CN112229478A - 一种料堆作业过程中高度变化的监测方法及系统 - Google Patents

一种料堆作业过程中高度变化的监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种料堆作业过程中高度变化的监测方法及系统，所述方法包括：从料堆的垂直正上方采集容纳所述料堆的料场的基准平面图像，并确定所述基准平面图像像素距离与预先测定的料场形状数据之间的距离比例关系；测量待发射激光束与垂直方向的发射角度；发射激光束照射至料堆作业初始状态的表面，同时采集料场初始状态对应的第一平面图像，并记录所述第一平面图像中激光点所在的第一像素位置；发射激光束照射至料堆作业后的表面，同时采集料场此时对应的第二平面图像，并记录所述第二平面图像中激光点所在的第二像素位置；根据所述距离比例关系、所述发射角度、所述第一像素位置、所述第二像素位置来计算料堆作业过程中高度变化。

Description

一种料堆作业过程中高度变化的监测方法及系统
技术领域
本发明涉及图像识别技术领域，尤其是涉及一种料堆作业过程中高度变化的监测方法及系统。
背景技术
在一些生产、加工等等作业过程中，通常离不开对某些原材料的处理过程。一般来说，这些原材料在生产加工的过程中，是放置在某些固定的容器或空间内，一般呈现为料堆的形式。
随着，生产自动化技术的发展，实时监测物料的量的变化已经成为必须。一般的，由于物料是放置在固定形状的容器或空间内，监测料堆在作业过程中的高度变化成为监测物量变化的一个重要参数，现有技术中，已经有多种监测料堆高度变化的技术被提出。
发明人在研究中发现，现有的料堆高度变化的常规监测方法，是依赖雷达或激光料位计，其监测的数据准确度有限。现有技术中更为先进的技术是依赖激光扫描仪对料堆的轮廓进行扫描，进行三维数据采集，采集的数据通过网络传送给系统后台，由图像服务器进行三维成像和体积计算，并与原料系统的计量系统进行换算，但是这样的技术成本也比较高昂，系统也比较庞大。
由此，需要对现有技术进行改进，使得能够以较低的成本来实现系统，并且使得系统监测的高度变化数据的准确度较高。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种料堆作业过程中高度变化的监测方法及系统，能够以较低的技术成本实现对料堆高度变化的监测，并保证较高的监测数据准确度。
一种料堆作业过程中高度变化的监测方法，包括：
从料堆的垂直正上方采集容纳所述料堆的料场的基准平面图像，并确定所述基准平面图像像素距离与预先测定的料场形状数据之间的距离比例关系；
测量待发射激光束与垂直方向的发射角度；
发射激光束照射至料堆作业初始状态的表面，同时采集料场初始状态对应的第一平面图像，并记录所述第一平面图像中激光点所在的第一像素位置；
发射激光束照射至料堆作业后的表面，同时采集料场此时对应的第二平面图像，并记录所述第二平面图像中激光点所在的第二像素位置；
根据所述距离比例关系、所述发射角度、所述第一像素位置、所述第二像素位置来计算料堆作业过程中高度变化。
在一个实施例中，所述确定所述基准平面图像像素距离与预先测定的料场形状数据之间的距离比例关系的步骤，具体为：
预先测定所述料场的横向距离为X，预先测定所述料场的纵向距离为Y，所述基准平面图像的横向像素数为M，所述基准平面图像的纵向像素数为N，则所述距离比例关系为X/M以及Y/N。
在一个实施例中，所述根据所述距离比例关系、所述发射角度、所述第一像素位置、所述第二像素位置来计算料堆作业过程中高度变化的步骤，具体为：
依照公式
Figure BDA0002674489870000021
