一种煤矿用激光光斑坐标检测装置及方法与流程

本发明涉及一种煤矿用激光光斑坐标检测装置及方法，尤其适用于环境恶劣的煤矿井下使用，为掘进机激光引导掘进或者掘进机空间位姿的检测等使用到激光光斑坐标数据的领域提供了一种更为高效，安全，精确的装置。

背景技术：

激光以其良好的指向性，在煤矿自动化中有很多的应用。比如在掘进机激光引导定位和悬臂式掘进机空间位姿实时检测中激光的应用是很重要的解决措施，而其中能准确的检测出激光光斑坐标的位置，是上述激光应用中重要的前提。

已有发明专利如公开号为CN101819036A，CN102878976A，CN106052645A中，均采用机器视觉来采集激光光斑位置从而计算掘进机位姿，此方法在实际应用中会因为机器抖动剧烈而影响光斑的采集准确度，并且计算时间过长，可扩展性差。已有发明专利CN101975063A中使用光敏管矩阵采集激光光斑位置从而引导掘进机掘进方向，但是此装置光敏管数目少，准确度低，电路复杂。

技术实现要素：

技术问题：本发明专利针对背景技术的不足，提出一种煤矿用激光光斑坐标检测装置及方法，可实时准确的检测出激光光斑的坐标位置，具有抗干扰性强、稳定性高，扩展性强等特点。

技术方案：本发明的装置是由激光接收装置、主控制器组成。所述的激光接收装置由防爆外壳，光敏管接收矩阵模块，控制模块，数码管显示模块，按键输入模块以及通信模块组成，可以准确的检测激光在激光接收装置上的光斑坐标，并把实际坐标信息实时传给主控制器。主控制器由防爆外壳，通信模块，按键输入模块，数码管显示模块，数据处理模块组成。主控制器通过按键输入模块决定所接收的激光接收装置的数目以及与用户通信波特率，并由数码管显示模块显示，数据处理模块通过通信模块接收各激光接收装置的数据，并整合数据供用户查询访问。

所述激光接收装置光敏管接收矩阵模块由13行24列的光敏管组成，当激光接收装置工作时，激光接收装置中控制模块控制光敏管逐个作用，单片机逐个采集，当采集完所有光敏管数据，进行计算，得到激光光斑的坐标。此方法耗能低，工作速度快，经试验测得符合煤矿安全性要求。

所述激光接收装置控制模块，包括型号为STC12C5A60S2的单片机、列选择模块、行选择模块、选择输入模块。列选择模块由一块74LS154和74LS138组成，行选择模块由一块74LS154组成，选择输入模块由模拟开关CD4067组成。

为了增强所述煤矿用激光光斑坐标检测装置扩展性，激光接收装置可由按键输入模块输入激光接收装置的地址，并由数码管显示模块显示，所述主控制器可由按键输入模块输入所要连接的激光接收装置的数目，主控制器与各激光接收装置通信按主从机模式通信，且波特率为9600，主控制器为主机，激光接收装置为从机。

所述煤矿用激光光斑坐标检测装置中主控器留有与用户通信的端口，用户可以按照标准的MODBUS协议去查询所要了解的激光接收装置上的激光光斑坐标信息。

该检测方法包括以下步骤。

a所述主控制器上，用户可以通过按键输入模块输入所要连接的激光接收装置数目，以及与用户通信端口的波特率。

b 用户通过按键输入模块输入每个激光接收装置的地址。

c 每个激光接收装置通过防爆接头与控制器相连接。

d当激光照射到激光接收装置上时，激光接收装置上的控制模块通过控制电路控制光敏管接收矩阵逐个工作，控制模块中的单片机采集每个光敏管的状态，当采集完所有光敏管状态后，计算激光光斑中心位置，并重新开始扫描采集。

e通过响应主控制器的信号，每个激光接收装置把采集到的激光光斑的坐标发给主控制器。

f 主控制器把所有激光接收装置上的激光光斑坐标整合到一起，并且用户可以用标准的MODBUS与主控制器的用户通信端口通信，获取所要采集的各激光接收装置的激光光斑坐标。

附图说明

图1 煤矿用激光光斑坐标检测装置的工作示意图。

图2 激光接收装置的光敏管矩阵模块排列示意图。

图3 激光接收装置光敏管矩阵模块电路图。

图4 激光接收装置控制模块电路图。

图5 主控制器工作流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征、优点，下面结合附图和具体的实施方式对本发明进一步详细阐述。

