CN117730266A - 用于跟踪传送物体的系统 - Google Patents

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Abstract

一种跟踪系统，其使用诸如激光雷达传感器的测距仪来跟踪在带式传送机上传送的物体。测距仪产生在包含传送机的一部分的视场中的深度帧。深度帧包括像素阵列，其值表示从测距仪到视场中的反射表面的距离。物体的矩形反射表面被识别并且其尺寸和质心被计算使得可以逐帧跟踪物体。物体的轨迹角θi被计算并存储在跟踪缓冲器阵列中。常规平滑技术可用于将分段线性轨迹(30)转换为平滑曲线轨迹。如果正在传送带上传送物体且不在传送带表面上滑移，则其在x方向上的速度分量vx可用作传送带的速度的估计值。可以逐帧跟踪物体的定向以揭示传送带是否正改变物体相对于传送方向的定向。

Description

用于跟踪传送物体的系统
背景
本发明大体上涉及动力驱动的传送机，且更具体地，涉及使用测距仪来识别和跟踪传送物体。
光学装置常常用于识别和跟踪传送机上传送的物体。但光学检测的效力取决于对物体的照明。微弱或太亮的照明可能会降低性能。
概述
一种体现本发明的特征的跟踪系统包括：传送机，其在传送表面上在传送方向上传送物体；以及测距仪，其安置于传送机上方且扫描涵盖传送机的一部分的视场。测距仪以预定重复率捕获由像素阵列构成的深度帧，其值指示从测距仪到视场内的物体的距离。处理系统执行程序指令以：a)确定每一个物体上的选定跟踪点在传送机上的位置；b)逐深度帧跟踪每一个物体的选定点以绘制沿着传送机的每一个物体的轨迹；以及c)依据所述轨迹确定物体的一个或更多个运动特性。
一种用于跟踪物体的方法包括：(1)在传送机的传送表面上在传送方向上传送物体；(2)利用测距仪捕获由像素阵列构成的深度帧，其值指示从测距仪到涵盖传送机的一部分的视场中的物体的距离；由处理系统执行程序指令以：a)确定每一个物体上的选定跟踪点在传送机上的位置；b)逐深度帧跟踪每一个物体的选定跟踪点；c)根据深度帧绘制沿着传送机的每一个物体的轨迹；以及d)依据所述轨迹确定每一个物体的一个或更多个运动特性。
附图简述
图1是使用测距仪来识别和跟踪传送物体的跟踪系统的侧面正视图。
图2A和图2B是在两个不同时间图1的系统的俯视平面图。
图3是由图1的跟踪系统中的处理系统执行的一组示例性程序步骤的流程图。
图4是表示由图1的跟踪系统中的处理系统使用以存储传送物体的运动的特性的跟踪缓冲器的结构的表。
图5是由处理系统执行以计算传送物体的运动的特性并将其存储在图4的缓冲器中的程序步骤的流程图。
图6是正如图2A和图2B中的展示如何计算物体轨迹的顶部平面图。
详细描述
在图1中展示体现本发明的特征的跟踪系统。系统10包括：测距仪，例如激光雷达(Lidar)传感器12，其测量到目标的距离；以及可编程处理系统14，其可被实现为常规处理器和图形处理单元。飞行时间(TOF)传感器是另一合适的测距仪的实例，但激光雷达传感器将在整个描述中用作实例测距仪。激光雷达传感器12产生深度帧，每一深度帧由从传感器到传感器的视场22中的物体的距离或深度测量值的阵列组成。
激光雷达传感器12瞄准于例如带式传送机等传送机16的一部分，所述传送机在传送方向20中传送例如物体18、19等物体。如图2A和图2B中还指示，激光雷达传感器12中的激光器扫描覆盖传送机16的一部分的视场22。激光器以限定视场22的离散方向的图案导引激光的脉冲。由激光雷达传感器12检测到激光脉冲反射离开物体18、19的顶部。每一脉冲的传输与其反射的接收之间的间隔为双向飞行时间(TOF)，其与所述方向上激光雷达传感器12距反射表面的距离成比例。因此，激光雷达传感器的激光器的每一次扫描产生到视场22内的任何物体的距离或深度测量值的帧。并且，不同于RGB相机和其它需要适当照明的光学装置，深度测量激光雷达传感器12不需要照明。激光雷达传感器12经由通信链路或数据总线24(图1)将深度帧发送到可编程处理系统14。深度帧由二维(x和y)像素阵列组成，其值对应于覆盖视场22的距离或深度测量值。
