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刖百

21世紀以來，中國在全球化的浪潮中不斷發(fā)展,工業(yè)上也取得了巨大進步,如今工業(yè)

生產(chǎn)的自動化在逐步形成規(guī)模。且要求也愈發(fā)多樣。如何以更低的成本，更高的效率來

生產(chǎn)產(chǎn)品是眾多企業(yè)基本的目標。而對于目前的水泥行業(yè)來說，自動化的生產(chǎn)更是愈加

緊迫。

目前我國經(jīng)濟發(fā)展良好，工業(yè)上完全自動化的水準也應該加快腳步。且隨著國家“三

去一降一補”五大任務的部署，水泥行'業(yè)的改革也刻不容緩，水泥行業(yè)的發(fā)展如今面臨

著許多方面的制約。尤其是在人工和物流方面的問題較為突出。

水泥企業(yè)成本中的勞動力成本比重較大。水泥行業(yè)的生產(chǎn)需要大量的勞動力，而其

工人的工資占成本的很大一部分。近年來，隨著經(jīng)濟水平的不斷提高，工資水平也有所

提高。更不用提相關社會保險費用的增加，工資中的40%都是由企業(yè)負擔的五險一金，

這使得企業(yè)的人工成本壓力越發(fā)沉重。而且，對于化學，水泥利其他類似工業(yè)，大量產(chǎn)

品粉塵的存在使工人的裝載環(huán)境惡化并危害工人的健康。此外，水泥對皮膚具有一定的

腐蝕性，工人在工作時暴露的身體部分例如手臂、臉部等必須提供保護措施。這就需要

配發(fā)專門的工作服，提高薪資。這會增加公司的生產(chǎn)成本，以彌補在這種多塵且有腐蝕

性的環(huán)境中的工人體力勞動導致的健康損失。工人必須佩戴勞動防護用品。且必須按規(guī)

