環衛集裝箱變形自動檢測系統設計實現范文

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摘要：針對20英尺環衛集裝箱的結構特點與運輸條件，研究適用于環衛集裝箱在載重情況下箱體變形的檢測方法，應用激光測距技術，設計和開發環衛集裝箱箱體變形度檢測系統，對箱體變形性態進行分析判別，以確保垃圾在末端處置中，滿載的集裝箱能正常裝船運輸，防止因箱體變形對導軌的損壞。通過大量的現場實驗，驗證了檢測方法和系統的可行性。

關鍵詞：環衛集裝箱；變形度；檢測系統；激光測距

在垃圾的集裝化運輸中，集裝箱在各種因素的作用下箱體產生變形，主要包括：在垃圾壓縮處理過程中，壓縮打包機對集裝箱內側施加強大的壓力；在運輸途中，大塊固態垃圾由于震動對箱體結構造成沖擊載荷；集裝箱中的廚余垃圾等酸性液體對箱體結構的腐燭。因此，這些外部因素和惡劣的環境條件容易使環衛集裝箱產生箱體變形，導致整個結構失效，進而產生不可想象的后果，或造成安全事故和財產損失，嚴重影響垃圾集裝化運輸的安全性和可靠性。本文考慮環衛集裝箱受到壓縮打包機對內部的內壓力，以及運輸過程中大塊固態垃圾對箱體的沖擊，在長期使用過程中會出現箱體變形或裂紋現象，研究適用于20英尺環衛集裝箱在載重情況下箱體變形的自動檢測系統，及時掌握集裝箱變形數據，對箱體變形進行預警，一旦發現變形超過極限，立即采取措施，確保設備與人身安全。通過對激光測距[1]、三維激光掃描[2]、超聲波檢測[3]、光纖陀螺[4]、GPS[5]等變形檢測方法的特點及優缺點的比較與分析，基于激光測距技術在測量精度、報錯概率、測量范圍、體積小、重量輕、可靠性高、轉換效率高、功耗低、價格低廉、使用安全等特點，設計的檢測系統采用激光測距方法[7]。

一、系統的構建

集裝箱的箱體由骨架和面板組成，箱體骨架由方鋼焊接而成，箱體面板焊接在箱體骨架上，面板為了防止變形表面有焊接筋，實際的箱體面板是一個凹凸不平的表面，箱體面板的筋和箱體的骨架處于同一個平面。變形是指物體受外力作用而產生體積或形狀的改變。這里的改變是相對于原來的體積或形狀。如果要檢測出這樣的變形那么就需要找到一個基準面，由于箱體的骨架是由方鋼焊接而成，可以認為骨架的易變形程度要遠遠低于箱體面板的變形程度，因此，可以通過骨架確定基準面，然后基于該基準面進行箱體面板形變的檢測。對于形變的檢測，本系統采用測距傳感器測量被測面與傳感器的距離來確定。當一個未發生形變的被測面，按照一條直線通過測距傳感器時，被測面的每一點距離測距傳感器的距離都是相等的。當一個中間凸起的被測量通過測距傳感器時，中間的測量距離值要比兩變測量出的距離值要小。由此，設計的垃圾集裝箱變形度的自動檢測系統由6支測距傳感器、1個信號采集控制器和1套控制軟件組成。檢測系統原理圖如圖1所示。

二、硬件平臺的搭建

實驗平臺通過在箱體左右兩側分別樹立一根垂直的柱子平行于箱體的側面，通過測距傳感器可以測量出柱子與箱體表面的距離。兩側立柱間距為3m，除去箱體的寬度2.4m，左右留有0.3m，處于選用的某傳感器的工作范圍內（測量范圍為200~600mm）。由于一個傳感器只能測量一處的變形量，考慮到箱體變形的部位可能處于箱體測面的不同部位，因此，將箱體高度等分為5份，在中間3份處安裝3只傳感器進行測量。立柱和傳感器的安裝如示意圖2所示。

