CN103019256A

CN103019256A - 基于激光测距的直线轨道车定位***及方法

Info

Publication number: CN103019256A
Application number: CN2012104936740A
Authority: CN
Inventors: 车新生; 刘磊磊; 赵庚; 何静; 许会
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明涉及一种基于激光测距的直线轨道车定位***及方法，包括激光测距仪、控制器PLC和控制电机的交流接触器，控制器通过控制交流接触器控制轨道车起停。所述激光测距仪位于轨道车上，且其发射激光与行进轨道相平行，激光反射板由立柱支起，固定在轨道一端。当激光测距仪发出的激光射到反射板上，再反射回激光测距仪，控制器通过接受激光测距仪的数字位置信号，可准确判断出来该轨道小车的当前位置，并根据要求到达的位置控制电机的启停。本发明这种定位方法，可以使轨道车准确的到达目标位置，从而达到轨道车的全自动定位。

Description

基于激光测距的直线轨道车定位***及方法

技术领域

本发明涉及一种基于激光测距的直线轨道车定位***及方法，具体说是一种轨道车激光定位***及控制不可调速电机以达到高精度定位的方法。

背景技术

轨道车包括焦炉车，列车，地铁等，都属于重型机械设备，一般体积较大，行走时惯性较大，轨道机车按照生产工序的要求，需要处于一种“运行—对正停车—运行”的往复行走状态。如何能实时准确获得机车当前所处的位置和使机车能自动停车定位在指定的位置，是实现自动化控制的关键。随着激光技术的不断发展，其误差小，分辨率高，越来越多的被应用于各种测量领域中。

分析已有专利：

（1）实用新型专利名称：机械式停车设备搬运器用激光测距定位装置（专利号：98240435.2），该发明将与计算机连接的激光测距仪安装在搬运器上，并在停车设备上装有激光发射板，激光测距仪将数据传入计算机控制***，供定位控制。

该专利不涉及机电控制执行装置和控制定位方法。

（2）实用新型专利名称：轨道小车激光定位***（专利号：200820159345.1），激光发射板安装在小车电机上，激光测距仪安装在轨道中心线直线平行的地面，激光测距仪连接控制***。控制***根据距离值控制电机启停工作。

该专利中控制台在地面上，与小车连接的电缆需要各种控制线和信号线多达几十根，滑动连接结构复杂，成本高，可靠性差。该专利不涉及控制定位方法。

（3）实用新型专利名称：一种激光测距定位***（申请号：201120176926.8），激光扫描测距仪设置于跟随机构上，跟随机构与由处理器控制的电动机相连。

由于本方案中需要小车到位后将激光关闭进行下一动作，需要行走时打开激光测距，因此该专利中的高温报警机构在本方案中没有必要设置。该专利不涉及机电控制执行装置和控制定位方法。

（4）发明专利名称：电力驱动车辆直线运行定位***（申请号02111510.9），激光位置检测器设置在车辆的运行轨道中心线一端的固定物上，控制盘接收该信号并控制车辆驱动电动机。

该专利中控制台在地面上不适合本方案。该专利不涉及机电控制执行装置。

（5）发明专利名称：天车定位***及定位方法（申请号：200710061233.2），采用高精度激光传感器和编码器测取天车x、y、z三个方向的距离。

在轨道车行走过程中测量行走方向的距离，没有必要测量其他两个方向的距离。该专利不涉及机电控制执行装置和控制定位方法。

（6）发明专利名称：核废料的高精度定位存取***（申请号200610009875.3），两台激光测距仪和一台旋转编码器，监测吊具位置，通过变频***控制电机。

该专利不涉及控制定位方法。

通过对已有的定位技术分析可以看出，每个专利都有各自的应用背景，有各自的优点。本方案中需要解决轨道车的操作人员在车上操作，控制台在车上，所用电机为交流减速电机，抱闸电源进行单独释放。如何达到控制精度在±3mm的定位精度，以上专利中都没有完整方案，而本专利中提出的方案中可以解决以上问题。

