CN111307044B - 导入物料长宽尺寸及近似体积的测量计算方法及程序产品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导入物料长宽尺寸及近似体积测量计算方法及程序产品。对物料的长宽尺寸进行测量，利用安装在导入输送机位置的横向测量光栅测量物料在垂直于输送方向上的遮挡尺寸，根据物料轮廓最大值、尺寸特征点、长宽比关系判断等对物料长宽尺寸进行测量计算。通过增加高度测量光栅组成矩形光栅组，进行Y、Z方向截面段的断层扫描测量，获得在计算周期内该物料在输送机皮带面上经过小截面段的投影面积以及遮光高度H，计算出该周期物料经过的小截面段的体积，并在物料测量周期T内对其累加而计算出近似体积。所述计算方法的程序产品由控制器内处理器执行，能够可靠地得到物料的尺寸及近似体积，为整个分拣输送线准确高效运行提供保障。

Description

导入物料长宽尺寸及近似体积的测量计算方法及程序产品

技术领域

本发明涉及物流输送系统中自动化分拣的技术领域，是一种基于光电检测、工业可编程控制器等技术，应用于物流输送系统的自动化分拣场景中，对输送导入的物料进行长宽尺寸及近似体积测量的计算方法，具体涉及一种导入物料长宽尺寸及近似体积的测量计算方法及计算机程序产品。

背景技术

在当前自动化物流分拣输送系统中，往往布置有多个分拣输送单元，控制系统需要对物料在这些单元之间的导入导出输送进行准确地控制，此时有许多进行侧向导入合流输送的场景，例如Tilt-Tray Sorter倾板式分拣机、Cross-Belt Sorter交叉带分拣机等输送系统的物料导入单元，在进行这些系统的合流输送控制时，掌握物料长宽方向准确可靠的尺寸信息，对控制好物料在导入和导出输送的正确定位、输送姿态极其重要，是保证物料在上下游输送单元分拣输送准确性的关键因素。

为确保后段分拣输送单元的可控输送，在导入输送线上输送的物料均按照平行于主输送线运行方向的姿态进行摆放和输送，而为使物料准确在本级分拣输送段导出和在下一级导入，需要在本级输送段上对这些长宽方向与输送线方向不一致的物料尺寸进行测量计算，在一般场景中因设备安装空间、分段控制、以及检测器件尺寸成本等因素，决定了用于检测的测量光栅只能采用垂直于导入方向的方式安装，这需要必须对测量光栅的采集数据进行一定的计算处理方可做为物料的尺寸数据用于导入导出控制使用，目前此类系统的常用计算方法对数据采集不够实时、计算方法复杂、程序编写量和运算量大，在工程应用中存在一定不足，不能满足控制通用性以及快速便捷获取物料的尺寸数据的控制应用需求。

另外当前的自动化物流分拣输送系统的一些应用场景中，尤其是在诸如快递、仓储等环节，为了实现对物料堆码、转运的空间预判、以及运费计算等功能的支持，需要实时掌握物料的体积数据；另一方面，通过体积数据对物料重心位置的判断，可以更好的对物料在分拣输送线导入、导出输送的姿态、稳定性进行控制，这些对于在分拣输送线对导入物料体积测量提出了应用需求，非常有必要在综合考虑硬件配置成本以及系统的控制计算能力等因素基础上来对此类需求进行响应。

随着计算机控制技术的飞速发展，当前的工控领域可编程控制器的计算能力也大幅提高，目前主流的可编程控制器的布尔量运算和浮点运算能力都达到了ns级别，工业通讯总线也达到了千兆的速率和小于10ms的响应时间；目前测量光栅等光电测量元件的测量精度一般为毫米级别，故而可以通过优化控制器的算法对上述分拣物料的尺寸和体积进行测量计算，从而对其可靠准确的进行分拣以及完善物料的物理信息，为整个分拣输送线准确高效运行提供保障。

发明内容

鉴于以上技术背景，本发明的内容是一种针对在自动化物流分拣输送系统的合流导入输送的环节，应用光电检测、工业可编程控制器等技术，对分拣物料的外形数据进行测量的计算方法，主要分为物料长宽尺寸测量以及其近似体积测量的计算方法，具有数据采集实时、程序编写简单、运算量少等优点，是目前技术背景条件下较为经济可行的技术方法。

