應用于化纖長絲自動落卷機的安全防護設計

崔 正，王 勇，蔡 苗，周春旭，劉園園

（1.北京機械工業自動化研究所，北京 100120；2.北自所（北京）科技發展股份有限公司，北京 100120）

0 引言

2020年我國化纖總產量超6000萬噸，占世界化纖總產量的70%，是我國具有國際競爭優勢的產業。[1]然而我國化纖生產企業的自動化程度較低，化纖行業裝備與發達國家相比還有很大差距。化纖紡絲車間的生產環境惡劣，噪音大，工人勞動強度高，落卷自動化已經成為化纖生產作業的必然趨勢。北自所研發的懸掛式自動落卷機打破了進口裝備的壟斷，可完全替代人工落卷作業，能夠很好地解決紡絲工人工作強度大，人工落卷降等率高，人為原因導致的產品批號混亂等問題。保證自動落卷機在化纖長絲生產車間復雜的現場環境下高效、安全的工作是首要問題，設計一種適合的自動落卷機的安全防護方法就變得尤為重要。

1 選題依據

長絲紡織車間現場環境如圖1所示，生產現場空間小、雜物多、噪聲大。現場紡絲工人需要在自動落卷機運行區域上進行添加紙管、處理未能及時落卷的卷裝絲餅、進行卷繞頭生頭等工作。自動落卷機全天不間斷在車間中進行落卷作業，垂直工作高度距地面10mm至1900mm，升降速度300mm/s；水平運動范圍貫穿整個長絲生產車間，水平速度1200mm/s。現場人員、物品經常處于自動落卷機作業路徑上，造成落卷機避讓障礙停機且存在極大的安全隱患。為了避免發生安全事故，設計一種自動落卷機的安全防護方法尤為重要。

圖1 長絲生產車間環境

因生產現場空間狹小且嚴重妨礙人工操作，傳統的安裝防護欄隔離落卷通道和人員的方法并不適用，因此必須為自動落卷機設置主動防護系統。主動安全防護系統需要選用合適的環境檢測裝置，一般的光電傳感器和機械行程開關是一維檢測且探測距離短并不適合高速運行的自動落卷機。

本文設計了一種適用于懸掛式自動落卷機的安全防護方法，通過采用激光掃描雷達的二維環境檢測防護方法和基于機器視覺的三維環境檢測防護方法相結合，為用戶提供了一種有效的自主安全解決方案。

2 基于激光掃描的自動落卷機安全防護設計

2.1 激光掃描二維環境檢測原理

如圖2所示，激光掃描儀根據光的飛行時間測量距離。激光掃描儀會發射激光脈沖，同時會啟用激光掃描儀內部電子秒表，如果前方有物體遮擋就會將光脈沖反射回來并被激光掃描儀接收，根據發射和返回激光的時差Δt就可以計算出距離物體的距離[2]。如圖3所示，激光掃描儀中還有一面鏡子在勻速旋轉，可以向設備周圍均勻發射激光脈沖，市面上一般的激光掃描設備發射脈沖的角分辨率可以達到0.5°①，測量半徑最大為7m，最小分辨率為30mm②。因此激光掃描儀是二維環境檢測裝置，其具有檢測速度快、檢測平面范圍大的特點，可以作用于自動落卷機的安全防護設計。

圖2 激光掃描儀測距原理圖

圖3 激光掃描儀二維環境檢測原理圖

2.2 激光安全系統設計

如圖4所示，兩臺激光掃描設備安裝在自動落卷機水平運行方向的底部，均為倒置安裝，檢測高度為150mm，用于檢測人體腳踝及地面障礙物。

圖4 激光掃描設備的安裝位置

為了避免因激光掃描設備設置區域出現問題導致的生產事故，根據國際標準化組織ISO關于激光掃描設備的防護標準計算，規定應用在自動落卷機的激光掃描設備最小保護范圍的長度為1442mm；最小保護范圍寬度為3000mm。

2.3 激光掃描設備的硬件設置

激光掃描設備用于自動落卷機的環境檢測還需要對其進行硬件配置，以便更好的與自動落卷機配合，保障自動落卷的安全、高效。

如圖5所示，市面上的激光掃描儀一般都具有多個安全防護區輸出接口，工程項目中，為了減少不必要的停車，提高落卷效率，一般設置兩個防護區即減速區和停止區。設置減速區不僅避免了自動落卷機因急剎車導致卷裝損壞，而且減少了停車次數保證落卷效率。設置停止區保障了在人員突然接近落卷機情況下設備能及時停機。適配自動落卷機的激光掃描設備的參數：減速區域為長度3000mm，寬度左右各1600mm；停止區域設置為長度1500mm，左右寬度各1500mm。

