穿梭車安全控制系統(tǒng)的設計與應用

王冠華，蔡榮忠，唐敬方，譚麗梅，徐彩珠

紅云紅河煙草（集團）有限責任公司會澤卷煙廠，云南省曲靖市會澤縣金鐘鎮(zhèn)東郊 654200

穿梭車作為卷煙物流輸送的主要設備在運輸過程中發(fā)揮著重要作用［1-2］。但實際生產中，由于穿梭車的運行軌道區(qū)域未全部封閉，容易出現(xiàn)現(xiàn)場人員穿行或跨越作業(yè)區(qū)域以及物體掉落等問題，存在安全隱患。穿梭車現(xiàn)有的安全聯(lián)鎖裝置包括安全門和急停按鈕，均需人工手動操作才能使穿梭車報警停機。當前因穿梭車運行軌道區(qū)域缺乏檢測裝置［3-4］，無法實現(xiàn)自動檢測及停機功能。對此，劉偉等［5］采用條形碼讀碼器和激光測距儀對軌道式穿梭車進行了改造；吳澤樟［6］在穿梭車的前后方分別加裝紅外探測傳感器，利用傳感器信號對穿梭車進行控制；王建成等［7］在穿梭車兩側加裝檢測裝置，實現(xiàn)穿梭車的安全控制；張廣喜等［8］利用工業(yè)攝像機采集運行軌道與穿梭車的圖像數據，以識別運行軌道上是否有異物，同時在軌道兩端四角處分別安裝紅外熱釋電傳感器，用于檢測是否有人員進入運行軌道區(qū)域。上述改進雖在一定程度上降低了穿梭車的安全風險，但檢測功能單一且有局限性，在安全控制方面仍然存在檢測盲區(qū)。激光傳感器技術具有測量精度高、準直性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，在精密測量、安全監(jiān)測以及智能控制等領域應用廣泛［9］。其中，溫凱［9］基于脈沖式激光測距原理構建了激光測距系統(tǒng)；蘇燕等［10］基于三角測量原理構建測距傳感器并設計了一種激光測距系統(tǒng)；張海濤等［11］將陣列探測技術應用于回波信號較弱空間，提高了碎片激光測距的準確率。為此，以紅云紅河煙草（集團）有限責任公司會澤卷煙廠成品高架庫使用的穿梭車為例，采用激光測距、激光陣列檢測等技術設計了一種穿梭車安全控制系統(tǒng)，以期提高穿梭車運行安全性能。

1 系統(tǒng)設計

1.1 總體構架

穿梭車安全控制系統(tǒng)由計算機、激光傳感器、測距傳感器、工控攝像頭、單片機、固態(tài)繼電器、音箱等部分組成，其核心是采集激光陣列信號、車輛測距定位以及安全輸出控制，見圖1。系統(tǒng)采集的數據來自激光傳感器、測距傳感器和工控攝像頭。其中，采用激光傳感器構建激光陣列檢測方式，檢測信號通過單片機經模數轉換器轉變?yōu)橛嬎銠C可識別的數字信號；測距傳感器通過串口通信方式（RS-485轉RS-232）接入計算機；工控攝像頭采用USB方式接入計算機。數據處理的核心是計算機，利用Microsoft Visual Studio（美國微軟公司）軟件編程進行運算和判斷；數據通過輸出模塊經數模轉換后驅動固態(tài)繼電器，實現(xiàn)穿梭車的自動啟停、報警提醒并將圖片、日志記錄等信息進行保存。

圖1 穿梭車安全控制系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure of safety control system for shuttle vehicle

1.1.1 激光陣列信號采集

（1）激光陣列布局。由于穿梭車軌道間寬度為90 cm，故采用分布式多點激光檢測方式，即采用6對激光傳感器（KM8LD-200P1型對射式激光傳感器，深圳市興天宇電子設備有限公司）組成一元激光陣列，形成由線到面的檢測區(qū)域，見圖2。6對激光傳感器分別布置在穿梭車軌道始末兩端，始端為發(fā)射端，末端為接收端，發(fā)射端與接收端等高等間距，同一端各激光傳感器間隔20 cm。其中，穿梭車軌道外側布置2對激光傳感器，內側布置4對激光傳感器，故軌道內側的4條激光線可完全覆蓋檢測區(qū)域。根據人體身高及相應尺寸，設定軌道外側激光傳感器安裝高度為40 cm左右，內側激光傳感器的高度距穿梭車車體底部15 cm，避免穿梭車運行時因軌道不平整而遮擋激光線。

