CN102359846A - 物体重心高度的测定方法及测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物体的重心高度的测定方法，测定方法包括：在物体的一侧设置图像拍摄装置(1)；用传送带形成具有向外突出的拐点(A)的坡面(2)，物体随着传送带在所述坡面上运动，利用所述图像拍摄装置(1)获取所述物体两次经过所述拐点(A)时的翻转时刻的第一图像和第二图像；在第一图像中选择经过拐点的第一垂线，在第二图像中选择经过拐点的第二垂线；对比得到第一垂线和第二垂线的交点(G)；根据图像和实物的比例关系，由交点计算出体的重心高度。本发明还提供了利用该测定方法的测定装置。上述技术方案通过结构简单的测定装置和操作简单的测定方法实现非接触式测量，不但提高了作业效率，而且大大提高了精度。

Description

物体重心高度的测定方法及测定装置

技术领域

本发明涉及物体的重心高度的测定方法，具体地，涉及一种物体的重心高度的非接触的测定方法。本发明还涉及一种应用上述测定方法的测定装置。

背景技术

物体的重心位置对于物体的运输和使用都有着重要的影响。特别地，对于例如集装箱等大型物体，由于其本身的体积和质量都很大，而且又不能主动运动，因此更加不易对其重心进行测定。

目前，用来测定物体的重心高度的方法主要有称重法、悬挂法、复摆法和平台称重法等。上述方法为本领域公知方法，为了简便起见，此处并不对上述方法进行赘述，只以最常用的悬挂法和地面反例法为例进行详细介绍。图1和图2中以平底结构的物体为例对传统方法进行介绍，但是该方法并不仅限于平底结构的物体，对于多种形状的物体均适用。

如图1和图2所示，首先在物体的一侧附装刚性划线板；然后利用地磅测量出物体的质量M；将物体的第一端放在地磅上，第二端用吊索吊起来，并且该吊索垂直于水平面，物体的接地点均在BB’线上；测量此时地磅上接地点的反作用力R；测定吊索与物体接地点之间的水平距离d；即通过力矩公式计算出吊索与物体重心之间的水平距离C＝Rd/M；在固定于物体一侧的划线板上划出与吊索水平距离为的C竖直线l₁，该竖直线l₁即为通过物体重心的一条直线；再将物体的第二端放在地磅上，第一端用吊索吊起来，并且该吊索垂直于水平面，物体接地端的接地点均在BB’线上；测量此时地磅上接地点的反作用力R’；测定吊索与物体接地点之间的水平距离d’；即通过力矩公式计算出吊索与物体重心之间的水平距离C’＝R’d’/M；在固定于物体一侧的划线板上划出与吊索水平距离为的C’竖直线l₂，该竖直线l₂即为通过物体重心的另一条直线；上述两条竖直线l₁和l₂的交点即为物体重心，在物体位于地面时测量重心距离地面的高度即为物体的重心高度h。

需要说明的是，上述划线板应该足够大，从而使两条竖直线l₁和l₂能够在该划线板上延长并相交于一点。

另外，可以在地磅上安置辅助装置从而限制物体悬挂时的接地点，并且防止在悬挂时，物体接地的一端发生滑动，导致测定结果出现误差。

利用上述方法测定物体重心的高度存在很多问题。

首先，上述测定方法具有一定的危险性。由于上述测定过程需要用吊索将物体的一端吊起，因此容易造成物体侧向倾翻。

其次，上述方法的测定效率低。测定过程中需要的设备较多，过程复杂，其中包括地磅和起重机等大型设备，测定过程持续时间长。

另外，最重要的是，测定结果的精度较难控制。由于测定过程中吊索必需垂直于水平面，物体两端的接地点必须在一条直线上(如图中的BB’线)，所以需要反复调试，很难满足精度要求。而且确定重心的两条竖直线l₁和l₂的都是人工绘制，因此存在人工误差。上述这些误差都将会直接影响测量结果。

并且，不仅是以上详细介绍的测定方法，现有技术中的各种方法大多适用于质量较轻的物体，而例如集装箱或大型工件等大型的物体的重量通常要重得多，因此，某些传统的测定物体重心的高度的方法甚至无法使用。而且，虽然利用上文所述的测定方法可以测定大型物体的重心高度，但是其存在问题会更加突出。

发明内容

本发明的目的是提供一种物体的重心高度的测定方法，该测定方法通过简单易的非接触地操作就可以较为精确地找到物体的重心。

为了实现上述目的，本发明提供一种物体的重心高度的测定方法，其中，所述测定方法包括以下步骤：

(a)在所述物体的一侧设置图像拍摄装置；

(b)用传送带形成具有向外突出的拐点的坡面，所述物体的底面与所述传送带接触，并且所述物体随着所述传送带在所述坡面上沿直线运动，在所述物体运动过程中，利用所述图像拍摄装置获取所述物体经过所述拐点时的翻转时刻的第一图像和第二图像；

(c)在所述第一图像中选择经过所述拐点的第一垂线，在所述第二图像中选择经过所述拐点的第二垂线；

(d)比对所述第一图像和第二图像得到所述第一垂线和所述第二垂线的交点；

(e)根据图像和实物的比例关系，由所述交点(G)计算出所述物体的重心高度。

优选地，在步骤(b)中，在所述物体随所述传送带在所述坡面上运动的过程中，利用所述图像拍摄装置拍摄所述物体经过所述拐点的过程而得到一组图像或者连续影像，所述第一图像和第二图像从所述一组图像或者连续影像中选择。

优选地，所述翻转时刻包括所述物体翻转过程的开始时刻。

优选地，在所述第一图像中选择第三直线，该第三直线和所述物体之间的位置关系与所述第二图像中的第二垂线和所述物体之间的位置关系相同，所述第三直线与所述第一图像中的第一垂线相交得到所述交点。