发明内容

发明目的：

本发明的目的是提供一种基于激光测距的直线轨道车定位***及方法，通过现有条件，控制三相异步制动电动机，达到轨道车的全自动定位。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于激光测距的直线轨道车定位***，包括激光测距仪、设置在轨道上的轨道车、控制器、位移数据显示器，其特征在于：激光测距仪安装在轨道车顶部并可随轨道车一起移动，在轨道终点与激光测距仪正对处设置反射板，激光测距仪通过数据传输线连接控制器，控制器分别连接位移数据显示器和交流接触器，交流接触器连接电机，电机为电磁式制动交流减速电机由交流电机和减速箱组成。

所述激光测距仪测量距离为200m，精度为1mm；输出信号为RS485接口，接入控制器。

所述控制器为西门子PLC S7-200；数据传输线为485信号线。

一种如上所述基于激光测距的直线轨道车定位***的定位方法，其特征在于：激光测距仪开启时发出激光射到反射板上，再反射回激光测距仪，激光测距仪的数据通过数据传输线输入控制器中，控制器通过计算距离值控制交流接触器闭合，控制电机通过减速箱使轨道车行走，并将位移值通过位移数据显示器显示；具体步骤如下：

将控制器接收到的数字量采用滑动平均值法进行滤波，使控制器每次扫描结果始终保留这个最新的采样结果；

采用“行走—停车—点动对位”控制电机的方法：

行走是交流接触器闭合，轨道车从静止到匀速行进的过程；

停车是指交流接触器释放，电机断电，轨道车从匀速到停止，由***惯性产生的滑行；每次停车均存储更新正行程滑行距离或逆行程滑行距离；

点动是当轨道车停车后，实际位置与目标位置有误差距离大于最小点动位移时，PLC控制器控制交流接触器依据最小点动时间定时闭合，轨道车“点动”行走，当轨道车实际停车位置没有达到目标值时，轨道车正向“点动”到目标值中，反之当轨道车实际停车位置超过目标值时，轨道车反向“点动”回目标值中；轨道车的实际停车位置与目标位置误差距离小于点动位移时停止操作，抱闸，进入下一步动作。

采用位移数据显示器显示相对位移与绝对位移，显示器分为两行，上行显示距离目标值的相对位移，下行显示离反射板的绝对位移。

采用的抱闸电源单独进行抱闸释放，轨道车行走时将抱闸释放，定位准确后抱闸，方便进行下一步动作。

优点及效果：

本发明是一种基于激光测距的直线轨道车定位***及方法，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明激光测距与PLC控制***连接，提高了***的可靠性和智能性。

轨道车控制***实时准确获得当前所处的位置，是实现自动化控制的关键问题，使机轨道车的操作动作时间缩短，效率提高。

没有采用调速控制***，使结构变得简单可靠，***的性价比提高。

在外部环境发生改变时，***能够及时的做出调整以实现准确定位。

附图说明：

图1是本发明轨道车定位***示意图；

图2是本发明电机控制流程图；

图3是本发明电路图，其中图3（a）为本发明主回路电路图，图3（b）为本发明控制回路电路图。

其中：1.激光测距仪、2.轨道车、3.数据传输线、4.控制器、5.位移数据显示器、6.交流接触器、7.电机、8.减速箱、9.轨道、10.反射板；

QM1.微型断路器、KM1.交流接触器、KM2.交流接触器、M.电机、QM2. 微型断路器、KM3.交流接触器、YB.电磁制动器。

具体实施方式：

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明：

本发明提出了一种基于激光测距的直线轨道车定位***，如图1、图2和图3所示，包括激光测距仪1、设置在轨道9上的轨道车2、控制器4、位移数据显示器5，其特征在于：激光测距仪1安装在轨道车2顶部，防止在行走过程有障碍物遮挡激光束，激光测距仪可随着轨道车一起移动，在轨道9终点与激光测距仪1正对处设置反射板10，激光测距仪1通过数据传输线3连接控制器4，控制器4分别连接位移数据显示器5和交流接触器6，交流接触器6连接电机，电机为电磁式制动交流减速电机，交流减速电机由交流电机7和减速箱8组成，电机与减速箱的一体化设计使得其安装结构极为紧凑。