定給工人提供定期體檢等保障。更進一步加大了水泥企業(yè)在人力方面的支出。

此外水泥的運輸成本也是目前水泥行業(yè)成本的一大支出，運輸不僅包括成品水泥的

運輸，還包括對原材料的運輸，而本文的研究就在于如何減少成品水泥的運輸成本，最

大化的利用運輸車輛，保證在規(guī)定載重內(nèi)運輸盡可能多的水泥，這也是目前水氾企業(yè)需

要認真考慮的事情。

本課題研究的貨車車廂水泥包自動擺放系統(tǒng)便是為了解決部分以上水泥企業(yè)的人

工和物流方面的問題。此系統(tǒng)運用激光測距傳感器測量車廂尺寸，系統(tǒng)功能會根據(jù)尺寸

數(shù)據(jù)進行計算，得到當前貨車裝車的最佳方案，然后用機械臂來代替工人進行水泥的碼

垛。在這個過程中機械臂代替人工碼垛，從而節(jié)省了人力成本。

另一優(yōu)點是機械臂可以全天候的執(zhí)行裝載任務，這大大提高了裝車的效率。此外機

械臂擺放水泥包會根據(jù)定位坐標擺放，避免了人工擺放的雜亂問題，擺放更加合理，碼

垛更加整齊。一定程度上減少了物流的運輸成本。

目前對于水泥自動裝車的研究已經(jīng)有許多論述，其大部分研究都是對于裝車機械和

碼垛機械的研究。對于擺放方案的研究還不夠完整。且還不能完全適用于各類車型，裝

載大多采用溜板的方式把水泥包滑進車廂，缺乏精確的控制，系統(tǒng)的靈活性和通用性較

差。而本文采用激光測距傳感器進行車廂測量，然后輸出每袋水泥的精確坐標。能較好

的適用于各類車型。且終端采用機械臂進行裝載，保證了裝載的靈活性和精確性。

韓明輝：貨車車廂自動擺放水泥包控制系統(tǒng)設計

1緒論

1.1研究背景和意義

工業(yè)在國民經(jīng)濟中占據(jù)著重要位置，工業(yè)生產(chǎn)機械自動化對國家經(jīng)濟發(fā)展具有重要

的作用。如今工業(yè)發(fā)展向著設備大型化、生產(chǎn)過程自動化、產(chǎn)品高質量化等方向發(fā)展前

進。而對于水泥行業(yè)來說，能否實現(xiàn)裝載自動化是制約水泥行業(yè)發(fā)展的因素之一。對于

袋裝水泥裝載環(huán)節(jié)，袋裝水泥的人工裝車方式既效率低，又存在很大的安全隱患。且目

前工業(yè)發(fā)展提倡節(jié)約能源，保護環(huán)境，水泥行業(yè)的粉塵污染治理首當其沖。所以清潔和

高效的生產(chǎn)也是未來的趨勢。

實現(xiàn)工業(yè)領域中最大利潤的全自動操作是所有工業(yè)從業(yè)者的共同愿望和夢想。所謂

的完全自動化就是在好的便件設備的基礎上配置高性能的軟件控制措施，然后實現(xiàn)對機

械設備各種動作的自動智能控制。就目前來看，我國的水泥生產(chǎn)過程基本實現(xiàn)了自動化,

但是在水泥的出庫裝車環(huán)節(jié)絕大多數(shù)仍依賴人工，現(xiàn)今存在的袋裝貨物裝載主要有人力

裝載、插車托盤裝載和皮帶傳送機三種裝車方式。

(1)人力裝載方式

人工手動裝載是工業(yè)發(fā)展初期就有的一種的裝載方式，如圖1.1所示。在手動裝載

過程中，工人將成品的袋裝水泥從存儲點移至卡車上，這個過程通常需要幾名員工完成。

人工裝卸方法具有很多缺點，例如由于工人勞動強度很大,勞動費用相對比較高，裝卸時的

效率低和容易毀壞貨物。貨物的損壞不但會嚴重危及到貨物的安全和完整,而且因為水泥

材料具有耐腐蝕性，損壞了材料的泄漏也容易危及到工人的身體健康。

圖L1人工裝載方式

Fig.1.1Manualloading

(2)叉車裝載方式

叉車裝載方式是工人預先在托盤上碼放一定數(shù)量的袋裝水泥。然后由叉車把成垛的

水泥托舉送到車廂上。如圖1.2所示。這種方式相比較人工裝車有效率。這種方式裝車

使得工人不需要把水泥搬到高處。從而一定程度上緩解了工人勞動強度大的問題。但這

種裝車方式的效率依然不是很高。

2

圖1.2叉車裝載方式

Fig.1.2Forklifttruckloadingmode

(3)傳送帶裝載方式

傳送帶的裝載方式是目前大多數(shù)廠家采用的裝載方式。傳送帶從袋裝水泥的存放區(qū)

一直延伸到貨車車廂內(nèi)部.工人將袋裝的水泥包放置在傳送帶的上游，由傳送帶運送至

貨車車廂，然后由在車上等待的工人將水泥包進行擺放，如圖1.3所示。這種方式大大

減少了工人的勞動量，縮短了水泥包在裝車過程中的流轉時間。但仍需人工協(xié)助完成裝

載，由于人工精力有限，傳送帶不可能開的很快。裝年效率仍有提高的空間。

圖1.3傳送帶裝載方式

Fig.1.3Conveyorbeltloadingmode

以上三種方式是我國目前主流的裝載方式，其中人工裝載方式隨著我國勞動力成本

的不斷攀升，現(xiàn)已不能適應各企業(yè)發(fā)展的需求，而且效率低下，已逐步淘汰。叉車裝載

和傳送帶裝載被目前大多數(shù)企業(yè)所采用。

本文研究設計的水泥自動擺放系統(tǒng)其意義在于解決水泥裝車這一環(huán)節(jié)存在的諸多

問題。這種裝載方式最大化的提高了工作效率，降低了人工的成本。一定程度上擴大了

企業(yè)的利潤。同時因為水泥具有一定的腐蝕性，工人工作的同時需要配備必要的防護裝

備。此系統(tǒng)全程由機械完成，無人參與。降低了工人患矽肺病等職業(yè)病的風險。這種裝

車方式也更加安全。

韓明輝：貨車車廂自動擺放水泥包控制系統(tǒng)設計

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)部分廠家仍然采用人工碼垛的方式，大部分廠家基本已經(jīng)實現(xiàn)了半自動化,

采用傳送帶將袋裝水泥運送到車廂，然后由人來進行擺包。整體來說，此方式雖然減少

了中間的搬運環(huán)節(jié)，但最終仍舊依賴人工，對于效率的提升并不顯著。如今國內(nèi)已經(jīng)有

許多公司在進行自動裝車機的研究，目取得了許多成果°

1984年天津水泥工業(yè)研究院成功研制出一套散裝水泥裝車機。此后湖北哈弗機械公

司的董仲平先生，在此結構上對裝車系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性做了優(yōu)化設計，使系統(tǒng)可以

進行袋裝水泥的裝車，并且具備計數(shù)功能，適應不同的車型⑴。但是過程中仍然需要人

工參與碼放。

2011年武漢理工大學的楊賢貴基于PLC系統(tǒng)，采用堆垛機和裝車機相結合的方式

進行袋裝水泥的裝車⑵。先用堆垛機進行水泥包的堆垛，完成之后由裝車機將水泥垛送

到車廂。這種方式實現(xiàn)了自動化，但是系統(tǒng)連續(xù)性不好，且擺放方式無法適用于不同車

型；湖北工業(yè)大學的廖鳴元基于PLC設備設計了一套完全自動化的裝車系統(tǒng)，裝車系

統(tǒng)有了實現(xiàn)全自動化的可能⑶。但是PLC系統(tǒng)成本較高，系統(tǒng)缺乏一定的靈活性。

1.2.2國外研究現(xiàn)狀

由于國外的工業(yè)化，信息化技術比較發(fā)達，對于裝車機械的研究也早己開始，瑞典

和日本是最早將機器人技術應用于物品搬運和碼垛。2011年瑞典ABB公司推出了全球

最快碼垛機器人IRB460,IRB460的操作節(jié)拍最高可達每小時循環(huán)2190次，運行速度

比同類常規(guī)機器人提升了15%,作業(yè)覆蓋范圍為2.4米川；日本的福意(FUJIACE)公

司對于碼垛機器人有著豐富的經(jīng)驗，在1982就研發(fā)了第一臺碼垛機。

NEWTECBAGPALLETIZING公司一家著名的碼垛機械生產(chǎn)商，其隸屬于HAVER

集團。其代表性的碼垛系統(tǒng)是PALLETIZERSERIES50()0,此系統(tǒng)特別適合于建筑行業(yè)

物料的碼垛，例如袋裝水泥，砂漿，石膏，石灰石等，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠⑷。然而，由

