CN103983188A - 一种运动物体的体积测量方法及其测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动物体的体积测量方法，包括：在没有运动物体经过测量平面时，通过检测每个信号获取测量仪器到传送机构的多个子数据，记为修正距离数据；在运动物体经过测量平面时，获得首端距离数据、尾端距离数据以及首端距离数据与尾端距离数据之间的每一行距离数据，记为原始距离数据；确定原始距离数据的第一端点和第二端点，以及位于第一端点与第二端点之间的子数据记为物体的点云距离数据；建立一空间直角坐标系，计算每个点云距离数据的坐标；根据坐标计算物体的体积。本发明可以在物流行业广泛使用，尤其是安装在物体分拣机、计包机等设备上获取物体的体积参数。本发明还公开了一种运动物体的体积测量装置。

Description

一种运动物体的体积测量方法及其测量装置

技术领域

本发明涉及一种体积测量的方法，尤其涉及一种运动物体的体积测量方法及其测量装置。 

背景技术

随着信息时代的到来，信息技术日趋成熟。互联网行业也随之蓬勃发展，同时也带动了电子商务的发展，网络交易的数量急剧增加，随之产生了大量的物体需要运输。 

物体数量的增加使得处理物体的方式也有所改变，过去人工处理物体的方式已经不再适用。物流企业已经采用机器分拣的方式对物体进行处理，大大提高了物体处理的效率，而且在分拣的同时可以获得物体的体积、重量、邮路等信息，这些信息对于物流安全和进一步提高分拣质量都是非常重要的。 

在物流行业中，除了物体的邮路信息之外，物体的体积信息也是非常重要的，有着非常广泛的应用。例如在存储大量物体之前，可以通过体积计算仓储量；在运输物体之前，可以通过体积来配置运输量；对物体进行收费时，可以按照体积来制定收费标准；检查物体安全时，也可以利用体积和重量之间的比例来判断物体内的东西是否有违法产品等。因此，准确地测量物体的体积是一项非常有意义的工作。 

目前，物体体积测量的方法大致分为两大类：接触式测量和非接触式测量。其中，接触式测量可以分为排开式测量和探测式测量。非接触式测量可以分为排开式测量、探测式测量和图像式测量。 

除了排开式测量之外，探测式测量和图像式测量都需要构建出物体的三维模型才能够计算出物体体积。由于排开式测量存在诸多弊端，构建三维模型就成为了国内外科研工作者的所研究的热点。 

主流的构建三维模型的方法大致分为三大类：激光扫描法，光栅图像法和多角度图像法。激光扫描法是利用激光扫描设备获得点云数据，然后根据点云数据构建物体或场景的三维模型。光栅图像法是将光栅打在物体上，获取光栅图像，然后根据光栅的弯曲情况还原物体的三维模型的一种方法。多角度图像法是指从不同角度对同一场景或同一物体拍摄多张图像，然后通过这些图像合成三维模型。 

以上三种方法各有其不同的优缺点。光栅图像法测量准确度较高，但是要求测量环境比较暗，且算法较复杂。多角度图像法对于测量设备要求低，操作简单，但是测量准确度不高，而且算法复杂度较高。激光扫描法测量准确度与测量设备的精度相关，但是对于物体所处的环境要求不高，算法设计相对容易，且复杂度较低。在进行大型物体的测量时，一股是用激光在物体周围移动，在移动的过程中测量物体表面的点云数据，从而计算物体体积。对小型物体进行测量时，一股是将激光固定，将物体在激光扫描范围内进行旋转，在旋转的过程中获取物体表面的点云数据，从而计算物体体积。但是上述两种测量方法均不适合流水线作业，影响了流水线上运动物体体积测量的效率。 

发明内容

本发明克服了现有技术中的上述缺陷，提出了一种运动物体的体积测量方法及其测量装置。 

本发明提出了一种运动物体的体积测量方法，所述运动物体由传送机构移动，测量仪器在一个平面内以不同角度发射多个信号形成测量平面，通过检测所述运动物体表面经过所述测量平面时所反射的信号获得所述测量仪器到所述运动物体表面的多个子数据得到一行距离数据，包括： 

步骤一：在没有所述运动物体经过所述测量平面时，通过检测每个信号获取所述测量仪器到所述传送机构的多个子数据，记为修正距离数据； 

步骤二：在物体经过所述测量平面时，通过判断所述修正距离数据的变化获得所述物体进入所述测量平面的首端距离数据及离开所述测量平面的尾端距离数据，并且获取所述首端距离数据与所述尾端距离数据之间的每一行距离数据，记为原始距离数据； 

