CN103884289B - 基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法。其包括构建航空行李尺寸和件数检查系统；对激光测距仪接收到的数据进行噪声滤波，得到去噪后数据；以无行李的距离值为基准匹配去噪后数据获取单扫描周期的行李表面二维激光数据；利用行李表面二维激光数据与行李运动距离累加得到行李表面三维激光数据；对三维数据分别在水平平面和竖直方向上投影，求取航空行李长宽信息，在竖直方向上获取航空行李高度信息；对三维数据在各方向轴上投影分析，通过一维聚类方法快速得到旅客一次投放的行李件数，如果无法得到准确结果，则采用最近距离的分级聚类法分析。通过实验说明本发明方法在航空行李表面规整度有限的情况下，能获得精确尺寸和件数结果。

Description

基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法

技术领域

本发明属于民用航空技术领域，特别是涉及一种基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法。

背景技术

随着民航自助值机的推广应用，截止到2012年，中国已有21%的旅客使用自助方式值机，因此每年为民航业降低成本近亿元，同时大大缩短了旅客值机时的排队等候时间。然而，目前投放行李的柜台仍为人工模式，因此带有行李的旅客需要排队等候办理行李托运手续。自助行李托运系统正是为了解决该问题而开发的一套自动化系统，其能够提取旅客的航班信息，自动检查行李并将行李传输给后台分拣系统。其中，自动行李尺寸检查是该系统的关键技术之一。现在，国内大部分机场的人工柜台是通过人眼来查看旅客行李是否超规。为实现自助行李托运，航空行李尺寸的自动检测是非常重要的。

目前，迪拜机场、挪威机场的自助行李托运系统只有简单的超长检测，不能够得到航空行李的确切长宽高信息。巴黎机场通过定制自助行李托运入口大小来限制旅客投放超大行李，但是无法解决超小行李的问题。阿姆斯特丹机场的自助行李托运系统采用激光检测行李规格，但是未给出具体测量方法和测量精度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够提高测量精度的双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法。

为了达到上述目的，本发明提供的基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法包括按顺序进行的下列步骤：

1）构建由第一激光测距仪和第二激光测距仪以及工控机组成的航空行李尺寸和件数检查系统的S1阶段；

2）利用工控机对两个激光测距仪接收到的数据进行噪声滤除，得到噪声滤除后数据的S2阶段；

3）以无行李的距离值为基准值匹配步骤2）得到的噪声滤除后数据来获取单扫描周期的行李表面二维激光数据的S3阶段；

4）经过多次扫描，利用步骤3）得到的行李表面二维激光数据与行李运动的距离累加得到行李表面三维激光数据的S4阶段；

5）对三维数据分别在水平平面和竖直方向上投影，在水平平面上采用最小面积外界矩形法求取航空行李的长宽信息，在竖直方向上采用自适应阈值法获取航空行李高度信息的S5阶段：

6）首先对三维数据在各方向轴上的投影进行分析，通过一维聚类方法快速得到旅客一次投放的行李件数，如果无法得到准确结果，则采用最近距离的分级聚类法进行分析的S6阶段。

在步骤1）中，所述的构建由第一激光测距仪和第二激光测距仪以及工控机组成的航空行李尺寸和件数检查系统的方法是将第一激光测距仪和第二激光测距仪等高度且相隔距离安装在自助行李托运系统中行李通道部分的行李扫描区上方，并且将第一激光测距仪和第二激光测距仪同时与工控机相连接。

在步骤2）中，所述的利用工控机对两个激光测距仪接收到的数据进行噪声滤除，得到噪声滤除后数据的方法是利用阈值法来进行滤除；即取激光点测量值与理论最小值和最大值比较，若激光点测量值不在最小值和最大值范围内，则认为是噪声并进行滤除，进而得到去噪后的数据。

在步骤3）中，所述的以无行李的距离值为基准值匹配步骤2）得到的噪声滤除后数据来获取单扫描周期的行李表面二维激光数据的方法是首先由工控机采集无行李情况下的激光数据，并将此时的所有激光点的距离值作为基准值去匹配激光实时获取的行李表面二维激光数据；在匹配的过程中，如果工控机实时采集到的激光数据与基准值一致，则认为此时无行李通过；如果很多个激光数据与基准值不一致，则认为此时有行李通过，并记录保存此时的激光数据，该数据即为行李单个扫描周期的表面激光数据。

