CN208109016U - 无人机大宗货物体积在线测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无人机大宗货物体积在线测量系统，包括沿大宗货物上空飞行的无人机、对大宗货物表面扫描的激光扫描模块、无人机定位模块和上位机；其中，无人机定位模块包括设置在无人机的特定光源、对特定光源拍摄的双目摄像头、与双目摄像头连接的工控机，双目摄像头设置在相对大宗货物已知高度的位置；上位机与嵌入式设备和工控机连接。本实用新型采用无人机技术，相比于传统龙门取料机等设备不受场地限制，方便灵活，适应环境能力强，成本低廉；采用高精度激光雷达和双目摄像头进行数据采集，精度高、可靠性强，测量精度误差达到了正负百分之五以内，相比于其他测量方式更为精准。

Description

无人机大宗货物体积在线测量系统

技术领域

本实用新型涉及信息录入系统技术领域，更具体地说，本实用新型涉及一种无人机大宗货物体积在线测量系统。

背景技术

当前，大宗货物(煤堆，粮食堆等)的体积测量是现代化管理中的一个重要环节，快速、准确、简便地测量出大宗货物的体积对货物的管理、估值和交易具有重要意义和应用价值。目前，国内外大宗货物体积测量方法主要有基于超声波原理的大宗货物表面测距法、基于机器视觉(双目或多目)的大宗货物表面测距法、基于激光扫描技术的大宗货物表面测距法等。但是这些方法都具有一定的局限性。例如，超声波测距法中超声波测距距离较短，精度较低，易受干扰，无法真正实现大宗货物大面积测量的需求；机器视觉测量法图像处理数据量大，实时性差，难以在各类天气场合应用；激光测量法大多受限于地面固定大型设施(如龙门取料机)，在运输过程中需要大量的人、财力和场地。

因此，一种新型无人机搭载传感器对大宗货物进行三维扫描方法出现在人们的视野当中。例如，使用无人机搭载摄像头对大宗货物进行三维扫描绘图，用GPS对无人机进行定位，然后根据扫描和定位数据计算出货物体积，但是GPS定位精度尤其在垂直方向上的精度较差导致了最终体积测量结果有些许的偏差。

双目立体视觉测量方法具有效率高、精度高、系统结构简单的特点，已经在机械加工、印刷机械和大孔机械等领域使用，但是尚未见将无人机、激光雷达和双目视觉应用于大宗货物体积在线测量的报道。

因此，亟需设计一种无人机大宗货物体积在线测量系统以解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是解决至少上述缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，本实用新型提供一种无人机大宗货物体积在线测量系统，包括沿大宗货物上空飞行的无人机、对大宗货物表面扫描的激光扫描模块、无人机定位模块和上位机；无人机按照预先设定的轨道在大宗货物的上空飞行，安装在无人机上的激光扫描模块对大宗货物进行激光扫描，得到无人机相对大宗货物表面的距离和角度等这样的扫描数据，扫描数据传输到上位机；无人机定位模块对无人机进行定位，得到无人机的三维坐标等位置信息，位置信息传输到上位机，上位机对扫描数据和位置信息进行分析，根据设定的公式计算出货物的体积，并在屏幕显示出来。

其中，为了使得定位数据更加准确，所述无人机定位模块包括设置在无人机的特定光源、对特定光源拍摄的双目摄像头、与双目摄像头连接的工控机，所述双目摄像头设置在相对大宗货物已知高度的位置，比如双目摄像头与大宗货物同一水平面设置；所述上位机与嵌入式设备和工控机连接。根据视差原理或说双目视差成像原理，安装在无人机上的特定光源如红色的光源的光线射向双目摄像头，双目摄像头中的两个成像设备从不同的位置获取无人机上的特定光源的两幅图像，为了得到更纯净的光源图像，可以选择通过安装滤光镜片滤去特定光源以外的杂光，得到纯净的光源图像，光源图像传送到工控机，工控机对图像中光源的位置进行提取，计算两幅图像中对应光源位置间的偏差，获取现实中光源相对于成像设备的空间三维坐标信息，进而得到无人机在空间中的具体位置信息。然后工控机在将位置信息传送到上位机。这种方式得到的位置信息测量精度误差达到了正负百分之五以内，相比传统的GPS定位得到的位置信息更加准确。