步骤三：逐个比较所述修正距离数据与所述原始距离数据的子数据，当所述原始距离数据的子数据不同于所述修正距离数据的子数据时，确定所述原始距离数据中对应于所述物体边界的第一端点和第二端点，所述第一端点、所述第二端点及位于所述第一端点与所述第二端点之间的点的子数据记为物体的点云距离数据； 

步骤四：建立一空间直角坐标系，计算每个所述点云距离数据的坐标； 

步骤五：根据所述坐标计算所述物体的体积。 

本发明提出的运动物体的体积测量方法中，所述步骤二中，当所述原始距离数据的子数据小于所述修正距离数据的子数据时，则判断所述运动物体进入所述测量平面内，所述子数据所在的一行距离数据为所述首端距离数据，直到所述原始距离数据的子数据等于所述修正距离数据的子数据时，则判断所述运动物体离开所述测量平面，最后一行不等于所述修正距 离数据的距离数据为所述尾端距离数据。 

本发明提出的运动物体的体积测量方法中，所述步骤三中，所述第一端点为所述原始距离数据中首个不同于所述修正距离数据中对应的子数据的子数据；所述第二端点为所述原始距离数据中最后一个不同于所述修正距离数据中对应的子数据的子数据。 

本发明提出的运动物体的体积测量方法中，所述步骤四中进一步包括对所述z轴坐标进行调整，并利用调整后的z轴坐标重新计算所述点云距离数据的坐标。 

本发明提出的运动物体的体积测量方法中，所述步骤四进一步包括对所述点云数据的坐标的去噪声处理，所述去噪声处理的方法包括行内去噪和/或行间去噪。 

本发明提出的运动物体的体积测量方法中，所述步骤四进一步包括对所述点云距离数据进行边界扩展处理。 

本发明提出的运动物体的体积测量方法中，所述空间直角坐标系中x轴与所述测量平面平行，y轴与物体移动的方向平行，z轴与物体的垂直高度平行，原点为测量平面内的初始探测点； 

其中，所述点云距离数据的z轴坐标如以下公式(1)所示： 

z＝h-d*sin(w)   (1) 

公式(1)中，z表示z轴坐标，h表示测量仪器的垂直高度，d表示点与测量仪器的距离，w表示信号所在的直线与测量仪器发射点沿测量平面一侧的水平射线之间的角度值； 

所述点云距离数据的x轴坐标如以下公式(2)表示： 

$x=\left\{\begin{array}{cc}b-\frac{h-z}{\tan \left(w\right)}& ,w<\mathrm{PI}/2\\ b+\frac{h-z}{\tan (\mathrm{PI}-w)}& ,w\&GreaterEqual;\mathrm{PI}/2\end{array}\right.,$ 其中，    $b=\frac{h}{\tan (\mathrm{startw}*\frac{\mathrm{PI}}{180})};---\left(2\right)$

公式(2)中，x表示点的x轴坐标，z表示点的z轴坐标，h表示测量仪器的垂直高度，w表示信号所在的直线与测量仪器发射点沿测量平面一侧的水平射线之间的角度值，startw表示测量仪器的起始扫描角度，PI表示圆周率π，b表示起始扫描点与测量仪器激光发射点垂足的距离； 

所述点云距离数据的y轴坐标如以下公式(3)表示： 

y＝v*t*(i-sindex)   (3) 

公式(3)中，y表示点的y轴坐标，v表示物体的移动速度，t表示测量仪器获取距离数据的时间间隔，i表示所述点云距离数据相对应的所述原始距离数据中距离数据的行序号，s index表示所述原始距离数据中第一行距离数据的行序号。 

本发明提出的运动物体的体积测量方法中，根据所述点云数据的坐标计算出的所述运动 物体表面的面积以及所述运动物体的高度，计算得到所述运动物体的体积。 

本发明提出的运动物体的体积测量方法中，进一步包括按照所述坐标将所述点云距离数据分割成多个小块，计算所述小块的体积后将体积合并后得到所述运动物体的体积。 

本发明还提出了一种运动物体的体积测量装置，包括测量仪器、传送机构和计算单元； 

所述测量仪器安装在所述传送机构的正上方，其向所述传送机构发送信号，接收所述信号的反馈作为距离数据，所述信号的区域为测量平面； 

所述传送机构用于使物体运动地穿过所述测量平面； 

所述计算单元与所述测量仪器信号连接，用于接收并处理所述距离数据，计算物体的体积。所述传送机构的两侧进一步设有屏蔽单元，所述屏蔽单元位于所述测量平面的两侧，用于减少屏蔽单元外侧的环境对激光产生的干扰。 

