本發(fā)明屬于斗、廂、倉(艙)或罐體中松散或液態(tài)物料體積測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激光掃描測距技術(shù)的裝載機(jī)自動計方和計重方法及裝置。

背景技術(shù)：

目前還沒有關(guān)于裝載機(jī)鏟斗中物料的計方方法及裝置的介紹，已經(jīng)公開的用于裝載機(jī)計重的方法及裝置大多采用由油壓傳感器、處理器、控制面板和顯示屏等組成的結(jié)構(gòu)，其原理為：加裝在裝載機(jī)動臂油缸上的油壓傳感器輸出油壓數(shù)據(jù)，處理器將該油壓數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和運算后輸出鏟斗內(nèi)物料的重量信息。當(dāng)該類稱重裝置(或稱電子秤)在作業(yè)條件較差的諸如碎(礫)石場、采砂場、制砂場或簡易堆料場進(jìn)行稱重時，很難消除由于停機(jī)面的傾斜、裝載機(jī)行駛時的顛簸、動臂提升中的加速度、油溫隨氣溫的變化和動臂鉸軸潤滑狀況的改變等因素對計重精度產(chǎn)生的影響，因而其存在適應(yīng)性差和應(yīng)用面窄的缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于激光掃描測距技術(shù)的裝載機(jī)自動計方和計重方法及裝置，該方法和裝置利用激光掃描測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，集成容易和測距快速精準(zhǔn)的優(yōu)勢，在不需要對裝載機(jī)工作裝置的各個子系統(tǒng)如液壓系統(tǒng)等進(jìn)行改動的條件下，借助于駕駛員平裝鏟斗的操作方式，實現(xiàn)對裝載機(jī)鏟斗中松散或液態(tài)物料體積和重量的精準(zhǔn)測量。

該種基于激光掃描測距技術(shù)的裝載機(jī)自動計方和計重方法，包括以下步驟：

第一步：計量鏟斗橫斷面上激光掃描測距傳感器每轉(zhuǎn)過一個掃描步進(jìn)角α所掃過的物料面積。激光掃描測距傳感器對空和裝滿物料的鏟斗分別進(jìn)行兩幀掃描并將兩組數(shù)據(jù)對中，設(shè)激光掃描測距傳感器的基準(zhǔn)點為o點，每轉(zhuǎn)過一個掃描步進(jìn)角α便進(jìn)行一次激光測距，夾角為α的兩條激光測距線與鏟斗內(nèi)表面所圍圖形為ocd，與物料表面所圍圖形為oef，從基準(zhǔn)點o引一條通過物料表面和鏟斗內(nèi)表面等平分α角的直線有obi和oai，再引兩條過bi點和ai點垂直于obi和oai的直線，形成等腰三角形oc′d′和ce′f′，如圖1所示。令ocd和oef所圍圖形的面積等于等腰三角形oc′d′和oe′f′的面積，由等腰三角形面積公式得oc′d′的面積soc′d′：

式中：

同理得oe′f′的面積

式中：

則激光掃描測距傳感器每個掃描步進(jìn)角掃過的鏟斗中物料的面積si為：

∵sefcd＝se’f’c’d’＝soc’d’-soe’f’

∴

∴

第二步：計量鏟斗橫斷面上物料的橫截面面積s。令其等于激光掃描傳感器每一次從起始角到終止角掃過的所有掃描步進(jìn)角對應(yīng)的梯形面積si之和：

第三步：計量鏟斗中物料的體積v。左和右側(cè)激光掃描傳感器同時或同步進(jìn)行掃描測距，采用平均斷面法進(jìn)行體積計算，以消除偏裝載對測量精度產(chǎn)生的影響，用s左、s右表示鏟斗左、右側(cè)激光掃描測距傳感器掃描的鏟斗中物料橫斷面面積，預(yù)先人工測量鏟斗橫向長度并用l表示，有：

第四步：計量或計算鏟斗中物料的重量w。預(yù)先人工測量或選取鏟斗中物料的比重并用γ表示，有：

w＝v·γ⑥

該種基于激光掃描測距技術(shù)的裝載機(jī)自動計方和計重裝置，由以下六部分組成，分別是左側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器1，左側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器支架2，右側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器3，右側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器支架4，控制盒5和控制面板6，參見圖2；其中的電子器件各部分包括其上或內(nèi)部各零部件之間，通過各類接口與接頭，插座與插頭等，以有線或無線的方式連接；該裝置啟用前需要做兩項準(zhǔn)備工作，一是要進(jìn)行傳感器定位基點的校準(zhǔn)標(biāo)定，需在鏟斗上根據(jù)掃描路徑確定掃描起始角和終止角位置，這兩個位置點作為基準(zhǔn)點可以相互替代，以便進(jìn)行雙向掃描，它們經(jīng)系統(tǒng)確認(rèn)后，進(jìn)行限位裝置的鎖止；二是要生成用于計算鏟斗內(nèi)物料體積的有關(guān)數(shù)據(jù)，首先通過控制面板6上的鍵盤將手工測量的鏟斗橫向長度數(shù)據(jù)錄入到控制盒5中，然后啟動激光掃描測距傳感器對空的鏟斗從起始角到終止角進(jìn)行一幀掃描，其各個掃描點上的距離數(shù)值作為一組基準(zhǔn)數(shù)據(jù)存入控制盒5的內(nèi)存中，用于裝載物料的體積和重量計算，此幀掃描形成的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)應(yīng)與鏟斗裝滿料后的實時掃描數(shù)據(jù)在各個掃描點上的位置一一對應(yīng)，該兩組數(shù)據(jù)經(jīng)控制器處理后可生成鏟斗內(nèi)物料橫斷面面積數(shù)值；此外，內(nèi)存中還應(yīng)儲存有常用散料在不同濕度狀態(tài)下的比重數(shù)據(jù)和液態(tài)料(如水泥混凝土)的比重數(shù)據(jù)，一同用于系統(tǒng)的計方和計重；具體物料的比重數(shù)據(jù)還可以借助于常用的散料或液態(tài)料比重測量裝置經(jīng)測量得到，并通過控制面板6將相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)輸入到控制盒5中。