优选地，所述坡面包括与水平面夹角为θ₁的第一平面和与水平面夹角为θ₂的第二平面，所述第一平面和第二平面相交于所述拐点，

其中，θ₁＜45°，θ₂＜45°。

优选地，所述坡面包括与水平面夹角为θ₁的第一平面和与水平面平行的第二平面，所述第一平面和第二平面相交于所述拐点，

其中，θ₁＜45°。

优选地，在步骤(b)中，所述传送带的运行速度V＝1-15m/s。

优选地，在步骤(b)中，所述传送带的向前和向后的运动速度相等。

优选地，在步骤(d)中，先在所述第二图像中的第二垂线上取原始点，再在所述第一图像中找到与所述原始点的位置相对应的相应点，过该相应点作与所述第二垂线相应的所述第三直线。

优选地，所述第二图像中的第二垂线上的所述原始点为所述第二图像中的所述坡面的所述拐点。

优选地，在步骤(d)中，首先求出所述第一垂线和第三直线的方程，包括：

在所述第一图像中检测出所述坡面和物体的底面的边缘轮廓点的坐标；

对所述坡面和物体的底面的边缘轮廓点进行拟合，得到所述坡面和底面的曲线方程，并联立求出所述坡面和底面的交点即所述拐点的坐标；

测出所述相应点的坐标；

求出过所述交点的竖直的所述第一垂线的方程，和过所述相应点的所述第三直线。

优选地，提取所述坡面和底面的边缘轮廓点的坐标包括：

在计算机中读入所述第一图像；

检测出所述拐点在内的所述物体和坡面的完整形状；

去除所述物体及坡面周边不需要的图像；

利用腐蚀对所述第一图像进行光滑，然后找二值图像的边缘；

提取出所述底面和坡面的边缘轮廓点的坐标。

优选地，在所述物体的一侧设置相对于物体静止的参照物。

优选地，在所述物体的一侧附装划线板，并在所述划线板上标记所述参照物。

优选地，通过所述参照物的实际尺寸和图像上的尺寸来确定所述图像与实物的尺寸比例关系。

优选地，所述图像拍摄装置为摄像机或照相机。

优选地，所述物体上附装倾角传感器，该倾角传感器与控制器连接，该控制器控制所述图像拍摄装置开始拍摄的时间。

优选地，所述物体上附装倾角传感器，该倾角传感器同与记录装置连接，该记录装置与所述图像拍摄装置同时启动。

优选地，在所述拐点处的传送带下方设置压力传感器，该压力传感器与控制器连接，该控制器控制所述图像拍摄装置开始拍摄的时间。

优选地，在所述拐点处的传送带下方设置压力传感器，该压力传感器与记录装置连接，该记录装置与所述图像拍摄装置同时启动。

优选地，所述履带车辆在所述坡面上沿直线前进和后退，所述第一图像和第二图像分别在所述前进和后退过程中拍摄。

另外，本发明还提供一种用于测定物体的重心高度的测定装置，该测定装置通过简单的结构即可较为精确地实现物体的重心高度的测量。

为了实现上述目的，本发明还提供一种用于测定物体的重心高度的测定装置，其中，所述装置包括：

传送带，该传送带形成具有向外突出的拐点的坡面；和

图像拍摄装置，该图像拍摄装置设置在所述坡面一侧。

优选地，所述坡面包括与水平面夹角为θ₁的第一平面和与水平面夹角为θ₂的第二平面，所述第一平面和第二平面相交于拐点，

其中，θ₁＜45°，θ₂＜45°。

优选地，所述坡面包括与水平面夹角为θ₁的第一平面和与水平面平行的第二平面，所述第一平面和第二平面相交于拐点，

其中，θ₁＜45°。

优选地，所述测定装置还包括在所述坡面的一侧设置参照物。

优选地，所述测定装置还包括在所述坡面一侧附装的划线板，所述参照物标记在所述划线板上。

优选地，所述图像拍摄装置为摄像机或照相机。

优选地，所述测定装置还包括附装在所述物体上的倾角传感器和控制器，该倾角传感器与该控制器连接，所述控制器控制所述图像拍摄装置开始拍摄的时间。

优选地，所述测定装置还包括附装在所述物体上的倾角传感器和记录装置，该倾角传感器与该记录装置连接，所述记录装置与所述图像拍摄装置同时启动。

优选地，所述测定装置还包括控制器和设置在所述拐点处的所述传送带下方的压力传感器，该压力传感器与控制器连接，该控制器控制所述图像拍摄装置开始拍摄的时间。

优选地，所述测定装置还包括记录装置和设置在所述拐点处的所述传送带下方的压力传感器，该压力传感器与记录装置连接，该记录装置与所述图像拍摄装置同时启动。

优选地，所述测定装置还包括计算机，所述图像拍摄装置与该计算机连接。

通过上述技术方案，利用图像处理的方法和简单的物理原理，将两条过物体的重心的垂线映射到同一图像上，两条垂线的交点即为重心，通过结构简单的测定装置和操作简单的测定方法实现非接触式测量，不但提高了作业效率，而且大大提高了精度。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术的测量物体重心高度方法的示意图；

图2是根据图1所述的测量物体重心高度方法的俯视图；

图3是根据本发明的优选实施方式的物体随传送带运动的示意图；

图4是根据本发明的优选实施方式的物体随传送带运动的示意图；

图5是根据本发明的优选实施方式的第二图像的示意图，其中第二平面不平行于水平面的；

图6是根据本发明的优选实施方式的第一图像的示意图，其中第二平面平行于水平面的；

图7是根据本发明的优选实施方式的示意图。

附图标记说明

1图像拍摄装置                 2坡面

21第一平面                    22第二平面

3划线板                       l₁第一垂线

l₂第二垂线                    l₃第三直线

C原始点                       C’相应点

A拐点                         O₁第一靶点

O₂第二靶点                    r参照距离

θ₁第一平面与水平面夹角       θ₂第二平面与水平面夹角

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明的附图中，箭头所示的方向为传送带的运动方向，也就是物体的运动方向。