本发明的有益效果包括：将激光测量仪器安装在传送机构上方，物体在传送机构上作匀速运动的过程中，采用激光沿着与物体运动相垂直的方向进行扫描，获取物体表面到激光测量仪器的距离，从而形成由距离数据组成的点云数据。在对点云数据进行去噪的基础上，采用对三维坐标进行行内和行间交替去噪的方法，降低激光测距获得的数据误差，提高测量准确度。通过边界点扩展法提高体积测量的精度。本方法可以在物流行业广泛使用，尤其是安装在物体分拣机、计包机等设备上获取物体的体积参数。 

附图说明

图1是本发明运动物体的体积测量方法的流程图； 

图2是本发明运动物体的体积测量装置的结构示意图； 

图3是本发明运动物体的体积测量装置中各部件的结构图； 

图4是本发明物体内部噪声的示意图； 

图5是空间直角坐标系的示意图； 

图6是边界外噪声的示意图； 

图7是物体的点云距离数据的z轴坐标的直方图； 

图8是行间去噪声方法是示意图； 

图9是第一端点及第二端点与物体边缘的示意图； 

图10是两种类型的三棱柱示意图；其中，图10a表示两边相等的三棱柱，图10b表示三条边两两不相等的三棱柱； 

图11是将物体分割成三棱柱的示意图；其中，图11a表示前后行点的数量相等的分割方 法，图11b表示前后行点的数量不相等的分割方法； 

图12是一实施例中物体测量高度及其与物体实际高度之间误差值的示意图； 

图13是一实施例中物体测量高度及其与物体实际高度之间误差值的示意图； 

图14是一实施例中物体边界噪声的示意图； 

图15是一实施例中物体边界去噪声之后的示意图。 

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。 

如图1所示，本发明运动物体的体积测量方法包括如下步骤： 

步骤一：在没有所述运动物体经过所述测量平面时，通过检测每个信号获取所述测量仪器到所述传送机构的多个子数据，记为修正距离数据。 

步骤二：在物体经过所述测量平面时，通过判断所述修正距离数据的变化，当所述原始距离数据的子数据小于所述修正距离数据的子数据时，则判断所述运动物体进入所述测量平面内，所述子数据所在的一行距离数据为所述首端距离数据，直到所述原始距离数据的子数据等于所述修正距离数据的子数据时，则判断所述运动物体离开所述测量平面，最后一行不等于所述修正距离数据的距离数据为所述尾端距离数据，并且获取所述首端距离数据与所述尾端距离数据之间的每一行距离数据，记为原始距离数据。 

步骤三：逐个比较所述修正距离数据与所述原始距离数据的子数据，当所述原始距离数据的子数据不同于所述修正距离数据的子数据时，确定所述原始距离数据中对应于所述物体边界的第一端点和第二端点。所述第一端点为所述原始距离数据中首个不同于所述修正距离数据中对应的子数据的子数据。所述第二端点为所述原始距离数据中最后一个不同于所述修正距离数据中对应的子数据的子数据。所述第一端点、所述第二端点及位于所述第一端点与所述第二端点之间的点的子数据记为物体的点云距离数据。 

步骤四：建立一空间直角坐标系，计算每个所述点云距离数据的坐标。本发明还进一步包括对点云数据的坐标的去噪声处理，所述去噪声处理的方法包括行内去噪和/或行间去噪，以及对点云距离数据进行边界扩展处理。 

