CN103307980A - 粮堆体积自动测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于测量投影的粮堆体积自动测量装置及测量方法，所述测量装置由线激光器、摄像头、步进电机、电机驱动器、控制与数据处理模块、电源转换器、机箱以及连接件组成。线激光器作为光源投射一字线激光，与粮堆表面相交时，在粮堆表面产生亮光条。所述测量方法包括：摄像头将拍摄到的光条图像输入数据处理模块，数据处理模块对所有光条图像进行处理、重构出粮堆的形状、结合已知的粮仓结构计算出粮堆的体积。本发明能对粮堆体积进行实时、在线、精确测量，而且测量简单、成本低、视场大，确保国家粮食储备计量安全。

Description

粮堆体积自动测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种自动测量体积的装置及其测量方法，更具体涉及一种自动测量粮堆体积的装置及其测量方法，用于粮食数量库存监管领域。

背景技术

粮食是重要的战略物资，粮食安全事关中国经济发展和社会稳定大局。现有的粮食数量库存监管***仍不足以提供可靠的粮食储备信息，中国仍需要耗费大量人力、物力通过年度清仓查库的方法掌控储备粮的准确数量，在效率、精度、成本及时效性上均存在问题。

在粮堆体积测量方面，传统方法一般采用钢卷尺等长度测量工具丈量粮堆的外型尺寸，根据粮堆的几何形状计算出粮堆体积。要注意粮堆形状是否规则，并采取有效措施使粮面平整。该方法测量简单，但是在实际操作过程中粮面往往无法保证平整，仓房形状也不完全规则，测量结果会有较大误差。

在公开号为CN102721367A的发明专利中，提出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。该方法需要在粮仓中安装导轨和使用激光雷达，测量精度较高，但是安装调试不便，使用成本较高。

在公开号为CN201476775U的实用新型专利中，提出一种平房仓粮堆体积测量装置，超声波测距仪按一定数量均匀分布在平房仓的上面，数量以平房仓的大小决定，每隔2-4平方米一个，超声波测距仪探头方向向下；每个超声波测距仪都与一个测量装置电连接，由测量装置测量出超声波测距仪的探头到粮堆上表面的距离。该方法单个测量装置成本低，但是对于国家储备粮库，其平房仓面积大，需要安装上百个测距仪，并且测量精度也不高。

粮堆体积测量首要解决的问题是如何测得用于计算粮堆表面点坐标的参数。在公开号为CN102721367A的发明专利中，其实施例给出一种测量方法：记录棱镜的旋转获得激光束与垂直方向的夹角，伺服马达的旋转可以获得激光束与水平初始方向的夹角以及测得距离。在公开号为CN102721367A的发明专利中，测量装置测量出超声波测距仪的探头到粮堆上表面的距离。由于粮堆上表面点坐标较多，利用上述测量方法不得不增加测量装置的复杂性。

发明内容

本发明为了克服上述测量装置及其测量方法的技术问题，力图获得测量准确、成本较低的自动测量粮堆体积的装置及其测量方法。

本发明具体技术方案如下：

本发明提供一种粮堆体积自动测量装置，包括电源电路，控制与数据处理模块，激光光源，数据输出装置，摄像头、光源驱动器。其中，电源电路通过导线分别连接数据处理模块、激光光源、数据输出装置、摄像头、光源驱动器；控制与数据处理模块分别连接光源驱动器、摄像头、数据输出装置、光源驱动器；光源驱动器连接激光光源。

在所述测量装置中，控制与数据处理模块通过光源驱动器调整激光光源转动的角度；激光光源投射激光，激光与粮堆表面点相交时，在粮堆表面产生亮点；对应于光源转动的每个角度，摄像头拍摄光图像，光图像显示粮堆表面的亮点；摄像头将拍摄到的光图像输入到控制与数据处理模块；控制与数据处理模块处理光图像的信息，将处理得到的粮堆体积输出到数据输出装置。