在本发明中，为了用尽量简洁的语言进行描述，同时便于本领域技术人员的理解，因此需要对本文中的一些术语进行简要说明，但是此处的解释和说明与该术语本身在本技术领域中的通常的含义相比并不会产生矛盾和歧义。在本文中的坡面的“拐点”指两个由传送带形成的平面的相交的边，由于本发明的技术方案是对图像进行处理，因此“拐点”即指在从坡面的一侧所拍摄的图像中该边简化成一点；“翻转”指物体的重心从坡面的一个面移动到另一个面，物体的底面从与一个面接触到与另一个面接触的过程，也就是物体的重心越过“拐点”，“翻转时刻”即指物体的重心越过“拐点”的时刻。

在对本发明的技术方案进行详细介绍之前，首先介绍本发明所依据的物理学原理。根据静力学的原理可知，当物体在沿坡面2行驶时，坡面2对物体的作用力(包括垂直于坡面2的压力的支撑力和沿坡面2的摩擦力)的大小和方向与物体的重力方向相反，从而使物体受力平衡，也就是说坡面2的作用力应当在过坡面2对物体的支撑点的竖直直线上，当物体的底面与一个面接触时，接触的部分都对物体产生支撑，因此并没有唯一的支撑点，但是无论如何，该作用力的作用方向都应当过物体的重心。当我们知道物体只受到重力和作用力的作用并处于平衡状态时，如果知道重心的位置，我们就可以知道作用力的作用方向和大小，本发明正是逆向应用这一原理，当物体只受到重力和作用力的作用并处于平衡状态，并且作用力作用点和作用方向已知，那么重心就应该在过该支撑点的竖直直线上，那么只需要找到两个符合上述条件的过支撑点的竖直直线就可以通过它们的交点确定重心位置。

本发明提供一种物体的重心高度的测定方法，其中，所述测定方法包括以下步骤：

(a)在所述物体的一侧设置图像拍摄装置1；

(b)用传送带形成具有向外突出的拐点A的坡面2，所述物体随着所述传送带在所述坡面2上沿直线运动，在所述物体运动过程中，利用所述图像拍摄装置1获取所述物体两次经过所述拐点A时的翻转时刻的第一图像和第二图像；

(c)在所述第一图像中选择经过所述拐点A的第一垂线l₁，在所述第二图像中选择经过所述拐点A的第二垂线l₂；

(d)比对所述第一图像和第二图像得到所述第一垂线l₁和所述第二垂线l₂的交点G；

(e)根据图像和实物的比例关系，由所述交点G计算出所述物体的重心高度。

如图3和图4所示，以上描述了利用图像处理的方法测定物体的重心高度的方法，该方法利用图像处理和上述的物理原理，该物体随着传送带在坡面2上运动，首先分别捕捉物体越过拐点A时的两幅图像，再将两条过物体重心的垂线映射到同一图像上，两条垂线的交点即为图像中重心所在的位置，只需利用图像尺寸和实际尺寸之间的关系即可获得实际的重心高度。上述测定装置的结构简单，测定方法的操作过程简单，不但降低了测定装置和测定方法的复杂性，而且大大提高了精度。

此处需要说明的是，传送带可以铺设在实际的表面上形成坡面2，也就是说传送带下方设置有与坡面2相同的实际平面来支撑传送带，或者也可以在传送带形成的坡面2下方的某些点处设置有支撑件，从而支撑由传送带形成的坡面2，并能使传送带运转过程仍然能够保持该坡面2的形状。无论采用上述的何种形式，至少拐点A处具有支撑。

优选地，在步骤(b)中，在所述物体随所述传送带在所述坡面2上运动的过程中，利用所述图像拍摄装置1拍摄所述物体经过所述拐点A的过程而得到一组图像或者连续影像，所述第一图像和第二图像从所述一组图像或者连续影像中选择。

由于物体在坡面2上行驶是和在拐点A翻转是一个动态过程，因此无法直接拍到翻转时刻一瞬间的图像。以上所说的一组图像就是例如照相机的连拍模式下拍摄的一组连续的图像，或者由拍摄者自己连续按下快门而拍摄的一组图像，而连续影像则是摄像机所拍摄的一段视频影像，从中选择翻转时刻的帧的画面。

优选地，所述翻转时刻包括所述物体翻转过程的开始时刻。

当物体随传送带运动到拐点A并开始绕拐点A旋转时，看起来只有拐点A支撑物体，但是此时重心并不在过拐点A的竖直直线上，这种情况属于运动力学的研究范畴，并不符合上述物理原理，我们在这里不讨论。而且，当物体翻转之前，虽然由坡面2支撑，但无法找到唯一支撑点，在物体开始翻转的过程中，重心又不在过支撑点的竖直直线上。在物体刚开始翻转时，只有拐点A作为坡面2对物体的支撑点，而且物体还没有开始旋转运动，此时重心还在过支撑点的竖直直线上，与上述物理原理的条件相符；在物体越过拐点A从而使翻转结束的时刻，此时物体的底面越过拐点A的部分全都压在另一个平面上，因此此时物体并不是由一个支撑点来支撑。因此，本发明的技术方案中所指的翻转时刻包括翻转过程的开始时刻，如图5和图6所示。

优选地，在所述第一图像中选择第三直线l₃，该第三直线l₃和所述物体之间的位置关系与所述第二图像中的第二垂线l₂和所述物体之间的位置关系相同，所述第三直线l₃与所述第一图像中的第一垂线l₁相交得到所述交点G。

如图7所示，本发明的技术方案的一个重点就是将两个图像中的过重心的直线对应地投射到同一图像中，从而找到两个直线的交点，即为重心G。在本优选实施方式中，在第一图像中做与第二垂线l₂相对应的第三直线l₃，该第三直线l₃与第一垂线l₁相交的点即为重心G。