步骤五：根据所述坐标计算所述物体的体积。 

初始化测量环境 

图2显示了本发明运动物体的体积测量装置的结构图。本发明中的测量仪器1为激光测 量测量仪器，测量仪器1安装在传送机构2的正上方，传送机构2是水平放置的，而且传送机构2的宽度、高度和传送速度是不变的。物体可放置于传送机构2上，由传送机构2匀速传送并通过测量仪器1的测量平面。计算单元3通过网络与测量仪器1信号连接，用于处理距离数据计算物体的体积。计算单行扫描线在没有任何物体的传送机构2上各个点的距离值所组成的距离数据向量，并计算测量仪器1距离传送机构2的垂直高度。测量仪器1有一定的测量平面，点云数据中在测量平面之外的数据点有一部分是噪声点，另一部分确实是在测量平面之外。将测量平面之外的所有点设置为测量平面的最大值，以便于对噪声点进行比较。在传送机构2的两侧还设有屏蔽单元4，屏蔽单元4用于减少屏蔽单元4外侧的环境对激光产生的干扰。 

图3是测量模型各部件的结构图。其中，h是激光发射点距传送带平面的高度，w是信号所在的直线与测量仪器发射点沿测量平面一侧的水平射线之间的角度值，b表示起始扫描点与测量仪器激光发射点垂足的距离。 

判断物体的首端和尾端扫描线 

测量仪器1会按一定频率发送信号，该信号呈一直线按不同角度发散，测量平面在传送机构2的表面上形成由多个信号测量点组成的近似于线条状的扫描线。每一个信号测量点测得数据为子数据，扫面线测得的所有子数据为一行距离数据。扫描线中包括一个起始点和一个终止点，起始点所对应的信号称为起始扫描线，终止点所对应的信号称为终止扫描线。 

若距离数据中，存在某个点的子数据小于修正距离数据中对应的子数据时，就这条扫描线认为有物体通过；否则，无物体通过。 

若前一行扫描线内没有物体通过，后一行扫描线有物体通过，则表明后一行扫描线是首端扫描线，其测得的所有子数据即为首端距离数据； 

若第一行扫描线有物体通过，则表明这一行扫描线是首端，其测得的所有子数据即为首端距离数据； 

若前一行扫描线有物体通过，后一行扫描线没有物体通过，则表明前一行扫描线是尾端，其测得的所有子数据即为尾端距离数据； 

若最后一行扫描线有物体通过，则表明这一行扫描线是尾端，其测得的所有子数据即为尾端距离数据。 

寻找每一行扫描线物体的第一端点和第二端点 

寻找扫描线的第一端点和第二端点的方法有多种，可以从中间向两边搜索，也可以从两边向中间搜索。如图4所示，一个物体内部可能出现很多块噪声区域，在噪声区域中所有点的距离都是0，噪声区域一股只包含几个点。噪声区域是由物体材质和测量仪器1共同导致 的，也是不可避免的。如果选择从中间向两边搜索，则很有可能会导致噪声区域和噪声区域外侧的区域都未检测出来。因此，本实施例选择了从两边向中间搜索的方法，且本实施例中假定左端点为第一端点，右端点为第二端点。 

1、寻找每一行的第一端点。 

定义起始扫描线方向为左，终止扫描线方向为右。从有效起始点开始，如果有效起始点的距离小于CD中对应的修正距离，则向左搜索，直到遇见大于修正距离的点，此点就是第一端点；如果有效起始点的距离大于CD中对应的修正距离，向右搜索，如果遇到小于修正距离的点则停止，此点就是第一端点。 

2、寻找每一行的第二端点。 

从有效终止点开始，如果有效终止点的距离小于CD中对应的修正距离，则向右搜索，直到遇见大于修正距离的点，此点就是第二端点；如果有效终止点的距离大于CD中对应的修正距离，向左搜索，如果遇到小于修正距离的点则停止，此点就是第二端点。 

建立空间直角坐标系oxyz。 

建立空间直角坐标系oxyz，如图5所示。其中x轴的正方向是沿着扫描线从小角度指向大角度，原点是起始扫描线在传送机构2平面上的点，即起始扫描点；y轴的正方向是沿着传送机构2与传送机构2运动的方向相反，原点是起始扫描点；z轴的正方向是垂直向上，原点是起始扫描点。 

先计算z坐标，后计算x坐标，因为x坐标是根据z坐标来计算的。在计算z坐标的过程中，对于在测量平面之外的点的z坐标，要用其前一个点的z坐标进行赋值。这样就相当于对点云数据进行了初步去噪。 

1、计算z坐标。 

如果不是物体上的点，就将z坐标设为0。如果是物体上的点，就可以根据距离求得z坐标。如果是物体上的点，但是距离大于对应的空跑距离时，表明这个点是噪声点，将这个点的z坐标值设置为前一个点的z坐标值。 