在步骤4）中，所述的经过多次扫描，利用步骤3）得到的行李表面二维激光数据与行李运动的距离累加得到行李表面三维激光数据的方法是随着皮带机不断地运动，行李被激光测距仪多次扫描，利用上述步骤3）每次得到的单扫描周期的行李表面二维激光数据融合行李运动过的距离得到行李表面的三维激光数据。

在步骤5）中，所述的对三维数据分别在水平平面和竖直方向上投影，在水平平面上采用最小面积外界矩形法求取航空行李的长宽信息，在竖直方向上采用自适应阈值法获取航空行李高度信息的的方法是对三维数据分别在水平平面和竖直方向上投影，在水平平面上搜索最小外界矩形，使得矩形的面积最小，此时矩形对应的长宽即为航空行李的长宽；在竖直方向上采用自适应阈值，使得三维数据去除噪声和干扰数据，此时的高度数据经过正态分布分析即能够得出航空行李的准确高度。

在步骤6）中，所述的对三维数据在各方向轴上的投影进行分析，通过一维聚类方法快速得到旅客一次投放的行李件数，如果无法得到准确结果，则采用最近距离的分级聚类法进行分析的方法是对三维数据在各方向轴上投影进行分析，在各个维度上采用一维聚类法即判断是否有明显的间隙来快速得到旅客投放的行李件数；如果无法得到准确结果，则采用最近距离的分级聚类法分析，首先将每个激光点作为一个类，然后遍历每个点，将最近的点合并到该类中，依次循环搜索，最后得到最大的类数即为行李的件数。

本发明提供的基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法能够在航空行李表面规整度的情况下，仍然能获得精确的尺寸和件数结果。本方法根据激光测距仪的数据特点和自助行李托运系统的实际环境建立行李表面三维激光数据获取的机制，再利用最小面积外界矩形法、自适应阈值法、一维聚类法和最近距离的分级聚类法在水平面和各个轴上分析三维激光数据，进而完成对航空行李的尺寸和件数的检查。本发明方法较传统的目测法和光电开关测量法精度有了较大提高，能够获得快速而又准确的航空行李尺寸测量，且测量完全自动适用于自助行李托运系统，从而说明了本发明方法的价值性。

附图说明

图1为本发明提供的基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法工作过程示意图。

图2（a）和图2（b）分别为本发明提供的航空行李尺寸和件数检查系统中双激光测距仪正向结构示意图和俯视图。

图3（a）和图3（b）分别本发明提供的基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法所采用的匹配法获取的无行李和有行李表面数据示意图。

图4为本发明提供的基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法所采用的最小面积外接矩形法示意图。

图5为行李激光点云高度数据分析图。

图6为行李件数检测识别图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法包括按顺序进行的下列步骤：

1）构建由第一激光测距仪和第二激光测距仪以及工控机组成的航空行李尺寸和件数检查系统的S1阶段：

如图2所示，目前常用的自助行李托运系统包括行李通道部分和值机柜。行李通道部分由行李放置区、行李扫描区和行李检测区组成，其中入口以外为行李放置区，入口至遮挡帘为行李扫描区，遮挡帘以内为行李检测区。在此阶段中，在行李扫描区上方等高度且相隔距离安装第一激光测距仪1和第二激光测距仪2，并且将第一激光测距仪1和第二激光测距仪2同时与工控机相连接。假设在图2(a)上，以水平方向为X方向，纵向为Y方向。假设在图2(b)上，以水平方向为X方向，纵向为Z方向。第一激光测距仪1和第二激光测距仪2的扫描面与X方向有一定的夹角。通过使用这种安装方式可减少激光扫描盲区，提高行李表面检测的准确性。待检测的行李3放置在皮带表面，由皮带机带动皮带移动，由此使行李3依次通过行李放置区、行李扫描区和行李检测区。行李3进入时第一激光测距仪1和第二激光测距仪2每隔一个周期扫描一次行李3表面，获取行李3上表面和扫描面交界线的点云坐标，随着行李3在传输机上的移动(速度为V)，每隔时间T₀，则获取间隔VT₀的一条线状点云，最终当行李3完全进入行李检测区时，拼接形成行李3上表面的三维点云。

