CN113358052A - 一种快递尺寸测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种快递尺寸测量装置及方法，解决现有技术中难以快速对物流件大小进行测量的问题，技术方案：包括：载物台，所述载物台侧部设置有固定竖杆，所述固定竖杆顶部设置有保护壳，所述保护壳内设置有相机、激光器，所述激光器发出红色激光面、绿色激光面、蓝色激光面；所述红色激光面、绿色激光面由激光器发出后不相交且发射之间形成的角度θ₀范围15°～30°，所述蓝色激光面由激光器发出后与红色激光面、绿色激光面相交，所述的上述测量装置配合测量方法使用，测量方法包括系统参数标定方法和测量方法，参数标定方法用于标定系统参数，测量方法使用系统参数测量快递盒尺寸。主要用于快递物件测量，使用快捷，工作效率高。

Description

一种快递尺寸测量装置及方法

技术领域

本发明涉及快递测量领域，特别涉及一种快递尺寸测量装置及方法

背景技术

现有的物流领域向着智能物流发展，特别是对物流物件的大小进行测量，根据智能装置将物件根据大小进行不同装载及放置在快递箱内。目前存在的缺陷是：现有的物流件大多通过人工感觉物件大小进行快递箱内放置或装运，存在视觉误差，工作效率低的问题。市场也存在测量物流件大小的装置，主要是设计使用工具，依然需要人工操作，且测量结果不准确，难以获得精准数据，如中国专利公开号：CN111921871A，专利名称：一种根据快递柜进行快递盒子分类处理装置，存在的缺陷是：需要将不同的快递盒子放到指定位置进行尺寸的测量，需要压缩快递盒的拐角，工作效率差，容易造成物件的损坏。

发明内容

本发明目的是提供一种快递尺寸测量装置及方法，该方法可实现全自动非接触测量，解决现有技术无法快速自动化实现对物流件大小进行测量的问题，技术效果：可实现全自动非接触测量，使用快捷，测量精度高，可达亚毫米级：

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种交叉色分三线结构光测量装置结构，包括：载物台，所述载物台侧部设置有固定竖杆，所述固定竖杆顶部设置有保护壳，所述保护壳内设置有相机、激光器，所述激光器发出红色激光面、绿色激光面、蓝色激光面；所述红色激光面、绿色激光面由激光器发出后不相交且发射之间形成的角度θ₀范围15°～30°，所述蓝色激光面由激光器发出后与红色激光面、绿色激光面相交且相交后面之间形成的夹角θ₁范围是75°～90°。

进一步，所述保护壳通过设有的固定横杆与固定竖杆连接，所述固定横杆底部还设置有固定连杆，所述固定连杆与保护壳上部面连接，所述保护壳是透明材质，所述载物台上用于放置有长方体快递盒。

进一步，包括：交叉色分三线结构光模型，所述交叉色分三线结构光模型包括：摄像机模型、三激光平面模型。

进一步，所述的摄像机模型采用小孔成像模型，内参数表示为A＝[α,β, μ₀；0,γ,ν₀；0,0,1；]，其中α和γ反映像素空间x和y方向上的比例参数，β反映x和y轴的方向夹角参数，μ₀和ν₀为光轴与感光面的交点坐标，一次和二次径向畸变参数为s₁和s₂，所述的三激光平面模型方程表示为：

采用向量方式表示激光平面方程分别为

和

摄像机坐标系X_c点的齐次坐标X_c'(x_c,y_c,z_c,1)^T在光平面上的表示为：

进一步，所述的三线结构光模型表示为如下数学式：

其中q'为像素坐标系下的激光点齐次坐标，X'_c为对应摄像机坐标系下的三维齐次坐标，本系统模型参数包括相机内参数A，畸变参数s₁和s₂，三色激光平面参数φ_r,φ_g和φ_b。