优选地，所述坡面2包括与水平面夹角为θ₁的第一平面21和与水平面夹角为θ₂的第二平面22，所述第一平面21和第二平面22相交于所述拐点A，

其中，θ₁＜45°，θ₂＜45°。

另外，优选地，所述坡面2包括与水平面夹角为θ₁的第一平面21和与水平面平行的第二平面22，所述第一平面21和第二平面22相交于所述拐点A，

其中，θ₁＜45°。

如图5所示，为了使传送带所形成的坡面2具有拐点A，本发明的优选实施方式通过将传送带设置为两个相交平面来形成坡面2，从而使坡面2具有拐点A。从理论上来说，两个平面之间的夹角越小，也就是两个平面与水平面的夹角越大，测量精度就越高，但是如果平面的坡度过大就会使物体沿传送带方向的摩擦力减小，而物体沿传送带方向的重力分量增大，从而给物体随传送带在坡面上运动带来困难，因此两个平面与水平面的夹角优选地都小于45°。而且，如图6所示更优选地将一个平面设置为与水平面呈一定角度，而另一个平面与水平面平行，这样涉及的角度值较少，比较方便图像处理时夹角的计算等。

但是，根据测量的原理，物体在越过拐点A时，相交形成拐点A的两个平面之间的夹角越小，也就是两个平面与水平面之间的夹角越大，测量的结果理论上就会越精确，但是第一平面21和/或第二平面22相对于水平面的倾斜角度越大就会增加减小物体沿传送带的摩擦力，并且增加物体沿传送带向下的重力分量，从而增加物体爬坡的难度，而且两个平面在拐点A处的夹角过大会造成物体的剧烈翻转动作，很可能由于翻转动作过于剧烈而影响测量结果的精度。因此需要合理地选择第一平面21和/或第二平面22的倾斜角度。本发明的优选实施方式中，所述第一平面21与水平面夹角为15°，所述第二平面22与水平面平行。

优选地，在步骤(b)中，所述传送带的运行速度V＝1-15m/s。根据本发明的技术方案，传送带的运行速度越低精确度越高，低速行驶不仅更便于连续图像或连续影像的拍摄，而且能够更精确地找到物体上的翻转支撑点。

优选地，在步骤(b)中，所述传送带的每次运动的速度相等。这是为了使分别在物体每次运动的翻转时刻拍摄的两幅图像条件相同，这样最终测量得到的重心高度的值更加精确。

优选地，在步骤(d)中，先在所述第二图像中的第二垂线l₂上取原始点C，再在所述第一图像中找到与所述原始点C的位置相对应的相应点C’，过该相应点C’作与所述第二垂线l₂相应的所述第三直线l₃。

对于本领域技术人员来说，将两个图像上的直线对应地投射到同一图像上有多种方法，例如在两个图像上分别做出两个直线，然后再以物体为基准将两个图像重叠，即将上下两个图像中的物体对齐，直接找到交点或者将一条直线对应地画在另一图像上找到两直线的交点。这里提供本发明技术方案的一个优选实施方式，如图5至图7所示，首先找到第二垂线l₂在第二图像中的一原始点C，在第一图像中找到与原始点C位置相对应的相应点C’，再根据第二垂线l₂在第二图像中的倾角来确定第三直线l₃。在第一图像中的倾角，利用该相应点C’和倾角即可做出与第二垂线l₂相应的第三直线l₂。

对于第一平面21与水平面夹角为θ₁的和第二平面22与水平面夹角为θ₂的优选实施方式，当第一平面21和第二平面22与水平面构成一个三角形，拐点A作为三角形的一个顶点时，即第一平面21和第二平面22所在直线的斜率正负相反时，通过几何作图的方法在第一图像中做出与第二图像中的第二垂线l₂相对应地第三直线l₃，可知该第三直线l₃与竖直方向夹角为θ₁+θ₂；当第一平面21和第二平面22与水平面不能构成三角形时，即第一平面21与第二平面22所在直线的斜率正负相同时，通过几何作图的方法在第一图像中做出与第二图像中的第二垂线l₂相对应地第三直线l₃，可知该第三直线l₃与竖直方向夹角为|θ₁-θ₂|。

通常，所述坡面2的第一平面21和第二平面22采用上述第一种情况，即拐点A作为三角形的一个顶点时，也就是第一平面21和第二平面22所在直线的斜率正负相反时，如图3至图7所示。

优选地，所述第二图像中的第二垂线l₂上的所述原始点C为所述第二图像中的所述坡面2的所述拐点A。

如图5至图7所示，为了将第二垂线l₂投射到第一图像上，首先需要选择第二垂线l₂上的原始点C，该原始点C的选择应当便于辨识。通常，选择物体和第二垂线l₂的公共点最为适合，因为物体上的参照物较多，便于在第一图像中找到相应点C’，将第二垂线l₂投射到第一图像上的投影规则是以物体为基准的，也就是说使第一图像和第二图像中的物体重合，从而在第一图像中找到与第二垂线l₂相应的第三直线l₃。这里所说的原始点C为第二图像中的坡面的拐点，实际上是指由于物体在坡面上并物体的底面与坡面紧密接触，因此可以将拐点A视为物体上与拐点A紧密接触的点。需要说明的是，在本发明技术方案的图像投影规则下，任何适合的点都可以选择为原始点C，本发明对比并不限制。

需要说明的是，上文对本发明技术方案中的从第二垂线l₂到第三直线l₃的投影规则进行了介绍，而实现上述投影规则从而将第二垂线l₂和第一垂线l₁投影到第一图像上的最简单地方式就是将两个图像重叠，使两个图像上的物体对齐。这种方法的使用不仅限于将第一图像和第二图像打印在纸上或者其他适合的材料上而通过人工进行直接比较，还可以在计算机中进行处理，例如将两个图像分别放在两个图层中进行比较，精确度较高。

优选地，在步骤(d)中，首先求出所述第一垂线l₁和第三直线l₃的方程，包括：

在所述第一图像中检测出所述坡面2和物体的底面的边缘轮廓点的坐标；

对所述坡面2和物体的底面的边缘轮廓点进行拟合，得到所述坡面2和底面的曲线方程，并联立求出所述坡面2和底面的交点即所述拐点A的坐标；

测出所述相应点C’的坐标；

求出过所述交点A的竖直的所述第一垂线l₁的方程，和过所述相应点C’的所述第三直线l₃。

除了上文所介绍的通过将图像进行直接对比的方法之外，本发明还提供了另外一种在第一图像上得到第三直线l₃的方法，在图像中建立坐标系，利用曲线拟合获得与原始点C相对应的点C’的坐标和第一垂线l₁的方程，然后再利用C’点坐标和第三直线l₃与水平面的夹角求出第三直线l₃的方程。这样，利用第一垂线l₁的方程和第三直线l₃的方程就可以求出交点，即重心G的坐标。