所述激光测距仪1位于轨道车2上，且其发射激光与行进轨道9相平行，激光反射板10由立柱支起，固定在轨道9的一端。当激光测距仪1发出的激光射到反射板10上，再反射回激光测距仪，控制器通过接受激光测距仪的数字位置信号，可准确判断出来该轨道小车的当前位置，并根据要求到达的位置控制电机的启停。

所述激光测距仪1测量距离为200m，精度为1mm；输出信号为RS485接口，接入控制器4的prot0口。

所述控制器为西门子PLC S7-200；数据传输线3为485信号线。

一种如上所述基于激光测距的直线轨道车定位***的定位方法，其特征在于：激光测距仪1开启时发出激光射到反射板10上，再反射回激光测距仪1，激光测距仪1的数据输出端与控制器4相连，数据通过数据传输线3输入控制器4中，控制器4通过计算距离值控制交流接触器6闭合，从而控制电机通过减速箱8使轨道车2行走，位移值实时通过位移数据显示器5显示。

具体步骤如下：

激光测距仪传输的位移信号为数字量，在实际运用中PLC控制器接收到的信号中时有位移值突变的“坏点”出现，使得轨道车时走时停，***稳定性不好；本发明将控制器接收到的数字量采用滑动平均值法进行数字滤波，这样既克服了算术平均法的延时，又使得控制器始终可以获得最新的采样结果；

在轨道车2行走过程中如果数据没有变化，说明激光测距仪1没有开启或测试的距离超过了激光测距仪的范围；如果数据发生巨变说明有障碍物阻挡了激光束，以上情况都报警并停车。

轨道车行驶速度为50mm/s左右，由于激光测距仪采样频率为2Hz-15Hz，如果按照一般的到达目标值时停止电机转动方法，理论定位误差可达到25mm，而实际运行中由于激光传感器传输的响应时间，轨道车的惯性及车轮与轨道摩擦系数的变化等因素定位误差可达到50mm，不符合项目小于3mm的误差要求。

因此，本发明采用“行走—停车—点动对位”控制电机的方法：

行走是接触器闭合，轨道车从静止到匀速行进的过程；

停车是指接触器释放，电机断电，轨道车从匀速到停止，由***惯性产生的滑行。***惯性有：激光传感器传输的响应时间，轨道车的质量惯性，车轮与轨道和机械传动机构的摩擦，电机及齿轮减速器的转动惯性和接触器的动作时间等因素。对于实际的轨道车，正行程运行和需逆行程运行的滑行距离是不同的，在本发明中注意了正行程滑行距离和逆行程滑行距离；车轮与轨道和机械传动机构的摩擦因素也在发生变化，表现出不确定性，在本发明中采用每次停车均存储更新正行程滑行距离或逆行程滑行距离，以减小这一不确定性。

点动是当轨道车滑行停车后，实际位置与目标位置有误差距离大于最小点动位移时，PLC控制器控制交流接触器依据最小点动时间定时闭合，轨道车“点动”行走，当轨道车实际停车位置没有达到目标值时车可以正向“点动”到目标值中，反之当轨道车实际停车位置超过目标值时车可以反向“点动”回目标值中；轨道车的实际停车位置与目标位置误差距离小于点动位移时停止操作，抱闸，进入下一步动作。

采用位移数据显示器5显示相对位移与绝对位移，通过485信号线连接PLC控制器4，显示器分为两行，上行显示距离目标值的相对位移，下行显示离反射板10（0点）的绝对位移，方便操作人员更好的了解轨道车所在位置，通过数据显示器，实时显示测量的位移，为操作人员提供准确的运行参考数据。

为了方便控制，将控制器，交流接触器，位移数据显示器等设在一个控制柜内。

使用本发明这种定位方法，可使故障率大大降低，调试简单，并可抗冲击、防尘、防水，在抖动和震动的情况下，也能使停车设备准确稳定的进行定位。

本发明工作原理：

本发明是一种基于激光测距的直线轨道车定位***及方法，包括激光测距仪、控制器PLC和控制电机的交流接触器，控制器通过控制交流接触器的线圈来控制小车起停。激光测距仪位于轨道车上，且其发射端正对行进轨道中心线相平行的直线上挡板。当激光测距仪发出的激光射到反射板上，再反射回激光测距仪，控制器通过接受激光测距仪的数字位置信号，可准确判断出来该轨道车的当前位置，并根据要求到达的位置控制电机的启停，使轨道车可以准确的到达目标位置，从而达到轨道车的全自动定位。