在操作物体跟踪系统之前，测量从传感器12到传送机16的上部表面15的距离。还测量x和y两个方向上传感器的倾斜。可手动或自动地进行测量。测量值手动地输入或自动发送到可编程处理系统14。
在图3中展示描述编程到程序存储器中且由激光雷达传感器12中的处理器或由外部处理系统14执行的处理步骤的流程图，其适用于图1、图2A和图2B。流程图中展示的且由处理系统执行的编程步骤的序列以规则的重复率重复，所述规则的重复率足够快以跟上传送速度从而允许随着个别物体前进经过视场22而跟踪所述物体。
首先，激光雷达传感器12捕获覆盖视场22的深度帧。处理系统14校正每一像素处的测量值以通过使用测得的倾斜值补偿x和y两个方向上激光雷达传感器12的倾斜。基于测得的从传感器12到传送机16的顶部传送表面15的距离来设定深度阈值，以排除表示传送机和视场22内其它远离深度帧的结构的像素。剩余像素包含更靠近的结构，例如传送机顶上的物体。接下来，处理系统14找到限界框28(图2B)。此实例中使用的限界框28是矩形，其侧边平行于x和y方向。每一限界框28涵盖深度帧中的所有值都在预定范围内的邻接像素的群组。限界框包围深度帧中存在的传送机16上的物体的外边界。
为了找到限界框28，处理系统14首先通过在像素之间在深度帧上滑动结构化元素(structuring element)或内核(例如三乘三像素阵列)来腐蚀(erode)深度帧中的像素。在每一像素处，将阵列中的最小像素值指派到正腐蚀的像素。效果是减少了深度帧中的噪声“斑点”。在腐蚀深度帧之后，处理系统14接着通过使类似的内核滑动经过深度帧来膨胀像素。在膨胀时，将内核中的像素的最大值指派到正膨胀的像素。膨胀的效果是，闭合像素形状使得可更容易地找到外边界。
一旦找到深度帧中的物体的限界框28，处理系统14就找到限界框内物体的外边界且从物体的图像排除外边界与限界框之间的那些像素。处理系统14接着计算每一外边界内的所有像素的平均距离。接着将平均距离指派到外边界内(包含外边界上)的每一像素。所有像素被给定相等值，因为其表示朝向激光雷达传感器12的物体的顶面，且因此在物体具有平行的顶面和底面的情况下与传感器是等距的。并且相等值使顶面的质心的后续计算更准确。接着，可编程处理系统14自外边界确定视场内每一物体的大小、形状和定向。
参考图1针对定向成轴线处于x和y方向的矩形物体计算物体的大小。首先，确定含有物体19的顶面21的平面的长度(在x方向上；即，传送方向)和宽度(在y方向上；即，在平行于传送表面的平面的平面中，垂直于传送方向的横向方向)。举例来说，如图1中所示，平面的长度Px由下式给出：Px＝(B/2)tan(αx)，其中B是从激光雷达传感器12到物体19的顶面的平均距离，且αx是x方向上激光雷达传感器的最大掠角的一半。在y方向上针对平面的宽度进行类似的计算Py＝(B/2)tan(αy)，其中αy是y方向上激光雷达传感器的最大掠角的一半。由于激光雷达传感器的掠角的缘故，像素到像素距离随着距传感器的距离增加。因此，具有与较高物体相同的顶部表面积的较短物体呈现为较小，因为其跨越较少像素。
轴线平行于x和y方向的矩形物体19的尺寸(x方向上的长度L和y方向上的宽度W)确定如下：L＝Px·(沿着x方向上的线在x方向上位于外边界内的像素的数目)/(激光雷达传感器帧长度，以像素计)；以及W＝Py·(沿着x方向上的线在y方向上位于外边界内的像素的数目)/(激光雷达传感器帧宽度，以像素计)。沿着x或y方向上的线位于外边界内的像素的数目通过沿着深度帧的像素阵列的行或列位于外边界内的像素的数目来确定。对于相对于x和y方向倾斜定向的物体，例如物体18(图2A)，处理系统14依据外边界找到定向角且相应地计算长度和宽度。对于例如圆形、椭圆形或其它多边形物体等非矩形物体，使用相应几何关系来确定其尺寸。如果形状与可接受形状不匹配或者尺寸超出预定最大尺寸，则处理系统14任选地标记未辨识的或过大的物体条件，其可指示邻接或重叠的物体或者未经授权的物体。接着可采取补救措施。