圖2 激光陣列布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of laser array layout

（2）信號處理。激光傳感器發(fā)射端與接收端可以形成激光線，6對激光傳感器共有6條激光線，當其中某條激光線被遮擋時，該激光傳感器輸出電壓為0，而未被遮擋的激光傳感器輸出電壓為24 V，故激光傳感器輸出電壓包括0和24 V兩種信號。而單片機信號范圍為0～5 V，為滿足單片機信號采集要求，采用分壓電路對輸出電壓進行規(guī)格化處理，見圖3。根據公式U0=Ui/（R1+R2）R2，當作業(yè)區(qū)域無人員闖入或物體掉落，激光線未被遮擋，輸出電壓Ui為24 V，經過電阻R1和R2分壓后，U0=24/（50+10）×10=4 V；當激光線被遮擋時，輸出電壓Ui為0，經過電阻R1和R2分壓后，U0=0/（50+10）×10=0。因此，激光傳感器輸出電壓可轉換為0和4 V兩種信號，能夠滿足單片機對信號范圍的要求。

圖3 分壓電路圖Fig.3 Voltage divider circuit diagram

（3）信號采集。由于激光陣列檢測有6路輸出電壓且均為模擬信號，故采用多端口電壓輸入單片機進行數據采集。圖4中，STC90C58AD單片機（上海宏晶科技有限公司）共有8路10位高速A/D轉換器，其A/D轉換口在P1口（P1.0～P1.7），電壓輸入型A/D數量（8路）大于激光陣列電壓輸出數量（6路），能夠滿足激光陣列信號采集要求。選擇單片機中的6路模擬量輸入端（P1.0～P1.5）對接規(guī)格化處理后的激光陣列信號，由單片機對信號進行計算并轉換成計算機可識別的數字信號。計算機與單片機采用串口通信方式（RS-232）進行數據傳輸，可實現(xiàn)激光陣列檢測信號的實時采集和監(jiān)控。

圖4 單片機信號采集線路圖Fig.4 Data acquisition circuit diagram of single chip microcomputer

1.1.2 車輛測距定位

測距傳感器采用集發(fā)射與接收為一體的激光傳感器（型號MSE-LED10，煙臺莫頓測控技術有限公司），與一元激光陣列共同構成二元激光陣列，由發(fā)射端向目標端發(fā)射激光，經目標端反射后返回接收端，采用計時器測定激光從發(fā)射到接收的時間T，已知光速V，可計算得到總行程L，而發(fā)射端到目標端的距離為L/2。圖5中，在穿梭車軌道起始端，將激光測距傳感器安裝在兩軌道正中間位置，并在穿梭車車體上安裝反射板，根據測距傳感器發(fā)出的激光照射到反射板再返回至測距傳感器的時間，可以追蹤定位穿梭車位置并記錄報警停車位置。測距傳感器與計算機采用串口通信方式，由于兩者通信接口不一致，在兩者之間增加一個串口轉換器MODEL 2107C（RS-232至RS-422/485雙向轉換器），將測距傳感器RS-485信號轉換成RS-232信號。計算機將接收的RS-232信號轉換成數字信號并以固定頻率上傳，實現(xiàn)穿梭車位置的實時監(jiān)測和信息更新。

圖5 穿梭車測距定位示意圖Fig.5 Schematic diagram of laser ranging and shuttle vehicle positioning

1.1.3 安全控制

安全控制方式是指一旦檢測到人員闖入或物體掉落到穿梭車作業(yè)區(qū)域時，立刻進行語音報警并停止穿梭車運行。計算機根據激光陣列檢測信號進行判斷，當1條或多條激光信號從高電平向低電平變化時，計算機監(jiān)控軟件輸出數字信號，由輸出模塊進行控制并驅動繼電器，進而控制穿梭車的安全聯(lián)鎖信號，實現(xiàn)穿梭車自動啟停。此外，計算機同步啟動智能語音程序，通過音箱進行安全廣播，提醒人員注意。其中，輸出模塊采用16通道的隔離數字量模塊DAQM-4304（西安舟正電子科技有限公司），輸出通道為NPN集電極開路輸出方式，可直接驅動繼電器，通信方式為485總線。輸出模塊的輸入端RS-485接口與計算機接口無法直接對接，故增加一個串口轉換器MODEL 2107C，將計算機的RS-232信號轉換成RS-485信號，并將RS-485信號傳送至輸出模塊；輸出端與繼電器的24 V線圈相連，繼電器輸出線路與安全開關信號串聯(lián)，共同構成安全聯(lián)鎖開關，安全聯(lián)鎖開關一旦觸發(fā)，穿梭車立刻停止運行。