其中，点云距离数据的z轴坐标如以下公式(1)所示： 

z＝h-d*sin(w)   (1) 

公式(1)中，z表示z轴坐标，h表示测量仪器的垂直高度，d表示点与测量仪器的距离，w表示信号所在的直线与测量仪器发射点沿测量平面一侧的水平射线之间的角度值。 

2、计算x坐标 

$x=\left\{\begin{array}{cc}b-\frac{h-z}{\tan \left(w\right)}& ,w<\mathrm{PI}/2\\ b+\frac{h-z}{\tan (\mathrm{PI}-w)}& ,w\&GreaterEqual;\mathrm{PI}/2\end{array}\right.,$ 其中，    $b=\frac{h}{\tan (\mathrm{startw}*\frac{\mathrm{PI}}{180})};---\left(2\right)$

公式(2)中，x表示点的x轴坐标，z表示点的z轴坐标，h表示测量仪器的垂直高度，w表示信号所在的直线与测量仪器发射点沿测量平面一侧的水平射线之间的角度值，startw表示测量仪器的起始扫描角度，PI表示圆周率π，b表示起始扫描点与测量仪器激光发射点垂足的距离。 

3、计算y坐标 

y＝v*t*(i-sindex)   (3) 

公式(3)中，y表示点的y轴坐标，v表示物体的移动速度，t表示测量仪器获取距离数据的时间间隔，i表示点云距离数据相对应的原始距离数据中距离数据的行序号，sindex表示原始距离数据中第一行距离数据的行序号。 

确定物体的边界 

由于测量仪器1的测量精度和安装精度的问题，测量数据难免会产生一些误差，特别是在边界处。图6是未经过坐标去噪的物体的图像，其中白色部分是物体，黑色部分是传送机构2，每条扫描线是图像的一行。可以看出边界存在很多比较长的锯齿。因此，必须对边界的噪声值进行去噪。本发明去噪声处理的方法包括行内去噪和行间去噪。 

1、行内去噪 

先确定一个z坐标的阈值。分别从每行扫描线物体的左右两端开始向中间进行比较，若当前点的z坐标小于阈值，则将该点设为非物体上的点；否则，停止比较。 

确定阈值的方法有多种。在这里，对z坐标的数量进行一次统计，图7是一种比较典型的上表面为平面的物体的z坐标数量直方图。可以看出高度近似服从高斯分布，因此，可以认为激光测量传感器在z坐标方向的噪声属于高斯噪声。设单个物体的z坐标为样本，m为样本均值，δ为样本标准差，根据高斯分布的理论，区间[m-3δ，m+3δ]包含了99％以上的z坐标。所以本实施例中将阈值设置为m-3δ。 

2、行间去噪 

进行行内去噪后，可以去掉大部分的锯齿，但是仍然会有一些锯齿没有被去掉，这是因为锯齿上的顶点是异常点。但是这些锯齿并不属于物体，应该被去掉。因此利用行与行之间的关系去掉了剩下的这些锯齿。 

从第一行距离数据到最后一行距离数据进行循环，当某一行距离数据中子数据的起始点下标号小于其上一行距离数据和下一行距离数据起始点的下标号均值减2时，则认定该子数 据为噪声，去除该子数据。类似地，当某一行距离数据中子数据的终止点下标号大于其上一行距离数据和下一行距离数据中子数据终止点下标号的均值加2时，就认定该子数据为噪声，去除该子数据。对于起始行，要比较和后两行的起止点；对于终止行，要比较和前两行的起止点。当没有点可以去掉时，循环就停止。 

如图8所示，扫描线2的子数据起始点下标号为1，其小于其上下两行扫描线中子数据的起始下标的均值减2，因此要去掉，而子数据终止的下标号10等于其上下两行扫描线的终止下标的均值加2，因此不应去除。 

3、交替去噪 

仅仅进行一次行内去噪和行间去噪并不能够保证所有的锯齿被去掉，仍然会存在一些锯齿或异常边界点。因此，采用了循环交替去噪的方法，即交替地使用行内去噪和行间修去噪，直到没有可以去掉的噪声点为止。 