本发明的一个目的是基于当前光电检测、工业可编程控制器等技术水平，利用安装在分拣输送线多级导入输送机位置的横向测量光栅，测量导入输送机上输送物料在垂直于输送方向上的遮挡尺寸，采用基于物料轮廓最大值检测、尺寸特征点捕捉、长宽比关系判断等要素来对物料长宽尺寸进行测量的计算方法，基本原则是测量出物料在平行和垂直于输送线导入方向的两个方向上的外形轮廓最大值数据A值、B值，以及B_n1和B_n2两个尺寸特征点的位置数据，再通过判断物料方向的长宽比关系，结合输送线导入方向与主输送线运行方向的夹角θ进行三角函数运算，获得物料与主输送线运行方向一致的长度和宽度尺寸数据。

本发明对于分拣输送线导入物料长宽尺寸测量的计算步骤如下：

1)在分拣输送线的多级导入输送机位置安装有由位于输送面上方的光栅测量信号发射器和位于输送面下方的光栅测量信号接收器组成的横向测量光栅，用于测量经过此处物料在垂直于输送方向上的遮挡尺寸，横向测量光栅安装于倒数第三级与倒数第二级导入输送机之间的设备缝隙中；

2)启动导入输送机进行物料导入；

3)物料前端点进入横向测量光栅，物料测量周期开始计时T₀，记录横向测量光栅被遮挡的尺寸特征点B_n2；

4)物料继续向前输送，在横向测量光栅靠近及远离主输送线一侧被遮挡光栅的数量发生减少时,分别捕捉并记录横向测量光栅被遮挡的尺寸特征点B_n、B_f、B_n1；

5)物料后端点离开横向测量光栅，物料测量周期停止计时T_f，物料测量周期时长则是T＝T_f-T_o；

6)计算物料在平行和垂直于输送线导入方向的两个方向上的外形轮廓最大值数据A值、B值，以及两个特征点尺寸值物料横向切线尺寸B₁和物料前端点横向尺寸B₂；

7)通过A值、B值判断物料方向的长宽比关系，结合输送线导入方向与主输送线运行方向的夹角θ对特征点尺寸值物料横向切线尺寸B₁和物料前端点横向尺寸B₂进行三角函数运算，获得物料与主输送线运行方向一致的长度和宽度尺寸数据。

本发明的另一个目的是在上述相同的技术背景下，利用上述物料长宽尺寸测量计算方法的硬件条件和部分测量数据，在增加一套高度测量光栅组成矩形光栅组的硬件基础上，对导入输送机上输送物料的体积进行测量的计算方法；基本原则是对在导入输送机上输送的物料进行Y、Z方向截面段的断层扫描测量，得到在计算周期内该物料在输送机皮带面上经过小截面段的投影面积，同时计算出物料遮光高度H，从而计算出该计算周期物料经过矩形光栅组的小截面段的体积，并在物料测量周期T的有效时长内对其累加而计算出物料的近似体积。

本发明对于分拣输送线导入物料近似体积测量的计算步骤如下：

1)在上述物料长宽尺寸测量的横向测量光栅两侧增加安装一套高度测量光栅组成矩形光栅组，以实现对物料高度方向的检测；

2)启动导入输送机进行物料导入；根据述的导入物料长宽尺寸的测量计算方法，得到物料长宽尺寸；

3)对在导入输送机上输送的物料进行Y、Z方向截面段的断层扫描测量，获得在计算周期内该物料在输送机皮带面上经过小截面段的投影面积以及遮光高度H；

4)计算出该周期物料经过的小截面段的体积，并在物料测量周期T内对其累加而计算物料近似体积。

进一步地，所述步骤还包括：

1)物料前端点进入横向测量光栅，物料测量周期开始计时T₀；

2)物料继续向前输送，测量并计算该计算周期t矩形光栅组的遮光长度B_cr和遮光高度H；

3)利用测量值计算该计算周期t内物料经过矩形光栅组的小截面段的体积V_S并进行累加为V_e，同时将遮光长度B_cr寄存为B_bf；

4)判断物料后端点离开矩形光栅组，物料测量周期停止计时T_f，物料测量周期时长T＝T_f-To，则物料近似体积测量计算完成：V≈V_e，否则返回步骤3)继续循环测量计算。