所述激光光源可以是线激光器，也可以是线激光器阵列组成的面光源；线激光器作为光源投射一字线激光，与粮堆表面相交时，在粮堆表面产生亮光条。

所述光源驱动器可以由步进电机和电机驱动器组成；控制与数据处理模块连接电机驱动器，电机驱动器连接步进电机，步进电机连接激光光源；电机驱动器提供步进电机转动所需的脉冲；控制与数据处理模块通过电机驱动器控制步进电机的步进角度与速度，带动激光光源转动。

所述光源驱动器也可以是定时步进电机；控制与数据处理模块控制定时步进电机开启与关闭；定时步进电机每隔一段时间带动激光光源转动一定角度。

所述电源电路可以由电源插头和电源转换板组成；电源转换板将电源插头连接的电源转换电压后多路输出，同时向控制与数据处理模块、激光光源、数据输出装置、摄像头、光源驱动器供电。

所述测量装置还可以包括机箱；摄像头、光源驱动器、控制与数据处理模块、电源插头均固定在机箱上，保持相对位置不变。

一种粮堆体积自动测量方法，包括以下步骤：

步骤1：控制与数据处理模块发出信号，光源驱动器、激光光源、摄像头开始工作；

步骤2：摄像头拍摄光图像，并将光图像传输给控制与数据处理模块；

步骤3：控制与数据处理模块对光图像先进行滤波与二值化处理，去除图像中的散粒噪声，增大信噪比，获得二值化图像；从激光条提取出其亚像素的光条中心；根据摄像头及***的数学模型，从光条中心中提取出各个点的坐标（x,y,z）；

步骤4：光源驱动器驱动摄像头转动；控制与数据处理模块记录摄像头转动的角度与方向；重复步骤(2)和步骤(3)，获得粮堆表面的点云数据（在同一空间参考坐标系下可以表达目标空间分布的XYZ坐标集合）；激光光源扫描全部粮堆后，控制与数据处理模块发出信号，光源驱动器、激光光源、摄像头停止工作；

步骤5：依据步骤(4)获得的粮堆表面的点云数据，把不同的坐标系下测得的点云数据进行坐标变换；提取点云数据中反映曲面特征的点，去除冗余数据；进行轮廓点的配对,然后通过这些配对的点进行插补,使数据点（在确定的空间参考坐标系下，XYZ坐标表达的空间点）密度基本均匀；

步骤6：控制与数据处理模块对粮堆形貌轮廓的点云数据按照测量坐标系的z轴方向作为切片的法线方向进行等间距切割，把切片附近的点投影到切片上，在切片上形成闭合的区域，取切片间距为d₁；

步骤7：控制与数据处理模块对切片上的点云数据围成的闭合区域，按照等间距取扫描线，采用测量坐标系的x轴方向作为扫描线的方向，取扫描线间距为d₂，设共有m条扫描线，扫描线与第j个切片上点云数据的两个交点之间距离为l_ji(i=1,,2,…,m);设共有n个切片，则切片上闭合区域的面积S_j(j=1,,2,…,n)：

$S_j=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{l}_{\mathrm{ji}}*d_2,$

则点云数据的体积V：

$V=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j*d_1,$

控制与数据处理模块(5)将粮堆体积输出到数据输出装置。

其中，步骤1和步骤4使得激光光源从不同角度照射粮堆，实现激光光源扫描全部粮堆表面。在步骤2中，摄像头采集光图像。在步骤3中，控制与数据处理模块通过处理每张光图像算出光图像中每个亮点对应的曲面点的空间坐标值(x,y,z)。在步骤4中，全部不同光图像坐标值(x,y,z)构成粮堆表面的点云数据。在步骤6和步骤7中，处理粮堆表面的点云数据，获得粮堆形貌轮廓的点云数据，进而获得重构数字化粮堆面表面，最终得到粮堆体积。