于系統(tǒng)碼垛和裝車機械是分離的，所以仍然需要叉車進行輔助裝車。且對于水泥包有具

體的要求：不能超過50KG。故此系統(tǒng)還沒有實現(xiàn)全自動化。

其中德國的KUKA系列、日本的FANUC系列匕較具有代表性。德國KUKA機落人

公司于1973年開發(fā)了KUKA的第一臺工'也機器人。該公司的工業(yè)機器人年產(chǎn)量接近

10,000。迄今為止，全球已安裝了50,000臺工業(yè)機器人。新開發(fā)的庫卡碼垛機器人使

用了〃聚碳酸酯纖維〃材料，這種材料使該機器人具有非常輕巧、緊湊、高強度的特點。

非常適合高負荷作業(yè)。在碼垛和碼垛過程中，采用了有限元法的優(yōu)化運行方式和四軸傾

斜設計，降低了維護成本⑸。FANUC公司于2017年推出M-410IC/110型高速碼垛機器

人。該機器人能進行高速碼垛，可適應市場上所有標準水泥包尺寸。在狹小空間內(nèi)也具

有良好工作性能。最大負或為110KG。⑹

4

1.3本文章節(jié)安排

(1)主要內(nèi)容

本論文的主要內(nèi)容是研究設計了一種袋裝水泥自動化裝車系統(tǒng)，利用激光測距傳感

器對車廂尺寸進行識別檢測量,通過特定算法得出合理擺放方案，主要對袋裝水泥自動

擺放系統(tǒng)的測量系統(tǒng)和控制算法系統(tǒng)進行了研究與設計，此系統(tǒng)可實現(xiàn)車廂尺寸的識別

檢測功能和水泥包的全自動擺放，整個裝車過程可實現(xiàn)無人干預，自動化作業(yè)C

(2)論文結構

第一章為本文緒論部分，介紹了本課題的研究背景，包括現(xiàn)今袋裝水泥的主要裝載

方式，以及國內(nèi)外對于自動裝車機的研究現(xiàn)狀。得出本文研究的現(xiàn)實意義。并對現(xiàn)今各

種自動裝車機的技術進行分析，找到要著重解決的問題，為控制控制系統(tǒng)的設計提供現(xiàn)

實依據(jù)。

第二章為擺包算法方案，此章節(jié)介紹了袋裝水泥的擺放模式，以車廂欄板為入手點。

設計了疊包、壓包算法，使整車貨物擺放更加合理。利用微處理器對數(shù)據(jù)進行處理，得

到定位坐標。最終得到合理的擺放方案。

第三章為車廂測量方案。本章主要論述了貨車車廂的識別檢測技術，對多種測量技

術對方案的各個部分進行說明。包括車廂的參數(shù)測量技術分析。根據(jù)現(xiàn)場實際得出最合

適的裝車方案。對袋裝水泥的裝載環(huán)境進行分析，提出一種較為理想的袋裝水泥碼垛方

法。

第四章為系統(tǒng)設計方案，本章主要介紹系統(tǒng)的硬件配置，設計硬件的電路原理圖，

對軟件部分進行線程分配，對系統(tǒng)的通信協(xié)議進行說明

第五章為總結與展望°

1.4小結

本章主要論述了本論文研究的背景、意義，通過查閱諸多文獻期刊，對目前全自動

化裝車機的研究做了資料搜集。發(fā)現(xiàn)了目前水泥企業(yè)裝車存在的諸多問題，并進行了分

析。闡述了國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，并對全文的結構安排做了規(guī)劃。

韓明輝：貨車車廂自動擺放水泥包控制系統(tǒng)設計

2擺包算法

擺包算法是本課題研究和核心，在獲取了車廂的實際尺寸后，如何自主生成擺放位

置坐標，合理擺放，最終得出一個最佳的擺放方案是研究的主要問題。這對于裝車效率

有著明顯的影響。在裝車擺包的算法中，需要考慮的問題主要是兩方面：

（1）水泥包在貨車車廂中如何擺放才能最大化的利用車廂空間

（2）在超出貨車車廂的欄板后，多出來的袋裝水泥如何擺放才能保證其穩(wěn)定性

2.1擺放模式生成算法

目前，國內(nèi)水泥市場紛繁復雜，一是體現(xiàn)在運輸?shù)呢涇囆吞柖鄻樱臆噹叽绱笮?/p>

不一。二是每個廠家生產(chǎn)的水泥包尺寸有所不同。按照最新的國家標準GB9774-2010,

水泥包的尺寸有如下幾種：

表2.1國內(nèi)市場水泥包規(guī)格

Tab.2.1Specificationofcementpackagefordomesticmarket

水泥袋類型單包重量（KG）水泥袋尺寸

25KG長560+10mm,寬350±5mm,厚150±10mm

縫底袋

50KG長780±10mm,寬420±5mm,厚150±10mm

25KG長480±10mm,寬390±5mm,厚150±10mm

糊底袋

5GKG長640±10mm,寬500±5mm,厚150±10mm

綜合分析水泥包的規(guī)格，在實際應用中，以重量為50Kg，尺寸為

780mmx420mmx150mm在運輸中最為常見，故本文的研究取水泥包的默認尺寸為

780mmx420mmx150mm。

在水泥包的擺放過程中，有豎放（車廂寬與水泥包的寬對齊）和橫放（車廂寬與水

泥包的長對齊）兩種擺放模式，在每次的裝車作業(yè)時，通過計算得出貨車車廂內(nèi)水泥包

的最佳擺放模式，袋裝水泥的規(guī)格是本算法中的固定參數(shù)，在算法初期就已經(jīng)提前界定。

后期如果要對不同規(guī)格的袋裝水泥進行計算，則通過鍵盤輸入即可。本文暫時不考慮多

種規(guī)格，假設裝載的均為同一規(guī)格的袋裝水泥，在裝車過程中只遵循一種擺包模式。

因為此時不需要考慮包的厚度問題，所以此問題可歸結為?個固定大小的平面內(nèi)單

一規(guī)格物體的最優(yōu)擺放問題，首先獲取車廂的尺寸數(shù)據(jù)，車廂尺寸定義為（Lo,Wo,

Ho）,水泥包的默認尺寸定義為（1,w,h）o系統(tǒng)通過用車廂的長度和寬度除以水泥包

的長度和寬度，得出橫放和豎放的擺放規(guī)則，對所得的數(shù)值進行取整，以一層水泥包數(shù)

K為標準得到擺放模式。

豎放:(Lo/l)*(Wo/w)=Ka(包數(shù))(2.1)

6

橫放：(Lo/w)*(Wo/1)二Kb(包數(shù))(2.2)

