自动化扦样机系统

自动化扦样机系统
1.此方案为专利号2020113787684自动识别及控制扦样机系统的分案申请
技术领域
2.本发明涉及扦样机领域，更具体的说，它涉及自动化扦样机系统。


背景技术：

3.目前市场上在控制扦样机进行扦样时，主要是通过人工控制扦样机的位置或者人工输入卡车参数或者ic卡识别等非智能方式来实现扦样。存在人工作弊、效率低下、人工成本高等缺点，为了解放生产力，提高扦样效率，如何才能实现智能扦样全自动识别、全自动扦样技术是当今亟待解决的迫切问题。现有的市场上的扦样机，智能化程度偏低，人工扦样存在作弊、低效率等问题，其他所谓的智能扦样机效率偏低，且不能非常准确的产生随机扦样点，系统智能程度偏低，且系统稳定度偏低。


技术实现要素：

4.本发明克服了现有技术的不足，提供了一种保证系统精度及稳定性，碰到异常硬物，能作出相关保护动作，确保系统安全和稳定的自动识别及控制扦样机系统。
5.本发明的技术方案如下：
6.自动识别及控制扦样机系统，包括单臂旋转粮食扦样机，单臂旋转粮食扦样机受a、b、c三轴伺服驱动电机控制；其中a轴、b轴实现水平自由度控制，c轴实现垂直方向的自由控制；a轴驱动的摆臂在单臂旋转粮食扦样机的承重杆上以水平旋转的方式旋转,旋转空间为0
°
至180
°
，b轴驱动的小车在a轴驱动的摆臂上做直线运动，c轴驱动的扦样杆搭载在b轴驱动的小车上,做上下运动；单臂旋转粮食扦样机在收到采样命令时，驱动单臂旋转粮食扦样机的扦样杆下放进行扦样动作；
7.具体过程如下：
8.101)测量步骤：测量出单臂旋转粮食扦样机下方被测车辆位置、被测车辆长宽高以及车厢的坐标；其通过摆臂的旋转运动以及摆臂上面小车水平运动，a、b两轴通过插补方式配合运动，其中，小车上搭载激光测距传感器，由其对单臂旋转粮食扦样机下方的车辆进行扫描测量,实时读取传感器反馈值，保证测量精度；
9.102)计算步骤：将步骤101)所取得的一系列坐标点进行被测车辆长宽高计算、车身倾斜整体坐标的换算、区域建模、随机采样点计算和最终扦样点生成；
10.103)采样步骤：通过本系统随机生成的扦样点进行扦样动作，当单臂旋转粮食扦样机的扦样杆遇到硬物时，自动返回保护，保证扦样杆不被损坏；当所有扦样点全部取样完成后，扦样流程完成，系统自动复位单臂旋转粮食扦样机原始状态。
11.进一步的，对车辆进行扫描测量具体如下：定义单臂旋转粮食扦样机旋转摆臂的180
°
方向或者0
°
方向为横坐标x轴,单臂旋转粮食扦样机旋转摆臂的90
°
方向为纵坐标y轴，测量停在预设区域内车辆的位置和长宽，需要将小车在该坐标系下的由左到右做平行于x
轴的直线运动,从下到上垂直于x轴的直线运动完成测量。
12.进一步的，单臂旋转粮食扦样机小车上的激光测距传感器，检测被测车辆的长宽高信息以及在几何坐标系内所对应的坐标位置；其中小车在空间坐标系上的运动轨迹需要近似于平行x轴的一条直线,因此旋转摆臂与小车移动这两个a、b轴上需要两轴联动插补方式,以保证小车在空间坐标系上的运动轨迹是直线,来完成对车辆长度的测量和车辆位置的定位；
13.测量车辆的宽度，需要小车从垂直于x轴的运动轨迹来进行测量；
14.结合测量车辆的长度和宽度的结果，根据测量的参数推导出车辆的规格及停车位置。
15.进一步的，在车辆扫描切换中，读取宽度测量下方远端的一个坐标点，并在测量宽度的过程中，记录另外一个点的坐标，通过两个点位的坐标进行函数计算，得出被测车辆停车倾斜角度α。
16.进一步的，具体长度小车轨迹为采取平行于x轴的e、f两点之间的直线，设e点坐标为(x1,y1),f点坐标为(x2,y2)，由两点之间的直线计算公式可得:
[0017][0018]
因为b轴小车的运行轨迹是平行于x轴，所以可以得出e、f两点之间的纵坐标y1＝y2,则推出
[0019][0020]
l为被测车辆的车厢总长度，其中存在l1已知的预留长度，所以推出l：
[0021]
l＝l2+l1＝|x1-x2|+l1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(3)
[0022]
