机的步进角取1.8°，步进或伺服电机15每转过2×1.8°，激光测距传感器7输出一个测点的距离数值，一帧扫描的测距点数为194。