进一步，系统参数标定采用如下步骤；

步骤1：将棋盘格放置于相机视野内，采集不少于3幅棋盘格图像和带激光条图像；步骤2：利用不同位姿下的棋盘格靶标图像，使用张正友方法标定摄像机参数，包括内参数A，畸变参数s₁和s₂，同时可获得每个位姿下的外参数，外参数包括摄像机坐标系相对于棋盘格平面坐标系的旋转矩阵R和平移向量t；步骤3：根据摄像机参数和各位姿下的外参数，以及激光条上特征点的信息，标定激光平面方程φ_r,φ_g和φ_b。

进一步，所述标定步骤1中，红绿蓝激光面上的特征点均位于标定平面上，各红绿蓝特征点的三维坐标值X_j,i(x_j,i,y_j,i,z_j,i)^T,i＝r,g,b，j＝1,2,…，数学关系如下：

其中X_j,i表示第j个位姿下i(红绿蓝)激光条上点在摄像机坐标系坐标，q'_j,i为激光点在相应的图像坐标系上畸变校正后的齐次坐标；所述步骤3中，每个位姿下，每条激光取不少于m个三维坐标，使用最小二乘法拟合激光平面方程参数φ_r,φ_g和φ_b。

进一步，采用图像处理的方法，分别提取图像中的红绿蓝颜色目标，而后使用灰度重心法、几何中心法等方法提取光条中心点，光条中心点即为特征点，将激光特征点根据系统模型进行变换，得到在摄像机坐标系的三维坐标。

进一步，获取快递盒高度z，各条激光面上深度最大的n个点的平均值记为 z_i,d和深度最小的n个点的平均值记为z_i,x，获得快递盒高度为D_z＝(z_r,d+z_g,d+z_b,d- z_r,x-z_g,x-z_bx)/3。

进一步，获取快递盒长D_x和宽D_y，通过激光条纹的6个断裂点，红光与快递盒相交的两个断裂点分别记为P₀和P₁，绿光的两个点中，距离P₀欧氏距离近的点为P₂，剩余为P₃，蓝光的两个点，距离P₀欧氏距离近的点为P₄，剩余为P₅。计算P₀P₁的欧氏距离d₀：

其中P₀和P₁在摄像机坐标系下的三维坐标分别为(x_p0,y_p0,z_p0)^T和(x_p1,y_p1,z_p1)^T。P₀P₁与P₀P₂夹角余弦绝对值为：

其中n₁＝(x_p1-x_p0,y_p1-y_p0,z_p1-z_p0)为P₀P₁的方向向量，|n₁|表示n₁的模，同理，n₂为P₀P₂的方向向量，|n₂|表示n₂的模，则长方体快递盒的宽BC长度D_y表示为

计算P₀P₅与P₀P₂夹角余弦绝对值为cosα₁，P₀P₄与P₀P₂夹角余弦绝对值为cosα₂，P₀P₄和P₀P₅的欧式距离分别为d₁和d₂，则长方体快递盒的长AB长度D_x表示为D_x＝d₁cosα₁+d₂cosα₂。

有益效果：本发明与现有技术区别在于：根据本装置的激光器发出的红色激光面、绿色激光面、蓝色激光面结构结合相机及外部计算设备对本快递盒进行详细的测量。

附图说明

图1为系统装置框图；

图2为算法工作流程图；

图3为快递盒长宽测量示意图；

附图标记：载物台01、长方体快递盒02、激光器41、红色激光面42、绿色激光面43、蓝色激光面44、固定竖杆11、固定横杆12、保护壳14、计算机 21、激光器41、闭合激光器开关23。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

具体实现包括：基于交叉色分三线结构光测量装置结构

如图1所示，长方体快递盒02放置在载物台01上，激光器41可发射出红色激光面42，绿色激光面43和蓝色激光面44对载物台01进行投射，使红色激光面和绿色激光面之间的夹角不大于θ₀，所述θ₀由工程人员确定取值范围 15°～30°，作用是：使两激光平面与同一平面的交线基本平行，蓝色激光面与红绿激光面夹角为θ₁，所述θ₁由工程人员确定取值范围75°～90°，作用是：使红、绿激光面与长方体快递盒02同一面的平行交线间不存在长方体快递盒02 的顶点，载物台01一边缘连接固定竖杆11，连接方式优选用螺栓固定连接，固定竖杆11连接固定横杆12，连接方式优选螺栓固定连接，便于使用，固定横杆 12连接固定连杆13，连接方式优选用螺栓固定连接，便于安装使用，所述固定连杆13连接保护壳14，所述保护壳14内放置相机31、激光器41，保护壳下边缘为透明材质，便于激光通过和相机取像，所述相机31、激光器41通过连接线或无线与计算机21连接，作用是便于数据传输。