优选的是，所述的无人机大宗货物体积在线测量系统中，所述激光扫描模块包括激光雷达和嵌入式设备，所述激光雷达设置在无人机上用于对大宗货物表面扫描，所述嵌入式设备设置在所述无人机上并与激光雷达连接。激光雷达对大宗货物表面的扫描点进行扫描得到无人机到大宗货物表面每个扫描点的距离和角度等扫描数据，扫描数据传输到嵌入式设备进行预处理，然后上传到上位机。

优选的是，所述的无人机大宗货物体积在线测量系统中，还包括手持终端，所述手持终端与所述上位机无线或有线连接。方便查看计算结果和发送控制指令。

优选的是，所述的无人机大宗货物体积在线测量系统中，所述手持终端为iPad或手机。

优选的是，所述的无人机大宗货物体积在线测量系统中，所述嵌入式设备为NImyRIO嵌入式设备，所述嵌入式设备设置有WiFi通信模块，所述嵌入式设备通过所述WiFi通信模块与所述上位机进行无线连接。NI myRIO嵌入式设备便携性高，简单易用，减少开发人员数量、时间和成本。

优选的是，所述的无人机大宗货物体积在线测量系统中，所述无人机定位模块还包括滤光镜片，所述滤光镜片设置在所述双目摄像头的正前方用于滤去特定光源以外的杂光。

优选的是，所述的无人机大宗货物体积在线测量系统中，所述双目摄像头包括：第一相机和第二相机，所述第一相机和第二相机同一水平且相对一定距离设置。利于计算无人机在空间中的具体位置信息。

本实用新型至少包括以下有益效果：

本实用新型的无人机大宗货物体积在线测量系统采用无人机技术，相比于传统龙门取料机等设备不受场地限制，方便灵活，适应环境能力强，成本低廉。

本实用新型的无人机大宗货物体积在线测量系统采用高精度激光雷达和双目摄像头进行数据采集，精度高、可靠性强，测量精度误差达到了正负百分之五以内，相比于其他测量方式更为精准。

本实用新型的无人机大宗货物体积在线测量系统应用于煤堆、粮食堆等大宗货物的体积测量，也可用于其他产品的体积测量。

本实用新型拟采用基于虚拟仪器技术的无人机搭载激光雷达对大宗货物进行三维扫描绘图，利用双目摄像头对无人机进行定位，以实现对大宗货物体积进行高精度测量的目标。首先，与其他测距方法相比，利用激光雷达测距精度高，稳定性强，适应场合范围广。其次，利用LabVIEW软件的图形化编程和强大的信号处理与数学运算功能，使得开发者可以将精力集中在定位和路径规划算法的研究而不是编程语言的识记上，借助NI myRIO嵌入式平台，能够很方便地实现激光雷达扫描测距和双目摄像头对无人机实时定位的功能。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型所述的无人机大宗货物体积在线测量系统的模块框架图；

图2本实用新型所述的无人机大宗货物体积在线测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本实用新型的材料清单如表1所示：

序号	名称	型号/尺寸	数量
				1	无人机	大疆精灵3SE	1(台)
2	NI myRIO	13.6cm*8.9cm*2.4cm	1(台)
				3	激光雷达	RPLIDAR A1	1(台)
4	工业控制器	NI IC3173	1(台)
				5	工业相机	XGY500	2(台)
6	滤光片	680nm光源	2个

表1

NI myRIO是一款便携式嵌入式设备，可以自带WiFi模块，集成FPGA、嵌入式处理器和模块化IO，集成嵌入式C、HDL代码、.m文件脚本或其它IP核。本系统的嵌入式模块的设计，借助LabVIEW直观的图形化编程方式、灵活的RIO(可重配置I/O)硬件结构和集成的软硬件设计平台，克服了传统嵌入式系统开发对编程人员要求高、代码可读性/重复性差、硬件设计/制作/调试周期长等不足，可以使本团队更快速地开发本系统项目的嵌入式模块原型和构建正确的解决方案，从而降低设计的复杂性，减少开发人员数量、时间和成本。

激光扫描模块以NI myRIO嵌入式模块为核心，开发基于光电原理的激光雷达测距模块；使用myRIO的UART串口通道拾取到的激光雷达上传的串行编码，使用LabVIEW软件进行信号预处理、滤波和相关分析得出激光雷达每扫描一圈激光雷达到每个扫描点的距离和角度，然后再通过myRIO的Wi-Fi网络发送至上位机等待进一步的数据处理。