调整物体z坐标 

由于激光测量传感器在z坐标方向的噪声属于高斯噪声，所以在计算出z坐标之后需要对其进行一次高斯平滑滤波，以减小噪声对z坐标产生的影响。 

通过对实际物体的测量可以发现，测量的高度与物体实际的高度总是存在差异。如图12与图13所示，横坐标为物体测量高度，纵坐标为物体实际高度减去物体测量高度所得的差值，单位都是毫米。本发明对3种不同高度的若干个长方体物体进行了测量。图12与图13中的点表示实际测量的物体，图中的直线是对这些点进行拟合之后的直线l。 

设图12与图13中直线l的方程为：s＝kh+h。其中，h表示物体的高度，s物体实际高度减去物体测量高度所得的差值，k表示直线的斜率，b表示截距。在计算出物体的z坐标之后，用z坐标的平均值作为物体的高，然后将所有的z坐标全部加上高在直线l上所对应的差值。 

在调整z坐标之后，需要对物体的x根据公式(2)进行重新计算。 

扩展扫描边界点 

同一行扫描线上相邻两个点之间是有距离的。如图9所示，图中的黑点都是测量仪器1打在物体上的边界点，矩形是物体的边缘。在物体边缘处，可能只有一部分边界点是正好打在边缘点上，但是另外一部分边界点就打在了边缘点的内侧。但是，由于物体的边缘形状是未知的，所以要判断哪些边界点打在了边缘点的内侧是不可能的。因此本发明采用扩展边界的方法以减小与实际物体边界的误差。 

假定所有激光扫描的边界点(即第一端点与第二端点)都落在物体实际边缘点的内侧，则激光扫描的边界点与其对应的实际边缘点的距离等于激光扫描的边界点与其相邻外侧激光扫描点的距离的1/2，首端和尾端扫描线分别与物体的首和尾的距离是相邻两行扫描线的距 离的1/2。根据以上假设，需要对激光扫描的边界点的x坐标以及首端和尾端扫描线的y坐标进行重新计算。其中，每一行的第一端点和第二端点需要分别计算，首端扫描线和尾端扫描线也分别计算。 

第一端点的x坐标计算公式4如下： 

$\mathrm{xl}=\frac{1}{2}(x1+x2)---\left(4\right)$

其中，xl是第一端点的新坐标，x1是第一端点的原始坐标，x2是与第一端点z坐标相同的左边相邻点的x坐标。 

第二端点的x坐标计算公式5如下： 

$\mathrm{xr}=\frac{1}{2}(x3+x4)---\left(5\right)$

其中，xr是第二端点的新坐标，x3是第二端点的原始坐标，x4是与第二端点z坐标相同的右边相邻点的x坐标。 

首端扫描线的y坐标计算公式6如下： 

$y2=y1-\frac{1}{2}*\frac{v}{f}---\left(6\right)$

其中，y1是首端扫描线的原始y坐标，y2是首端扫描线的新坐标，v是传送带的速度，f是测量仪器1的频率。 

尾端扫描线的y坐标计算公式7如下： 

$y4=y3+\frac{1}{2}*\frac{v}{f}---\left(7\right)$

其中，y3是尾端扫描线的原始y坐标，y4是尾端扫描线的新坐标，v是传送带的速度，f是测量仪器1的频率。 

计算物体体积 

积分就是求和，因此在实际应用中计算物体的体积就是将物体细分，然后将这些细分的部分累加，就得到了积分体积。本发明将物体细分成小的三棱柱，然后将这些三棱柱的体积累加起来，就可以近似得到物体的体积。 

体积的计算公式8如下： 

$V=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_i---\left(8\right)$

其中，v_i表示三棱柱的体积，i表示三棱柱的序号，n表示三棱柱的个数。 

首先，给出求三棱柱的体积的算法：给定三棱柱的三个顶点的坐标，可以将三棱柱分为 一个上下底面平行的柱体和一个椎体，柱体的体积可以用底面积乘以高得到，椎体的体积可以用底面积乘以高再乘以1/3得到。其中椎体的底面可能是梯形，也有可能是三角形，其中图10a显示的是两边相等的三棱柱，图10b显示的是三条边两两不相等的三棱柱，但是上述多种形状都可以用梯形的面积公式来计算。 

接着，将所有的扫描点分成3个一组，分组的策略是：前一行的点与后一行的点进行组合。设前一行的点的数量为n1，后一行点的数量n2，如图11所示。 

参见图11a，如果n1＝n2，都为n，则总共可以分为2(n-1)个三角形，前一行从第1个点到第n-1个点，分别与后一行的第1、2，2、3，…，n-1、n点结合，再用后一行的第2到第n个点，分别与前一行的第1、2，2、3，…，n-1、n点结合，求出体积并累加。 