將得到的Ka與Kb進行比較，若Ka>Kb,則車廂采用豎放模式。若Ka〈Kb,則采用

橫放模式。此算法能保證車廂欄板內(nèi)水泥包的擺放總數(shù)達到最大化，達到充分利用車廂

空間的目的。

2.2擺包定位算法

在得到水泥包的擺放模式后，下一步的工作就是得到每包水泥的擺放坐標，每包水

泥的坐標是機械手完成裝車作業(yè)的重要信息。

建立三維坐標系，坐標軸的X,Y,Z軸對應車廂的L（長），W（寬），H（深）。

坐標原點定位在車廂左上角底部。本文以車廂欄板高度進行劃分，分兩種方式計算每袋

水泥的定位坐標。

在欄板高度以內(nèi)，所有水泥包均以同一種方式進行擺放，計算出所有水泥包坐標的

關鍵是要得到初始水泥包（第一層第一袋擺放的水泥包）坐標，因每層的起始水泥包（每

層的第一袋水泥包）的坐標除Z軸的數(shù)值不同以外其余參數(shù)基本相同，所以計算出定位

點初始水泥包的中心坐標，然后以一個水泥包規(guī)格為平移量進行推算，即可得到車廂內(nèi)

其余水泥包的坐標。

計算初始水泥包坐標，設車廂邊緣剩余空間為LS,WSo則X,Y,Z三個坐標軸方

向的坐標值為：

‘X車由：Ls+（l/2）=x

VY車由：Ws+（w/2）=y（2.3）

Z車由：h/2=z

此時可得到初始水泥包的坐標：[x],[y],[z]。如圖2.1所示。

圖2.1初始水泥包定位坐標

韓明輝：貨車車廂自動擺放水泥包控制系統(tǒng)設計

Fig.2.1Initialcementbalepositioningcoordinates

由車廂深度和水泥包的厚度可得欄板內(nèi)水泥包擺放的層數(shù)，而起始水泥包（每層第

一袋）的定位坐標根據(jù)初始水泥包的坐標，在Z軸方向上逐層增加一個水泥包厚度h即

可得到每層的起始水泥包坐標：

'層數(shù)：Ho//7=〃（向下取整）

第一層:[x]，[y],[z]

「第二層31j/jz+刃（2力

第三層:[x]，]打，\z+2力]

第n層:[*[,卜]，[z+（a-I）/?]

以此可得到在欄板高度以內(nèi)每一層的起始水泥包坐標，其余水泥包坐標均可在每層

起始水泥包坐標基礎上進行推算，以一個水泥袋規(guī)格為移動量，橫向或縱向平移一個水

泥包規(guī)格即可得到其余水泥包坐標。系統(tǒng)執(zhí)行流程如圖2.2所示。

圖2.2水泥包坐標計算（不超欄板〉

8

Fig.2.2Calculatecementbalecoordinates(Notoverthefence)

2.3疊包、壓包算法

在超出欄板高度后，為了保證車廂貨物裝載的穩(wěn)定性以及充分利用車廂空間，當水

泥包裝載超出欄板后，采用向中間聚集，上方的一包水泥壓在下方兩包水泥之間，即使

裝車的袋裝水泥實現(xiàn)“疊包、壓包”。這對于一些欄板較低的貨車車廂來說，既能提高

貨物在運輸過程中的穩(wěn)定性，也保證了運輸?shù)陌踩?/p>

對于超出欄板的水泥包的坐標計算與欄板內(nèi)的計算方式略有不同，本文對超出欄板

外的水泥包采用“逐層計算，循環(huán)執(zhí)行”的算法，因為超出欄板的水泥包每層的裝載數(shù)

量各不相同，所以每層水泥包的坐標也各不相同，所以就需要一層一層的計算。循環(huán)執(zhí)

行是指由系統(tǒng)程序循環(huán)運算，直至貨車車廂上方的擺放空間小于一袋水泥包的規(guī)格時,

運算結束。最終得出超出欄板裝載的水泥包坐標，以及可裝載的水泥包層數(shù)。系統(tǒng)執(zhí)行

流程如圖2.3所示

韓明輝：貨車車廂自動擺放水泥包控制系統(tǒng)設計

圖2.3水泥包坐標計算（超出欄板）

Fig.2.3Calculatecementbalecoordinates(over(hefence)

根據(jù)以上運算方式，綜合兩種計算模式的輸出結果，便可得到所有水泥包的定位坐

標，得到坐標后，系統(tǒng)需進一步計算貨車車廂的最大水泥包裝載數(shù)最，此后系統(tǒng)再結合

輸入的貨車的額定載重，或輸入的水泥裝載數(shù)量進行下一步的判斷，當所有條件符合裝

車要求時，系統(tǒng)輸出裝車方案，進行裝車作業(yè)。否則系統(tǒng)報警，由工作人員對裝載量進

行修改。其總體算法流程圖如圖2.4所示。

10

進行裝乍作業(yè)