如图1-3所示：基于交叉色分三线结构光的快递盒尺寸测量方法，测量系统工作流程如图2所示，系统载入标定参数后，将待测量快递盒放置在载物台，闭合激光器开关23，闭合开关后延时0.1秒相机采集图像，算法计算快递盒尺寸，并输出测量结果。其中(1)系统参数的标定方法和(2)三维尺寸测量方法分别如下：

(1)系统参数标定方法中包括系统建模和标定算法

①系统建模，如图1所示，交叉色分三线结构光模型包括摄像机模型和三激光平面模型，摄像机模型采用小孔成像模型，内参数表示为A＝[α,β,μ₀； 0,γ,ν₀；0,0,1；]，其中α和γ反映像素空间x和y方向上的比例参数，β反映x和y轴的方向夹角参数，μ₀和ν₀为光轴与感光面的交点坐标，一次和二次径向畸变参数为s₁和s₂。内参数模型确立后，相机像素平面齐次坐标点 q'(μ,ν,1)^T与摄像机坐标系坐标X_c(x_c,y_c,z_c)^T的映射关系为：

X_c＝z_cA^-1q' (1)

依据摄像机模型，像素坐标系中的点可反推出摄像机坐标系下深度信息z_c未知的三维坐标，三激光平面在摄像机坐标系的方程分别为：

采用向量方式表示激光平面方程分别为

和

则摄像机坐标系X_c点的齐次坐标X_c'(x_c,y_c,z_c,1)^T在光平面上的表示为：

综合摄像机模型与激光平面方程，可得像素坐标系下的激光点q(μ,ν,)^T在摄像机坐标系下的三维坐标X_c(x_c,y_c,z_c)^T，数学表示为：

基于上述模型，本系统参数包括相机内参数A，畸变参数s₁和s₂，红绿蓝激光平面参数φ_r,φ_g和φ_b。

②标定算法，给出一种基于平面棋盘格的系统参数标定方法如下：

Step1：将棋盘格放置于相机视野内，采集不少于3幅棋盘格图像和带激光条图像，为保证测量精度，实际标定中使用不少于10个位姿下的棋盘格图像和不少于5幅带激光条图像。棋盘格尺寸由工程人员根据视野范围和固定竖杆11 长度综合确定，典型的，可采用5mm*5mm棋盘格。

Step2：利用不同位姿下的棋盘格靶标图像，使用张正友方法标定摄像机参数，包括内参数A，畸变参数s₁和s₂，同时可获得每个位姿下的外参数，外参数包括摄像机坐标系相对于棋盘格平面坐标系的旋转矩阵R和平移向量t。

Step3：根据摄像机参数和各位姿下的外参数，以及激光条上特征点的信息，标定激光平面方程φ_r,φ_g和φ_b。标定平面在棋盘格平面坐标系的方程表示为

则棋盘格平面变换到摄像机坐标系的平面方程

变换关系为：

其中j代表不同位姿，T'＝[R,t；0,1；]。

红绿蓝激光面上的特征点均位于该平面上，可得各红绿蓝特征点的三维坐标值X_j,i(x_j,i,y_j,i,z_j,i)^T,i＝r,g,b，j＝1,2,…，数学关系如下：

其中X_j,i表示第j个位姿下i(红绿蓝)激光条上点在摄像机坐标系坐标，q'_j,i为激光点在相应的图像坐标系上畸变校正后的齐次坐标。

在每个位姿下，每条激光取不少于m个三维坐标，使用最小二乘法拟合激光平面方程参数φ_r,φ_g和φ_b。

(2)三维尺寸测量方法步骤如下：

①采用图像处理的方法，分别获得红绿蓝激光面的特征点坐标。由于使用红绿蓝激光面，可分别提取图像中的红绿蓝颜色目标，而后使用灰度重心法、几何中心法等方法提取光条中心点，光条中心点即为系列特征点。