一种非瞬态计算机可读存储介质，该非瞬态计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被控制器内的处理器执行本发明所述的导入物料长宽尺寸的测量计算方法的步骤。

一种非瞬态计算机可读存储介质，该非瞬态计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被控制器内的处理器执行本发明所述的导入物料近似体积的测量计算方法的步骤。

通过物料轮廓点、尺寸特征点的采集，以及物料长宽比判断这些技术，本发明在物料长宽尺寸测量的计算上，具有数据采集实时、程序编写简单、运算量少的优点，可以高效准确的获得物料的长宽尺寸，使物料准确在本级分拣输送段导出和在下一级导入，可靠高效的进行分拣；另外本发明对被检测物料进行截面段断层扫描测量并累加计算从而获得体积数据，是以较低的器件成本以及增加不多的控制器程序运算量，实现物料体积近似测量的经济可取的方法，其结果既可以用于物料分拣导入导出时的输送姿态控制，也可为分拣输送线对物料堆码、转运的空间预判、以及运费计算等需求提供一定的数据支持。

附图说明

图1是本发明的进行物料长宽尺寸测量计算方法的原理示意图；

图2是说明本发明的按照不同长宽比进行物料长宽尺寸测量计算的方法示意图；

图3是本发明的进行物料近似体积测量计算的方法示意图；

图4是本发明的导入物料长宽尺寸及近似体积的测量计算方法的流程框图。

具体实施方式

为了对本发明内容叙述的计算方法进行具体的说明，下面结合附图对本发明的关键技术以及实施做进一步说明，以下分别从物料长宽尺寸测量和近似体积测量两个方面对本发明的计算方法进行详细说明：

物料长宽尺寸的测量计算方法：

按图1所示，物料长宽尺寸测量计算方法的基本原则是测量出物料在平行和垂直于输送线导入方向的两个方向上的外形轮廓最大值数据A值、B值，以及B_n1和B_n2两个尺寸特征点的位置数据，通过判断物料方向的长宽比关系，结合输送线导入方向与主输送线运行方向的夹角θ进行三角函数运算，获得物料与主输送线运行方向一致的长度和宽度尺寸数据，具体计算方法如下：

在分拣输送线的的多级导入输送机位置安装有一套横向测量光栅，用于测量经过此处物料在垂直于输送方向上的遮挡尺寸，计算程序实时扫描物料对光栅的遮挡情况，导入输送机启动导入物料后，当物料前端点进入横向测量光栅的扫描周期开始计时(T₀)，物料后端点离开横向测量光栅的扫描周期停止计时(T_f)，T₀至T_f的计时器计时值T(ms)为该物料的测量周期时长；

根据导入输送机运行速度v_θ(mm/s)结合物料在横向测量光栅测得的周期时长T(ms),可以计算出该物料沿导入输送线方向的外形轮廓最大值A(mm)：

在物料测量周期T的有效时长内，控制程序实时扫描横向测量光栅的光栅信号，分别对以下三个状态的光栅信号数据进行捕捉和记录：

a.物料向前输送，其前端点进入横向测量光栅检测位置时，将此时光栅被遮挡点记录为B_n2；

b.在物料继续向前输送的过程中，当测量光栅靠近主输送线一侧的被遮挡光栅的数量发生减少时，则将上一次计算周期时测量光栅这一侧最小的光栅被遮挡点记录为B_n；

c.当测量光栅远离主输送线一侧的被遮挡光栅的数量发生减少时，则将上一次计算周期时测量光栅这一侧最大的光栅被遮挡点记录为B_f，并且同时将上一次计算周期时测量光栅靠近主输送线一侧最小的光栅被遮挡点记录为B_n1；