vy

圖2.4總體裝車流程圖

Fig.2.4Generalloadingflowchart

2.4算法效果展示

擺包方式分為橫放、豎放兩種，根據(jù)系統(tǒng)算法計算之后進行擺放，其擺放效果的示

意圖如圖2.5所不：

韓明輝：貨車車廂自動擺放水泥包控制系統(tǒng)設計

豎放模式橫放模式

初始

定住

t

圖2.5搜包效果圖

Fig.2.5Packingeffectdrawing

2.5小結

本章主要分析了車廂內(nèi)袋裝水泥的擺包算法。通過把車廂參數(shù)與水泥包規(guī)格用算法

進行運算比對，得出水泥袋的擺放模式。根據(jù)擺放模式，在一個三維坐標系內(nèi)對每個水

泥袋的擺放位置進行坐標定位，其中如何得到初始水泥袋的坐標是算法的關鍵，文中做

了具體論述。在超出欄板后，為保證物料穩(wěn)定性。水泥袋的疊包、壓包操作本文采用了

“逐層計算，循環(huán)執(zhí)行”的算法，對定位坐標逐層生成。最后給出了擺包效果示意圖。

12

3車廂測量技術

貨車尺寸測量是完成裝車作業(yè)的首要環(huán)節(jié)，貨車車廂測量技術主要應用到的技術為

識別檢測技術的一種，識別檢測技術包括接觸式的和非接觸式的，接觸式的測量方式運

用不多，且多為特點場合C

測量車廂尺寸的要求是應保證盡可能小的誤差，測量過程快速。其中可用的技術有

超聲波測量技術，紅外測量技術，激光測量技術。其中超聲波測距適合于探傷、探查分

界層等小距離測量，紅外測距抗干擾能力較差，光和粉塵影響其工作性能，故本文選擇

了激光測距傳感器。

3.1激光測距技術

激光測距方式目前應用很廣，激光測距方式大致分為兩類，第一類遵循的原理是“飛

行時間原理”，由于光速是固定的,根據(jù)激光返回到傳感器的飛行時間，可測得傳感器和

被測量物之間的距離“叫激光測距儀就是以此原理制成；第二類是以激光位移傳感器為

原理的方法。激光的測距方法大致有三種，脈沖法（激光回波法）、相位法、三角反射

法。

（1）脈沖法

脈沖法測距是利用激光飛行時間差進行測距，激光脈沖具有持續(xù)時間極短，能量在

時間上相對集中，瞬時功座很大等特點。其原理如圖3.1所示。激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出一個

持續(xù)時間極短能量非常集中的激光脈沖，激光飛行一段時間后碰到障礙物被反射回來,

反射的脈沖激光信號被激光接收系統(tǒng)中的光電探測器接收，知道激光脈沖的反射時間，

通過計算，可得出障礙物與發(fā)射端的實際距離I?”在近距離（千米內(nèi)）測量中此法簡

單易行，應用較為廣泛，并且檢測速度快，適用于貨車車廂的測量。

圖3.1激光脈沖測距法

Fig.3.1Laserpulserangingmethod

（2）相位法

相位式激光測距儀是用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調制并測定激光往返

韓明輝：貨車車廂自動擺放水泥包控制系統(tǒng)設計

一次所產(chǎn)生的相位延遲,再根據(jù)調制過的激光的波長，換算出相位延遲所代表的距離L。

此法可通過計算間接得出調制激光往返所用的時間『叫

(3)三角測距法

三角測距法與紅外線的三角測距法相同，激光偏轉一定的角度發(fā)射，遇到障礙物后

反射回來投射到CCD陣列上，形成一個三角形。根據(jù)正弦定理可得到與被測物體間的實

際距離。激光三角法測量精度是跟量程相關的，量程越大，精度越低。在小量程測距時，

精度可達微米級。

3.2激光傳感器

在綜合比較了幾種測量方法，并且結合現(xiàn)場實際情況后，選擇了激光測距傳感器，

采用脈沖法進行車廂尺寸的測量。選擇的傳感器型號為深圳市摩天射頻技術有限公司生

產(chǎn)的L2S-40型激光測距模塊，該測距模塊最大量程為40米，兩個測距傳感器結合，量程

可達80M,此量程能滿足所有貨車車廂的型號。其實物如圖3.2所示：

圖3.2激光測距傳感器

Fig.3.2laserdistancesensor

此型號傳感器具有優(yōu)良的工作性能，其尺寸為70mmX60mmX21mm,尺寸小，適

用于安裝在機械手等小空間上面。并旦此款具有高信噪比，使得目標物的顏色、表面粗

糙度和材質等對檢測結果影響很小，具有防水防塵封裝，IP54防水等級，尤其適合于水

泥揚塵下的工作環(huán)境。其他具體規(guī)格參數(shù)如下所示：

表3.1激光傳感器規(guī)格參數(shù)

Tab.3.1Lasersensorspecifications

測量范圍0.01—40M

分濟華Imn

連續(xù)測量模式：l~10Hz(通常5Hz)

數(shù)據(jù)輸出率

快速連續(xù)測量模式：約10Hz

操作模式單次數(shù)據(jù)/持續(xù)數(shù)據(jù)/外部觸發(fā)

14

數(shù)據(jù)接口RS485

供電電源DC9-36V

功耗<0.72W

工作溫度范圍-15。~50°

綜合以上特點，此款激光測距傳感器模塊具有良好的工作性能。能很好地應用于貨

車車廂尺寸測量。并且具有較小的體積和功耗，安裝方便，可靠性和穩(wěn)定性好,

3.3車廂尺寸測量方案

表3.2三種測距方案疝比

Tab.3.2Comparisonofthreerangingschemes

測距方案精度JSXTJ測量速度抗干擾能力

超聲波測距技術高小慢強

紅外測距技術局中快弱

激光測距技術中大快強

根據(jù)表3.2對三種測距方案的對比，超聲波更加適用于短距離測量，如探傷，找分

界層等；紅外線測距對外界環(huán)境敏感，不太適合于水泥裝車現(xiàn)場的高塵，強光的環(huán)境,

且檢測部件較為脆弱，易產(chǎn)生磨損影響測量精度；激光脈沖法則對環(huán)境適應性強，測量

速度快，抗干擾能力高強，適合貨車車廂尺寸的測量。

對于貨車車廂尺寸的測量流程如圖3.3所示：

韓明輝：貨車車廂自動擺放水泥包控制系統(tǒng)設計

后動系統(tǒng)

