CN106247935A - 一种用于体积测量系统的探测物体积计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于体积测量系统的探测物体积计算方法，与现有技术相比解决了无法获得探测物三维尺寸信息的缺陷。本发明包括以下步骤：测量系统的预置；系统状态的检测；探测物底面测量信息的获取；探测物底面的拟合与计算；探测物高度值的测量与计算；探测物体积的计算。本发明能够精确获取探测物三维尺寸信息，通过拟合算法建立模型，获取三维尺寸信息再计算出探测物的体积，提高了测量精度与稳定性。

Description

一种用于体积测量系统的探测物体积计算方法

技术领域

本发明涉及体积测量系统技术领域，具体来说是一种用于体积测量系统的探测物体积计算方法。

背景技术

在快递包裹分拣计费场合，快递公司希望能够通过体积测量系统获得探测物(待测包裹)的三维尺寸信息，而非仅获得探测物体积。如图1所示，在目前常用的双光幕的快递包裹体积计量系统中，探测物2在传送带1上通过高度测量光幕4和宽度测量光幕3所组成的测量面6，相互垂直安装的两对测量光幕传感器构成了一个矩形测量平面，传送带1以速度v匀速推送探测物2通过测量平面，被测量平面截取一个矩形的待测截面。系统通过这种断面扫描方式测量包裹体积，如下式所示：

式中T表示待测包裹通过测量平面的总时间，w(t)表示待测截面的宽度值，h(t)表示待测截面高度；v表示传送带速度。

通过分析，图1的双光幕体积测量系统的测量误差σ_V可表示为：

由于在进行包裹体积测量过程中，一般包裹尺寸最小的边会作为高度，以保证包裹稳定放置。这导致上式第一项中，(h+σ_h)给整个系统的测量结果带来较大的误差。且上式σ_s为累加方式体积测量的算法误差，存在极大的不可控性。特别是，分层累加算法无法获得探测物(待测包裹)的三维尺寸信息，而是直接获得体积信息，导致其误差较大。

如何开发出一种获取探测物三维尺寸信息的方法已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中无法获得探测物三维尺寸信息的缺陷，提供一种用于体积测量系统的探测物体积计算方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于体积测量系统的探测物体积计算方法，包括以下步骤：

测量系统的预置，测量光幕以固定的时间间隔采集每一对红外发射接收对管的阻挡状况，并在极短的响应时间内上传给上位机；

系统状态的检测，上位机通过实时监测测量光幕测量值，判断有无物体遮挡红外发射接收对管所组成的通过体积测量平面；

探测物底面测量信息的获取，当探测物通过测量平面时，上位机开始记录测量光幕上传的每一组数据，存储在预设的二维数组A(i，j)中，其中：i为探测物的高度信息，j为探测物的宽度信息；当探测物完全通过测量平面时，停止向二维数组A(i，j)中存放数据，二维数组A(i，j)存储了探测物的底面测量信息；

探测物底面的拟合与计算，通过在传送带平面上建立一个与探测物底面近似的解析模型，拟合出探测物底面，并通过解析模型计算出探测物的长、宽及面积；

探测物高度值的测量与计算，通过高度测量传感器阵列，以固定时间间隔向上位机传输的探测物实时获取高度测量值，对整个通过过程的探测物高度测量值求取平均值，得到探测物的高度值；

探测物体积的计算，将通过拟合底面计算获得的底面积与高度值相乘，得到系统所求待测包裹体积V_package，其计算公式如下：

V_package＝hw_Fl_F＝hS_F

其中，h为高度测量传感器阵列测量获得的包裹高度平均值，l_F、w_F分别表示拟合计算得的探测物底面长与宽、S_F表示拟合出的探测物底面面积。

所述的探测物底面的拟合与计算包括以下步骤：

根据二维数组A(i，j)在传送带平面建立直角坐标系，以二维数组A(i， j)中i的增涨方向作为x轴，其为传送带速度方向，以二维数组A(i，j)中j的增涨方向作为y轴,其为测量光幕红外发射接受对管排列方向；

以i＝0为x轴原点，其为首次产生遮挡位置；以传送带边缘j＝0为y轴原点，其为传送带边缘；对探测物通过测量平面过程中所有被遮挡的红外发射接受对管进行标定，形成底面标定图；

去除探测物底面矩形内部冗余点，提取边缘点作为拟合算法的采样点；

探测物底面坐标阵列点的获取，根据采样点对探测物底面矩形进行分割，获得四组点阵坐标；

对四组点阵坐标进行线性回归分析计算，拟合出边缘直线，四条直线相交形成的范围为探测物的拟合底面；

通过解析模型计算探测物拟合底面矩形的长宽及面积，其计算公式如下：

其中，x为直角坐标系的横坐标，y为纵坐标，k表示矩形边缘直线AB的斜率，b表示各组边缘直线与y轴的截距，S_F为四条直线所组成的拟合探测物底面的面积，l_F、w_F分别表示拟合计算得的探测物底面长与宽。

