CN111366075B - 一种高精度在线体积测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高精度在线体积测量系统，其中电机通过联轴器及轴承及支架驱动旋转棱镜进行匀速转动；第一增量编码器与旋转棱镜的转动轴相连，用于测量旋转棱镜转动时棱镜反射光线与铅垂线的夹角；第二增量编码器与传送带接触以测量待测物体的运行速度；半导体激光器发射的窄脉冲激光经过整形镜组准直后射入偏振分光镜得到偏振光，偏振光经过四分之一波片后变为圆偏振光，圆偏振光经滤光片入射旋转棱镜，部分反射光进入PIN光电二极管得到窄脉冲激光发射时间；窄脉冲激光经待测物体表面反射及散射后部分反射及散射光经旋转棱镜反射至APD探测器组件用于获取返回光时间。

Description

一种高精度在线体积测量系统
技术领域
本发明属于光电检测领域，具体涉及一种基于飞行时间法测距的高精度在线体积测量系统。
背景技术
近几年，中国的快递业务量已跃升至世界第一，主要快递企业日均件量已达数百万甚至千万件，逐年递增的业务量要求快递公司必须具备强大的物流处理能力，自动化分拣设备的引入可以大大提高分拣效率，从而降低中转成本，提高整体运营效率。目前国内物流企业中，产品重量和条码信息的采集发展相对成熟，利用电子秤等称重设备称重，用扫描枪等进行条码读取，就能达到良好的效果，但是需要测量产品三维尺寸的场合则一般使用卷尺工具人工测量。在传统方式下，产品的三维尺寸测量效率低，人工成本高，误差不统一，而所获得的数据也是孤立于物流系统的整个信息流之外，在客户对物流效率和成本结算的要求不断提高的情况下，这种方式已经越来越不能适应高效准确的现代物流要求。
针对产品三维尺寸信息的在线采集，目前已有解决方案所依靠的技术手段主要分红外光幕测量、3D相机及双目视觉、激光测量三种。其中光幕测量难以测量不规则产品的三维尺寸；3D相机测量和双目视觉由于实时性的问题，难以满足当前3m/s以上物流分拣线的要求，一般用于低速的分拣线中，激光测量能够适用于规则及不规则产品，由于技术难度高，目前应用较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，针对目前高速分拣线上包裹体积测量的需求，提供一种基于飞行时间法测距的高精度在线体积测量系统。该系统在3m/s的分拣线上对包裹的长、宽、高测量精度可达±10mm范围内，并能满足不规则物体体积的高精度测量需求。
根据本发明，提供了一种高精度在线体积测量系统包括：半导体激光器、整形镜组、偏振分光镜、接收镜头、APD探测器组件、四分之一波片、PIN光电二极管、滤光片、电机、联轴器、十面体旋转棱镜、轴承及支架、第一增量编码器和第二增量编码器；电机通过联轴器及轴承及支架驱动旋转棱镜进行匀速转动；第一增量编码器与旋转棱镜的转动轴相连，用于测量旋转棱镜转动时棱镜反射光线与铅垂线的夹角；第二增量编码器与传送带接触以测量待测物体的运行速度；半导体激光器发射的窄脉冲激光经过整形镜组准直后射入偏振分光镜得到偏振光，偏振光经过四分之一波片后变为圆偏振光，圆偏振光经滤光片入射旋转棱镜，部分反射光进入PIN光电二极管得到窄脉冲激光发射时间；窄脉冲激光经待测物体表面反射及散射后部分反射及散射光经旋转棱镜反射至APD探测器组件用于获取返回光时间。
优选地，高精度在线体积测量系统还包括光电开关用于发送测距信息采样的触发信号。
优选地，高精度在线体积测量系统还包括电控模块以控制高精度在线体积测量系统的所有电气模块。
优选地，第二增量编码器通过导轮与传送带接触。
优选地，导轮的周长为100mm。
优选地，半导体激光器是激光二极管。
优选地，旋转棱镜是十面体旋转棱镜。
优选地，十面体旋转棱镜的扫描光线角度范围为72°。
优选地，第一增量编码器是3600线的增量型编码器。
优选地，第二增量编码器是2048线编码器。