上述方法的操作通常在计算机上进行，能够提高处理的速度，并提高结果的精确度。而且，该方法适于在计算机上批量进行处理，会大大提高测量的效率。

优选地，提取所述坡面和底面的边缘轮廓点的坐标包括：

在计算机中读入所述第一图像；

检测出所述拐点A在内的所述物体和坡面2的完整形状；

去除所述物体及坡面2周边不需要的图像；

利用腐蚀对所述第一图像进行光滑，然后找二值图像的边缘；

提取出所述底面和坡面2的边缘轮廓点的坐标。

对于上述优选实施方式中的用曲线拟合来获得第一垂线l₁和第三直线l₃的方程的方法，本发明还提供了如何利用计算机提取坡面和物体的底面的边缘轮廓点的坐标的方法，上述处理方法基于计算机平台的图像处理。

优选地，在所述物体的一侧设置相对于物体静止的参照物。这是为了在所拍摄的第一图像和第二图像中具有明显的参照物作为基准，从而便于将第二垂线l与第三直线l₃投射到同一图像中。

优选地，在所述物体的一侧附装划线板3，并在所述划线板3上标记所述参照物。如图5至图7所示，这里需要说明的是，所述参照物不仅能用在计算机的图像处理方法中，也能用在人工进行图像处理的方法中。这里的划线板3就是为了便于进行人工的图像处理而设置的，可以直接在划线板3上的任意位置标记任意尺寸的参照物。

优选地，通过所述参照物的实际尺寸和图像上的尺寸来确定所述图像与实物的尺寸比例关系。由于图像中物体尺寸和实际尺寸之间具有一定的比例关系，因此，可以通过参照物的实际尺寸和在图像上的尺寸来确定这一比例关系。例如，在划线板3上的任意位置标记两个点，或者十字、圆等，并记录各自的相应尺寸。

需要说明的是，上述参照物可以有意地设置，也可以选择物体或者坡面2上较为明显的固定不动的刚性部分作为参照而无需另外选择或设置。

优选地，所述图像拍摄装置1为摄像机或照相机。通过上述图像拍摄装置来拍摄连续图像或者连续影像，所述的摄像机和照相机可以使用数字设备进行存储，也可以使用胶片等其他媒介存储。对于数字存储的图像拍摄装置来说，便于在计算机上进行处理，也可以打印或制作成图片来进行人工方式处理；对于胶片等其他媒介存储的图像拍摄装置来说，可以将胶片冲洗出来进行人工方式的处理。

优选地，所述物体上附装倾角传感器，该倾角传感器与控制器连接，该控制器控制所述图像拍摄装置1开始拍摄的时间。上文介绍了本发明利用图像拍摄装置1拍摄一组图像或者连续影像，以获得第一图像和第二图像的方法，为了确保物体的翻转时刻能够被图像拍摄装置1所拍摄，还可以用传感器来检测物体随着传送带的运动状态，从而更好地控制图像拍摄装置1开始拍摄的时间。本发明优选地使用倾角传感器附装在物体上，当倾角传感器检测到角度变化时启动图像拍摄装置1开始进行拍摄。

优选地，所述物体上附装倾角传感器，该倾角传感器同与记录装置连接，该记录装置与所述图像拍摄装置1同时启动。这是本发明利用传感器来控制图像记录装置进行拍摄的另外一个实施方式，一方面，该记录装置与图像拍摄装置1同时启动，另一方面，当物体发生倾角变化时倾角传感器向记录装置发出信号并被该记录装置所记录。最后，在选择第一图像和第二图像时，可以根据所述记录装置所记录的倾角变化的情况来选择。需要说明的是，该记录装置记录的内容可以是记录倾角发生变化的时间，也可以是物体的整个运动过程中倾角的变化情况，这样就可以在对应的连续图像或动态影像中选择倾角发生突变的时刻所对应的图像作为所需的第一图像和/或第二图像。

优选地，在所述拐点A处的传送带下方设置压力传感器，该压力传感器与控制器连接，该控制器控制所述图像拍摄装置1开始拍摄的时间。除了上述利用倾角传感器来辅助判断物体的翻转时刻之外，还可以利用压力传感器。具体地，在上文中已经说明，在拐点A处的传送带下方通常具有仅对该点支撑的支撑件或支撑整个传送带的支撑面，因此可以在该支撑件或支撑面上设置压力传感器，而不是在传送带上设置该压力传感器。当物体在拐点A处发生翻转的开始时刻会对该拐点A产生压力，利用压力传感器检测该压力从而可以判断物体开始发生翻转，从而更好地控制图像拍摄装置1开始拍摄的时间。

另外，优选地，在所述拐点A处的传送带下方设置压力传感器，该压力传感器与记录装置连接，该记录装置与所述图像拍摄装置1同时启动。这是本发明利用压力传感器来控制图像记录装置进行拍摄的另外一个实施方式，一方面，该记录装置与图像拍摄装置1同时启动，另一方面，当压力传感器检测到压力之后向记录装置发出信号并被该记录装置所记录。最后，在选择第一图像和第二图像时，可以根据所述记录装置所记录的倾角变化的情况来选择。需要说明的是，该记录装置记录的内容可以是记录产生压力信号的时间，也可以是整个传送带运行过程中拐点A处压力的变化情况，这样就可以在对应的连续图像或动态影像中选择压力发生突变的时刻所对应的图像作为所需的第一图像和/或第二图像。