来计算料堆作业过程中高度变化，其中H为料堆作业过程中高度变化，Δm为第二像素位置相对于第一像素位置的横向像素点变化量，Δn为第二像素位置相对于第一像素位置的纵向像素点变化量，α为激光束与垂直方向的发射角度。
在一个实施例中，所述方法还包括：在料堆作业的前后状态多次调整激光束与垂直方向的发射角度α1、α2…αt，并计算得到每一发射角度对应的高度变化量H1、H2…Ht，最终料堆作业过程中高度变化H为H1、H2…Ht的加权平均，其中t≥2，为整数。
在一个实施例中，所述方法还包括：发射至少两束激光束，并计算每束激光束对应的高度变化，最终的料堆作业过程中高度变化为各束的高度变化的加权平均。
本发明还相应提供了一种料堆作业过程中高度变化的监测系统，所述系统包括图像采集器、角度仪、激光发生器以及服务器；
所述图像采集器，用于从料堆的垂直正上方采集容纳所述料堆的料场的基准平面图像，并将所述基准平面图像传输至所述服务器，以供所述服务器确定所述基准平面图像像素距离与预先测定的料场形状数据之间的距离比例关系；
所述角度仪，用于测量所述激光发生器的待发射激光束与垂直方向的发射角度；
所述激光发生器，用于发射激光束照射至料堆作业初始状态的表面；所述图像采集器，用于采集料场初始状态对应的第一平面图像，以供所述服务器记录所述第一平面图像中激光点所在的第一像素位置；
所述激光发生器，用于发射激光束照射至料堆作业后的表面；所述图像采集器，用于采集料场此时对应的第二平面图像，以供所述服务器记录所述第二平面图像中激光点所在的第二像素位置；
所述服务器，还用于根据所述距离比例关系、所述发射角度、所述第一像素位置、所述第二像素位置来计算料堆作业过程中高度变化。
在一个实施例中，所述系统还包括可多次调整发射角度的驱动装置。
在一个实施例中，所述系统中设置有至少两个图像采集器。
本发明实施例提供的料堆作业过程中高度变化的监测方法及系统，是综合运用了激光、图像和网络运算技术，相比于现有的单纯依赖雷达和激光技术来测定料堆高度变化的技术提高了数据测量的准确度和置信度，而其运用的图像和网络运算计算，也并没有使用三维建模、三维运算等计算，相比于现有技术也就节省了技术成本。
附图说明
图1是本发明一个实施例中的料堆作业过程中高度变化的监测系统的结构示意图；
图2是本发明一个实施例中的基准平面图像的示意图；
图3a和图3b是本发明一个实施例中计算料堆作业过程中高度变化的原理示意图；
图4是本发明一个实施例中料堆作业过程中高度变化的监测方法的流程示意图；
其中，1：高清摄像机；2：角度仪；3：激光发生器；4：服务器；5、激光云台。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，在本发明的一个实施例中提供了一种料堆作业过程中高度变化的监测系统(在本发明实施例中简称为系统)示意图。在本实施例中，所述的系统至少包括图像采集器1、角度仪2、激光发生器3以及服务器4。在本实施例中，图像采集器以高清摄像机1来作为示例。
下面以图1的场景来详细说明系统的工作原理。
首先由人为预先测定容纳料堆的料场的形状数据，得到横向长度为X，纵向长度为Y，当然，料场的形状还不仅仅可以为矩形，也可以是其它形状，如圆形，然而后续用高清摄像机的采集的图形一般是矩形图片，故需要测定的是料场的横向和纵向距离。在本实施例中，需要预先将测定的料场形状数据存入服务器。
在图1的场景中，利用高清摄像机1从料场的上方进行拍摄，以采集基准平面图像，同样存入服务器，并与预先测定的料场形状数据形成比例式的网络，如图2示意，具体的，预先测定料场的横向距离为X，预先测定料场的纵向距离为Y，基准平面图像的横向像素数为M，基准平面图像的纵向像素数为N，则距离比例关系为X/M以及Y/N，表示单格像素横向和纵向变化对应的实际距离。