实施例：

位置数据更新法：

将PLC控制器接收到的数字量采用滑动平均值法进行滤波，滑动平均值法采用数据队列作为数据计算平均值的原始数据，数据队列的长度固定为10，每进行一次新的采样，就把最新采样结果放在队列的尾部，将原来队列首位的采样结果扔掉，这样在数据队列中始终保留着个最新的采样结果，将这个采样结果当作这个时刻的位移值进行计算。

点动调整法：

最小点动时间的获得：

点动是电动机控制方式的一种，启动很快就停止。在本专利中启动和停止信号是由PLC发出的，可以在很短的时间完成，可以短到电机没有反应，这里有交流电，电机及齿轮减速器的惯性，接触器的动作时间等因素。本专利所述“最小点动时间”就是在综合上述因素的条件下，在实际装置上，通过多次试验获得的可靠动作最小时间，当然获得该轨道车可靠移动的最小距离——点动位移。同时还要通过多次试验获得的下次点动的间隔的最小时间。

在本实例中最小点动时间为80ms，点动位移为3mm；点动间隔时间2S。

正行程滑行距离的检测与更新：

由于轨道车传动机构摩擦因素不确定的变化，轨道车每次的停车滑行距离不同，根据定位准确性PLC自动记录最新的正行程滑行距离并更新，以便推算出相对准确的提前定位停车位置。

在本实例中PLC自动多点记录的时间间隔为20ms。

逆行程滑行距离的检测与更新：

获得方法除与“正行程滑行距离的检测与更新” 轨道车行进方向相反外，其它是相同的。

由于轨道车传动机构和质量分布的非对称性，其正行程和逆行程的速度是不同的，在本实例中是将定位停车命令区分为正行程滑行距离和逆行程滑行距离的。提前定位停车位置也是分别用正行程滑行距离和逆行程滑行距离推算的。正行程定位停车位置等于目标位置减去滑行距离，逆行程定位停车位置等于目标位置加上滑行距离。

Claims

1.一种基于激光测距的直线轨道车定位***，包括激光测距仪（1）、设置在轨道（9）上的轨道车（2）、控制器（4）、位移数据显示器（5），其特征在于：激光测距仪（1）安装在轨道车（2）顶部并可随轨道车一起移动，在轨道（9）终点与激光测距仪（1）正对处设置反射板（10），激光测距仪（1）通过数据传输线（3）连接控制器（4），控制器（4）分别连接位移数据显示器（5）和交流接触器（6），交流接触器（6）连接电机，电机为电磁式制动交流减速电机由交流电机（7）和减速箱（8）组成。

2.根据权利要求1所述的基于激光测距的直线轨道车定位***，其特征在于：所述激光测距仪（1）测量距离为200m，精度为1mm；输出信号为RS485接口，接入控制器（4）。

3.根据权利要求1所述的基于激光测距的直线轨道车定位***，其特征在于：所述控制器为西门子PLC S7-200；数据传输线（3）为485信号线。

4.一种如权利要求1所述基于激光测距的直线轨道车定位***的定位方法，其特征在于：激光测距仪（1）开启时发出激光射到反射板（10）上，再反射回激光测距仪（1），激光测距仪（1）的数据通过数据传输线（3）输入控制器（4）中，控制器（4）通过计算距离值控制交流接触器（6）闭合，从而控制电机通过减速箱（8）使轨道车（2）行走，位移通过位移数据显示器（5）显示；具体步骤如下：

采用“行走—停车—点动对位”控制电机的方法：

行走是交流接触器闭合，轨道车从静止到匀速行进的过程；

5.根据权利要求4所述的基于激光测距的直线轨道车定位方法，其特征在于：采用位移数据显示器（5）显示相对位移与绝对位移，显示器分为两行，上行显示距离目标值的相对位移，下行显示离反射板（10）的绝对位移。

6.根据权利要求4所述的基于激光测距的直线轨道车定位方法，其特征在于：采用的抱闸电源单独进行抱闸释放，轨道车行走时将抱闸释放，定位准确后进行抱闸，方便进行下一步动作。