農作物種植過程中的病蟲害防治十分重要，甚至直接關系到當年玉米的產量是否會大幅度下降，乃至顆粒無收。目前，我國山區(qū)玉米高產栽培技術應用過程中對病蟲害防治、藥物使用時機、藥物施用計量有較為嚴格的要求，但我國農民普遍存在缺乏系統(tǒng)培養(yǎng)的問題，對于病蟲害的防治方面存在缺失，農民在辨別病蟲害、使用藥物的過程中存在滯后問題和缺乏針對性、有效性的問題，導致病蟲害大面積泛濫、不科學施用藥物導致害蟲產生抗藥性，玉米螟、地老虎、葉斑病等病蟲害的頻繁發(fā)作使玉米高產栽培技術的作用無法有效顯現(xiàn)，推廣進度受到阻礙。

1.2 軟件設計

軟件設計在Windows開發(fā)環(huán)境中進行，利用Microsoft Visual Studio（美國微軟公司）軟件編寫源程序，包括系統(tǒng)初始化、視頻采集模塊、激光測距模塊、激光陣列檢測模塊、硬件聯(lián)鎖停機、語音播報、視頻圖片抓拍、事件日志記錄等，程序流程見圖6。首先進行系統(tǒng)初始化，對應用變量、輸入輸出端口等進行定義；當計算機被觸發(fā)時，換算得到各條激光線的電平數據值，當所有激光信號均為高電平“1”狀態(tài)時，表示作業(yè)區(qū)域正常，系統(tǒng)返回繼續(xù)監(jiān)測；當有1條及以上激光信號為低電平“0”狀態(tài)時，表示存在人員闖入或物體掉落到作業(yè)區(qū)域，系統(tǒng)立即輸出停止穿梭車信號，并調用視頻圖片捕捉程序對現(xiàn)場情景進行抓拍和保存，同時將穿梭車停車位置、被遮擋激光線標號、被遮擋激光線數目、事件停機時間等信息合并為1條記錄追加保存，調用相關語音庫內容進行播報；當故障處理完畢后，系統(tǒng)進行延時設備恢復警告及復位穿梭車安全聯(lián)鎖開關，系統(tǒng)返回到繼續(xù)監(jiān)測狀態(tài)。

圖6 控制系統(tǒng)程序流程圖Fig.6 Program flow of control system

1.2.1 數據處理

計算機將接收到的單片機數據存儲到一維數組內存空間，每兩個字節(jié)代表1條激光線的信號值。其中，第1條激光線對應數組的1、2字節(jié)，第2條激光線對應3、4字節(jié)，第3條激光線對應5、6字節(jié)，第4條激光線對應7、8字節(jié)，第5條激光線對應9、10字節(jié)，第6條激光線對應11、12字節(jié)。由于單片機采用的是10位A/D轉換器，可以將模擬量信號轉換為0～1 024（210）的數字量，而單片機可檢測的最大電壓為直流5 V，將其換算為mV則需利用四舍五入函數Round（）再乘以1 000，從而得到實際電壓的整數值。因此，激光線電壓數值=Round（（（高字節(jié)×256+低字節(jié)）/1 024）×5，3）×1 000。將6條激光線對應數組的字節(jié)代入公式進行計算，即可得到各條激光線的電壓數值。計算機根據激光線的電壓數值進行“或門式”程序判斷，若有1條激光線電平進行高低躍變，表明有人員或物體進入作業(yè)區(qū)域；若6條激光線電平均未躍變，表明無人員或物體進入作業(yè)區(qū)域，由此實現(xiàn)對激光線的實時檢測。

1.2.2 痕跡管理

攝像頭在穿梭車運行過程中起到視頻監(jiān)控作用，當穿梭車作業(yè)區(qū)域有物體引發(fā)停機時，計算機監(jiān)控軟件啟動抓拍程序控制攝像頭進行抓拍并上傳至計算機進行保存。利用測距傳感器可檢測穿梭車的停車位置，在穿梭車運行過程中一旦檢測到激光線被遮擋，系統(tǒng)將產生對應的激光線標號、被遮擋激光線數目、穿梭車停機位置、日期時間等信息，并根據事件和日期添加記錄和分類。