②根据公式(4)将激光特征点变换，得到特征点在摄像机坐标系的三维坐标。

③获取快递盒高度z。判断各条激光面上深度最大的n点的平均值记为z_i,d和深度最小的n个点的平均值记为z_i,x。，获得快递盒高度为D_z＝(z_r,d+z_g,d +z_b,d-z_r,x--z_g,x-z_bx)/3。

④获取快递盒长D_x和宽D_y。找到激光条纹的6个断裂点，红光与快递盒相交的两个断裂点分别记为P₀和P₁，绿光的两个点中，距离P₀欧氏距离近的点为 P₂，剩余为P₃，蓝光的两个点，距离P₀欧氏距离近的点为P₄，剩余为P₅。计算 P₀P₁的欧氏距离d₀：

其中P₀和P₁在摄像机坐标系下的三维坐标分别为(x_p0,y_p0,z_p0)^T和(x_p1,y_p1,z_p1)^T。P₀P₁与P₀P₂夹角余弦绝对值为：

其中n₁＝(x_p1-x_p0,y_p1-y_p0,z_p1-z_p0)为P₀P₁的方向向量，|n₁|表示n₁的模，同理，n₂为P₀P₂的方向向量，|n₂|表示n₂的模。则长方体快递盒的宽BC长度D_y表示为：

计算P₀P₅与P₀P₂夹角余弦绝对值为cosα₁，P₀P₄与P₀P₂夹角余弦绝对值为 cosα₂，P₀P₄和P₀P₅的欧式距离分别为d₁和d₂，则长方体快递盒的长AB长度D_x表示为：

D_x＝d₁cosα₁+d₂cosα₂ (10)。

测量出的数据通过外部计算显示设备可视化，作用是便于将测量后的快递物件放置在适应的快递柜内，提高工作效率。

在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位。

在本发明中术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接；可以是直接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，可以是一个或者更多个该特征，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明不限于上述具体实施方式，所有不脱离本方案结构和作用的变化均在本发明保护范围内。

Claims (10)

1.一种交叉色分三线结构光测量装置结构，其特征在于：包括：载物台(01)，所述载物台(01)侧部设置有固定竖杆(11)，所述固定竖杆(11)顶部设置有保护壳(14)，所述保护壳(14)内设置有相机(31)、激光器(41)，所述激光器(41)发出红色激光面(42)、绿色激光面(43)、蓝色激光面(44)；所述红色激光面(42)、绿色激光面由激光器(41)发出后不相交且发射之间形成的角度θ₀范围15°～30°，所述蓝色激光面(44)由激光器(41)发出后与红色激光面42、绿色激光面43相交且相交后面之间形成的夹角θ₁范围是75°～90°。

2.根据权利要求1所述的一种交叉色分三线结构光测量装置结构，其特征在于：所述保护壳(14)通过设有的固定横杆(12)与固定竖杆(11)连接，所述固定横杆(12)底部还设置有固定连杆(13)，所述固定连杆(13)与保护壳(14)上部面连接，所述保护壳(14)是透明材质，所述载物台(01)上用于放置长方体快递盒(02)。

3.一种根据权利要求2交叉色分三线结构光的快递盒尺寸测量方法，其特征在于：包括：交叉色分三线结构光模型，所述交叉色分三线结构光模型包括：摄像机模型、三激光平面模型。

4.根据权利要求3所述的一种交叉色分三线结构光的快递盒尺寸测量方法，其特征在于：所述的摄像机模型采用小孔成像模型，内参数表示为A＝[α,β,μ₀；0,γ,ν₀；0,0,1；]，其中α和γ反映像素空间x和y方向上的比例参数，β反映x和y轴的方向夹角参数，μ₀和ν₀为光轴与感光面的交点坐标，一次和二次径向畸变参数为s₁和s₂，所述的三激光平面模型方程表示为：