优选地，所述履带车辆在所述坡面2上沿直线前进和后退，所述第一图像和第二图像分别在所述前进和后退过程中拍摄。

本发明对坡面2的数量并不加以限制，也就是说，上述测定方法可以在多个坡面上进行，也可以在一个坡面上进行。当在多个坡面上进行上述测定时，每个坡面都可以配设一套图像拍摄装置1，而且履带车辆两次行驶越过拐点时的姿态不同，也就是说在第一图像和第二图像中，履带车辆两次越过拐点之前行驶的两个两个坡面的倾角不同，或者履带车辆的行驶方向不同(例如第一次为前进，第二次为后退)。但是优选地，为了便于执行上述测定方法，并且为了提高测定的精确度，通常在一个坡面上，令履带车辆沿坡面直线地前进和后退，在前进和后退的过程中两次越过拐点，如图1至图6所示的本发明的优选实施方式，这样大大减少了所需要的辅助设备，而且便于测定过程的控制，节省大量的工作量和时间。

另外，本发明还提供一种用于测定物体的重心高度的测定装置，其中，所述装置包括：

传送带，该传送带形成具有向外突出的拐点的坡面2；和

图像拍摄装置1，该图像拍摄装置1设置在所述坡面2一侧。

根据图3和图4所示，本发明的测定装置适用于上述测定方法，利用图像处理技术和上述物理原理(上文中已经进行了详细的介绍，此处不再赘述)来对物体的重心高度进行测量，通过简单的结构和操作即可获得精度较高的测量结果。并且，利用本测量装置通过上述测量方法进行测量，此处不再赘述。

优选地，所述坡面2包括与水平面夹角为θ₁的第一平面21和与水平面夹角为θ₂的第二平面22，所述第一平面21和第二平面22相交于拐点A，

其中，θ₁＜45°，θ₂＜45°。

另外，优选地，所述坡面2包括与水平面夹角为θ₁的第一平面21和与水平面平行的第二平面22，所述第一平面21和第二平面22相交于拐点A，

其中，θ₁＜45°。

图3和图4分别显示了这两种优选实施方式。为了使传送带形成的坡面2具有拐点A，本发明的优选实施方式通过用传送带构成两个相交平面来形成坡面2，从而使坡面2具有拐点A。从理论上来说，两个平面之间的夹角越小，也就是两个平面与水平面之间的夹角越大，测量精度就越高，但是如果平面的坡度过大就会给物体在坡面上行驶带来困难，因此两个平面与水平面的夹角优选地都小于45°。而且，另一种优选方式是将一个平面设置为与水平面呈一定角度，而另一个平面与水平面平行，这样涉及的角度值较少，比较方便图像处理时夹角的计算等。

优选地，所述测定装置还包括在所述坡面2的一侧设置参照物。这是为了在所拍摄的第一图像和第二图像中具有明显的参照物作为基准，从而便于将第二垂线l与第三直线l₃投射到同一图像中。

优选地，所述测定装置还包括在所述坡面2一侧附装的划线板2，所述参照物标记在所述划线板2上。如图5至图7所示，这里需要说明的是，所述参照物不仅能用在计算机的图像处理方法中，也能用在人工进行图像处理的方法中。这里的划线板3就是为了便于进行人工的图像处理而设置的，可以直接在划线板3上的任意位置标记任意尺寸的参照物。例如，在划线板3上的任意位置标记两个点，或者十字、圆等，并记录各自的相应尺寸。

优选地，所述图像拍摄装置1为摄像机或照相机。通过上述图像拍摄装置来拍摄连续图像或者连续影像，所述的摄像机和照相机可以使用数字设备进行存储，也可以使用胶片等其他媒介存储。对于数字存储的图像拍摄装置来说，便于在计算机上进行处理，也可以打印或制作成图片来进行人工方式处理；对于胶片等其他媒介存储的图像拍摄装置来说，可以将胶片冲洗出来进行人工方式的处理。

优选地，所述测定装置还包括附装在所述物体上的倾角传感器和控制器，该倾角传感器与该控制器连接，所述控制器控制所述图像拍摄装置1开始拍摄的时间。上文介绍了本发明利用图像拍摄装置1拍摄一组图像或者连续影像，以获得第一图像和第二图像的方法，为了确保物体的翻转时刻能够被图像拍摄装置1所拍摄，还可以用传感器来检测物体随传送带的运动状态，从而更好地控制图像拍摄装置1开始拍摄的时间。本发明优选地使用倾角传感器附装在物体上，当倾角传感器检测到角度变化时启动图像拍摄装置1开始进行拍摄。

优选地，所述测定装置还包括附装在所述物体上的倾角传感器和记录装置，该倾角传感器与该记录装置连接，所述记录装置与所述图像拍摄装置1同时启动。这是本发明利用传感器来控制图像记录装置进行拍摄的另外一个实施方式，一方面，该记录装置与图像拍摄装置1同时启动，另一方面，当物体发生倾角变化时倾角传感器向记录装置发出信号并被该记录装置所记录。最后，在选择第一图像和第二图像时，可以根据所述记录装置所记录的倾角变化的情况来选择。需要说明的是，该记录装置记录的内容可以是记录倾角发生变化的时间，也可以是物体整个运动过程中倾角的变化情况，这样就可以在对应的连续图像或动态影像中选择倾角发生突变的时刻所对应的图像作为所需的第一图像和/或第二图像。

优选地，所述测定装置还包括控制器和设置在所述拐点A处的所述传送带下方的压力传感器，该压力传感器与控制器连接，该控制器控制所述图像拍摄装置1开始拍摄的时间。除了上述利用倾角传感器来辅助判断物体的翻转时刻之外，本发明的测定装置还可以利用压力传感器。具体地，在上文中已经说明，在拐点A处的传送带下方通常具有仅对该点支撑的支撑件或支撑整个传送带的支撑面，因此可以在该支撑件或支撑面上设置压力传感器，而不是在传送带上设置该压力传感器。当物体在拐点A处发生翻转的开始时刻会对该拐点A产生压力，利用压力传感器检测该压力从而可以判断物体开始发生翻转，从而更好地控制图像拍摄装置1开始拍摄的时间。