1.2.3 設備恢復

檢測到穿梭車作業(yè)區(qū)域無人員或物體時，系統(tǒng)進行延時設備恢復警告及復位穿梭車安全聯(lián)鎖開關。第一次語音警告后，啟動延時程序，延時時間15 s，同時按100，99，98，…，3，2，1，0的遞減順序在監(jiān)控界面進行顯示；當屏幕顯示到數字9時，第二次語音警告，輸出9，8，7，…，0讀數，然后向輸出模塊DAQM-4304發(fā)送接通繼電器的指令，完成安全聯(lián)鎖開關復位；第三次語音警告后，重新啟動穿梭車進行輸送。

1.2.4 監(jiān)控界面與顯示

由圖7可見，系統(tǒng)實現(xiàn)了可視化圖像功能。監(jiān)控界面上方通過工控攝像頭采集現(xiàn)場視頻，可實時動態(tài)顯示穿梭車的運行軌跡。監(jiān)控界面下方可實時顯示車輛測距值以及穿梭車運行位置，能夠模擬顯示6條激光線的檢測狀態(tài)，有效區(qū)分“無障礙物阻擋”和“被障礙物阻擋”兩種狀態(tài)，紅色表示“無障礙物阻擋”，黑色顯示“被障礙物阻擋”，其中1表示1號激光傳感器，2表示2號激光傳感器，依此類推。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)控界面Fig.7 Monitoring interface of the system

2 應用效果

2.1 實驗設計

設備：BZF105型穿梭車1臺（昆明船舶設備集團有限公司）；PPC-3708A-N270型計算機1臺（沈陽創(chuàng)想科技發(fā)展有限公司）；KM8LD-200P1型對射式激光傳感器6對（深圳市興天宇電子設備有限公司）；MSE-LED10型激光測距傳感器1個（煙臺莫頓測控技術有限公司）；RER-USBFHD01M型工控攝像頭1個（深圳市銳爾威視科技有限公司）。

方法：以應用于紅云紅河煙草（集團）有限責任公司會澤卷煙廠成品高架庫的穿梭車為對象，采用支架將6對激光傳感器分別安裝在穿梭車軌道兩端，同一端各激光傳感器間隔20 cm；2對軌道外激光傳感器安裝高度為40 cm，4對軌道內激光傳感器安裝高度為10 cm（距穿梭車車體底部15 cm）。在穿梭車軌道起始端，將激光測距傳感器安裝在兩軌道正中間位置，安裝高度為45 cm，并在穿梭車車體上粘貼反射板。將攝像頭安裝在穿梭車前方的安全防護欄上，檢測范圍覆蓋整個作業(yè)區(qū)域；計算機安裝在穿梭車作業(yè)現(xiàn)場，方便在線監(jiān)控。系統(tǒng)安裝調試完畢后投入使用，于2020—2021年對穿梭車安全控制系統(tǒng)進行跟蹤記錄，以驗證系統(tǒng)檢測準確率。

2.2 數據分析

由表1可見，2020—2021年間穿梭車安全控制系統(tǒng)共發(fā)出故障報警11次，經核實無誤報和漏報，并可準確定位穿梭車停車位置及激光線標號，檢測準確率達到100%。

表1 系統(tǒng)故障報警統(tǒng)計Tab.1 Statistics of alarms sent by the system

現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在穿梭車作業(yè)區(qū)域形成激光陣列檢測，當有人員或物體進入時，系統(tǒng)立即報警停機，同時播報安全語音提示，監(jiān)控界面顯示提示信息并記錄相關數據；當故障解除后，3次安全語音提示后恢復正常運行。

3 結論

設計了一種穿梭車安全控制系統(tǒng)，將分布式多點激光對射與單線激光測距相結合，同時利用視頻采集技術形成可視化的二元激光陣列檢測，實現(xiàn)了穿梭車作業(yè)區(qū)域的在線實時監(jiān)控。以會澤卷煙廠成品高架庫的穿梭車為對象進行測試，結果表明：2020—2021年間穿梭車安全控制系統(tǒng)共發(fā)出故障報警11次，無誤報和漏報，可準確定位穿梭車停車位置及激光線標號，檢測準確率達到100%，實現(xiàn)了穿梭車運行軌道區(qū)域的全覆蓋檢測，有效降低了穿梭車運行安全風險。