通过计算程序实时对上述B_n、B_f、B_n1、B_n2这4个尺寸特征点的记录测量，则可以通过光栅的精度参数计算出物料在垂直于输送线导入方向的外形轮廓最大值B(mm)，以及2个二级数据物料横向切线尺寸B₁值和物料前端点横向尺寸B₂值，接下来根据一级数据(A、B的数值)判断物料方向的长宽比关系，分别进一步计算物料长宽尺寸,如图2:

当物料方向的长宽比关系为

时，物料对于主输送线的长宽尺寸X、Y(mm)值可由下列公式计算得出：

X＝B₁·sinθ；

当物料方向的长宽比关系为

时，物料对于主输送线的长宽尺寸X、Y(mm)值可由下列公式计算得出：

Y＝B₁·cosθ

物料近似体积的测量计算方法：

按图3所示，物料近似体积测量计算方法的基本原则是基于对在导入输送机上输送的物料进行Y、Z方向的截面段断层扫描测量并累加计算来实现的；本方法是以上述物料长宽方向尺寸测量的数据为基础上进行渐进开发和计算的；为实现对物料高度方向的检测，在导入输送机横向测量光栅的两侧安装一套高度测量光栅组成矩形光栅组，实时测量每个扫描周期经过横向测量光栅的物料高度并计算截面段的体积，具体计算方法如下：

在物料测量周期T的有效时长内，计算程序在每个程序计算周期t，采集横向测量光栅被遮挡的光栅数量，计算出本计算周期遮光长度B_cr(mm)，结合输送机运行速度v_θ(mm/s)与程序计算周期t(ms)，以及上个计算周期保存的物料遮光长度B_bf(mm)，可以近似得到在计算周期内该物料在输送机皮带面上经过小截面段的投影面积，同时采集高度测量光栅被遮挡的光栅数量，计算出遮光高度H(mm)；从而计算出该计算周期物料经过矩形光栅组的小截面段的体积V_s(m³)：

在此过程中，需要将较短且相邻的若干个计算周期内发生的大幅度变化的高度测量数据，做为杂波进行过滤，以最大程度排除非实体体积数据(标签、包装带等)对物料体积测量计算的干扰；

最后，计算程序累加每个计算周期物料经过矩形光栅组的若干个小截面段的体积V_s之和，即可得到物料在测量周期T(测量开始时间T_o至测量结束时间T_f)测算得到的近似体积V_e(m³)：

在分拣输送线导入阶段，对物料体积数据的精度要求不高，一般作为设备保护或辅助输送稳定控制等使用，以及为分拣输送线对物料堆码、转运的空间预判、以及运费计算等需求提供一定的数据支持，本发明以较低的器件成本以及增加不多的控制器程序运算量，实现对外形较规则或变形不大的物料体积的近似测量，是较为经济和可取的方法。

本发明所述的分拣输送线导入物料长宽尺寸及近似体积测量的计算方法是针对导入物料进行测量这样工程需求的两个渐进的解决方法，体积测量依托物料长宽尺寸的测量数据进行计算，根据实际需要，两者既可以同时使用也可只使用一种，若不需要进行物料体积测量时，则只需在配置一套横向测量光栅的条件下完成物料长宽尺寸的测量计算。

图4为本发明所述的分拣输送线导入物料尺寸及近似体积测量的计算方法的流程框图，主要描述以下的具体计算步骤。

本发明对分拣输送线导入物料长宽尺寸测量的计算步骤如下：

1、在分拣输送线的多级导入输送机位置安装有由位于输送面上方的光栅测量信号发射器和位于输送面下方的光栅测量信号接收器组成的横向测量光栅，用于测量经过此处物料在垂直于输送方向上的遮挡尺寸，横向测量光栅安装于倒数第三级与倒数第二级导入输送机之间的设备缝隙中；