所述的探测物高度值的测量与计算包括以下步骤：

根据无探测物通过时，高度测量传感器阵列的上传值确定传送带平面位置，作为高度零点；

当探测物通过测量平面，高度测量传感器阵列被包裹遮挡导致测量值减小，计算测量值改变量△h_i；

当△h_ij大于5mm时，上位机存储单元记录连续的△h_ij值；当△h_ij小于5mm，停止记录数据；共获得m个高度测量值；

计算探测物高度h，其计算公式如下：

所述的探测物底面坐标阵列点的获取包括以下步骤：

对二维数组A(i，j)中的数据由i＝0、j＝0开始，对整个二维数组进行遍历；

提取二维数组A(i，j)中待测物体底面的边缘坐标值，并根据单增\单减原则分割坐标点阵，将其分为4部分，代表待测矩形包裹的四条边；其具体步骤如下：

由i＝0开始遍历，判断数组A(i，j)中A值为1的单元所对应的j值；

增加i值，获取到数组中A值为1的点有两个，其对应j值为j₁、j₂，其中j₁表示待拟合矩阵的上边缘L_ABC；j₂表示待拟合矩阵的下边缘L_BCD；

持续遍历，j₁值呈先增大后减小，j₂值先减小后增大；根据转折点，将j₁分为L_AB与L_BC，j₂分为L_CD与L_DA，完成对数组A(i，j)元素的分割，获得四条边的测量点阵坐标。

有益效果

本发明的一种用于体积测量系统的探测物体积计算方法，与现有技术相比能够精确获取探测物三维尺寸信息，通过拟合算法建立模型，获取三维尺寸信息再计算出探测物的体积，提高了测量精度与稳定性。本发明通过底面拟合算法进行探测物底面建模，消除累加算法误差σ_S，使底面积测量值S_F更接近真实值。

附图说明

图1为现有技术中的双光幕体积测量系统；

图2为改进后的体积计量系统

图3为本发明的方法顺序图；

图4为本发明中底面边缘拟合过程示意图；

其中，1-传送带、2-探测物、3-宽度测量光幕、4-高度测量光幕、5-高度测量传感器阵列、6-测量面。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图3所示，本发明所述的一种用于体积测量系统的探测物体积计算方法，包括以下步骤：

第一步，测量系统的预置。测量光幕以固定的时间间隔采集每一对红外发射接收对管的阻挡状况，并在极短的响应时间内上传给上位机。其中，测量光幕可以采用图1所示的双光幕体积测量系统，基于本方法采用拟合出底面再计算体积的计算过程，其可以不基于高度测量光幕4的数据采集，采用高度测量传感器代替，计算精度能够得到大幅提升。而若依靠传统的累加算法计算体积，其必须依靠高度测量光幕4的数据采集，无法使用高度测量传感器阵列5代替高度测量光幕4，由于高度测量光幕4的精度低于高度测量传感器阵列5，使得两个方法在物理材质的选择上就产生了精度差别(测量误差)。

如图2所示，采用高度测量传感器阵列5代替高度测量光幕4。高度测量传感器阵列5的高度测量传感器可以采用相位式激光位移传感器(KLH-01T型激光位移传感器)。相位激光位移传感器作为一维测距器件，具有较高测量精度和抗干扰能力。KLH-01T型激光位移传感器测量精度可达±1mm，采样频率10Hz。通过等间距排列的一组激光位移传感器，可覆盖宽度60cm的传送带，采集横向尺寸不小于10cm的探测物的高度值。

在此情况下，高度测量误差σ_h→0，则测量误差σ_V化简为：

如上式所示，通过高度测量传感器阵列5采集探测物高度，极大地提高了整个系统的测量精度，通过拟合算法，能够完全消除累加算法所带来的测量误 差。

第二步，系统状态的检测。上位机通过实时监测测量光幕测量值，判断有无物体遮挡红外发射接收对管所组成的通过体积测量平面，以待准备获取探测物底面测量信息。

第三步，探测物底面测量信息的获取。当探测物通过测量平面时，上位机开始记录测量光幕上传的每一组数据，存储在预设的二维数组A(i，j)中。二维数组A(i，j)中，i为探测物的高度信息(二维平面中X的值)，j为探测物的宽度信息(二维平面中Y的值)，。当探测物完全通过测量平面时，停止向二维数组A(i，j)中存放数据，二维数组A(i，j)存储了探测物的底面测量信息。

第四步，探测物底面的拟合与计算。如图4所示，通过在传送带平面上建立一个与探测物底面近似的解析模型，拟合出探测物底面，并通过解析模型计算出探测物的长、宽及面积。其具体步骤如下：

