本發(fā)明涉及一種煤礦用激光光斑坐標檢測裝置及方法，尤其適用于環(huán)境惡劣的煤礦井下使用，為掘進機激光引導(dǎo)掘進或者掘進機空間位姿的檢測等使用到激光光斑坐標數(shù)據(jù)的領(lǐng)域提供了一種更為高效，安全，精確的裝置。

背景技術(shù)：

激光以其良好的指向性，在煤礦自動化中有很多的應(yīng)用。比如在掘進機激光引導(dǎo)定位和懸臂式掘進機空間位姿實時檢測中激光的應(yīng)用是很重要的解決措施，而其中能準確的檢測出激光光斑坐標的位置，是上述激光應(yīng)用中重要的前提。

已有發(fā)明專利如公開號為CN101819036A，CN102878976A，CN106052645A中，均采用機器視覺來采集激光光斑位置從而計算掘進機位姿，此方法在實際應(yīng)用中會因為機器抖動劇烈而影響光斑的采集準確度，并且計算時間過長，可擴展性差。已有發(fā)明專利CN101975063A中使用光敏管矩陣采集激光光斑位置從而引導(dǎo)掘進機掘進方向，但是此裝置光敏管數(shù)目少，準確度低，電路復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明專利針對背景技術(shù)的不足，提出一種煤礦用激光光斑坐標檢測裝置及方法，可實時準確的檢測出激光光斑的坐標位置，具有抗干擾性強、穩(wěn)定性高，擴展性強等特點。

技術(shù)方案：本發(fā)明的裝置是由激光接收裝置、主控制器組成。所述的激光接收裝置由防爆外殼，光敏管接收矩陣模塊，控制模塊，數(shù)碼管顯示模塊，按鍵輸入模塊以及通信模塊組成，可以準確的檢測激光在激光接收裝置上的光斑坐標，并把實際坐標信息實時傳給主控制器。主控制器由防爆外殼，通信模塊，按鍵輸入模塊，數(shù)碼管顯示模塊，數(shù)據(jù)處理模塊組成。主控制器通過按鍵輸入模塊決定所接收的激光接收裝置的數(shù)目以及與用戶通信波特率，并由數(shù)碼管顯示模塊顯示，數(shù)據(jù)處理模塊通過通信模塊接收各激光接收裝置的數(shù)據(jù)，并整合數(shù)據(jù)供用戶查詢訪問。

所述激光接收裝置光敏管接收矩陣模塊由13行24列的光敏管組成，當激光接收裝置工作時，激光接收裝置中控制模塊控制光敏管逐個作用，單片機逐個采集，當采集完所有光敏管數(shù)據(jù)，進行計算，得到激光光斑的坐標。此方法耗能低，工作速度快，經(jīng)試驗測得符合煤礦安全性要求。

所述激光接收裝置控制模塊，包括型號為STC12C5A60S2的單片機、列選擇模塊、行選擇模塊、選擇輸入模塊。列選擇模塊由一塊74LS154和74LS138組成，行選擇模塊由一塊74LS154組成，選擇輸入模塊由模擬開關(guān)CD4067組成。

為了增強所述煤礦用激光光斑坐標檢測裝置擴展性，激光接收裝置可由按鍵輸入模塊輸入激光接收裝置的地址，并由數(shù)碼管顯示模塊顯示，所述主控制器可由按鍵輸入模塊輸入所要連接的激光接收裝置的數(shù)目，主控制器與各激光接收裝置通信按主從機模式通信，且波特率為9600，主控制器為主機，激光接收裝置為從機。

所述煤礦用激光光斑坐標檢測裝置中主控器留有與用戶通信的端口，用戶可以按照標準的MODBUS協(xié)議去查詢所要了解的激光接收裝置上的激光光斑坐標信息。

該檢測方法包括以下步驟。

a所述主控制器上，用戶可以通過按鍵輸入模塊輸入所要連接的激光接收裝置數(shù)目，以及與用戶通信端口的波特率。

b 用戶通過按鍵輸入模塊輸入每個激光接收裝置的地址。

c 每個激光接收裝置通過防爆接頭與控制器相連接。

d當激光照射到激光接收裝置上時，激光接收裝置上的控制模塊通過控制電路控制光敏管接收矩陣逐個工作，控制模塊中的單片機采集每個光敏管的狀態(tài)，當采集完所有光敏管狀態(tài)后，計算激光光斑中心位置，并重新開始掃描采集。

e通過響應(yīng)主控制器的信號，每個激光接收裝置把采集到的激光光斑的坐標發(fā)給主控制器。

f 主控制器把所有激光接收裝置上的激光光斑坐標整合到一起，并且用戶可以用標準的MODBUS與主控制器的用戶通信端口通信，獲取所要采集的各激光接收裝置的激光光斑坐標。

附圖說明

圖1 煤礦用激光光斑坐標檢測裝置的工作示意圖。

圖2 激光接收裝置的光敏管矩陣模塊排列示意圖。

圖3 激光接收裝置光敏管矩陣模塊電路圖。

圖4 激光接收裝置控制模塊電路圖。

圖5 主控制器工作流程圖。

具體實施方式

為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征、優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和具體的實施方式對本發(fā)明進一步詳細闡述。