根据得到的l长度，与系统预设的参数进行对比，在预设误差范围内，系统根据该参数得知被测卡车型号。
[0023]
进一步的，具体宽度小车轨迹为采取垂直于x轴的g、h两点之间的直线，设g点坐标为(x3,y3),h点坐标为(x4,y4)，由两点之间的直线计算公式可得w:
[0024][0025]
因为运行轨迹是垂直于x轴，所以得出g、h两点之间的纵坐标x3＝x4,则推出
[0026][0027]
进一步的，被测车辆的停车位置会存在倾斜角度α
°
，具体根据扫描到的车辆长度上任取两点g、r，g点坐标为(x3,y3),r点坐标为(x5,y5)，k为g、r两点之间直线函数的斜率：
[0028]
k＝tanα＝(y5-y3)/(x5-x3)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(6)
[0029][0030]
当得出α后，根据几何坐标系平行于x轴得到的长l、垂直于x轴的宽w,可得到实际的长l’与宽w’。
[0031]
本发明相比现有技术优点在于：
[0032]
本发明利用高性能plc进行两轴直线插补控制，保证系统精度及稳定性。利用多点
激光坐标扫描记录，更加精确的计算被测车辆的实际位置。通过被测车辆相关参数计算并对有效可扦样区域进行建模与分析,并在软件做出更加准确且安全的随机扦样点。通过对伺服电机的电流反馈实时判断扦样时，扦样头是否碰到异常硬物，并作出相关保护动作，确保系统安全和稳定。
附图说明
[0033]
图1为发明的单臂旋转粮食扦样机抽象结构示意图；
[0034]
图2为发明的单臂旋转粮食扦样机扫描区域示意图；
[0035]
图3为发明的系统流程图；
[0036]
图4为发明的车辆长度测量示意图；
[0037]
图5为发明的车辆宽度测量示意图；
[0038]
图6为发明的车辆倾斜角测量示意图；
[0039]
图7为发明的车辆长度测量增加预留长度示意图；
[0040]
图8为发明的车辆宽度测量标识出宽度示意图；
[0041]
图9为发明的车辆实际情况下的测量示意图；
[0042]
图10为发明的车辆实际采样示意图；
[0043]
图11为发明的框架图；
[0044]
图12为发明的电流检测模块电路图；
[0045]
图13为发明的电压检测模块电路图。
具体实施方式
[0046]
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
[0047]
如图1至图13所示，自动识别及控制扦样机系统，包括单臂旋转粮食扦样机，单臂旋转粮食扦样机受a、b、c三轴伺服驱动电机控制；其中a轴、b轴实现水平自由度控制，c轴实现垂直方向的自由控制；a轴驱动的摆臂在单臂旋转粮食扦样机的承重杆上以水平旋转的方式旋转,旋转空间为0
°
至180
°
，b轴驱动的小车在a轴驱动的摆臂上做直线运动，c轴驱动的扦样杆搭载在b轴驱动的小车上,做上下运动；单臂旋转粮食扦样机在收到采样命令时，驱动单臂旋转粮食扦样机的扦样杆下放进行扦样动作。
[0048]
目前粮食卡车有三种标准规格，长度分别为13m、9.6m以及6.8m。单臂旋转粮食扦样机摆臂的有效工作长度为5m，当卡车停在预订的区域内，结合扦样机的工作半径，如图2所示。由图中可知，三种标准的卡车车厢实际有效扦样区域，单臂旋转粮食扦样机旋转a轴的工作半径为5m，与各种长度的卡车车厢形成的交叉，存在一定区域的扦样死角，绝大部分区域可以有效扦样，因为机械特性的限制，扦样机摆臂不能过长，摆臂过长情况下，是可以完整的扫描卡车车厢所有区域，但是摆臂上的小车及扦样杆有一定的自重，当行驶到摆臂的末端，旋转摆臂将会有一定程度的水平下沉，导致系统不稳定，故旋转合理的摆臂长度，保证系统的稳定性。本方案能快速有效的测出被测卡车车辆的扦样区域，建立更准确的扦样区域，保证系统的稳定性。如图3所示，开始扦样流程时,将被测车辆停放在扦样机下方预
设停车区域内等待采样(预设停车区域相对比实际卡车要大，方便司机停车)，具体包括如下步骤：
[0049]