2）利用工控机对两个激光测距仪接收到的数据进行噪声滤除，得到噪声滤除后数据的S2阶段：

在此阶段中，工控机采集第一激光测距仪1和第二激光测距仪2接收到的数据并进行噪声滤除，得到噪声滤除后数据的方法是利用阈值法来进行滤除；即取激光点测量值与理论最小值和最大值进行比较，若激光点测量值不在最小值和最大值范围内，则认为是噪声并进行滤除，进而得到去噪后的数据。

假设本系统每个时刻能够扫描N个点，则在T时刻内各激光点的接收数据可以表示

$X=\left[\begin{array}{cccc}{X}_s^T\left(1\right)& X_s^T\left(2\right)& ...& X_s^T\left(T\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中，X_s(t)=[x(1,t)x(2,t)···x(N,t)]^T为在第t时刻工控机采集的阵列数据，x(n,t)(n=1,2,...,N)为激光测距仪第t时刻第n个激光点的测量数据。

已知激光点最大测量值为Φ_MAX，最小测量值为Φ_MIN。取容许的测量误差值为有：

根据公式（2）将阵列数据X中的噪声数据滤除，得到去噪后的数据。

3）以无行李的距离值为基准值匹配步骤2）得到的噪声滤除后数据来获取单扫描周期的行李表面二维激光数据的S3阶段：

当行李通道部分中无行李放置时，工控机在某时刻t获得的激光点云X_s(t)分布如图3(a)所示。系统保存着无行李时的激光点云X_s(0)(t=0)作为基准值，并将每一次采集到激光点的数据与激光点云X_s(0)中的每个点进行匹配比较。如果满足：

式中n=1,2,...,N，x₀(n,t)为第n个激光点的基准值，x(n,t)为激光测距仪第t时刻第n个激光点的测量数据，即有激光点测量值与基准值不一致时，则将其标为X点。当有行李3进入行李扫描区时，某时刻t的激光点云如图3(b)所示。

4）经过多次扫描，利用步骤3）得到的行李表面二维激光数据与行李运动的距离累加得到行李表面三维激光数据的S4阶段：

z=∫Vdt(4)式中V为皮带机表面的运动速度，即行李3的运动速度，z为纵向位移。由此，激光点云具有z方向的属性。

第一激光测距仪1和第二激光测距仪2安装在距皮带表面高H处且垂直向下扫描，并且与X轴分别具有α和β的夹角，已知行李3表面上有一点A(x,y,z)，如图2所示，假设S为激光测距仪到A点的距离，θ为它的发射角度，V为皮带机表面的运行速度，t为时间。A点在第一激光测距仪1系统有：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=-S_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos \mathrm{\α}-L_1\\ y_1=H-S_1\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ z_1=\∫\mathrm{Vdt}+S_1\cos {\mathrm{\θ}}_1\sin \mathrm{\α}\end{array}\right.---\left(5\right)$

同理，在第二激光测距仪2系统有：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2=-S_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos \mathrm{\β}-L_2\\ y_2=H-S_2\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ z_2=\∫\mathrm{Vdt}+S_2\cos {\mathrm{\θ}}_2\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(6\right)$

5）对三维数据分别在水平平面和竖直方向上投影，在水平平面上采用最小面积外界矩形法求取航空行李的长宽信息，在竖直方向上采用自适应阈值法获取航空行李高度信息的S5阶段：

图4示出了采用最小面积外接矩形法求解行李长宽尺寸的过程。

在图4(a)中，圆点为第一激光测距仪1的数据，为第二激光测距仪2的数据，红色外接矩形为最小外接矩形。为了降低软件计算复杂度，先计算最大凸多边形，得到新边界点，在新的边界点上计算最小外接矩形。很显然，图4(a)中的最小外接矩形不是最小面积的外接矩形。为了得到最小面积的外接矩形，需要通过旋转坐标系搜索最小面积外接矩形(MABR)，最后得到的MABR如图4(b)所示。