本發(fā)明所用到的激光接收裝置和主控制器均安裝在防爆外殼中，所涉及到的VCC電壓均為5V直流電壓。

參考圖2所示，本發(fā)明的光敏管接收矩陣由13行24列組成，圖中標號1所示即為激光接收裝置的原點坐標，點與點行坐標以及列坐標距離均為0.1CM,在實際激光照射中，行為Y坐標，列為X坐標。

參考附圖3所示，本發(fā)明的激光接收裝置光敏管接收矩陣由光敏管，電阻和三極管組成，所用電阻包括RY_1~RY_13，RX_1~RX_24和RO_0~RO_12均為1K電阻，RO_0~RO_12電阻起上拉作用，所用三極管包括SY_1~SY13和SX_1~SX_24均為PNP型三極管，型號為S8550，Y_0~Y_12為光敏管接收矩陣中行選擇控制端，X_0~X_23為光敏管接收矩陣中列選擇控制端，OUT_0~OUT_12為光敏管接收矩陣電平信號輸出端。

參考附圖4所示，激光接收裝置控制模塊電路中U1為單片機STC12C5A60S2，U2為4-16譯碼器型號為74LS154，其輸入端（A,B,C,D）接U1（P1.3,P1.4,P1.5,P1.6），其輸出端0～12接圖3中Y_0~Y_12, U9為4-16譯碼器型號為74LS154,其輸入端（A,B,C,D,G2）接U1（P3.3,P3.4,P3.5,P3.6, P3.7），其輸出端0～15接圖3中X_0~X_15, U10為4-16譯碼器型號為74LS138,其輸入端（A0,A1,A2,S1）接U1（P3.3,P3.4,P3.5, P3.7），其輸出端~接圖3中X_16~X_23，U3為模擬開管其型號為CD4067，其控制端（A0,A1,A2,A3）接U1（P1.3,P1.4,P1.5,P1.6），輸出端接U1(P1.7)。U1為控制器，其作用是是通過U2控制光敏管接收矩陣行選擇導(dǎo)通端，通過U9和U10的共同作用控制光敏管接收矩陣列選擇導(dǎo)通端。

圖4的工作原理為U1先通過U2使圖3中的SY_1三極管導(dǎo)通即第一行的光敏管全部1管腳接GND,與此同時由于U2與U3控制端相同，這樣模擬開關(guān)U3的輸出端為I/O0的電平，U1再通過U9和U10使圖3中的SX_1三極管導(dǎo)通即第一列的光敏管全部3管腳接VCC，這樣就使GM0工作，并且其電平狀態(tài)通過模擬開關(guān)U3傳給了U1， U1接收并記錄采集到的信息，以此類推當?shù)谝恍兴泄饷艄懿杉瓿珊?，單片機再選擇第二行工作，直到所有光敏管的信息采集完成以后，重新采集。當采集到的電平為高電平時說明激光照射到此光敏管上，為低電平時則沒有。單片機每采集一個光敏管用時1US，整個過程用時不到0.4MS。

當采集完所有數(shù)據(jù)以后單片機U1通過去噪，濾波，確定整個光斑所占光敏管的數(shù)目及坐標，然后求取所占光敏管矩陣X與Y軸平均值，算出所光斑中心點坐標，通過485芯片U5以及通信端口U6與主控制器通信，把數(shù)據(jù)傳給主控制器。

參考附圖5所示，主控制器工作時首先通過按鍵輸入模塊獲取輸出端口波特率的值和所要連接的激光接收裝置數(shù)目，并用數(shù)碼管顯示模塊顯示。然后其與激光接收裝置按主-從機模式，獲取每個激光接收裝置的激光坐標值，即主控制器為主機，激光接收裝置為從機，主機逐個訪問從機。主控制器數(shù)據(jù)處理模塊為單片機STC12C5A60S2，輸入端口為單片機STC12C5A60S2的串口1，其作用是與各激光接收裝置通信，與用戶通信端口為串口2，其作用是與用戶通信。當單片機接收完所有數(shù)據(jù)以后會整合成一個2維數(shù)組供用戶訪問，當用戶想要獲取那個激光接收裝置的激光光斑坐標信號時，只需與主控制器與用戶通信端口通信即可，通信協(xié)議符合MODBUS協(xié)議。

本發(fā)明的激光光斑坐標的檢測方法為：首先用戶通過按鍵設(shè)置每個激光接收裝置的地址，每個地址不可重復(fù)，且必須從0開始每次加1，然后激光接收裝置上的控制模塊通過逐行逐列掃描，使每個光敏管逐個使能，控制模塊中的單片機逐個讀取光敏管狀態(tài)，讀取完整個接收裝置的狀態(tài)，計算出激光光斑中心坐標。主控制器與所有激光接收裝置相連接，并通過按鍵獲取所要連接的激光接收裝置的數(shù)目以及與用戶通信端口的波特率。主控制器與各激光接收裝置之間的通信按照主從機模式。主控制器獲取各個激光接收裝置的激光光斑中心坐標，整合成2維數(shù)組，然后按照MODBUS協(xié)議可以供用戶查詢各個激光接收裝置上的激光光斑坐標。

本發(fā)明中涉及的未說明部分與現(xiàn)有技術(shù)相同或采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。