CN102721367B - 基于动态三维激光扫描的大型不规则散粮堆体积测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于动态三维激光扫描的大型不规则散粮堆体积测量方法，其具体步骤如下：首先在粮仓顶部中间位置，沿宽度方向布置导轨；导轨上设有步进电机控制的滑块，激光雷达扫描仪安装在滑块上；滑块从粮仓顶部一端匀速移动至另一端，滑块带动激光雷达扫描仪完成整个散粮堆表面的扫描；激光雷达装置为一维扫描装置，实现线扫描并返回坐标数据；主控制电脑用于给步进电机发射脉冲，对信号进行处理；主控制电脑得到散粮堆表面的点云数据，根据用户对粮堆测量所允许的误差值，确定用以计算体积的被扫描点的分布密度，根据用户提供粮食密度，计算散粮堆重量。其通过导轨移动式三维激光扫描空间形貌，生成附以坐标的点云图阵，曲面拟合成不规则散粮堆形貌，进而给出其体积；其能够快速、高精度且有效的测量大型不规则形状散粮堆的体积，并可实现远程监控；此方法成本低廉，易于实施。

Description

基于动态三维激光扫描的大型不规则散粮堆体积测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于动态三维激光扫描的大型不规则散粮堆体积测量方法，用于粮食储量监测领域。

背景技术

粮食储备是为保证消费需求，调节粮食供求平衡、稳定粮食市场价格、应对重大自然灾害或其他突发事件而建立的一项物资储备制度。这一制度直接影响国家安全。为此对储备在仓库中的粮食实时监管和数量核定，是保障国家利益和粮食安全的关键。同时也是储备粮管理的重点和难点。我国粮食储备约3000亿斤，年粮食储备补贴约近百亿元。由于储备量数量庞大，涉及巨大经济利益，使得虚库、虚报贴息、以差换好、偷盗等各类违规、违法事件层出不穷，给国家造成了巨大经济损失。2008年两会期间，袁隆平院士指出，某些粮库是空库，引起国家领导人和社会各界高度关注。以后每年由国家发展和改革委员会、国家粮食局、财政部和中国农业发展银行四大部门联合主持全国粮食库存检查工作。传统清仓查库的统计监测方式，不仅花费了大量的人力、物力，耗资巨大（每年全国检查人员差旅补贴、稽查搬运补贴近30亿元），且很难保证国家粮食储备数量监测的准确性和实时性。因此国家粮食储备数量快速而准确的监测问题一直是国家粮食监管部门亟待解决的重要问题，迫切需要开发方便、快捷、准确的粮食储量监测技术，研制相应的监测***。

为全面准确地掌握粮食库存的真实情况，更好的落实宏观调控任务，国家发展和改革委员会、国家粮食局、财政部和中国农业发展银行四大部门每年都要联合主持全国粮食库存检查工作，核查全国库存粮食数量是否真实可靠。

 库存粮食数量检查方式为测量计算法，即测量每栋仓房内粮堆体积和粮堆密度，二者相乘得到粮食数量。如果库存检查时点存粮企业开展买粮和卖粮业务时（即粮食出库和入库作业时），粮堆将呈现不规则形状，此时无法有效测算该仓粮食数量，影响到整个粮食数量统计和库存检查工作。

不规则粮堆体积测算是粮食数量核定的难点，也是粮食数量实时监测***开发的关键点，此问题多年来一直未能有效解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于动态三维激光扫描的大型不规则散粮堆体积测量方法。针对现行粮食仓储模式，通过导轨移动式三维激光扫描空间形貌，生成附以坐标的点云图阵，曲面拟合成不规则散粮堆形貌，进而给出其体积；其能够快速、高精度且有效的测量大型不规则形状散粮堆的体积，并可实现远程监控；此方法成本低廉，易于实施。