在图1的应用场景中，进一步用角度仪2测定激光发生器3待发射激光的发射角度，容易理解，最终所测定的高度变化是与激光的发射角度是密切相关的，在图1的实施例中，既可以保持发射角度固定在一个数值上，也可以多次调整发射角度，如果在图1的实施例中需要调整发射角度，系统中应当需要包括可以调整激光发生器3方向的驱动装置，如图1中，驱动装置可以但不限于是激光云台4，激光云台4中包括必要的部件，如驱动马达、旋转轴承等，可以使得激光发生器按照多个旋转轴进行旋转，以最终实现多方位的发射方向。
在图1的应用场景中，实线绘出的料堆为初始状态，打开激光发生器3，发射激光束至料堆，在其上表面形成光点1，同时由高清摄像机1采集水平图像，得到第一平面图像，由服务器获取到光点所在的第一像素点。
同理，在图1中，虚线绘出的为作业后的料堆，同样由激光发生器3射出激光，得到光点2，同样由高清摄像机1采集水平图像，得到第二平面图像，由服务器获取到光点所在的第二像素点。
图3a和图3b为服务器计算高度变化的原理示意图。在图3a和图3b的场景中，为了简化，高清摄像头、激光发生器的相对位置已经调整至一个特殊相对关系，随着光点的变化，其像素点的横向坐标会产生变化，而纵向坐标却并不会变化。由像素点变化对应的实际距离L，角度仪测定的角度值α，可以算出H＝L/Tanα。对于一般的，尤其是激光发生器的发射方向和发射角度可以多次调整的应用场景下，计算高度变化的公式为：
Figure BDA0002674489870000051
其中H为料堆作业过程中高度变化，Δm为第二像素位置相对于第一像素位置的横向像素点变化量，Δn为第二像素位置相对于第一像素位置的纵向像素点变化量，α为激光束与垂直方向的发射角度。
本发明进一步在图4的实施例中，提供一种料堆作业过程中高度变化的监测方法，具体包括：
401，从料堆的垂直正上方采集容纳所述料堆的料场的基准平面图像，并确定基准平面图像像素距离与预先测定的料场形状数据之间的距离比例关系；
402，测量待发射激光束与垂直方向的发射角度；
403，发射激光束照射至料堆作业初始状态的表面，同时采集料场初始状态对应的第一平面图像，并记录第一平面图像中激光点所在的第一像素位置；
404，发射激光束照射至料堆作业后的表面，同时采集料场此时对应的第二平面图像，并记录第二平面图像中激光点所在的第二像素位置；
405，根据距离比例关系、发射角度、第一像素位置、第二像素位置来计算料堆作业过程中高度变化。
具体的，在图4的方法实施例中，若预先测定料场的横向距离为X，预先测定料场的纵向距离为Y，基准平面图像的横向像素数为M，基准平面图像的纵向像素数为N，则距离比例关系为X/M以及Y/N。
更为具体的，本实施例依照公式
Figure BDA0002674489870000061
来计算料堆作业过程中高度变化，其中H为料堆作业过程中高度变化，Δm为第二像素位置相对于第一像素位置的横向像素点变化量，Δn为第二像素位置相对于第一像素位置的纵向像素点变化量，α为激光束与垂直方向的发射角度。
作为对图4实施例方法的扩展：可以在料堆作业的前后状态多次调整激光束与垂直方向的发射角度α1、α2…αt，并计算得到每一发射角度对应的高度变化量H1、H2…Ht，最终料堆作业过程中高度变化H为H1、H2…Ht的加权平均，其中t≥2，为整数。
再有的扩展还可以包括：发射至少两束激光束，并计算每束激光束对应的高度变化，最终的料堆作业过程中高度变化为各束的高度变化的加权平均。
上述本发明实施例提供的料堆作业过程中高度变化的监测方法及系统，是综合运用了激光、图像和网络运算技术，相比于现有的单纯依赖雷达和激光技术来测定料堆高度变化的技术提高了数据测量的准确度和置信度，而其运用的图像和网络运算计算，也并没有使用三维建模、三维运算等计算，相比于现有技术也就节省了技术成本。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种料堆作业过程中高度变化的监测方法，其特征在于，包括：