无人机定位模块在飞行器上搭载特定光源，在地面确定的坐标位置处放置两个摄像头，利用摄像头观察飞行器搭载的光源实现对飞行器的定位。其基本结构是基于视差原理或说双目视差成像原理设计而成：两个成像设备从不同的位置获取无人机上光源的两幅图像，通过滤光镜片滤去特定光源以外的杂光，得到纯净的光源图像。然后再通过信号线缆连接的NI IC3173工控机对图像中光源的位置进行提取，计算两幅图像中对应光源位置间的偏差，获取现实中光源相对于成像设备的空间三维坐标信息，进而得到无人机在空间中的具体位置信息，比如无人机相对地面的高度。

再通过Wi-Fi及信号线缆将激光雷达三维扫描和无人机定位两大重要部分的数据传送至上位机后，这些数据包括下列公式用到的数值。利用LabVIEW的Vision工具包及强大的函数解析模块通过QMH系统架构将两部分数据进行同步、分析和滤波，实时绘制货物的三维模型，并实时显示在用户界面上，然后利用双重积分计算出货物体积。本实用新型中利用的货物体积计算公式为：

An＝abs(abs(N*cos(D*3.1415926/180))-abs(O*cos(DO*3.1415926/180)))*(Z-abs(O*sin(DO*3.1415926/180))+Z-abs(N*sin(D*3.1415926/180)))/2；

V＝(A1*C1+A2*C2+......+An*Cn)；

其中D为激光雷达的角度的最新值，DO为角度的前一次测量值，N为激光雷达测距得到的距离的最新值，O为距离的前一次测量值，Z为通过双目识别得到的无人机距离地面的相对高度，相对高度可以从无人机的三维坐标得出，An为每一扇面的面积，Cn为无人机每前进一步的距离差值，积分即得出货物体积V。

在测量结束后，将最终计算的体积结果显示在用户界面并保存在本地，开发数据库功能以供用户查找历史记录

实施例1

如图2所示，该系统由无人机1、激光雷达2、双目摄像头5、NI myRIO式嵌入式设备3和IC3173嵌入式平台即工控机6(用于扫描控制和数据预处理)、上位机7和手持终端8构成。用户在上位机7或手持终端8规划好无人机1前进路线后，通过Wi-Fi将指令发送给无人机1搭载的myRIO嵌入式设备3，myRIO在收到指令后通过串口UART传输信号启动激光雷达2并控制无人机1按照设定路线飞行，实现对大宗货物4的外表面进行三维扫描，并将大宗货物4表面测距数据(距离及角度)通过UART返回至myRIO，进行数据预处理。同时通过IC3173启动双目摄像头5对无人机1进行定位，在双目摄像头5获得图像数据后，将其返还给IC3173进行图像预处理，得到无人机的三维坐标。激光雷达2三维扫描和无人机1定位数据经预处理后，通过Wifi无线传输至上位机7，利用上位机内置的NI LabVIEW开发基于QMH架构的软件，将两部分数据经同步和分析后，根据货物体积计算公式实时计算出货物的体积，以图像和数值形式将测量结果显示在人机界面，并通过Wi-Fi传输到手持终端中。

利用myRIO的Wi-Fi热点功能，构建Wi-Fi网络，使得手持移动终端(iPad等)可以与上位机进行远程通信。在上位机和手持移动终端中使用LabVIEW软件开发人机交互界面，一方面用动画、曲线等形式对扫描建模过程进行显示，另一方面可以实时在线规划无人机飞行路径等信息，实现远程监控功能。

实施例2

如图1和2所示，一种无人机大宗货物体积在线测量系统，包括：沿大宗货物上空飞行的无人机1、对大宗货物表面扫描的激光扫描模块、无人机定位模块和上位机7；无人机1按照预先设定的轨道在大宗货物4的上空飞行，安装在无人机上1的激光扫描模块对大宗货物4进行激光扫描，得到无人机相对大宗货物表面的距离和角度等这样的扫描数据，扫描数据传输到上位机7；无人机定位模块对无人机进行定位，得到无人机1的三维坐标等位置信息，位置信息传输到上位机7，上位机7对扫描数据和位置信息进行分析，根据上面提到的货物体积计算公式计算出货物的体积，并显示出来。