由此，针对目前高速分拣线上包裹体积测量的需求，本发明提供了一种基于飞行时间法测距的高精度在线体积测量系统。该系统在3m/s的分拣线上对包裹的长、宽、高测量精度可达±10mm范围内，并能满足不规则物体体积的高精度测量需求。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于飞行时间法测距的高精度在线体积测量系统的系统结构示意图。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于飞行时间法测距的高精度在线体积测量系统的系统测量光线扫描示意图。
附图标记说明：
01为半导体激光器、02为整形镜组、03为偏振分光镜、04为接收镜头、05为APD探测器组件、06为四分之一波片、07为PIN光电二极管、08为滤光片、09为电机、10为联轴器、11为旋转棱镜、12为轴承及支架、13为第一增量编码器、14为光电开关、15为第二增量编码器、16为电控模块。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于飞行时间法测距的高精度在线体积测量系统的系统结构示意图。
如图1所示，根据本发明优选实施例的基于飞行时间法测距的高精度在线体积测量系统包括：半导体激光器01、整形镜组02、偏振分光镜03、接收镜头04、APD探测器组件05、四分之一波片06、PIN光电二极管07、滤光片08、电机09、联轴器10、旋转棱镜11、轴承及支架12、第一增量编码器13、第二增量编码器15。
其中，电机09通过联轴器10及轴承及支架12驱动旋转棱镜进行匀速转动；第一增量编码器13与旋转棱镜11的转动轴相连，用于测量旋转棱镜11转动时棱镜反射光线与铅垂线的夹角；第二增量编码器15(例如，通过导轮)与传送带接触以测量传送带速度(即，作为待测物体的包裹的运行速度)；半导体激光器01(例如，激光二极管)发射的窄脉冲激光经过整形镜组02准直后射入偏振分光镜03得到偏振光(p偏或s偏的偏振光)，偏振光经过四分之一波片06后变为圆偏振光，圆偏振光经滤光片08入射旋转棱镜，部分反射光进入PIN光电二极管07得到窄脉冲激光发射时间；窄脉冲激光经待测物体表面反射及散射后部分反射及散射光经旋转棱镜反射至APD探测器组件05用于获取返回光时间。
具体地，如图1所示，根据本发明优选实施例的基于飞行时间法测距的高精度在线体积测量系统可包括一个光电开关14用于发送测距信息采样的触发信号。
具体地，如图1所示，根据本发明优选实施例的基于飞行时间法测距的高精度在线体积测量系统可包括电控模块16以控制高精度在线体积测量系统的所有电气模块。
例如，旋转棱镜是十面体旋转棱镜。
例如，半导体激光器01采用905nm或915nm半导体激光器，其发射的脉冲宽度小于10ns。
作为本方案的优选，采用十面体旋转棱镜用于实现点状光源的线扫描，当电机转速为6000r/min时，对于3m/s运行的传送带其包裹运动方向的线采样间隔可达3mm，测量精度较高。
作为本方案的优选，所述出光及回光时间间隔采用艾迈斯半导体公司(ams AG)时间—数字转换器TDC-GPX2测量，其可实现高达10ps的分辨率和70Mhz的采样率，综合考虑PIN和APD电路时间提取误差，综合时间测量误差小于25ps，标定后系统测距误差小于7.5mm。
作为本方案的优选，第一增量编码器13采用SICK公司3600线的增量型编码器，因此测量光线与铅垂线的夹角测量误差为：
360°/3600＝0.1°。
作为本方案的优选，第二增量编码器15采用欧姆龙2048线编码器，选择周长为100mm的导轮，那么传送带位移测量精度为：
100mm/2048＝0.049mm。
如图2所示，采用十面体棱镜时扫描光线角度范围为72°，对于高度和宽度为1000mm的包裹，光线以2000mm(留余量)的半径扫描时，其最大的线扫描间隔为：