从料堆的垂直正上方采集容纳所述料堆的料场的基准平面图像，并确定所述基准平面图像像素距离与预先测定的料场形状数据之间的距离比例关系；
测量待发射激光束与垂直方向的发射角度；
发射激光束照射至料堆作业初始状态的表面，同时采集料场初始状态对应的第一平面图像，并记录所述第一平面图像中激光点所在的第一像素位置；
发射激光束照射至料堆作业后的表面，同时采集料场此时对应的第二平面图像，并记录所述第二平面图像中激光点所在的第二像素位置；
根据所述距离比例关系、所述发射角度、所述第一像素位置、所述第二像素位置来计算料堆作业过程中高度变化。
2.根据权利要求1所述的料堆作业过程中高度变化的监测方法，其特征在于，所述确定所述基准平面图像像素距离与预先测定的料场形状数据之间的距离比例关系的步骤，具体为：
预先测定所述料场的横向距离为X，预先测定所述料场的纵向距离为Y，所述基准平面图像的横向像素数为M，所述基准平面图像的纵向像素数为N，则所述距离比例关系为X/M以及Y/N。
3.根据权利要求2所述的料堆作业过程中高度变化的监测方法，其特征在于，所述根据所述距离比例关系、所述发射角度、所述第一像素位置、所述第二像素位置来计算料堆作业过程中高度变化的步骤，具体为：
依照公式
Figure FDA0002674489860000011
来计算料堆作业过程中高度变化，其中H为料堆作业过程中高度变化，Δm为第二像素位置相对于第一像素位置的横向像素点变化量，Δn为第二像素位置相对于第一像素位置的纵向像素点变化量，α为激光束与垂直方向的发射角度。
4.根据权利要求1所述的料堆作业过程中高度变化的监测方法，其特征在于，所述方法还包括：在料堆作业的前后状态多次调整激光束与垂直方向的发射角度α1、α2…αt，并计算得到每一发射角度对应的高度变化量H1、H2…Ht，最终料堆作业过程中高度变化H为H1、H2…Ht的加权平均，其中t≥2，为整数。
5.根据权利要求1所述的料堆作业过程中高度变化的监测方法，其特征在于，所述方法还包括：发射至少两束激光束，并计算每束激光束对应的高度变化，最终的料堆作业过程中高度变化为各束的高度变化的加权平均。
6.一种料堆作业过程中高度变化的监测系统，其特征在于，包括图像采集器、角度仪、激光发生器以及服务器；
所述图像采集器，用于从料堆的垂直正上方采集容纳所述料堆的料场的基准平面图像，并将所述基准平面图像传输至所述服务器，以供所述服务器确定所述基准平面图像像素距离与预先测定的料场形状数据之间的距离比例关系；
所述角度仪，用于测量所述激光发生器的待发射激光束与垂直方向的发射角度；
所述激光发生器，用于发射激光束照射至料堆作业初始状态的表面；所述图像采集器，用于采集料场初始状态对应的第一平面图像，以供所述服务器记录所述第一平面图像中激光点所在的第一像素位置；
所述激光发生器，用于发射激光束照射至料堆作业后的表面；所述图像采集器，用于采集料场此时对应的第二平面图像，以供所述服务器记录所述第二平面图像中激光点所在的第二像素位置；
所述服务器，还用于根据所述距离比例关系、所述发射角度、所述第一像素位置、所述第二像素位置来计算料堆作业过程中高度变化。
7.根据权利要求6所述的料堆作业过程中高度变化的监测系统，其特征在于，所述系统还包括可多次调整发射角度的驱动装置。
8.根据权利要求6所述的料堆作业过程中高度变化的监测系统，其特征在于，所述系统中设置有至少两个图像采集器。
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