量指令

圖3.3車廂測量系統(tǒng)流程圖

Fig.3.3Flowchartofcarriagemeasurementsystem

在有裝車任務后，系統(tǒng)啟動初始化，等待車輛到指定位置停放到位，車輛停好后，

步進電機驅動機械臂，帶動激光傳感器移動對車廂進行測量。傳感器分別測量貨車車廂

的長、寬、深度數(shù)據(jù)，激光傳感器SKS2測量長度，生成車席長度數(shù)據(jù)Ldatal、Ldata2。

激光傳感器S3、S4測量寬度數(shù)據(jù)，生成車廂寬度數(shù)據(jù)Wdatal、Wdata2c傳感器S5測

量車廂深度，生成車廂深度數(shù)據(jù)Hdata。

步進電機的驅動分為四個階段，快速移動階段、緩慢移動階段、停止階段、快速返

回階段。在快速移動階段傳感器采集的數(shù)據(jù)為臨時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為0或65535。此時傳感

器可快速移動到車始上方，當傳感器開始進入車席測量，每個傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)生突

變時，改變步進電機的輸出脈沖，以緩慢下移的方式測量車廂尺寸，以傳感器采集的五

次數(shù)據(jù)為一組，計算數(shù)據(jù)的平均值。若所得平均值在合理范圍內(nèi)則讓步進電機停止下移,

此時記錄車廂深度數(shù)據(jù)。然后機械臂快速返回完成測量任務，若不符合預設值則清除上

一次測量的一組數(shù)據(jù)，傳感器繼續(xù)測量，并計算新一組數(shù)據(jù)的平均值，直至符合預設值

時結束。然后系統(tǒng)復位，等待下一次測量任務的到來。

其計算方法如下:

16

Lo=(ZLdatal+ZLdata2)

ii

Wo=(￡Wdatal+￡Wdata2)

(3.1)

I1

Ho二ZHdata

3.4小結

本章分析了車始的測量技術，給出了車廂尺寸測量的整體方案，以及整體的工作流

程。對于適用于車廂尺寸測量的超聲波、紅外、激光技術進行了對比分析，選擇了最適

合水泥裝載車間的測量方案，采用脈沖法測量的激光測距傳感器能較好的適用此種工作

環(huán)境。

韓明輝：貨車車廂自動擺放水泥包控制系統(tǒng)設計

4系統(tǒng)設計

本章介紹了擺包控制系統(tǒng)的整體方案。包括其整體架構，系統(tǒng)各部分組成，以及各

部分功能，以流程圖的方式對方案框架進行了說明。此外對構成系統(tǒng)的硬件配置、電路

設計、軟件通訊等也進行了詳細的說明。

4.1整體架構

本文的貨車車廂自動擺包控制系統(tǒng)主要目的在于：實現(xiàn)袋裝水泥的全自動億的無人

裝車作業(yè)。系統(tǒng)通過準確的車廂參數(shù)測量，繼而通過MCU計算得出精確的袋包定位坐

標，然后機械手進行裝車作業(yè)。并且此系統(tǒng)具有適應多種車型的特點，滿足大多數(shù)貨車

的裝載要求。整體的系統(tǒng)工作流程如圖4.1所示。

圖4.1系統(tǒng)工作流程圖

Fig.4.1Systemworkflowchart

目前，國內(nèi)許多裝車機的研究對于不同類型的貨車來說，可以進行裝車作業(yè)，但是

適應性不強。甚至還有許多半自動化設備只能適用于特定的車輛。因此在應用上對一些

水泥廠有了限制。并且同樣的裝車方式無法最大化的利用貨車空間。在空間利用率上仍

然有提升空間。本文通過對不同類型的車輛設置指定的停放位置。當車輛在指定位置停

放到位時，可由負責人員通過人機交互界面向系統(tǒng)中輸入車輛的額定載重數(shù)，或者裝載

的水泥袋數(shù)。因為不同車輛的車廂尺寸不同，但是每輛車都有其額定的載重量，或者貨

車裝載的袋數(shù)。系統(tǒng)可以據(jù)此為裝載標準，計算適用于當前車輛的最優(yōu)裝車方累。最大

化的利用貨車車廂的空間C

當貨車在指定位置停穩(wěn)后，車廂測量系統(tǒng)啟動，系統(tǒng)向步進電機發(fā)送運行指令，驅

動測量系統(tǒng)對車廂進行測量。測量系統(tǒng)包含五只激光測距傳感器，它們分別指向不同的

方向，兩只負責長度的測量，兩只負責寬度的測量，一只負責車廂深度的測量。工作時

激光測距傳感器將測量的數(shù)值通過RS485通訊傳送給處理器，經(jīng)過算法的計算和判斷得

出車廂的尺寸參數(shù)。

最后，擺包算法根據(jù)已經(jīng)測得的車廂參數(shù)，預設的袋裝水泥的尺寸數(shù)據(jù)計算得出當

18

前貨車的最大的裝載數(shù)量C同時計算出每袋水泥的定位坐標，在符合程序的判斷條件后,

將在OLED顯示屏上顯示裝車方案。后續(xù)將開始裝車作業(yè)。待當前車輛裝車完畢后，系

統(tǒng)自動復位，等待下一次裝車的指令。

整個系統(tǒng)包括的硬件有STM32F103控制器；供電模塊；矩陣鍵盤模塊；OLED顯

示屏模塊；步進電機模塊；數(shù)據(jù)存儲模塊；激光測距傳感器模塊。整體硬件框圖如圖4.2

所示：

供電篌塊

12V/5v/3.3V

LCD顯示屏

步

STM32F103

C8T6

數(shù)據(jù)存儲芯片］

貸記,通訊輅姨便史

屏

弟

次

按

線

圖4.2系統(tǒng)硬件框圖

F:g.4.2Theblockdiagramofsystemhardware

這些器件分別負責不同部分，配合控制器完成工作。STM32處理器負責處理和計

算數(shù)據(jù)，并給出計算結果；供電模塊負責整個系統(tǒng)的供電，保障系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行；鍵