(1)根据二维数组A(i，j)在传送带平面建立直角坐标系，以二维数组A(i，j)中i的增涨方向作为x轴，其为传送带速度方向，以二维数组A(i，j)中j的增涨方向作为y轴,其为测量光幕红外发射接受对管排列方向。

(2)以i＝0为x轴原点，其为首次产生遮挡位置；以传送带边缘j＝0为y轴原点，其为传送带边缘；对探测物通过测量平面过程中所有被遮挡的红外发射接受对管进行标定，形成底面标定图。如图4的第一张图所示，各点在y轴方向的间距为光幕的测量精度δ_w＝10mm，x轴方向间距为光幕的采样间隔v_Δt＝10mm。

(3)去除探测物底面矩形内部冗余点，提取边缘点作为拟合算法的采样点。

(4)探测物底面坐标阵列点的获取，根据采样点对探测物底面矩形进行分割，获得四组点阵坐标。其具体步骤如下：

A、对二维数组A(i，j)中的数据由i＝0、j＝0开始，对整个二维数组进行遍历。

B、提取二维数组A(i，j)中待测物体底面的边缘坐标值，并根据单增\ 单减原则分割坐标点阵，将其分为4部分，代表待测矩形包裹的四条边；其具体步骤如下：

a、由i＝0开始遍历，判断数组A(i，j)中A值为1的单元所对应的j值；

b、增加i值，获取到数组中A值为1的点有两个，其对应j值为j₁、j₂，其中j₁表示待拟合矩阵的上边缘L_ABC；j₂表示待拟合矩阵的下边缘L_BCD；

c、持续遍历，j₁值呈先增大后减小，j₂值先减小后增大；根据转折点，将j₁分为L_AB与L_BC，j₂分为L_CD与L_DA，完成对数组A(i，j)元素的分割，获得四条边的测量点阵坐标。

(5)对四组点阵坐标进行线性回归分析计算，拟合出边缘直线，四条直线相交形成的范围为探测物的拟合底面。在线性回归技术中，最小绝对偏差法

(LAD)和最小二乘法(LS)常被用于进行回归模型的统计分析。LAD无解析最优解，在采样数量较大时，计算量很大。相较于LAD，LS方法包含完善的理论和方差分析方法，并且可以获得唯一的解析最优解，计算简单高效。同时，为防止光幕对矩形某对对边采样点过少导致底面拟合算法无解，可以添加邻边相互垂直约束。从而采用带邻边正交约束的最小二乘拟合算法进行回归分析实现矩形底面边缘拟合。

(6)通过解析模型计算探测物拟合底面矩形的长宽及面积，其计算公式如下：

其中，x为直角坐标系的横坐标，y为纵坐标，k表示矩形边缘直线AB的斜率，b表示各组边缘直线与y轴的截距，S_F为四条直线所组成的拟合探测物底面的面积，l_F、w_F分别表示拟合计算得的探测物底面长与宽。

第五步，探测物高度值的测量与计算。通过高度测量传感器阵列，以固定时间间隔向上位机传输的探测物实时获取高度测量值，对整个通过过程的探测 物高度测量值求取平均值，得到探测物的高度值。其具体步骤如下：

(1)根据无探测物通过时，高度测量传感器阵列的上传值确定传送带平面位置，作为高度零点。

(2)当探测物通过测量平面，高度测量传感器阵列被包裹遮挡导致测量值减小，计算测量值改变量△h_i；

当△h_ij大于5mm时，上位机存储单元记录连续的△h_ij值；当△h_ij小于5mm，停止记录数据；总共可以获得m个高度测量值。

(3)计算探测物高度h，其计算公式如下：

通过对i和j两个值的双累加运算，计算出探测物(包裹)高度h。

第六步，探测物体积的计算。将通过拟合底面计算获得的底面积与高度值相乘，得到系统所求待测包裹体积V_package，其计算公式如下：

V_package＝hw_Fl_F＝hS_F

其中，h为高度测量传感器阵列测量获得的包裹高度平均值，l_F、w_F分别表示拟合计算得的探测物底面长与宽、S_F表示拟合出的探测物底面面积。如图4所示，通过底面拟合的方法，较好地消除了σ_s及Σσ_wi所导致的系统测量误差，并进一步获取模型的尺寸信息，实现获取探测物(包裹)底面长度L、宽度W及底面积S_F的目的。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种用于体积测量系统的探测物体积计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

11)测量系统的预置，测量光幕以固定的时间间隔采集每一对红外发射接收对管的阻挡状况，并在极短的响应时间内上传给上位机；

12)系统状态的检测，上位机通过实时监测测量光幕测量值，判断有无物体遮挡红外发射接收对管所组成的通过体积测量平面；

13)探测物底面测量信息的获取，当探测物通过测量平面时，上位机开始记录测量光幕上传的每一组数据，存储在预设的二维数组A(i，j)中，其中：i为探测物的高度信息，j为探测物的宽度信息；当探测物完全通过测量平面时，停止向二维数组A(i，j)中存放数据，二维数组A(i，j)存储了探测物的底面测量信息；