另外，优选地，所述测定装置还包括记录装置和设置在所述拐点A处的所述传送带下方的压力传感器，该压力传感器与记录装置连接，该记录装置与所述图像拍摄装置1同时启动。这是本发明的测定装置利用压力传感器来控制图像记录装置进行拍摄的另外一个实施方式，一方面，该记录装置与图像拍摄装置1同时启动，另一方面，当压力传感器检测到压力之后向记录装置发出信号并被该记录装置所记录。最后，在选择第一图像和第二图像时，可以根据所述记录装置所记录的倾角变化的情况来选择。需要说明的是，该记录装置记录的内容可以是记录产生压力信号的时间，也可以是整个传送带运行过程中拐点A处压力的变化情况，这样就可以在对应的连续图像或动态影像中选择压力发生突变的时刻所对应的图像作为所需的第一图像和/或第二图像。

优选地，所述测定装置还包括计算机，所述图像拍摄装置1与该计算机连接。这样，由图像拍摄装置1拍摄的图像或者影像可以直接传输并储存在计算机中，从而对其进一步的处理。

下面接合图5至图7，介绍本发明的一种既便于人工处理又便于计算机图像处理的优选实施方式。如图所示为例，第一靶点O₁和第二靶点O₂是标记在划线板3上的两个点，在第二图像中测量第一靶点O₁到拐点A(即原始点C)的参照距离r，然后在第一图像中，以第一靶点O₁为圆心，参照距离r为半径做圆，该圆与物体的履带下边缘的交点即为相应点C’，再过该相应点C’做与第二垂线l₂斜率相对应的第三直线l₃，即可得到第一垂线l₁和第三直线l₃的交点G，即为重心G。最后在第一图像上测量该重心G与水平面之间的距离，以参照距离r与划线板上该参照距离r的实际值，或者以第一靶点O₁和第二靶点O₂之间的图上距离和实际距离确定图像与实物的尺寸比例关系。

以上仅结合附图对本发明的一种优选实施方式进行示例性的介绍，而并不对本发明进行限制。

通过上述测定装置和测定方法，可以简单地实现对物体的重心高度的非接触式测量，作业效率高，测定结果精度较高。下面对测定结果的误差范围进行分析，以下的误差分析仅为了说明，因此为了便于计算，以第一平面21与水平面夹角θ₁，第二平面22与水平面夹角θ₂，并且第一平面21和第二平面22与水平面构成一个三角形，拐点A作为三角形的一个顶点时，即第一平面21和第二平面22所在直线的斜率正负相反时的实施方式为例计算说明。

假设传送带以一定的速度v运转，图像拍摄装置1的拍摄时间间隔或者帧间隔为Δt，第一垂线l₁与第二垂线l₂之间的夹角θ＝θ₁+θ₂，第一垂线l₁或第二垂线l₂的最大偏移为v×Δt，根据几何关系可知，重心高度在第一垂线l₁上的最大偏移量Δh₁＝v×Δt/tgθ＝v×Δt/tg(θ₁+θ₂)，重心高度在第二垂线l₂的最大偏移量Δh₂＝v×Δt/sinθ＝v×Δt/sin(θ₁+θ₂)，因此，最终测定结果的重心高度的最大偏移量Δh＝Δh₁+Δh₂＝v×Δt×(1/tg(θ₁+θ₂)+1/sin(θ₁+θ₂))。

当物体随着传送带以v＝15m/s的速度在与水平面夹角为θ₁＝15°的第一平面21和与水平面夹角为θ₂＝5°的第二平面22上运动以进行试验时，使用1420万像素，每秒可拍15张照片(即快门速度1/15s)的照相机拍摄试验过程，测得重心高度最大偏移为6.076mm。

当物体随着传送带以v＝15m/s的速度在与水平面夹角为θ₁＝15°的第一平面21和与水平面夹角为θ₂＝5°的第二平面22上运动以进行试验时，使用分辨率1920×1080，每秒20帧的摄像机拍摄试验过程，测得重心高度最大偏移为4.477mm。

当物体随着传送带以v＝15m/s的速度在与水平面夹角为θ₁＝15°的第一平面21和与水平面夹角为θ₂＝5°的第二平面22上运动以进行试验时，使用分辨率1624×1224，每秒30帧的摄像机拍摄试验过程，测得重心高度最大偏移为2.933mm。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (32)

1.一种物体的重心高度的测定方法，其特征在于，所述测定方法包括以下步骤：

(a)在所述物体的一侧设置图像拍摄装置(1)；

(b)用传送带形成具有向外突出的拐点(A)的坡面(2)，所述物体的底面与所述传送带接触，并且所述物体随着所述传送带在所述坡面(2)上沿直线运动，在所述物体运动过程中，利用所述图像拍摄装置(1)获取所述物体两次经过所述拐点(A)时的翻转时刻的第一图像和第二图像；

(c)在所述第一图像中选择经过所述拐点(A)的第一垂线(l₁)，在所述第二图像中选择经过所述拐点(A)的第二垂线(l₂)；

(d)比对所述第一图像和第二图像得到所述第一垂线(l₁)和所述第二垂线(l₂)的交点(G)；

(e)根据图像和实物的比例关系，由所述交点(G)计算出所述物体的重心高度。

2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，

在步骤(b)中，在所述物体随所述传送带在所述坡面(2)上运动的过程中，利用所述图像拍摄装置(1)拍摄所述物体经过所述拐点(A)的过程而得到一组图像或者连续影像，所述第一图像和第二图像从所述一组图像或者连续影像中选择。

3.根据权利要求1或2所述的测定方法，其特征在于，

所述翻转时刻包括所述物体翻转过程的开始时刻。

4.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，

在所述第一图像中选择第三直线(l₃)，该第三直线(l₃)和所述物体之间的位置关系与所述第二图像中的第二垂线(l₂)和所述物体之间的位置关系相同，所述第三直线(l₃)与所述第一图像中的第一垂线(l₁)相交得到所述交点(G)。