101)测量步骤：测量出单臂旋转粮食扦样机下方被测车辆位置、被测车辆长宽高以及车厢的坐标；其通过摆臂的旋转运动以及摆臂上面小车水平运动，a、b两轴通过插补方式配合运动，其中，小车上搭载激光测距传感器，由其对单臂旋转粮食扦样机下方的车辆进行扫描测量,实时读取传感器反馈值，保证测量精度；
[0050]
102)计算步骤：将步骤101)所取得的一系列坐标点进行被测车辆长宽高计算、车身倾斜整体坐标的换算、区域建模、随机采样点计算和最终扦样点生成；
[0051]
103)采样步骤：通过本系统随机生成的扦样点进行扦样动作，当单臂旋转粮食扦样机的扦样杆遇到硬物时，自动返回保护，保证扦样杆不被损坏；当所有扦样点全部取样完成后，扦样流程完成，系统自动复位单臂旋转粮食扦样机原始状态。
[0052]
扦样机智能控制系统最大的难点就是对车辆车厢的测量扫描，为了将较为抽象的空间运动简单化，对车辆进行扫描测量具体如下：定义单臂旋转粮食扦样机旋转摆臂的180
°
方向或者0
°
方向为横坐标x轴,单臂旋转粮食扦样机旋转摆臂的90
°
方向为纵坐标y轴，测量停在预设区域内车辆的位置和长宽，需要将小车在该坐标系下的由左到右做平行于x轴的直线运动,从下到上垂直于x轴的直线运动完成测量。
[0053]
单臂旋转粮食扦样机小车上的激光测距传感器，检测被测车辆的长宽高信息以及在几何坐标系内所对应的坐标位置；其中小车在空间坐标系上的运动轨迹需要近似于平行x轴的一条直线,因此旋转摆臂与小车移动这两个a、b轴上需要两轴联动插补方式,以保证小车在空间坐标系上的运动轨迹是直线,来完成对车辆长度的测量和车辆位置的定位。
[0054]
测量车辆的宽度，需要小车从垂直于x轴的运动轨迹来进行测量。结合测量车辆的长度和宽度的结果，根据测量的参数推导出车辆的规格及停车位置。通过这种单次的测量,无需重复测量，就可以定位扦样机下方车辆的投影在该坐标系下的具体位置坐标。
[0055]
在车辆扫描切换中，读取宽度测量下方远端的一个坐标点，并在测量宽度的过程中，记录另外一个点的坐标，通过两个点位的坐标进行函数计算，得出被测车辆停车倾斜角度α。
[0056]
具体长度小车轨迹为采取平行于x轴的e、f两点之间的直线，设e点坐标为(x1,y1),f点坐标为(x2,y2)，由两点之间的直线计算公式可得:
[0057][0058]
因为b轴小车的运行轨迹是平行于x轴，所以可以得出e、f两点之间的纵坐标y1＝y2,则推出
[0059][0060]
l为被测车辆的车厢总长度，其中存在l1已知的预留长度，所以推出l：
[0061]
l＝l2+l1＝|x1-x2|+l1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(3)
[0062]
根据得到的l长度，与系统预设的参数进行对比，在预设误差范围内，系统根据该参数得知被测卡车型号。
[0063]
具体宽度小车轨迹为采取垂直于x轴的g、h两点之间的直线，设g点坐标为(x3,y3),h点坐标为(x4,y4)，由两点之间的直线计算公式可得w:
[0064][0065]
因为运行轨迹是垂直于x轴，所以得出g、h两点之间的纵坐标x3＝x4,则推出
[0066][0067]
被测车辆的停车位置会存在倾斜角度α
°
，具体根据扫描到的车辆长度上任取两点g、r，g点坐标为(x3,y3),r点坐标为(x5,y5)，k为g、r两点之间直线函数的斜率：
[0068]
k＝tanα＝(y5-y3)/(x5-x3)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(6)
[0069][0070]
当得出α后，根据几何坐标系平行于x轴得到的长l、垂直于x轴的宽w,可得到实际的长l’与宽w’。
[0071][0072][0073]
由上面的计算可知，扦样机有效的扦样范围如图所示，其中阴影部分的区域就是有效的扦样范围，可由圆的函数以及几条直线函数的交叉组成。
[0074]
扦样机的a轴的摆臂长度为r，且坐标轴是以a轴为旋转轴中心为原点，也是坐标原点o，可由次可以得出函数关系式：
[0075]
x2+y2＝r2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(10)