三、軟件的實現

首先建立一個二維的平面坐標系，坐標系的零點選取箱體背面的中心，兩根立柱的距離可以測量得出為d，通過上中下三個傳感器可測量出箱體骨架與傳感器的距離為x11，x21，x31，設三個傳感器的高度分別為y1，y2，y3，那么可以得到測量的三個點的坐標為（d/2-x11，y1），（d/2-x21，y2），（d/2-x31，y3），這樣，當箱體通過測量柱時，就可以得到一系列的測量點，（d/2-x1n，y1），（d/2-x2n，y2），（d/2-x3n，y3），（n=1，2，3......），前述已分析可以通過箱體骨架確定一個基準面，那么檢測箱體變形的問題實則轉換成了測量出的箱體面板的坐標點與箱體骨架確定的基準面的距離D，D越大表示變形越大，D越小表示變形越小。由于y值不變，因此，可以將測量點建立一個x-n的坐標系。由于箱體的骨架不會變形，測量點中第一個點和最后一個點分別是骨架前后的測量距離，中間的測量點是中間筋的距離，當中間筋的距離沒有超過前后骨架測量點的連線，即為箱體沒有變形，當超過了測量點的連線即為嚴重變形。變形類別的判定：根據箱體框架的尺寸圖紙，框架比筋高出20mm，正常的箱體，得到的測量值應該是筋的連線幾乎是一條直線，而變形的箱體筋的連線是一條帶曲度的線，如果曲度的線超過了框架測量點的連線，這樣就可以設定一個變形標準：（1）所有筋的測量的距離未超過框架的測量距離，且距離相差大于10mm則認為是正常箱體，如圖3。（2）所有筋的測量的距離未超過框架的測量距離，且距離相差小于10mm則認為是輕微變形箱體，如圖4。（3）筋的測量的距離超過框架的測量距離，則認為是嚴重變形箱體，如圖5。理想情況下，車箱絕對的正，箱體的中心與立柱的中心一致，車輛在倒車時處于勻速并沿直線倒車。如圖6所示。實際測試時，可以保證直線倒車，但是箱體無法絕對的正，可能存在一個角度，這樣倒車線路與理想垂直線路存在一個角度偏差，若此時箱體倒車線路的中心與測量立柱的連線的中心一致，由于測量就是中心處的距離，所以此種情況可以正常進行測量，不會影響測量結果。如圖7所示。另一種情況是箱體倒車線路的中心與測量立柱連線的中心不一致，有可能偏上或者偏下，此時單邊測量的距離會前后不一致，如一邊測量的結果是前大后小，另一邊測量的結果是前小后大，這樣單邊的測量結果會不容易處理。假設兩邊測量的結果分別為AXn，BXn（n=1，2，3...），兩根立柱的間距是d，那么測量到車箱的寬度為d-（AXn+BXn），（n=1，2，3），因為車箱的寬度是固定的，所以可以認為兩邊測量的和為一個常數，這樣就可以將兩邊的測量結果相加后得到的測量數據依據給定的判定標準進行判定。如圖8所示。采樣頻率的設置：車箱整長6m左右，假定車速控制在5km/h，即5×1,000/3,600=1.389m/s。箱體筋的寬度為0.14m，那么每一個箱體筋通過傳感器的時間為0.14/1.389=0.1s，即筋通過傳感器的周期T為0.1s，那么系統的采集頻率f=2/T，即20次/s。箱體側面是由筋和面板組成的凹凸不平的，那么實際測量得到的數據點如圖9所示，數據點分為上下兩層，分別為筋的距離和板的距離，因為要將兩側的測量數據進行相加，而兩側的測量結果會不一致，例如一側可能會測得連續2個點為板的距離，另一面可能會測得連續2個點為筋的距離，因此當如果連續2個測量點為板或者筋的距離，則只保留一個。處理后的測量點如圖10所示，這樣就可以保證筋的距離與筋的距離相加，板的距離與板的距離相加。

四、實驗結果與分析

1．正常箱體圖11中，藍色線表示箱體框架的數據，即參考線，紅色帶圈線表示所有筋的測量數據，即測量線。由圖11可知，所有筋的測量距離未超過框架的測量距離，且由表1測量數據可知，距離相差大于10mm。由此，檢測結果為正常箱體。對于10km至17km段，應當加強回淤監測，定期進行航道水深檢測，并根據檢測結果進行疏浚維護，確保航道適航水深滿足設計要求。特別是在大風過后應及時進行水深檢測，并建立大風驟淤應急響應機制，確保航道的正常運行。來港船舶應提前和以及港口商務部門溝通，確定最大吃水，確保航行安全。

參考文獻

[1]《濰坊港3.5萬噸級航道工程水深回淤測量報告》山東正元數字城市建設有限公司.

[2]趙洪強.海上運輸通航環境安全評價研究[J].水運科學研究，2007，（3）：27-32.

作者：沈聰 單位：上海環境物流有限公司