本裝置各部分的組成、功能和工作原理闡述如下。

所述的左側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器1和右側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器3，其特征在于：它們的結(jié)構(gòu)、組成、功能和原理相同，同步或同時工作，通過左和右側(cè)傳感器支架2和4分別安裝在鏟斗后沿距兩端大約橫向長度的1/4處的上方(參見圖3)，其回轉(zhuǎn)掃描測距面應(yīng)與地面或鏟斗前沿與后沿構(gòu)成的平面垂直，或與鏟斗橫截面平行，在不形成掃描盲點的情況下，為簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)使回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器的定位校準(zhǔn)基點與鏟斗后沿之間的距離盡可能地靠近，若選擇或配合鏟斗平斗裝料作業(yè)，即在裝滿料的瞬間通過操控轉(zhuǎn)斗油缸手柄向鏟斗內(nèi)抖動料或向鏟斗外卸料的方式使斗內(nèi)料而呈平面形態(tài)，該尺寸可以縮小到最??；所述左側(cè)或右側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器1或3，由激光測距傳感器7和回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置8組成，二者之間采用直驅(qū)、齒輪或齒帶等傳動方式，其中的測距傳感器7，可以由測距控制模塊9、激光發(fā)射模塊10、激光接收模塊11和測距模塊12等組成，其中的回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置8可由定位控制模塊13、步進(jìn)驅(qū)動模塊14和步進(jìn)或伺服電機(jī)15等組成；所述測距控制模塊9和定位控制模塊13，可選擇由同一個plc或單片機(jī)替代，也可采用分體安裝形式直接由控制盒5中的plc或單片機(jī)替代，其目的是要建立起所述的激光發(fā)射模塊10和步進(jìn)驅(qū)動模塊14二者之間的同步或聯(lián)動關(guān)系，其每一幀掃描的控制循環(huán)過程可以是：駕駛員按動控制面板6上的計方、計重或累加按鍵后產(chǎn)生一個電信號→控制盒5中的plc或單片機(jī)據(jù)此電信號向激光發(fā)射模塊10發(fā)出觸發(fā)一個激光測距脈沖的指令→激光發(fā)射模塊10發(fā)出的一個激光測距脈沖經(jīng)激光接收模塊11接受，由激光測距模塊12計算，輸出一個從測距傳感器7的基準(zhǔn)點到鏟斗中物料在掃描起測點即掃描起始角或終止角位置的距離數(shù)值→控制盒5中的plc或單片機(jī)向步進(jìn)驅(qū)動模塊14發(fā)出一個驅(qū)動步進(jìn)或伺服電機(jī)15轉(zhuǎn)過一個與電機(jī)步進(jìn)角成倍數(shù)關(guān)系的固定檢測角(或稱掃描步進(jìn)角，參見圖1)的指令→步進(jìn)或伺服電機(jī)15驅(qū)動激光測距傳感器7轉(zhuǎn)過一個固定的掃描步進(jìn)角并做一個暫短停歇→plc或單片機(jī)在停歇時刻向激光發(fā)射模塊10發(fā)出觸發(fā)一個激光測距脈沖的指令→激光測距傳感器7重復(fù)前述測距過程，輸出該測點的距離數(shù)值，當(dāng)步進(jìn)或伺服電機(jī)15受控驅(qū)動激光測距傳感器7每轉(zhuǎn)過一個掃描步進(jìn)角在做一個暫短停歇時，激光發(fā)射模塊10便受控觸發(fā)一個激光測距脈沖指令，從而產(chǎn)生一個測點的距離數(shù)值，當(dāng)步進(jìn)或伺服電機(jī)15從起始角到終止角或從終止角到起始角位置按等角度-間歇式-連續(xù)轉(zhuǎn)動進(jìn)行一幀掃描后，激光測距傳感器7便能輸出一組位置相對固定和回轉(zhuǎn)角度相等的掃描測距點的距離數(shù)據(jù)，完成一幀掃描工作后，plc或單片機(jī)再據(jù)此數(shù)據(jù)和儲存在內(nèi)存中的一組對空鏟斗掃描的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)依次計算出鏟斗中物料的橫斷面面積、體積和重量；為消除左或右側(cè)激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器1或3在工作前因鏟斗抖動或行車顛簸等引起其掃描起始角或終止角初始位置的改變，應(yīng)在其回轉(zhuǎn)掃描起始角或終止角位置處設(shè)置限位裝置，該限位裝置在底座上的位置可調(diào)并可鎖止，或在步進(jìn)或伺服電機(jī)15的軸端部加裝編碼器和碼盤等進(jìn)行伺服控制，在掃描驅(qū)動程序設(shè)計中可加入掃描前的回位和制動程序。