2、启动导入输送机进行物料导入；

3、物料前端点进入横向测量光栅，物料测量周期开始计时T_o，记录横向测量光栅被遮挡的尺寸特征点B_n2；

4、物料继续向前输送，在横向测量光栅靠近及远离主输送线一侧被遮挡光栅的数量发生减少时,分别捕捉并记录横向测量光栅被遮挡的尺寸特征点B_n、B_f、B_n1；

5、物料后端点离开横向测量光栅，物料测量周期停止计时T_f，物料测量周期时长T＝T_f-T_o；

6、计算物料在平行和垂直于输送线导入方向的两个方向上的外形轮廓最大值数据A值、B值，以及两个特征点尺寸值物料横向切线尺寸B₁和物料前端点横向尺寸B₂；

7、通过A值、B值判断物料方向的长宽比关系，结合输送线导入方向与主输送线运行方向的夹角θ对特征点尺寸值物料横向切线尺寸B₁和物料前端点横向尺寸B₂进行三角函数运算，获得物料与主输送线运行方向一致的长度和宽度尺寸数据。

本发明对分拣输送线导入物料近似体积测量的计算步骤如下：

1、在上述物料长宽尺寸测量的横向测量光栅两侧增加安装一套高度测量光栅组成矩形光栅组，以实现对物料高度方向的检测；

2、启动导入输送机进行物料导入；

3、物料前端点进入横向测量光栅，物料测量周期开始计时T_o；

4、物料继续向前输送，测量该计算周期t矩形光栅组的遮光长度B_cr和遮光高度H；

5、利用测量值计算该计算周期t内物料经过矩形光栅组的小截面段的体积V_s并进行累加为V_e，同时将遮光长度B_cr寄存为B_bf；

6、判断物料后端点离开矩形光栅组，物料测量周期停止计时T_f，物料测量周期时长T＝T_f-To，则物料近似体积测量计算完成：V≈V_e，否则返回步骤3继续循环测量计算。

为了在实际应用中，适用于可编程控制器运算和程序编写，以及最大程度的保持技术背景可用的计算精度，本发明依据目前自动化系统主流的可编程控制器编程原则和思路，对相关的计算方法和运算顺序做了调整优化，并对数据的单位根据实际工程需要进行调整，尽量使用整型数据进行运算，减少浮点运算的计算量，且最大程度减少程序的判断和循环操作，非常适合当前主流的自动化控制系统应用。

以上所述仅为本发明的具体实施方法，不能以此限定本发明的范围，即依本发明专利申请保护范围所作的等同变化与修饰，均应包含在本发明的技术涵盖范围内。

Claims (6)

1.一种导入物料长宽尺寸的测量计算方法，其特征在于包括以下步骤：

S0在分拣输送线的多级导入输送机位置安装有由位于输送面上方的光栅测量信号发射器和位于输送面下方的光栅测量信号接收器组成的横向测量光栅，用于测量经过此处物料在垂直于输送方向上的遮挡尺寸，横向测量光栅安装于倒数第三级与倒数第二级导入输送机之间的设备缝隙中；

S1启动导入输送机进行物料导入；

S2测量出物料在平行和垂直于输送线导入方向的两个方向上的外形轮廓最大值数据A值、B值，以及B_n1和B_n2两个尺寸特征点的位置数据，通过判断物料方向的长宽比关系，结合输送线导入方向与主输送线运行方向的夹角θ进行三角函数运算，获得物料与主输送线运行方向一致的长度和宽度尺寸数据；

所述S2具体包括以下步骤：

S2.1实时扫描物料对光栅的遮挡情况，导入输送机启动导入物料后，当物料前端点进入横向测量光栅的扫描周期开始计时T₀，物料后端点离开横向测量光栅的扫描周期停止计时T_f，T₀至T_f的计时器计时值T(ms)为该物料的测量周期时长；

S2.2根据导入输送机运行速度v_θ(mm/s)结合物料在横向测量光栅测得的周期时长T(ms),计算出该物料沿导入输送线方向的外形轮廓最大值A(mm)：

S2.3在物料测量周期T的有效时长内，控制程序实时扫描横向测量光栅的光栅信号，分别对以下三个状态的光栅信号数据进行捕捉和记录：

a.物料向前输送，其前端点进入横向测量光栅检测位置时，将此时光栅被遮挡点记录为B_n2；

b.在物料继续向前输送的过程中，当测量光栅靠近主输送线一侧的被遮挡光栅的数量发生减少时，则将上一次计算周期时测量光栅这一侧最小的光栅被遮挡点记录为B_n；

c.当测量光栅远离主输送线一侧的被遮挡光栅的数量发生减少时，则将上一次计算周期时测量光栅这一侧最大的光栅被遮挡点记录为B_f，并且同时将上一次计算周期时测量光栅靠近主输送线一侧最小的光栅被遮挡点记录为B_n1；