参见图11b如果n1＜n2，则将两行的前n1个点按照n1＝n2时算法进行结合，对后一行的n2-n1个点，用前一行的第n1个点分别与后一行的第n1、n1+1，n1+1、n1+2，…，n2-1、n2点结合，求出体积并累加。如果n1>n2，则逆转图11b的处理方式即可。最后，累加的结果就是物体的体积。 

实施例 

本例中对一个长方体的运动物体进行体积测量，并对各个主要步骤处理的结果做进一步说明。该运动物体的实际长宽高分别442毫米、282毫米、235毫米，体积为29291340立方毫米。 

图14为初步判断运动物体边界时的俯视图像，从中可看出运动物体的边界处存在很多锯齿。通过去噪过程处理后，其边界如图15所示，可以看出其边缘原本存在的较大的锯齿已基本上被去除了。计算出该运动物体的的体积是28787960立方毫米，误差率为-1.72％。 

下面对两种规格的物体进行测量，两种规格的物体都是长方体。规格1的长宽高分别是362毫米、264毫米、42毫米，体积为4013856立方毫米。规格2的长宽高分别是537毫米、382毫米、318毫米，体积为65232612立方毫米。每种规格的物体有20个，20个物体在传送带上的位置是随机摆放的。从表1中可得出，本发明运动物体的体积测量方法的误差率大多分布在±3％之间，最高不超过±6％，可见本发明具有较高的准确度。本发明能直接对运动物体进行体积测量，具有高速的测量效率以及较高的测量准确度。 

表1两种规格物体的测量结果。 

序号	体积1	误差1	误差率1	体积2	误差2	误差率2
							1	4095867	82011	2.04％	64409928	-822684	-1.26％
2	3890030	-123826	-3.08％	61462952	-3769660	-5.78％
							3	3920879	--92977	-2.32％	62369360	-2863252	-4.39％

 

4	4146583	132727	3.31％	63694252	-1538360	-2.36％
							5	4024740	10884	0.27％	64315760	-916852	-1.41％
6	4110360	96504	2.40％	64329464	-903148	-1.38％
							7	3981061	--32795	-0.82％	62554232	-2678380	-4.11％
8	3976661	-37195	-0.93％	63564812	-1667800	-2.56％
							9	3937535	-76321	-1.90％	63096844	-2135768	-3.27％
10	3865159	-148697	-3.70％	64521444	-711168	-1.09％
							11	3911294	-102562	-2.56％	63932040	-1300572	-1.99％
12	3948850	--65006	-1.62％	63949436	-1283176	-1.97％
							13	3919636	--94220	-2.35％	64198392	-1034220	-1.59％
14	4024037	10181	0.25％	63335048	-1897564	-2.91％
							15	4056882	43026	1.07％	62965780	-2266832	-3.47％
16	4050016	36160	0.90％	62861608	-2371004	-3.63％
							17	4068656	54800	1.37％	63834312	-1398300	-2.14％
18	4028363	14507	0.36％	63950820	-1281792	-1.96％
							19	4048759	34903	0.87％	64383084	-849528	-1.30％
20	3925036	--88820	-2.21％	64065332	-1167280	-1.79％

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。 

Claims (10)

1.一种运动物体的体积测量方法，所述运动物体由传送机构移动，测量仪器在一个平面内以不同角度发射多个信号形成测量平面，通过检测所述运动物体表面经过所述测量平面时所反射的信号获得所述测量仪器到所述运动物体表面的多个子数据得到一行距离数据，其特征在于，包括：

步骤一：在没有所述运动物体经过所述测量平面时，通过检测每个信号获取所述测量仪器到所述传送机构的多个子数据，记为修正距离数据；

步骤二：在物体经过所述测量平面时，通过判断所述修正距离数据的变化获得所述物体进入所述测量平面的首端距离数据及离开所述测量平面的尾端距离数据，并且获取所述首端距离数据与所述尾端距离数据之间的每一行距离数据，记为原始距离数据；

步骤三：逐个比较所述修正距离数据与所述原始距离数据的子数据，当所述原始距离数据的子数据不同于所述修正距离数据的子数据时，确定所述原始距离数据中对应于所述物体边界的第一端点和第二端点，所述第一端点、所述第二端点及位于所述第一端点与所述第二端点之间的点的子数据记为物体的点云距离数据；