当行李3表面绝对平整时，激光高度数据将服从正态分布，如图5(a)所示。但是，激光测距仪自身的噪声、行李提手的位置和行李条拴挂的位置都会影响到行李3高度的测量，这时行李激光数据在最高处会出现凸包等干扰数据，需要进行滤除，如图5(b)所示。本系统以普通行李提手的大小作为阈值，当高度数据出现凸包干扰数据时，自动采用阈值法剔除。

6）首先对三维数据在各方向轴上的投影进行分析，通过一维聚类方法快速得到旅客一次投放的行李件数，如果无法得到准确结果，则采用最近距离的分级聚类法进行分析的S6阶段：

通过行李的高度和行李摆放方式分析可以快速地检测旅客投放行李的件数。多件行李的激光高度数据必然存在差异，通过在高度维度上做统计分析，会出现多个波峰。如果波峰之间的距离比较远，则认为是多件行李。当行李成并排摆放或前后摆放时，激光点云在X和Z方向会出现多个波峰，同样通过波峰间距的大小可以判定是否为多件行李。

由最近距离的分级聚类搜索法，初始时每个样本都是一个类。然后搜索每个点，将离它最近的点并到一起组成一个新的类。这样一直循环，直到类与类之间的间距大于滤波阈值。

假设有两个聚类Γ_i和Γ_j，初始时设置Γ_i=x_j，I={j|_j=1,2,...,N}。Γ_j为各个聚类的集合，N是样本数，即初始时设每一个样本为一个类。具体步骤如下：

步骤1在集合{Γ_j|j∈I}中找到一对满足条件的聚类集合Γ_i和Γ_k，其中△(Γ_i,Γ_k)是Γ_i和Γ_k之间的相似性度量。

步骤2如果类间距小于阈值H时，把Γ_i并入Γ_k，并去掉Γ_i。

步骤3把i从指标集I中除掉，若I的基数仅等于2或点之间的距离都满足大于H时，则终止计算；否则转向步骤1。

图6为三个不同大小的行李经过分类聚合得到的结果，图中左上方的区域和左下方的区域为检测出的两个行李，右侧的区域为剩余激光点云，通过激光点的个数可以判断出右侧的点云中还有一个行李，所以得出此时投放的行李件数为3件。由此可见，本方法能够准确地辨别出旅客投放行李的件数，且能识别小型物体。

实验分析

本发明提供的基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法的效果可以通过下述的实际测量实验进一步说明。

实验参数：激光扫描点N=684，激光角度分辨率δ=0.35°，皮带运动速度V=0.4m/s，时间间隔T₀=0.1s，激光容许测量误差两个激光测距仪的安装高度H=850mm，第一激光测距仪1和第二激光测距仪2安装位置离中心线距离L₁=121.1，L₂=121.4，两个激光测距仪安装位置与X方向夹角α=18.1°，β=18.3°，待测试行李3的长宽高分别为540mm×440mm×390mm，实验次数为300次。最后得到的实验结果中的第10组数据如表1所示，从表1中可以看出本方法测量的误差在10mm以内，能够达到现场检测行李尺寸的要求。另取4个不同形状的行李，其中，1、2、3号行李分别为白色、黑色、棕色的平整行李，4号为软行李，3和4号行李的提手在行李正上方，高度测量值如表2所示。从表中数据可知，所有行李的高度误差都在10mm以内，颜色的影响不大，说明本方法能够有效排除行李表面的凸包数据，使高度测量更加真实有效。

表1单激光和双激光系统测量数据

表2行李高度测量（单位：mm）

Claims (7)

1.一种基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法，其特征在于，所述的基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)构建由第一激光测距仪和第二激光测距仪以及工控机组成的航空行李尺寸和件数检查系统的S1阶段；