本发明的技术方案是这样实现的：基于动态三维激光扫描的大型不规则散粮堆体积测量方法，其特征在于其测量方法，具体步骤如下：

1）首先在粮仓顶部中间位置，沿宽度方向布置导轨；导轨上设有步进电机控制的滑块，激光雷达扫描仪安装在滑块上；滑块从粮仓顶部一端匀速移动至另一端，滑块带动激光雷达扫描仪完成整个散粮堆表面的扫描； 

2）激光雷达扫描仪沿一端匀速通过导轨并扫描，激光雷达装置为一维扫描装置，实现线扫描并返回坐标数据；通过激光雷达扫描仪返回柱坐标信息，以及步进电机实时返回滑块移动坐标，激光雷达装置与步进电机均通过局域网与主控制电脑连接；主控制电脑用于给步进电机发射脉冲，从而激励滑块运动以及控制激光雷达装置扫描，并接收返回信号，对信号进行处理；计算扫描点的空间坐标，从而得到粮堆顶部形貌轮廓的点云数据；

3）主控制电脑得到散粮堆表面的点云数据，根据用户对粮堆测量所允许的误差值，确定用以计算体积的被扫描点的分布密度，从而主控制电脑中数据处理模块均匀选择一定数量的被扫描点坐标数据，通过计算机进行图像拟合处理，得到散粮堆三维图像，实现对点云数据进行有效合理地筛选，并根据数据积分计算散粮堆体积，根据用户提供粮食密度，计算散粮堆重量。

本发明的积极效果是采用动态激光雷达装置自动测量大型不规则形状散粮堆体积，这是首次将激光技术应用于粮食体积测量上；且为保证大面积扫描的精度，能够得到合理的控制，其设计了导轨模式，动态进行激光雷达装置测量，精度高，能够得到较为精确的点云数据，从而在粮食体积测量上能够保证高精度。

由于得到的点云数据信息量很大，利用简单的积分计算就能够得到散粮堆的体积，计算效率上有很大优势。整个扫描装置都是由计算机控制，***可联网运行，实现远程监控以及数据统计，节省粮食数量储备统计的成本。

附图说明

图1是储粮仓的俯视简图。

图2是本发明的实施例简图（沿图1中A方向的侧视图）。

图3是本发明扫描示意图（沿图1中B方向试图）。

图4三维点云数据图。

图5是散粮堆的三维曲面图。

图2中，1为粮仓（长53.5m×宽30m×高9m），2为粮仓内粮堆，3为激光雷达扫描仪，4为滑块，5为导轨，6为主控制电脑。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细的说明；应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例应用的粮仓为长方形粮仓，具体尺寸为长53.5m×宽30m×高9m，储粮线位置高为6m。粮食情况如下：储存物料为玉米，容重为746kg/m³。结合本实施例的应用环境和误差小于3‰的体积测量精度要求，本实施例采用的激光雷达扫描仪的主要技术指标参数如下：激光中心波长为905nm（不会影响粮食品质），激光重频为10kHz，有效测量距离为2～30m，测量精度为3～5cm。

如图2、3所示，1为粮仓，其尺寸为长53.5m×宽30m×高9m。粮堆2位于粮仓1内储粮线下部，粮堆2上表面呈不规则分布。在粮仓1顶部长度方向的中间位置沿粮仓1宽度方向装有30m长的导轨5。导轨5上装有滑块4，滑块4连接步进电机以及专用驱动装置，滑块4可在步进电机的带动下沿导轨移动。激光雷达扫描仪3固定在滑块4上，激光雷达扫描仪3可沿与导轨垂直的方向即粮仓1的长度方向扫描。主控制电脑6与激光雷达3、步进电机和专用驱动装置通过局域网相连，主控制电脑6设有信号发射模块和数据采集处理模块。

实施测量时，由主控制电脑6的信号发射模块控制滑块4内部的脉冲发射装置，激励滑块4内的步进电机带动滑块4和安装在滑块4上的激光雷达扫描仪3沿导轨5匀速由一端向另一端移动。滑块4和激光雷达扫描仪3移动的同时，主控制电脑6向激光雷达扫描仪3发出信号，激光雷达扫描仪3对粮堆2上表面进行一维扫描，得到粮堆2表面的柱面坐标。激光雷达扫描仪3移动方向与其扫描方向垂直，从而实现对粮堆2上表面形状的扫描。