一旦计算出深度帧中的个别物体的长度和宽度，处理系统接着就计算每一物体19的顶面的质心(CB，图2B)及其投影到传送机的表面上的位置。物体上除质心外的点可被选择作为跟踪点。举例来说，物体的隅角中的一个或者前导边界和主轴上的点可用作跟踪点。在以下描述中，质心用作示例性跟踪点。处理系统跟踪质心CB或每一物体19的其它选定点，方式是将其相对于当前帧的位置改变与质心(CA，图2A)或先前帧中的其它选定点的位置进行比较。以此方式，绘制每一物体沿着传送机的进程。帧到帧的物体位置保存在数据存储器中在针对每一个所识别物体专用的跟踪缓冲器阵列中。仅当质心的位置改变小于来自其在先前帧中的位置的像素的预定数目时，才更新每一物体的跟踪数据。如果质心的位置超出像素的预定数目，则相关联物体(18，图2B)被视为首次传送到视场中的物体，且其位置被输入到其专用跟踪缓冲器阵列中。所描述的过程以重复率针对接下来的帧重复。
在图4中展示传送物体的跟踪缓冲器阵列的实例。每一缓冲器由限定每一帧的阵列的宽度的指示物体的运动的各种特性的多达八个值组成：(1)x(传送方向上质心的坐标)；(2)y(横向方向上质心的坐标)；(3)vx(物体的速度的x分量)；(4)vy(物体的速度的y分量)；(5)ax(物体的加速度的x分量)；(6)ay(物体的加速度的y分量)；(7)a(物体的净加速度)；以及(8)θ(物体的轨迹角)。阵列的长度由待保存的帧的数目(N+1)设定。至少两个帧(N＝1)是必需的。缓冲器阵列可以是循环缓冲器阵列，其中通过使用模数N+1指针将最老条目替换为最新条目。
图5是表示程序存储器中由处理系统针对每一帧执行以跟踪每一物体的步骤的流程图。图6提供了三个连续深度帧中的物体的质心(由叉号指示)的位置的实例。图6中展示质心，其遵循在帧之间在x和y两个方向上改变的轨迹。此轨迹是分拣或对准传送机中将预期的轨迹，例如，在分拣或对准传送机中，物体在传送方向上传送的同时被横向地分流。
一旦已计算出质心，其x坐标xi和y坐标yi就存储在跟踪缓冲器阵列中，其中下标i指示当前深度帧。处理系统计算物体的速度的两个分量：vxi＝(xi-xi-1)/T和vyi＝(yi-yi-1)/T，其中下标i-1指代先前深度帧，且T为连续帧之间的间隔。计算的值vx和vy存储在缓冲器阵列中且用于计算加速度的两个分量：axi＝(vxi-vxi-1)/T和ayi＝(vyi-vyi-1)/T。那些值接着存储在跟踪缓冲器阵列中。处理系统接着计算净加速度或加速度的量值：净加速度ai接着存储在跟踪缓冲器阵列中。最后，计算物体的轨迹角，如图6中在几何学上展示：θi＝arctan(Δyi/Δxi)，其中Δyi＝yi-yi-1且Δxi＝xi-xi-1。轨迹角θi存储在跟踪缓冲器阵列中。低通数字滤波可应用于这些值中的一些或全部来减轻噪声的影响。经滤波值可添加到缓冲器阵列。并且所采用的数字滤波的种类-有限脉冲响应(FIR)或无限脉冲响应(IIR)-指示保持实现所要滤波所需的较旧值所必需的缓冲器阵列的长度(N-1)。常规平滑技术可用于将图6的分段线性轨迹30转换为平滑曲线轨迹。
如果正在传送带上传送物体且不在传送带的表面上滑移，则x方向上的其速度分量vx可用作传送带的速度的估计值。并且举例来说，可逐帧跟踪物体的定向以揭示传送带是否正改变物体相对于传送方向的定向。

Claims (18)

1.一种跟踪系统，其包括：
传送机，其在传送表面上在传送方向上传送物体；
测距仪，其安置于所述传送机上方，以预定重复率扫描涵盖所述传送机的一部分的视场以捕获由像素阵列构成的深度帧，其值指示从所述测距仪到所述视场内的物体的距离；
处理系统，其执行程序指令以：
a)确定所述物体中的每一个物体上的选定跟踪点在所述传送机上的位置；
b)逐深度帧跟踪所述物体中的每一个物体的所述选定跟踪点，以绘制沿着所述传送机的所述物体中的每一个物体的轨迹；以及
c)依据所述轨迹确定所述物体的一个或更多个运动特性。
2.根据权利要求1所述的跟踪系统，其中所述处理系统执行程序指令以针对所述测距仪相对于所述传送机的倾斜而补偿所述深度帧。
3.根据权利要求1所述的跟踪系统，其中所述处理系统执行程序指令以在确定所述物体的外边界之前腐蚀和膨胀每一深度帧中的像素。
4.根据权利要求1所述的跟踪系统，其中所述处理系统执行程序指令以设定所述传送表面上方的深度阈值，从而排除所述传送表面和距所述测距仪较远的结构在所述深度帧中出现。