盤負責輸入預設的袋裝水泥的缺省值，以及后面裝車作業(yè)的額定載重與裝載包數(shù)數(shù)據(jù);

OLED顯示屏負責顯示裝車方案，工作狀態(tài)，與鍵盤構成人機交互系統(tǒng)；數(shù)據(jù)存儲芯片

主要負責測量數(shù)據(jù)，裝車數(shù)據(jù)，以及車輛信息的存儲，以便于日后對系統(tǒng)工作進行統(tǒng)計

和維護；步進電機模塊負責帶動激光測距傳感器移動，對需要裝車的貨車進行尺寸測

量，步進電機調速方便，精確。有助于參數(shù)的精確測量；激光測距傳感器負責尺寸參數(shù)

測量，傳感器發(fā)出激光束，通過計算激光返回接受的時間來得出與被測物體之間的距離,

并將其轉換成RS485通訊類型的電信號傳回處理器。

4.2系統(tǒng)硬件設計方案

4.2.1硬件配置

結合自動擺包控制系統(tǒng)的具體結構，考慮各模塊硬件的連接與驅動方式，控制

韓明輝：貨車車廂自動擺放水泥包控制系統(tǒng)設計

系統(tǒng)主要控制對象及其需要的硬件資源如下

(I)主控芯片MCU

整個系統(tǒng)的核心是主控芯片，系統(tǒng)的運算與調度都要依靠主控芯片進行，對于

主控芯片的選擇除了基本的穩(wěn)定性和準確性外，還需考慮芯片的易用性，以及成本、

功耗還有現(xiàn)場的使用環(huán)境等因素。

綜合以上因素，本文采用了32位，基于ARMConex-M內(nèi)核的STM32F103c8T6微

控制滯。程序存儲器容量是64KB,控制器工作頻率最高可達72MHz,接口豐富，支持

CAN總線、SPI總線、RS485總線協(xié)議等多種通訊協(xié)議。對不同的通訊要求均有良好兼

容性。此款主控工作模式多樣，在無操作任務時可啟動休眠模式，低功耗運行。止匕外還

有停機、待機模式可選，可根據(jù)實際需求進行選擇，保證系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定，延長使用

壽命。該芯片的實物圖以及引腳配置如圖4.3、圖44所示。

圖4.3主控芯片實物圖

Fig.4.3Physicaldrawingofmaincontrolchip

<484746454443424140393837

VBATC1?□VDD_2

PC13-TAMPER-RTCC22JVSS_2

PC14-OSC32_INt：33□PA13

PC1SOSC32_OUTC433PA12

PDOOSCJNC533PA11

PD1-OSC_OVTt6LOFP48□PA10

NRSTC73JPA9

VSSAC82□PA8

VDDAC92□PB15

F^O-WKUPC102□PB14

PA1E112□PB13

PA2C122□PB12

<131415161718102021

二

二

二二

J71JJ二

Ui

9ZOZo

R任B

8—

WWd8豆L

dd8嬖0

d0

>

圖4.4主控芯片引腳圖

Fig.4.4Pindiagramofmaincontrolchip

(2)矩陣鍵盤

鍵盤是人機交互中常用的硬件設備，在嵌入式中，鍵盤分為獨立鍵盤和矩陣鍵盤,

20

在本系統(tǒng)設計中采用了矩陣鍵盤。

本系統(tǒng)中，鍵盤主要為MCU系統(tǒng)程序提供基礎參數(shù)，包括水泥包的缺省參數(shù)，貨

車額定載重，水泥裝車包數(shù)，以及其他必要參數(shù)的設定，此外由于MCU的引腳有限，

采用矩陣鍵盤能大大節(jié)約1/0口的使用，節(jié)約了硬件資源。

其實物圖如圖4.5所示：

圖4.5矩陣按鍵實物圖

Fig.4.5Matrixkeyboard

(3)LCD顯示屏模塊

顯示屏用于顯示最終的裝車方案，當前的工作狀態(tài)，以及系統(tǒng)故障后對工作人員進

行提示。顯示屏與鍵盤共同構成人機交互系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過顯示屏顯示出來，這對監(jiān)

控系統(tǒng)運行有著重要作用。本文系統(tǒng)設計采用的是LCD液晶顯示屏，型號為MSP2806,

相比較LED顯示屏，LCD的屏幕更大，且顯示效果具有色彩，顯示的漢字和數(shù)字也更

加美觀。其具體參數(shù)如下：

1)尺寸：2.8(inch)；

2)模塊尺寸：50.0X86.0mm；

3)分辨率：320X240(Pixel)；

4)模塊接口：4-wireSPI；

5)核心驅動；ILI9341；

6)工作電壓：3.3-5V；

由以上數(shù)據(jù)可得出，此型號屏幕能很好地滿足本系統(tǒng)設計的要求，對于文字、漢字、

圖片有很好的顯示效果，并且可長期穩(wěn)定工作，性能穩(wěn)定。其實物如圖4.6所示。

韓明輝：貨車車廂自動擺放水泥包控制系統(tǒng)設計

圖4.6LCD顯示屏實物圖

Fig.4.6LCDDisplayPhysical

(4)步進電機模塊

在本系統(tǒng)進行作業(yè)時，電機要帶動測量傳感器進行位移，且測量過程中需要變換不

同的速度來提高測量效率，這就要求電機有較好的調速性能。因此步進電機是本系統(tǒng)中

較為合適的電機類型，通過改變脈沖的頻率來精確控制電機速度，能保證測量過程的穩(wěn)

定進行。又因為直流步進電機具有調速精度高，范圍廣，且啟動轉矩大，可以實現(xiàn)頻繁

啟停，又可實現(xiàn)無級平滑調速的特點，故本系統(tǒng)設計采用了直流步進電機。

步進電機驅動芯片為L298N,其規(guī)格參數(shù)如下：

表4.1L298M規(guī)格參數(shù)