圖5 保護區域圖示

根據現場環境的不同也可以利用激光掃描設備的部的監控器，根據水平電機行駛速度來動態切換保護區域范圍。激光掃描設備有兩個動態輸入接口，通過連接水平電機減速機的增量式編碼器來確定行駛速度機行駛的方向和速度。兩個動態輸入接口一個連接增量式傳感器的0/90°相序輸出接口，另一個連接編碼器脈沖輸出接口。懸掛式自動落卷機水平伺服電機旋轉一周增量式編碼器發出1000次脈沖，水平行使22mm，即每厘米脈沖為455。配置完成每厘米脈沖和保護區域后，激光掃描設備就可以根據行駛速度來切換保護區，使得自動落卷機的運行更高效可靠。

另外，激光掃描設備需要設置自動復位模式。在因探測到障礙物導致自動落卷機停車情況下，移除障礙物后激光掃描設備能自動將輸出正常信號，不需要手動復位從而保障操作工人的安全、減少停機時間。

基于激光掃描的自動落卷機安全防護設計雖然配置和安裝簡便，但其平面檢測僅檢測人的腳部會存在盲區，例如當人員在保護區域外彎腰低頭時雖然激光掃描設備未檢測到危險，但人體已經在危險區域。另外由于紡絲車間現場廢絲較多，激光掃描設備容易產生誤信號，增加自動落卷機的停車時間，影響落卷效率。使用機器視覺的方法對自動落卷機進行三維的運行環境檢測，可以有效避免因視野盲區帶來的安全事故，減少誤信號的產生，提高自動落卷機的可靠性。

3 基于機器視覺的自動落卷機安全防護設計

3.1 機器視覺系統

機器視覺系統由含有2個相機的視覺模塊、高性能工控機、通訊模塊組成。自動落卷機運行環境的障礙物主要是人員、絲車、紙管等，為了減少計算量，加快工控機的圖像處理速度，使用機器視覺技術對自動落卷機運行環境進行視覺檢測時，首先應對圖像進行目標檢測，減少圖片中的像素點。隨后進行雙目立體視覺計算距離數據，控制自動落卷機減速或緊急停車。本設計使用雙目相機中的靠近空地的相機進行目標檢測，識別出障礙物的邊框和中心點，對中心點進行雙目視覺測距。

3.1.1 目標檢測

使用基于深度學習的YOLO算法（You Only Look Once）對自動落卷機的運行環境進行目標檢測[3]，網絡結構如圖6所示。YOLO將圖片數據劃分成7×7的網格并對每個網格預測出3個障礙物邊框和每個邊框的位置信息、置信度，在預測出的7×7×3個邊框中去除置信度低于閾值的邊框，實現對數據集的訓練。

圖6 YOLO網絡結構

對落卷車間的人員、絲車、紙管等障礙物進行不同角度的圖像采集，并標注每張圖片中所有障礙物的類別，制作適合深度學習的數據集。將圖像數據集輸入圖6所示的卷積神經網絡（CNN）進行訓練。50000輪的訓練后將算法模型部署到工控機上，使用測試圖片驗證算法模型的識別準確度。若準確度不足，則改變參數重新進行訓練，直至能夠準確識別出障礙物，如圖7所示。

圖7 目標檢測效果

YOLO目標檢測算法是基于目標回歸的檢測算法屬于一階檢測算法，可以直接對特征值進行提取、分類，實現圖像由輸入到輸出快速檢測。該算法處理圖像速度最快可達45FPS，具有很好的實時性，可以實現自動落卷機目標檢測采樣頻率高的要求。

3.1.2 雙目立體視覺測距

目標檢測識別出障礙物類別后，使用雙目立體視覺技術對障礙物中心點進行測距。雙目立體視覺測距技術是利用物體的在二維平面的投影重構三維物體，兩臺不同位置角度的高清相機拍攝同一物體，使用三角測量的方法計算空間點對應的兩張像素點之間的視差得到實際距離[4]。

如圖8所示，左右兩臺相機對應參數分別用l，r表示，在左右相機成像面C1，Cr上，世界坐標系上任意一點的坐標A(x，y，z)在兩臺相機的成像點為al(ul，vl)，ar(ur，vr)，A點為兩相機的光心與成像點連線Olal，Orar的交點[5]。

圖8 雙目立體視覺測距原理

空間點A(x，y，z)在兩成像面的投影變換矩陣為Ml，Mr，狀態轉移關系可得：

其中，(ul，vl，1)T為al在左成像坐標系下的齊次坐標；(ur，vr，1)T為ar在右成像坐標系下的齊次坐標；(x，y，z,1)T為A點在世界坐標系下的齊次坐標。

變換矩陣Ml，Mr表示為：

將Ml，Mr代入到式(1)、式(2)中，使用最小二乘法解得A矩陣為：

求得A點距世界坐標原點的距離為：

3.1.3 工作流程

如圖9所示，環境檢測系統與自動落卷機同步工作，視覺模塊開機后對視場空間內的物體進行目標檢測。若檢測到人、絲車、紙管等障礙物，則進行雙目視覺測距，否則繼續掃描不進行測距。相機對障礙物進行目標檢測后，若人或物體距自動落卷機1.5m之外，發給自動落卷機正常工作信號；若距離在1.0～1.5m范圍內，則發送減速信號；若距離小于1.0m則發送停車信號。后兩種情況記錄安全日志，并保存從安全事件發生之前最后一組正常工作狀態直到恢復正常狀態或停機之間的原始圖像數據和三維數據用于安全事故調查和效率統計。