2)利用工控机对两个激光测距仪接收到的数据进行噪声滤除，得到噪声滤除后数据的S2阶段；

3)以行李通道部分中无行李放置的激光点的距离值为基准值匹配步骤2)得到的噪声滤除后数据来获取单扫描周期的行李表面二维激光数据的S3阶段；

4)经过多次扫描，利用步骤3)得到的行李表面二维激光数据与行李运动的距离累加得到行李表面三维激光数据的S4阶段；

5)对三维数据分别在水平平面和竖直方向上投影，在水平平面上采用最小面积外界矩形法求取航空行李的长宽信息，在竖直方向上采用自适应阈值法获取航空行李高度信息的S5阶段：

6)首先对三维数据在各方向轴上的投影进行分析，通过一维聚类方法快速得到旅客一次投放的行李件数，如果无法得到准确结果，则采用最近距离的分级聚类法进行分析的S6阶段。

2.根据权利要求1所述的基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法，其特征在于：在步骤1)中，所述的构建由第一激光测距仪和第二激光测距仪以及工控机组成的航空行李尺寸和件数检查系统的方法是将第一激光测距仪(1)和第二激光测距仪(2)等高度且间隔安装在自助行李托运系统中行李通道部分的行李扫描区上方，并且将第一激光测距仪(1)和第二激光测距仪(2)同时与工控机相连接。

3.根据权利要求1所述的基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的利用工控机对两个激光测距仪接收到的数据进行噪声滤除，得到噪声滤除后数据的方法是利用阈值法来进行滤除；即取激光点测量值与理论最小值和最大值比较，若激光点测量值不在最小值和最大值范围内，则认为是噪声并进行滤除，进而得到去噪后的数据。

4.根据权利要求1所述的基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的以行李通道部分中无行李放置的激光点的距离值为基准值匹配步骤2)得到的噪声滤除后数据来获取单扫描周期的行李表面二维激光数据的方法是首先由工控机采集无行李情况下的激光数据，并将此时的所有激光点的距离值作为基准值去匹配激光实时获取的行李表面二维激光数据；在匹配的过程中，如果工控机实时采集到的行李表面二维激光数据与基准值一致，则认为此时无行李通过；如果很多个行李表面二维激光数据与基准值不一致，则认为此时有行李通过，并记录保存此时的行李表面二维激光数据，该数据即为行李单个扫描周期的表面激光数据。

5.根据权利要求1所述的基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法，其特征在于：在步骤4)中，所述的经过多次扫描，利用步骤3)得到的行李表面二维激光数据与行李运动的距离累加得到行李表面三维激光数据的方法是随着皮带机不断地运动，行李被激光测距仪多次扫描，利用上述步骤3)每次得到的单扫描周期的行李表面二维激光数据融合行李运动过的距离得到行李表面的三维激光数据。

6.根据权利要求1所述的基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法，其特征在于：在步骤5)中，所述的对三维数据分别在水平平面和竖直方向上投影，在水平平面上采用最小面积外界矩形法求取航空行李的长宽信息，在竖直方向上采用自适应阈值法获取航空行李高度信息的的方法是对三维数据分别在水平平面和竖直方向上投影，在水平平面上搜索最小外界矩形，使得矩形的面积最小，此时矩形对应的长宽即为航空行李的长宽；在竖直方向上采用自适应阈值，使得三维数据去除噪声和干扰数据，此时的高度数据经过正态分布分析即能够得出航空行李的准确高度。

7.根据权利要求1所述的基于双激光测距仪的航空行李尺寸和件数检查方法，其特征在于：在步骤6)中，所述的对三维数据在各方向轴上的投影进行分析，通过一维聚类方法快速得到旅客一次投放的行李件数，如果无法得到准确结果，则采用最近距离的分级聚类法进行分析的方法是对三维数据在各方向轴上投影进行分析，在各个维度上采用一维聚类法即判断是否有明显的间隙来快速得到旅客投放的行李件数；如果无法得到准确结果，则采用最近距离的分级聚类法分析，首先将每个激光点作为一个类，然后遍历每个点，将最近的点合并到该类中，依次循环搜索，最后得到最大的类数即为行李的件数。