其中，为了使得定位数据更加准确，所述无人机定位模块包括设置在无人机的特定光源如红色光源、对特定光源拍摄的双目摄像头5、与双目摄像头连接的工控机6，所述双目摄像头5设置在相对大宗货物4同一水平高度的位置，以便于建立相同的坐标体系进行对比和参考；所述上位机7与嵌入式设备3和工控机6连接。特定光源如红色的光源的光线射向双目摄像头5，双目摄像头5中的两个成像设备即两个摄像头从不同的位置获取无人机上的特定光源的两幅图像，两个摄像头的相对距离是已知的，为了得到更纯净的光源图像，可以选择通过安装滤光镜片滤去特定光源以外的杂光，得到纯净的光源图像，光源图像传送到工控机6，工控机6对图像中光源的位置进行提取，计算两幅图像中对应光源位置间的偏差，获取现实中光源相对于成像设备的空间三维坐标信息，进而得到无人机1在空间中的具体位置信息，包括无人机1相对地面的高度。然后工控机6在将位置信息传送到上位机7，上位机7根据内置的大宗货物体积计算公式即算出大宗货物的体积。这种方式得到的位置信息测量精度误差达到了正负百分之五以内，相比传统的GPS定位得到的位置信息更加准确。

进一步，所述激光扫描模块包括激光雷达2和嵌入式设备3，所述激光雷达2设置在无人机1上用于对大宗货物4表面扫描，所述嵌入式设备3设置在所述无人机1上并与激光雷达2连接。激光雷达对大宗货物表面的扫描点进行扫描得到无人机到大宗货物表面每个扫描点的距离和角度等扫描数据，扫描数据传输到嵌入式设备进行预处理，然后上传到上位机。

进一步，还包括手持终端8，所述手持终端8与所述上位机7无线或有线连接。方便查看计算结果和发送控制指令。

进一步，所述手持终端8为iPad或手机。

进一步，所述嵌入式设备3为NI myRIO嵌入式设备，所述嵌入式设备3设置有WiFi通信模块，所述嵌入式设备通过所述WiFi通信模块与所述上位机进行无线连接。NI myRIO嵌入式设备便携性高，简单易用，减少开发人员数量、时间和成本。

进一步，所述无人机定位模块还包括滤光镜片，所述滤光镜片设置在所述双目摄像头5的正前方用于滤去特定光源以外的杂光。

进一步，所述双目摄像头5包括：第一相机和第二相机，所述第一相机和第二相机同一水平且相对一定距离设置。利于计算无人机在空间中的具体位置信息。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。

Claims (7)

1.一种无人机大宗货物体积在线测量系统，其特征在于，包括沿大宗货物上空飞行的无人机、对大宗货物表面扫描的激光扫描模块、无人机定位模块和上位机；

其中，所述无人机定位模块包括设置在无人机的特定光源、对特定光源拍摄的双目摄像头、与双目摄像头连接的工控机，所述双目摄像头设置在相对大宗货物已知高度的位置；所述上位机与嵌入式设备和工控机连接。

2.如权利要求1所述的无人机大宗货物体积在线测量系统，其特征在于，所述激光扫描模块包括激光雷达和嵌入式设备，所述激光雷达设置在无人机上用于对大宗货物表面扫描，所述嵌入式设备设置在所述无人机上并与激光雷达连接。

3.如权利要求1所述的无人机大宗货物体积在线测量系统，其特征在于，还包括手持终端，所述手持终端与所述上位机无线或有线连接。

4.如权利要求3所述的无人机大宗货物体积在线测量系统，其特征在于，所述手持终端为iPad或手机。

5.如权利要求1所述的无人机大宗货物体积在线测量系统，其特征在于，嵌入式设备为NI myRIO嵌入式设备，所述嵌入式设备设置有WiFi通信模块，所述嵌入式设备通过所述WiFi通信模块与所述上位机进行无线连接。

6.如权利要求1所述的无人机大宗货物体积在线测量系统，其特征在于，所述无人机定位模块还包括滤光镜片，所述滤光镜片设置在所述双目摄像头的正前方用于滤去特定光源以外的杂光。

7.如权利要求1所述的无人机大宗货物体积在线测量系统，其特征在于，所述双目摄像头包括：第一相机和第二相机，所述第一相机和第二相机同一水平且相对一定距离设置。