5.根据权利要求1所述的跟踪系统，其中所述处理系统执行程序指令以确定值位于彼此的预定范围内的每一深度帧中的邻接像素的群组的外边界，且计算所述物体中的每一个物体的所述外边界内的所有像素的平均距离，并将此平均值指派到所述外边界内的所述像素中的每一个像素。
6.根据权利要求1所述的跟踪系统，其中所述处理系统执行程序指令以从所述深度帧确定从所述测距仪到所述物体中的每一个物体的顶面的距离，并计算所述物体中的每一个物体的长度和宽度。
7.根据权利要求6所述的跟踪系统，其中所述处理系统执行程序指令以：
a)将所述物体中的每一个物体的所述长度计算为以下二者的乘积：含有所述顶面的平面在所述传送方向上的长度，以及限定所述物体的顶部的长度的像素数目与所述传送方向上以像素计的深度帧长度的比率；以及
b)将所述物体中的每一个物体的所述宽度计算为以下二者的乘积：含有所述顶面的所述平面在垂直于所述传送方向的横向方向上的宽度，以及限定所述物体的顶部的宽度的像素数目与垂直于所述传送方向的以像素计的深度帧宽度的比率。
8.根据权利要求7所述的跟踪系统，其中所述处理系统执行程序指令以：
a)将含有所述物体的所述顶面的所述平面在所述传送方向上的长度Px计算为Px＝(B/2)tan(αx)，其中B是所述测距仪距所述物体的所述顶面的距离，且αx是所述传送方向上的所述测距仪的最大掠角的一半；以及
b)将含有所述物体的所述顶面的所述平面在所述传送方向上的长度Py计算为Py＝(B/2)tan(αy)，其中B是所述测距仪距所述物体的所述顶面的距离，且αy是所述横向方向上的所述测距仪的最大掠角的一半。
9.根据权利要求1所述的跟踪系统，其中所述处理系统执行程序指令以计算所述物体中的每一个物体的质心并将所述质心用作待跟踪的所述选定跟踪点。
10.根据权利要求1所述的跟踪系统，其中所述物体的所述一个或更多个运动特性选自由以下项组成的群组：所述传送方向上的物体速度或加速度的分量；垂直于所述传送方向的物体速度或加速度的分量；所述物体的净加速度；所述物体的轨迹角；以及所述物体的定向。
11.根据权利要求10所述的跟踪系统，其中所述传送机是传送带，且其中所述处理系统执行程序指令以依据所述传送方向上的物体速度的所述分量估计所述传送带的速度。
12.一种用于跟踪物体的方法，其包括：
在传送机的传送表面上在传送方向上传送物体；
利用测距仪捕获由像素阵列构成的深度帧，其值指示从所述测距仪到涵盖所述传送机的一部分的视场中的物体的距离；
由处理系统执行程序指令以：
a)确定所述物体中的每一个物体上的选定跟踪点在所述传送机上的位置；
b)逐深度帧跟踪所述物体中的每一个物体的所述选定跟踪点；
c)根据所述深度帧绘制沿着所述传送机的所述物体中的每一个物体的轨迹；
d)依据所述轨迹确定所述物体中的每一个物体的一个或更多个运动特性。
13.根据权利要求12所述的方法，其包括由所述处理系统执行程序指令以针对所述测距仪相对于所述传送机的倾斜而补偿所述深度帧。
14.根据权利要求12所述的方法，其包括由所述处理系统执行程序指令以在腐蚀和膨胀每一深度帧中的像素之后确定所述物体的外边界。
15.根据权利要求12所述的方法，其包括由所述处理系统执行程序指令以确定值位于彼此的预定范围内的每一深度帧中的邻接像素的群组的外边界，计算所述物体中的每一个物体的所述外边界内的所有像素的值的平均值，并将所述平均值指派到所述外边界内的所述像素中的每一个像素。
16.根据权利要求12所述的方法，其包括由处理系统执行程序指令以从所述深度帧确定从所述测距仪到所述物体中的每一个物体的顶面的距离，并计算所述物体中的每一个物体的长度和宽度。
17.根据权利要求12所述的方法，其包括由处理系统执行程序指令以计算所述物体中的每一个物体的质心并将所述质心用作所述选定跟踪点。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述物体的所述一个或更多个运动特性选自由以下项组成的群组：所述传送方向上的物体速度或加速度的分量；垂直于所述传送方向的物体速度或加速度的分量；所述物体的净加速度；所述物体的轨迹角；以及所述物体的定向。
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