所述的左側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器支架2或右側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器支架4，其特征在于：其下端與鏟斗可拆卸式連接，其上端與對應(yīng)的左側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器1或右側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器3連接，其具體結(jié)構(gòu)形式和連接形式以保證能完成激光掃描測距傳感器的定位校準(zhǔn)基點位置在空間可調(diào)為依據(jù)，能完成左或右側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器定位校準(zhǔn)基點與鏟斗安裝點的初始標(biāo)定作業(yè)。

所述的控制盒5，其特征在于：它安裝或固定于駕駛室內(nèi)便于駕駛員操作和觀察的位置如動臂油缸操作手柄附近，它由盒體、控制器(由plc、單片機(jī)、定位控制模塊和激光測距控制模塊等的單體或組合體構(gòu)成)、存儲器、步進(jìn)驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、輸入輸出接口、總線等組成，通過接口、連接器和總線等與左和右側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器1或3、控制面板6等有線或無線連接。

所述的控制面板6，其特征在于：它由顯示屏、按鈕或按鍵、指示燈、報警蜂鳴器、語音提示器等組成，可與控制盒5集成為一體，并可配置集成為一體的子機(jī)，便于機(jī)下人員查看，它的基本配置按鍵有三組：第一組是系統(tǒng)設(shè)置按鍵：包括掃描起始角確認(rèn)、掃描終止角確認(rèn)、鏟斗橫向長度和實測比重確認(rèn)按鍵；第二組是功能選擇按鍵：包括計方、計重和累加按鍵等，其中，當(dāng)按下計重按鍵時，系統(tǒng)能顯示材料比重數(shù)據(jù)輸入方式選項，其數(shù)據(jù)來源有兩個：一是系統(tǒng)內(nèi)存中常用散料在不同濕度狀態(tài)下的比重數(shù)據(jù)，二是手工輸入借助于常用的散料比重測量裝置測量的比重數(shù)據(jù)；第三組是包括0-9個數(shù)字鍵；此外，控制面板6上還應(yīng)設(shè)置電源鍵等。

附圖說明

圖1是計算激光掃描測距傳感器每轉(zhuǎn)過一個掃描步進(jìn)角α所掃過的鏟斗中物料面積的原理示意圖。

圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖3是激光掃描傳感器安裝位置示意圖，其中，1-左側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器，2-左側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器支架，3-右側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器，4-右側(cè)鏟斗激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器支架。

具體實施方式

下面以clg856(zl50)裝載機(jī)為例，說明本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理的實施過程。

作為主流配置機(jī)型的clg856裝載機(jī)，其鏟斗的基本參數(shù)為：額定容量3m³，[橫長×縱寬](m)尺寸為2.86×1.38，擋板高0.27(m)；駕駛員操作采用鏟斗平斗裝料作業(yè)。本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)尺寸和工作參數(shù)可以是：①左和右側(cè)激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器支架2和4的高度取0.3m，一幀掃描的掃描角大約為70°，其安裝姿態(tài)應(yīng)略向鏟斗內(nèi)傾斜以消除掃描盲點，其在鏟斗后沿上的安裝位置分別距兩端大約0.6m(橫向長度的1/4)處；②校準(zhǔn)左和右側(cè)激光回轉(zhuǎn)掃描測距傳感器1和3的回轉(zhuǎn)掃描測距面時，傳感器支架2和4應(yīng)垂直于鏟斗后沿，可以沿鏟斗縱向在前后沿距兩端等距處擺放一把平尺，點亮激光使光斑沿平尺的邊緣擦邊照射在鏟斗內(nèi)壁上，做幾幀掃描并查看其軌跡，應(yīng)保證該軌跡與平尺邊緣到鏟斗側(cè)壁的距離相等；③左或右側(cè)掃描測距傳感器1或3采用回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈與左或右側(cè)掃描測距傳感器支架2或4上的固定底座連接，回轉(zhuǎn)支承的外圈與安裝了激光測距傳感器7和步進(jìn)或伺服電機(jī)15的回轉(zhuǎn)底座連接，回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈上加工有內(nèi)齒圈，它與步進(jìn)或伺服電機(jī)15軸端的驅(qū)動齒輪嚙合，減速比取10，步進(jìn)或伺服電機(jī)的步進(jìn)角取1.8°，步進(jìn)或伺服電機(jī)15每轉(zhuǎn)過2×1.8°，激光測距傳感器7輸出一個測點的距離數(shù)值，一幀掃描的測距點數(shù)為194。