激光雷达扫描仪3返回信号通过接收装置返回给主控制电脑6。主控制电脑6内的数据采集处理模块将返回的信号与扫描时滑块4，即激光雷达扫描仪3所在的位置坐标结合，得到被扫描点的三维坐标，完成一次扫描。激光雷达扫描仪3完成整个粮堆2上表面的扫描后。主控制电脑6即得到粮堆2上表面的点云数据，三维点云数据图如图4所示。根据误差小于3‰的精度要求，主控制电脑6内的数据处理模块均匀选择一定数量的被扫描点坐标数据，进行图像处理，得到散粮堆的三维曲面并构建网格如图5所示，应用专用算法求得粮食体积为4100.397m³。误差精度为1.46‰，满足误差小于3‰的精度要求。

实施例

实验仓房情况：长春市东湖粮油储备库2号仓，长53.5m，宽30m，装粮线6m。

2012年2月入仓玉米，水分14.4%，容重746g/L，数量3063.360吨。

三维激光扫描仪测算：扫描仪获得粮仓内各点三维坐标，即三维激光扫描仪内部的棱镜通过快速的旋转，把激光头发射的一维激光转换为二维激光，与此同时，伺服马达也进行旋转，以获得第三维的信息。通过记录棱镜的旋转获得激光束与垂直方向的夹角β，伺服马达的旋转可以获得激光束与水平初始方向的夹角α以及测得距离R，三者相结合进行计算，就能得到被测点的三维坐标（x，y，z）。

X= Rcosβ cosα

y= Rcosβ

z= Rcosβ sinα

将各点三维坐标导入三维建模软件（如CATIA或3DMax等）后生成如图4所示的粮仓内部扫描效果，并在该软件中进一步转化得到如图5所示的效果。

装粮线以下空间总体积:53.5m×30m×6m=9630m³

装粮线以下粮堆以上空气体积：插值积分计算得出5529.6030 m³

粮堆体积: 9630m³-5529.6030 m³=4100.397 m³

粮食实际数量：3063.360吨。

重量计算：粮食的重量=4100.397m³×0.746kg/m³=3058. 896吨。

重量误差：误差=3063.360-3058.896 =4.464吨。

误差精度：4.464吨/3063.360吨=1.46‰，满足要求。

Claims (1)

1.基于动态三维激光扫描的大型不规则散粮堆体积测量方法，其特征在于其测量方法，具体步骤如下：

1）首先在粮仓顶部中间位置，沿宽度方向布置导轨；导轨上设有步进电机控制的滑块，激光雷达扫描仪安装在滑块上；滑块从粮仓顶部一端匀速移动至另一端，滑块带动激光雷达扫描仪完成整个散粮堆表面的扫描； 

2）激光雷达扫描仪沿一端匀速通过导轨并扫描，激光雷达装置为一维扫描装置，实现线扫描并返回坐标数据；通过激光雷达扫描仪返回柱坐标信息，以及步进电机实时返回滑块移动坐标，激光雷达装置与步进电机均通过局域网与主控制电脑连接；主控制电脑用于给步进电机发射脉冲，从而激励滑块运动以及控制激光雷达装置扫描，并接收返回信号，对信号进行处理；计算扫描点的空间坐标，从而得到粮堆顶部形貌轮廓的点云数据；

3）主控制电脑得到散粮堆表面的点云数据，根据用户对粮堆测量所允许的误差值，确定用以计算体积的被扫描点的分布密度，从而主控制电脑中数据处理模块均匀选择一定数量的被扫描点坐标数据，通过计算机进行图像拟合处理，得到散粮堆三维图像，实现对点云数据进行有效合理地筛选，并根据数据积分计算散粮堆体积，根据用户提供粮食密度，计算散粮堆重量。