14)探测物底面的拟合与计算，通过在传送带平面上建立一个与探测物底面近似的解析模型，拟合出探测物底面，并通过解析模型计算出探测物的长、宽及面积；

15)探测物高度值的测量与计算，通过高度测量传感器阵列，以固定时间间隔向上位机传输的探测物实时获取高度测量值，对整个通过过程的探测物高度测量值求取平均值，得到探测物的高度值；

16)探测物体积的计算，将通过拟合底面计算获得的底面积与高度值相乘，得到系统所求待测包裹体积V_package，其计算公式如下：

V_package＝hw_Fl_F＝hS_F

其中，h为高度测量传感器阵列测量获得的包裹高度平均值，l_F、w_F分别表示拟合计算得的探测物底面长与宽、S_F表示拟合出的探测物底面面积。

2.根据权利要求1所述的一种用于体积测量系统的探测物体积计算方法，其特征在于，所述的探测物底面的拟合与计算包括以下步骤：

21)根据二维数组A(i，j)在传送带平面建立直角坐标系，以二维数组A(i，j)中i的增涨方向作为x轴，其为传送带速度方向，以二维数组A(i，j)中j的增涨方向作为y轴,其为测量光幕红外发射接受对管排列方向；

22)以i＝0为x轴原点，其为首次产生遮挡位置；以传送带边缘j＝0为y轴原点，其为传送带边缘；对探测物通过测量平面过程中所有被遮挡的红外发射接受对管进行标定，形成底面标定图；

23)去除探测物底面矩形内部冗余点，提取边缘点作为拟合算法的采样点；

24)探测物底面坐标阵列点的获取，根据采样点对探测物底面矩形进行分割，获得四组点阵坐标；

25)对四组点阵坐标进行线性回归分析计算，拟合出边缘直线，四条直线相交形成的范围为探测物的拟合底面；

26)通过解析模型计算探测物拟合底面矩形的长宽及面积，其计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}y=k_{AB}x+b_{AB}\\ y=k_{CD}x+b_{CD}\\ y=-\frac{1}{k_{BC}}x+b_{BC}\\ y=-\frac{1}{k_{DA}}x+b_{DA}\end{array}\right.\⇒\left\{\begin{array}{c}{S}_F={\∫}_{L_{ADC}}^{L_{ABC}}dx\\ l_F=l_{AB}\\ w_F=l_{BC}\end{array}\right.$

其中，x为直角坐标系的横坐标，y为纵坐标，k表示矩形边缘直线AB的斜率，b表示各组边缘直线与y轴的截距，S_F为四条直线所组成的拟合探测物底面的面积，l_F、w_F分别表示拟合计算得的探测物底面长与宽。

3.根据权利要求1所述的一种用于体积测量系统的探测物体积计算方法，其特征在于，所述的探测物高度值的测量与计算包括以下步骤：

31)根据无探测物通过时，高度测量传感器阵列的上传值确定传送带平面位置，作为高度零点；

32)当探测物通过测量平面，高度测量传感器阵列被包裹遮挡导致测量值减小，计算测量值改变量△h_i；

当△h_ij大于5mm时，上位机存储单元记录连续的△h_ij值；当△h_ij小于5mm，停止记录数据；共获得m个高度测量值；

33)计算探测物高度h，其计算公式如下：

$h=\mathrm{\Σ}\mathrm{\Σ}\frac{{\mathrm{\Δh}}_{ij}}{m}.$

4.根据权利要求2所述的一种用于体积测量系统的探测物体积计算方法，其特征在于，所述的探测物底面坐标阵列点的获取包括以下步骤：

41)对二维数组A(i，j)中的数据由i＝0、j＝0开始，对整个二维数组进行遍历；

42)提取二维数组A(i，j)中待测物体底面的边缘坐标值，并根据单增\单减原则分割坐标点阵，将其分为4部分，代表待测矩形包裹的四条边；其具体步骤如下：

421)由i＝0开始遍历，判断数组A(i，j)中A值为1的单元所对应的j值；

422)增加i值，获取到数组中A值为1的点有两个，其对应j值为j₁、j₂，其中j₁表示待拟合矩阵的上边缘L_ABC；j₂表示待拟合矩阵的下边缘L_BCD；

423)持续遍历，j₁值呈先增大后减小，j₂值先减小后增大；根据转折点，将j₁分为L_AB与L_BC，j₂分为L_CD与L_DA，完成对数组A(i，j)元素的分割，获得四条边的测量点阵坐标。