S2.4通过实时对B_n、B_f、B_n1、B_n2这4个尺寸特征点的记录测量，则通过光栅的精度参数计算出物料在垂直于输送线导入方向的外形轮廓最大值B(mm)，以及2个二级数据物料横向切线尺寸B₁值和物料前端点横向尺寸B₂值，根据一级数据A、B的数值判断物料方向的长宽比关系，分别进一步计算物料长宽尺寸:

当物料方向的长宽比关系为

时，物料对于主输送线的长宽尺寸X、Y(mm)值由下列公式计算得出：

X＝B₁·sinθ；

当物料方向的长宽比关系为

时，物料对于主输送线的长宽尺寸X、Y(mm)值由下列公式计算得出：

Y＝B₁·cosθ，

2.一种导入物料长宽尺寸及近似体积的测量计算方法，其特征在于含有以下步骤：

(1)在根据权利要求1所述的导入物料长宽的测量计算方法的基础上，在导入输送机横向测量光栅的两侧安装一套高度测量光栅组成矩形光栅组；

(2)根据权利要求1所述的导入物料长宽尺寸的测量计算方法，得到物料长宽尺寸；

(3)对在导入输送机上输送的物料进行Y、Z方向截面段的断层扫描测量，获得在计算周期内该物料在输送机皮带面上经过小截面段的投影面积以及遮光高度H；

(4)计算出该计算周期物料经过的小截面段的体积，并在物料测量周期T内对其累加而计算物料近似体积。

3.根据权利要求2所述的导入物料长宽尺寸及近似体积的测量计算方法，其特征在于，还包括以下步骤：

A.物料前端点进入横向测量光栅，物料测量周期开始计时T₀；

B.物料继续向前输送，测量并计算该计算周期t矩形光栅组的遮光长度B_cr和遮光高度H；

C.利用测量值计算该计算周期t内物料经过矩形光栅组的小截面段的体积V_s并进行累加为V_e，同时将遮光长度B_cr寄存为B_bf；

D.判断物料后端点离开矩形光栅组，物料测量周期停止计时T_f，物料测量周期时长T＝T_f-T_o，则物料近似体积测量计算完成：V≈V_e，否则返回步骤C继续循环测量计算。

4.根据权利要求3所述的导入物料长宽尺寸及近似体积的测量计算方法，其特征在于，还包括以下步骤：

①在物料测量周期T的有效时长内，计算程序在每个程序计算周期t，采集横向测量光栅被遮挡的光栅数量，计算出本计算周期遮光长度B_cr(mm)，结合输送机运行速度v_θ(mm/s)与程序计算周期t(ms)，以及上个计算周期保存的物料遮光长度B_bf(mm)，近似得到在计算周期内该物料在输送机皮带面上经过小截面段的投影面积，同时采集高度测量光栅被遮挡的光栅数量，计算出遮光高度H(mm)；

②计算出该计算周期物料经过矩形光栅组的小截面段的体积V_s(m³)：

在此过程中，需要将较短且相邻的若干个计算周期内发生的大幅度变化的高度测量数据，做为杂波进行过滤，以最大程度排除标签/包装带非实体体积数据对物料体积测量计算的干扰；

③累加每个计算周期物料经过矩形光栅组的若干个小截面段的体积V_s之和，即可得到物料在测量开始时间T_o至测量结束时间T_f的测量周期T测算得到的近似体积V_e(m³)：

5.一种非瞬态计算机可读存储介质，该非瞬态计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被控制器内的处理器执行实现如权利要求1所述的导入物料长宽尺寸的测量计算方法的步骤。

6.一种非瞬态计算机可读存储介质，该非瞬态计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被控制器内的处理器执行实现如权利要求2至4任一项所述的导入物料长宽尺寸及近似体积的测量计算方法的步骤。

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