步骤四：建立一空间直角坐标系，计算每个所述点云距离数据的坐标；

步骤五：根据所述坐标计算所述物体的体积。

2.如权利要求1所述的运动物体的体积测量方法，其特征在于，所述步骤二中，当所述原始距离数据的子数据小于所述修正距离数据的子数据时，则判断所述运动物体进入所述测量平面内，所述子数据所在的一行距离数据为所述首端距离数据，直到所述原始距离数据的子数据等于所述修正距离数据的子数据时，则判断所述运动物体离开所述测量平面，最后一行不等于所述修正距离数据的距离数据为所述尾端距离数据。

3.如权利要求1所述的运动物体的体积测量方法，其特征在于，所述步骤三中，所述第一端点为所述原始距离数据中首个不同于所述修正距离数据中对应的子数据的子数据；所述第二端点为所述原始距离数据中最后一个不同于所述修正距离数据中对应的子数据的子数据。

4.如权利要求1所述的运动物体的体积测量方法，其特征在于，所述空间直角坐标系中x轴与所述测量平面平行，y轴与物体移动的方向平行，z轴与物体的垂直高度平行，原点为测量平面内的初始探测点；

其中，所述点云距离数据的z轴坐标如以下公式(1)所示：

z＝h-d*sin(w)   (1)

公式(1)中，z表示z轴坐标，h表示测量仪器的垂直高度，d表示点与测量仪器的距离，w表示信号所在的直线与测量仪器发射点沿测量平面一侧的水平射线之间的角度值；

所述点云距离数据的x轴坐标如以下公式(2)表示：

$x=\left\{\begin{array}{cc}b-\frac{h-z}{\tan \left(w\right)}& ,w<\mathrm{PI}/2\\ b+\frac{h-z}{\tan (\mathrm{PI}-w)}& ,w\&GreaterEqual;\mathrm{PI}/2\end{array}\right.,$ 其中， $b=\frac{h}{\tan (\mathrm{startw}*\frac{\mathrm{PI}}{180})};---\left(2\right)$

公式(2)中，x表示点的x轴坐标，z表示点的z轴坐标，h表示测量仪器的垂直高度，w表示信号所在的直线与测量仪器发射点沿测量平面一侧的水平射线之间的角度值，startw表示测量仪器的起始扫描角度，PI表示圆周率π，b表示起始扫描点与测量仪器激光发射点垂足的距离；

所述点云距离数据的y轴坐标如以下公式(3)表示：

y＝v*t*(i-sindex)  (3)

公式(3)中，y表示点的y轴坐标，v表示物体的移动速度，t表示测量仪器获取距离数据的时间间隔，i表示所述点云距离数据相对应的所述原始距离数据中距离数据的行序号，s index表示所述原始距离数据中第一行距离数据的行序号。

5.如权利要求4所述的运动物体的体积测量方法，其特征在于，所述步骤四中进一步包括对所述z轴坐标进行调整，并利用调整后的z轴坐标重新计算所述点云距离数据的坐标。

6.如权利要求1所述的运动物体的体积测量方法，其特征在于，所述步骤四进一步包括对所述点云数据的坐标的去噪声处理，所述去噪声处理的方法包括行内去噪和/或行间去噪。

7.如权利要求6所述的运动物体的体积测量方法，其特征在于，所述步骤四进一步包括对所述点云距离数据进行边界扩展处理。

8.如权利要求1所述的运动物体的体积测量方法，其特征在于，根据所述点云数据的坐标计算出的所述运动物体表面的面积以及所述运动物体的高度，计算得到所述运动物体的体积。

9.如权利要求1所述的运动物体的体积测量方法，其特征在于，进一步包括按照所述坐标将所述点云距离数据分割成多个小块，计算所述小块的体积后将体积合并后得到所述运动物体的体积。

10.一种运动物体的体积测量装置，其特征在于，包括测量仪器(1)、传送机构(2)和计算单元(3)；所述测量仪器(1)安装在所述传送机构(2)的正上方，其向所述传送机构(2)发送信号，接收所述信号的反馈作为距离数据，所述信号的区域为测量平面；所述传送机构(2)用于使物体运动地穿过所述测量平面；所述计算单元(3)与所述测量仪器(1)信号连接，用于接收并处理所述距离数据，计算物体的体积。