本发明所用到的激光接收装置和主控制器均安装在防爆外壳中，所涉及到的VCC电压均为5V直流电压。

参考图2所示，本发明的光敏管接收矩阵由13行24列组成，图中标号1所示即为激光接收装置的原点坐标，点与点行坐标以及列坐标距离均为0.1CM,在实际激光照射中，行为Y坐标，列为X坐标。

参考附图3所示，本发明的激光接收装置光敏管接收矩阵由光敏管，电阻和三极管组成，所用电阻包括RY_1~RY_13，RX_1~RX_24和RO_0~RO_12均为1K电阻，RO_0~RO_12电阻起上拉作用，所用三极管包括SY_1~SY13和SX_1~SX_24均为PNP型三极管，型号为S8550，Y_0~Y_12为光敏管接收矩阵中行选择控制端，X_0~X_23为光敏管接收矩阵中列选择控制端，OUT_0~OUT_12为光敏管接收矩阵电平信号输出端。

参考附图4所示，激光接收装置控制模块电路中U1为单片机STC12C5A60S2，U2为4-16译码器型号为74LS154，其输入端（A,B,C,D）接U1（P1.3,P1.4,P1.5,P1.6），其输出端0～12接图3中Y_0~Y_12, U9为4-16译码器型号为74LS154,其输入端（A,B,C,D,G2）接U1（P3.3,P3.4,P3.5,P3.6, P3.7），其输出端0～15接图3中X_0~X_15, U10为4-16译码器型号为74LS138,其输入端（A0,A1,A2,S1）接U1（P3.3,P3.4,P3.5, P3.7），其输出端~接图3中X_16~X_23，U3为模拟开管其型号为CD4067，其控制端（A0,A1,A2,A3）接U1（P1.3,P1.4,P1.5,P1.6），输出端接U1(P1.7)。U1为控制器，其作用是是通过U2控制光敏管接收矩阵行选择导通端，通过U9和U10的共同作用控制光敏管接收矩阵列选择导通端。

图4的工作原理为U1先通过U2使图3中的SY_1三极管导通即第一行的光敏管全部1管脚接GND,与此同时由于U2与U3控制端相同，这样模拟开关U3的输出端为I/O0的电平，U1再通过U9和U10使图3中的SX_1三极管导通即第一列的光敏管全部3管脚接VCC，这样就使GM0工作，并且其电平状态通过模拟开关U3传给了U1， U1接收并记录采集到的信息，以此类推当第一行所有光敏管采集完成后，单片机再选择第二行工作，直到所有光敏管的信息采集完成以后，重新采集。当采集到的电平为高电平时说明激光照射到此光敏管上，为低电平时则没有。单片机每采集一个光敏管用时1US，整个过程用时不到0.4MS。

当采集完所有数据以后单片机U1通过去噪，滤波，确定整个光斑所占光敏管的数目及坐标，然后求取所占光敏管矩阵X与Y轴平均值，算出所光斑中心点坐标，通过485芯片U5以及通信端口U6与主控制器通信，把数据传给主控制器。

参考附图5所示，主控制器工作时首先通过按键输入模块获取输出端口波特率的值和所要连接的激光接收装置数目，并用数码管显示模块显示。然后其与激光接收装置按主-从机模式，获取每个激光接收装置的激光坐标值，即主控制器为主机，激光接收装置为从机，主机逐个访问从机。主控制器数据处理模块为单片机STC12C5A60S2，输入端口为单片机STC12C5A60S2的串口1，其作用是与各激光接收装置通信，与用户通信端口为串口2，其作用是与用户通信。当单片机接收完所有数据以后会整合成一个2维数组供用户访问，当用户想要获取那个激光接收装置的激光光斑坐标信号时，只需与主控制器与用户通信端口通信即可，通信协议符合MODBUS协议。

本发明的激光光斑坐标的检测方法为：首先用户通过按键设置每个激光接收装置的地址，每个地址不可重复，且必须从0开始每次加1，然后激光接收装置上的控制模块通过逐行逐列扫描，使每个光敏管逐个使能，控制模块中的单片机逐个读取光敏管状态，读取完整个接收装置的状态，计算出激光光斑中心坐标。主控制器与所有激光接收装置相连接，并通过按键获取所要连接的激光接收装置的数目以及与用户通信端口的波特率。主控制器与各激光接收装置之间的通信按照主从机模式。主控制器获取各个激光接收装置的激光光斑中心坐标，整合成2维数组，然后按照MODBUS协议可以供用户查询各个激光接收装置上的激光光斑坐标。

本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实现。