[0076]
由直线函数y＝kx+m可得长度方向的函数，可以推出m1，已知h点坐标为(x4,y4)，可以带入公式，可得：
[0077][0078]
所以
[0079]
所以长度方向函数关系式为：
[0080][0081]
宽度方向的函数可以推出m2，已知e点坐标为(x1,y1)，可以带入公式，可得：
[0082]
y1＝tan(π/2+α)*x1+m2＝-cotα*x1+m2公式(14)
[0083]
所以
[0084]
所以宽度方向函数关系式为：
[0085][0086]
所以随机产生的扦样点坐标必须要满足以下三个关系式内部：
[0087][0088]
只要当随机产生的扦样点坐标满足如上关系，才能进行快速的扦样操作。以达到快速有效的测出被测卡车的扦样区域，建立更准确的扦样区域，保证系统的稳定性。
[0089]
自动识别及控制扦样机系统，包括主控plc、模拟量检测模块、通信模块、高速脉冲控制模块、数字量io控制模块、风机、限位传感器、报警警示模块、无线接收器、扦样机旋转控制模块；主控plc与模拟量检测模块、通信模块、高速脉冲控制模块、数字量io控制模块电性连接；风机、限位传感器、报警警示模块、无线接收器与数字量io控制模块电性连接；模拟量检测模块包括激光测距传感器。其中具体的连接和控制，可以采用现有的技术进行相应的电性连接与控制。
[0090]
通信模块包括485总线和以太网接口，以太网接口用于人机交互连接，485总线用以扦样机旋转控制模块的数据采集。
[0091]
扦样机旋转控制模块包括小车升降的轴伺服系统、单臂控制小车移动的旋转轴伺服系统和扦样机旋转摆臂系统；小车升降的轴伺服系统、单臂控制小车移动的旋转轴伺服系统、扦样机旋转摆臂系统与高速脉冲控制模块电性连接，受其控制。
[0092]
其中，限位传感器、报警警示模块、无线接收器都包括蓄电池，由蓄电池进行单独供电；数字量io控制模块包括电流检测模块和充电电压检测模块，实现精确控制；电流检测模块与风机、限位传感器、报警警示模块、无线接收器电性连接；充电电压检测模块与蓄电池电性连接。自然扦样机旋转控制模块也可以接入电流检测模块。
[0093]
具体的电流检测模块包括电流感应放大器u5、电流感应放大器u8、电阻r11、电阻r12、电阻r13、电阻r14、电容c4、电容c9、电容c10和电容c13；电流感应放大器u5的1号引脚、3号引脚间连接电阻r11，且电阻r11的一端与电源模块连接，另一端与接口模块中的usb模块连接。电流感应放大器u5的2号引脚接地，电流感应放大器u5的5号引脚与电容c4的一端连接，并与接口模块、蜂鸣器连接；电容c4的另一端接地。电流感应放大器u5的4号引脚与电阻r12的一端、电阻r13的一端、电流感应放大器u8的1号引脚连接。电阻r12的另一端与电容c9的一端连接，且与中央处理模块连接；电容c9的另一端接地；
[0094]
电流感应放大器u8的2号引脚接地，电流感应放大器u8的3号引脚与电阻r13的另一端一起接地，电流感应放大器u8的4号引脚与电阻r14的一端连接，且电阻r14的另一端与电容c13的一端连接，并且该端与中央处理模块连接，电容c13的另一端接地。电流感应放大器u8的5号引脚与电容c10的一端连接，且该端与电流感应放大器u5的5号引脚连接；电容c10的另一端接地。
[0095]
本方案的电流检测模块实现大范围、高精度的电流检测，有效匹配本系统，进行精准监控。
[0096]
充电电压检测模块包括电阻r19、电阻r23、电阻r24、电阻r27、电容c19；电阻r19的一端与接口模块的usb模块连接，电阻r19的另一端与电阻r23的一端、电阻r27的一端连接，电阻r27的另一端接地，电阻r23的另一端与电阻r24的一端、电容c19的一端连接，电容c19
的另一端接地，电阻r24的另一端与中央处理模块连接。中央处理模块即主控plc。通过充电电压的监控，避免了相应元器件的充电超出相应额定范围，更好的延长和保护各个元器件，提高产品的使用寿命。
[0097]
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。