Tab.4.1L298NSpecification

芯片參數(shù)類型參數(shù)值

電源電壓VS+2.5-46V

邏輯電路電源電壓VSS4.5~7V（典型值5V）

輸入低電平電壓ViL-0.3~l.5V

輸入高電平電壓ViH2.3-VSS

輸出峰值電流2A

L298N芯片為SGS公司所出產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅動芯片(DualFull-Bridge

Driver),內(nèi)部包含4信道邏輯驅動電路，是一種二相和四相步進電機的專用驅動器，可

同時驅動2個二相或1個四相步進電機。接收標準TTL邏輯信號，可驅動46V、2A以

下的步進電機，且可以直接透過電源來調節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的IO端

口來提供模擬時序信號，工作性能優(yōu)良，可滿足本系統(tǒng)設計的要求。其實物如圖4.7所

不0

22

圖4.7L298N實物圖

Fig.4.7L298NPhysical

4.2.2硬件電路設計

（1）MCU電路設計

MCU是控制系統(tǒng)的大腦，主要功能是對各個功能模塊進行連接集成，將各模塊傳

輸來的數(shù)據(jù)進行處理加工，并進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，系統(tǒng)電路設計的好壞直接影響到整個系

統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

控制系統(tǒng)電路設計主要包括：基于ARM內(nèi)核的STM32F103c8T6芯片、兩路晶振

（8MHz晶振提供外部高速時鐘（HSE）,用于提供更精確的系統(tǒng)時鐘，保證系統(tǒng)工作。

32.768KHZ晶振提供外部低速時鐘（LSE）,提供精確定時服務。）、JTAG下載電路、芯

片3.3V供電。具體電路設計如圖4.8所示。

SWD調試編程接u

CPU系統(tǒng)模塊

3Vl

UI

MdWKRPSO

?A1FBI

PA2PB2BOOT1

PJU期:TOO

PA4

PASPB5

?96

系統(tǒng)復位模塊?9?

PASss

CARTlTXTXD1^0"PAS

PA9BO

^T\-J<RXDIPA10

PA10lon

PA11n

PX12

'WHO”B

PABjncssuwu

TT：~PAl-iJTCK5WC1K

PAUm:ls

PCB-TAM?Dt-RTC

0SC.O7TO1PQ&O$C3Ld

PC15-O5C32.OUT

BOOTO

XRST刖ST\I32F103CS

系統(tǒng)供電VBAI

平3VIAMS1H7-3V33V3'C：CA\Y；A

1M

-'ICtiFIK八IgFlW

CU

G而

圖4.8控制系統(tǒng)原理圖

韓明輝：貨車車廂自動擺放水泥包控制系統(tǒng)設計

Fig.4.8ControlSystemSchematicDiagram

（2）激光傳感器電路設計

激光傳感器負責進行車廂參數(shù)測量，通過五組傳感器進行持續(xù)測量，產(chǎn)生尺寸數(shù)據(jù)，

此處電路本文選用了MAX485芯片，采用RS485通訊方式對數(shù)據(jù)進行傳輸，RS485通

訊的傳輸速率很高。10米E寸,RS485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率可達35Mbps,在1200m時，

傳輸速度可達100Kbps。并且抗干擾能力強，RS485接口是采用平衡驅動潛和差分接收

器的組合，抗共模干擾能力增強。另一個最大的特點是傳輸距離遠，支持節(jié)點多。RS485

總線最長可以傳輸1200m以上（速率W100Kbps）一般最大支持32個節(jié)點。本系統(tǒng)

共五組傳感器，完全滿足系統(tǒng)工作的需要。具體電路設計如下

5.IK

卬

PA9RS48STX1~

---------i3RLA-1

PAIORS485RX4段「J~

'DIGND—

MAX485

圖4.9傳感器電路原理圖

Fig.4.9Sensorschematicdiagram

（3）LCD屏幕電路

本次設計采用2.8inch液晶屏，型號為MSP2806,采用SPI通訊方式。主要用于顯

示當前的工作狀態(tài)，其具體顯示功能如表4.2所示。

工作狀態(tài)顯示內(nèi)容

無裝車作業(yè)：系統(tǒng)空閑

裝載中……

執(zhí)行裝車作業(yè)：總裝載包數(shù)：XXX,

剩余包數(shù)：XXX

裝載完成：裝載完成

表4.2LCD屏幕顯示內(nèi)容

Tab.4.2LCDscreendisplaysthecontent

24

其電路連接原理圖如圖4.1()所示:

3V311

SDIPB15。質"||

SOLPB13______________

CSPB12一

SD0PB14—5

RSPB1'6

BLKPA8■7

8

JP2

圖4.10LCD屏幕原理圖

Fig.4.10LCDscreenschematic

(3)數(shù)據(jù)存儲電路

數(shù)據(jù)存儲方面本文選擇了W25Q64芯片，該芯片有8M的存儲容量，W25Q64的擦

寫周期多達1OW次，具有20年的數(shù)據(jù)保存期限，支持電壓為2.7?3.6V,W25Q64支

持標準的SPL可采用SPI通訊方式，具有良好的工作性能。該存儲芯片可對傳感器的

測量數(shù)據(jù)暫時存儲，方便MCU調用進行計算；還可存儲車輛裝車信息，對基礎數(shù)據(jù)進

行留存。該芯片電路設計中對HOLD與WP引腳上拉禁用，這樣就算突然掉電也能保證

數(shù)據(jù)不丟失。具體電路設計如圖4.11所示。

SPIFLASH+注

U3

CS18

CSvcc|，GND

SPI1MISO2T叫

SOHOLD2

6SPI1SCK

+3.3V|~1WP#CLK

5SPI1MOSI

GNDSI

W25Q64

GND

圖4.11數(shù)據(jù)存儲電路

Fig.4.11Datastoragecircuit

(5)步進