圖9 機器視覺環境檢測系統工作流程圖

3.2 機器視覺安全系統設計

為了全方位保護自動落卷機的安全可靠，在其4個運動方向上均布置雙目視覺模塊。為保證計算機傳輸檢測結果（即正常行駛、減速、停車信號）的實時性，在算法方面采用多線程編程方式，與自動落筒設備通訊模塊采用硬接點通訊。另外系統自身有相機故障檢測及報警功能，當視覺系統或相機出現異常時，立即向設備發送停止給信，并發送故障信息代碼。

現場紙箱、推車等雜物的高度通常不大于1m，而現場人員的身高在1.5m以上，為了在安裝高度有限的情況下檢測到靠近自動落卷機的人體、雜物等，相機和鏡頭組合必須具有足夠大的視場角。使用的雙目視覺模塊其圖像寬度方向的視場角約為82.9°，圖像高度方向的視場角約為66.5°。

3.2.1 水平運動方向設計

與二維環境檢測相同，為保證運行效率，在水平方向上設置2條檢測線，1m停車線和1.5m減速線。

側視視角的安裝與視野情況如圖10所示，水平方向的雙目視覺模塊安裝在自動落卷機機柜頂部，距地面約2.0m，為調試方便另一側也安裝在同一高度。調整模塊使其視野上界與地面平行，此時最近拍攝距離距自動落卷機0.87m，光軸與地面交點水平距離約3m。

圖10 安裝與視野范圍側視圖

俯視視角的安裝與視野情況如圖11所示，地面上，最近拍攝距離0.87m處的視野寬度可達3.3m，減少了軌道兩側的檢測盲區。2.0m高度位置在近距離位置的視野寬度略小，但前方1.5m處視野寬度已經超過2.0m，基本覆蓋兩側安全界線之間的范圍。

圖11 安裝與視野范圍俯視圖

安裝整體工況如圖12所示。

圖12 水平安裝工況展示圖

3.2.2 橫移作業方向設計

在側面作業區域進行環境檢測主要是因為此區域空間狹小，又有人員交叉作業，容易發生安全事故。自動落卷機在工作時，與卷繞設備之間最小只有100mm的間隙，落卷平臺下降的最低位置與地面只有50mm的距離。工人在工作時，會從側面將身體上半部位會伸出到落卷平臺下方，而下半部分還在安全區域內，因此對落卷平臺下方的檢測尤為重要。

在落卷平臺下方雙目視覺模塊，使其跟隨落卷平臺一起運動，能夠實現對升降平臺下方整個空間內的動態檢測，確保設備和人員生命安全。雙目視覺模塊的安裝如圖13所示。

圖13 側向安裝工況展示圖

4 自動落卷機PLC適配程序

結合上文與工程經驗，為使兩種環境檢測設備最大程度適配懸掛式自動落卷機，還需要對落卷機PLC進行應用編程。本文設計的兩種自動落卷機環境檢測方法的輸出信號在PLC端均為兩個24V常閉輸入點，保證了PLC適配程序的通用性。

如圖14所示的水平前進方向環境檢測設備的PLC適配程序。當有停止信號收入時，自動落卷機停止水平運動和升降運動；當減速信號輸入時，設置水平運動速度為300mm/s；當自動落卷機檢測到障礙物時，其減速度由正常情況下的300mm/s2變為600mm/s2，減小停車距離。

圖14 適配程序

在實際項目中，自動落卷機還裝有聲光報警設備，在其水平行走和垂直升降時對現場工作人員進行安全提醒，最大限度保障運行安全。自動落卷機的安全防護裝置是保障其安全工作的最重要的設備，因此在實際調試時必須先確保安全防護裝置和適配程序的正常運行。

5 結語

本文從設計原理、安裝方式、硬件配置、工作流程和PLC的適配程序等方面介紹了一種自動落卷機的主動安全防護系統，可以很好的適配自動落卷機的工作環境，保證其在復雜環境下安全、高效地工作。在實際應用中，基于機器視覺的安全防護設計可以有效避免自動落卷機因地面細小雜物而停機的問題，經現場統計其較激光掃描設備可以減少5%的停機時間。但基于激光掃描技術的安全防護設計因其安裝調試簡單、適應性強、可靠性高的優點目前還不能完全被基于機器視覺的安全防護設計替代，出于安全考慮可作為輔助安全系統進行最后的安全保障。本文的安全防護設計已經穩定應用在北自科技的自動落卷項目中，未來改進后也可用于穿梭車、AGV、堆垛機等物流設備的安全防護。