5.根据权利要求4所述的测定方法，其特征在于，所述坡面(2)包括与水平面夹角为θ₁的第一平面(21)和与水平面夹角为θ₂的第二平面(22)，所述第一平面(21)和第二平面(22)相交于所述拐点(A)，

其中，θ₁＜45°，θ₂＜45°。

6.根据权利要求4所述的测定方法，其特征在于，所述坡面(2)包括与水平面夹角为θ₁的第一平面(21)和与水平面平行的第二平面(22)，所述第一平面(21)和第二平面(22)相交于所述拐点(A)，

其中，θ₁＜45°。

7.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述传送带的运行速度V＝1-15m/s。

8.根据权利要求7所述的测定方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述传送带的每次运动的速度相等。

9.根据权利要求5或6所述的测定方法，其特征在于，在步骤(d)中，先在所述第二图像中的第二垂线(l₂)上取原始点(C)，再在所述第一图像中找到与所述原始点(C)的位置相对应的相应点(C’)，过该相应点(C’)作与所述第二垂线(l₂)相应的所述第三直线(l₃)。

10.根据权利要求9所述的测定方法，其特征在于，所述第二图像中的第二垂线(l₂)上的所述原始点(C)为所述第二图像中的所述坡面(2)的所述拐点(A)。

11.根据权利要求9所述的测定方法，其特征在于，在步骤(d)中，首先求出所述第一垂线(l₁)和第三直线(l₃)的方程，包括：

在所述第一图像中检测出所述坡面(2)和物体的底面的边缘轮廓点的坐标；

对所述坡面(2)和物体的底面的边缘轮廓点进行拟合，得到所述坡面(2)和底面的曲线方程，并联立求出所述坡面(2)和底面的交点即所述拐点(A)的坐标；

测出所述相应点(C’)的坐标；

求出过所述交点(A)的竖直的所述第一垂线(l₁)的方程，和过所述相应点(C’)的所述第三直线(l₃)。

12.根据权利要求11述的测定方法，其特征在于，提取所述坡面和底面的边缘轮廓点的坐标包括：

在计算机中读入所述第一图像；

检测出所述拐点(A)在内的所述物体和坡面(2)的完整形状；

去除所述物体及坡面(2)周边不需要的图像；

利用腐蚀对所述第一图像进行光滑，然后找二值图像的边缘；

提取出所述底面和坡面(2)的边缘轮廓点的坐标。

13.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，在所述物体的一侧设置相对于物体静止的参照物。

14.根据权利要求13所述的测定方法，其特征在于，在所述物体的一侧附装划线板(3)，并在所述划线板(3)上标记所述参照物。

15.根据权利要求13或14所述的测定方法，其特征在于，通过所述参照物的实际尺寸和图像上的尺寸来确定所述图像与实物的尺寸比例关系。

16.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述图像拍摄装置(1)为摄像机或照相机。

17.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述物体上附装倾角传感器，该倾角传感器与控制器连接，该控制器控制所述图像拍摄装置(1)开始拍摄的时间。

18.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述物体上附装倾角传感器，该倾角传感器同与记录装置连接，该记录装置与所述图像拍摄装置(1)同时启动。

19.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，在所述拐点(A)处的传送带下方设置压力传感器，该压力传感器与控制器连接，该控制器控制所述图像拍摄装置(1)开始拍摄的时间。

20.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，在所述拐点(A)处的传送带下方设置压力传感器，该压力传感器与记录装置连接，该记录装置与所述图像拍摄装置(1)同时启动。

21.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述履带车辆在所述坡面(2)上随传送带沿直线前进和后退，所述第一图像和第二图像分别在所述前进和后退过程中拍摄。

22.一种用于测定物体的重心高度的测定装置，其特征在于，所述装置包括：

传送带，该传送带形成具有向外突出的拐点的坡面(2)；和

图像拍摄装置(1)，该图像拍摄装置(1)设置在所述坡面(2)一侧。

23.根据权利要求22所述的测定装置，其特征在于，所述坡面(2)包括与水平面夹角为θ₁的第一平面(21)和与水平面夹角为θ₂的第二平面(22)，所述第一平面(21)和第二平面(22)相交于拐点(A)，

其中，θ₁＜45°，θ₂＜45°。

24.根据权利要求22所述的测定装置，其特征在于，所述坡面(2)包括与水平面夹角为θ₁的第一平面(21)和与水平面平行的第二平面(22)，所述第一平面(21)和第二平面(22)相交于拐点(A)，

其中，θ₁＜45°。

25.根据权利要求22所述的测定装置，其特征在于，所述测定装置还包括在所述坡面(2)的一侧设置参照物。

26.根据权利要求25所述的测定装置，其特征在于，所述测定装置还包括在所述坡面(2)一侧附装的划线板(2)，所述参照物标记在所述划线板(2)上。

27.根据权利要求22所述的测定装置，其特征在于，所述图像拍摄装置(1)为摄像机或照相机。

28.根据权利要求22所述的测定装置，其特征在于，所述测定装置还包括附装在所述物体上的倾角传感器和控制器，该倾角传感器与该控制器连接，所述控制器控制所述图像拍摄装置(1)开始拍摄的时间。

29.根据权利要求22所述的测定装置，其特征在于，所述测定装置还包括附装在所述物体上的倾角传感器和记录装置，该倾角传感器与该记录装置连接，所述记录装置与所述图像拍摄装置(1)同时启动。

30.根据权利要求22所述的测定装置，其特征在于，所述测定装置还包括控制器和设置在所述拐点(A)处的所述传送带下方的压力传感器，该压力传感器与控制器连接，该控制器控制所述图像拍摄装置(1)开始拍摄的时间。

31.根据权利要求22所述的测定装置，其特征在于，所述测定装置还包括记录装置和设置在所述拐点(A)处的所述传送带下方的压力传感器，该压力传感器与记录装置连接，该记录装置与所述图像拍摄装置(1)同时启动。

32.根据权利要求22所述的测定装置，其特征在于，所述测定装置还包括计算机，所述图像拍摄装置(1)与该计算机连接。

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