采用向量方式表示激光平面方程分别为

和

摄像机坐标系X_c点的齐次坐标X_c'(x_c,y_c,z_c,1)^T在光平面上的表示为：

5.根据权利要求4所述的一种交叉色分三线结构光的快递盒尺寸测量方法，其特征在于：所述的三线结构光模型表示为如下数学式：

其中q'为像素坐标系下的激光点齐次坐标，X'_c为对应摄像机坐标系下的三维齐次坐标，本系统模型参数包括相机内参数A，畸变参数s₁和s₂，三色激光平面参数φ_r,φ_g和φ_b。

6.根据权利要求5所述的一种交叉色分三线结构光的快递盒尺寸测量方法，其特征在于：系统参数标定采用如下步骤；

步骤1：将棋盘格放置于相机视野内，采集不少于3幅棋盘格图像和带激光条图像；

步骤2：利用不同位姿下的棋盘格靶标图像，使用张正友方法标定摄像机参数，包括内参数A，畸变参数s₁和s₂，同时可获得每个位姿下的外参数，外参数包括摄像机坐标系相对于棋盘格平面坐标系的旋转矩阵R和平移向量t；

步骤3：根据摄像机参数和各位姿下的外参数，以及激光条上特征点的信息，标定激光平面方程φ_r,φ_g和φ_b。

7.根据权利要求6所述的一种交叉色分三线结构光的快递盒尺寸测量方法，其特征在于：所述标定步骤1中，红绿蓝激光面上的特征点均位于标定平面上，各红绿蓝特征点的三维坐标值X_j,i(x_j,i,y_j,i,z_j,i)^T,i＝r,g,b，j＝1,2,…，数学关系如下：

其中X_j,i表示第j个位姿下i(红绿蓝)激光条上点在摄像机坐标系坐标，q'_j,i为激光点在相应的图像坐标系上畸变校正后的齐次坐标；所述步骤3中，每个位姿下，每条激光取不少于m个三维坐标，使用最小二乘法拟合激光平面方程参数φ_r,φ_g和φ_b。

8.根据权利要求7所述的一种交叉色分三线结构光的快递盒尺寸测量方法，其特征在于：采用图像处理的方法，分别提取图像中的红绿蓝颜色目标，而后使用灰度重心法、几何中心法等方法提取光条中心点，光条中心点即为特征点，将激光特征点根据系统模型进行变换，得到在摄像机坐标系的三维坐标。

9.根据权利要求8所述的一种交叉色分三线结构光的快递盒尺寸测量方法，其特征在于：获取快递盒高度z，各条激光面上深度最大的n个点的平均值记为z_i,d和深度最小的n个点的平均值记为z_i,x，获得快递盒高度为D_z＝(z_r,d+z_g,d+z_b,d-z_r,x-z_g,x-z_bx)/3。

10.根据权利要求9所述的一种交叉色分三线结构光的快递盒尺寸测量方法，其特征在于：获取快递盒长D_x和宽D_y，通过激光条纹的6个断裂点，红光与快递盒相交的两个断裂点分别记为P₀和P₁，绿光的两个点中，距离P₀欧氏距离近的点为P₂，剩余为P₃，蓝光的两个点，距离P₀欧氏距离近的点为P₄，剩余为P₅。计算P₀P₁的欧氏距离d₀：

其中P₀和P₁在摄像机坐标系下的三维坐标分别为(x_p0,y_p0,z_p0)^T和(x_p1,y_p1,z_p1)^T。P₀P₁与P₀P₂夹角余弦绝对值为

其中n₁＝(x_p1-x_p0,y_p1-y_p0,z_p1-z_p0)为P₀P₁的方向向量，|n₁|表示n₁的模，同理，n₂为P₀P₂的方向向量，|n₂|表示n₂的模，则长方体快递盒的宽BC长度D_y表示为

计算P₀P₅与P₀P₂夹角余弦绝对值为cosα₁，P₀P₄与P₀P₂夹角余弦绝对值为cosα₂，P₀P₄和P₀P₅的欧式距离分别为d₁和d₂，则长方体快递盒的长AB长度D_x表示为D_x＝d₁cosα₁+d₂cosα₂。

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