2000mm*sin(0.1°)＝3.5mm。
作为本方案的优选，采用型号为E3Z-T61A欧姆龙对射型光电开关测量距离大于2米，用于测距信息采样的触发信号。
综上可知，该系统基于飞行时间法测距技术获取目标的单点距离信息，然后使用激光扫描技术对包裹进行快速体积扫描，以截面扫描的方式获取目标单个截面的测距数据，横向采集的同时对目标进行纵向间隔采样，可获取目标整体的高度点云信息，进而通过体积算法获得分拣线上包裹体积及尺寸。
针对当前的3m/s分拣线上高度、宽度小于1m的包裹，该系统横向采样精度为3.5mm，纵向采样精度为3mm，综合考虑测距、算法等误差，该系统的尺寸测量精度满足±10mm精度要求，与现有红外光幕测量、3D相机及双目视觉等方案相比其测量精度及响应速度指标具有明显的优势。
本发明相对于现有技术至少具有如下有益效果：
(1)在本发明中，采用十面体旋转棱镜用于实现点状光源的线扫描，当电机转速为6000r/min时，对于3m/s运行的传送带其包裹运动方向的采样间隔可达3mm，测量精度较高。
(2)在本发明中，通过时间—数字转换器TDC-GPX2测量出光及回光时间间隔，综合考虑PIN和APD电路时间提取误差，综合时间测量误差小于25ps，标定后系统测距误差小于7.5mm。
(3)在本发明中，采用SICK公司3600线的增量型编码器，其测量光线与铅垂线的夹角测量误差小于0.1°，当光线以2m的半径扫描时，其最大的线扫描间隔为3.5mm。
(4)在本发明中，由于采用测距结合光线角度的包裹尺寸及体积测量方法，既适合测量规则的长方体包裹，同时也适合用于测量不规则的包裹。
(5)本发明尤其适用于测量高速分拣线上非规则物体的长宽高尺寸及体积。
需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种高精度在线体积测量系统，其特征在于包括：半导体激光器、整形镜组、偏振分光镜、接收镜头、APD探测器组件、四分之一波片、PIN光电二极管、滤光片、电机、联轴器、十面体旋转棱镜、轴承及支架、第一增量编码器和第二增量编码器；电机通过联轴器及轴承及支架驱动旋转棱镜进行匀速转动；第一增量编码器与旋转棱镜的转动轴相连，用于测量旋转棱镜转动时棱镜反射光线与铅垂线的夹角；第二增量编码器与传送带接触以测量待测物体的运行速度；半导体激光器发射的窄脉冲激光经过整形镜组准直后射入偏振分光镜得到偏振光，偏振光经过四分之一波片后变为圆偏振光，圆偏振光经滤光片入射旋转棱镜，部分反射光进入PIN光电二极管得到窄脉冲激光发射时间；窄脉冲激光经待测物体表面反射及散射后部分反射及散射光经旋转棱镜反射至APD探测器组件用于获取返回光时间。
2.根据权利要求1所述的高精度在线体积测量系统，其特征在于还包括光电开关用于发送测距信息采样的触发信号。
3.根据权利要求1或2所述的高精度在线体积测量系统，其特征在于还包括电控模块以控制高精度在线体积测量系统的所有电气模块。
4.根据权利要求1或2所述的高精度在线体积测量系统，其特征在于，第二增量编码器通过导轮与传送带接触。
5.根据权利要求1或2所述的高精度在线体积测量系统，其特征在于，导轮的周长为100mm。
6.根据权利要求1或2所述的高精度在线体积测量系统，其特征在于，半导体激光器是激光二极管。
7.根据权利要求1或2所述的高精度在线体积测量系统，其特征在于，旋转棱镜是十面体旋转棱镜。
8.根据权利要求1或2所述的高精度在线体积测量系统，其特征在于，十面体旋转棱镜的扫描光线角度范围为72°。
9.根据权利要求1或2所述的高精度在线体积测量系统，其特征在于，第一增量编码器是3600线的增量型编码器。
10.根据权利要求1或2所述的高精度在线体积测量系统，其特征在于，第二增量编码器是2048线编码器。
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