借由上述技术方案，本发明的粮堆体积自动测量装置及其测量方法至少具备下列优点及有益效果：

本发明测量方法能够精确的测量出粮面起伏和粮仓的不规则形状，相对于传统测量方法测量精度高。

本发明测量装置结构简单，关键部件价格均较低，测量视场大，相对于三维激光扫描法所用装置和超声波测距法所用装置安装方便，成本低。

利用本发明测量方法可以实时、在线、自动测量粮堆体积。本发明提供保证粮食计量安全的有效体积测量装置和测量方法。

附图说明

图1是本发明的自动测量粮堆体积的装置主要部件连接示意图；

图2是本发明的自动测量粮堆体积的装置的结构示意图；

图3是本发明所述装置的连接件的结构示意图；

图4是本发明的自动测量粮堆体积的测量方法流程图。

附图标记说明如下：

1-线激光器,2-摄像头,3-步进电机,4-电机驱动器,5-控制与数据处理模块,6-电源转换板,7-机箱,8-连接件,9-手柄，10-固定环，11-电源插头,12-橡胶脚垫、13-步进电机连接孔，14-线激光器连接孔。

具体实施方式

下面结合附图1-4，详细说明本发明的具体实施方式。

自动测量粮堆体积的装置中，线激光器1由激光器和柱面镜组成，如图2所示，与步进电机3通过连接件8相连，通过导线连接电源转换板6。线激光器1作为光源投射一字线激光，与粮堆表面相交时，在粮堆表面产生亮光条，由控制与数据处理模块5进行开关控制。

摄像头2由镜头、COMS感光芯片、模数转换芯片组成，镜头伸出机箱外，如图1所示，通过总线连接控制与数据处理模块5，如图2所示，通过导线连接电源转换板6。摄像头2将拍摄到的光条图像由控制与数据处理模块5进行处理。

步进电机3由定子、转子和转轴组成，转轴伸出机箱外，通过连接件8与线激光器1相接。如图1所示，步进电机通过电机驱动器4与控制与数据处理模块5相连，控制与数据处理模块5控制步进角度与速度，带动线激光器1转动。

控制与数据处理模块5包括嵌入式处理器、存储器、摄像头总线接口、电源控制接口、电机驱动接口和网络通信接口。通过摄像头总线接口控制并接收摄像头2拍摄光条图像，保存在模块5存储器中。通过电源控制接口控制线激光器的开关。通过电机驱动接口向步进电机3发送脉冲信号，控制步进电机3的角度与转速。通过网络通信接口将测量数据传输到监测网络中。

电源转换板6将外接电源转换为多路输出电源，同时给线激光器1、摄像头2、电机控制器4和控制与数据处理模块5供电。

机箱7顶板上安装手柄9及固定环10，方便操作人员手持，或通过支架固定在粮仓中。机箱7左侧板上安装有电源插头11，通过导线连接电源和电源转换板6。摄像头2、步进电机3、电机驱动器4、控制与数据处理模块5、电源转换板6固定在机箱7底板上，保持相对位置不变。机箱7底板下安装有四个橡胶脚垫12支撑机箱。

图3为线激光器1与步进电机3的连接件8，线激光器连接孔14套在线激光器1上，步进电机连接孔13套在步进电机3的轴上，分别用螺钉固定。

电源转换板6由电源转换芯片、电解电容、限流电阻、发光二级管和各种插件组成，将外接电源进行多路电压转换后输出，通过导线分别给线激光器1、摄像头2、步进电机3、电机驱动器4和控制与数据处理模块5供电。

如图4所示，一种利用以上所述装置自动测量粮堆体积的测量方法，具体包括以下步骤：

S100光条图像采集：通过摄像头1分别采集有光条和无光条图像，并通过总线传输给控制与数据处理模块。

S200光条图像处理：控制与数据处理模块5对光条图像先进行滤波与二值化处理，去除图像中的散粒等噪声，增大信噪比，获得二值化图像；其次，从线激光条提取出其亚像素的光条中心；最后根据摄像头及***的数学模型从光条中心中提取出各个点的坐标（x,y,z）。

在S200光条图像处理步骤中，图像点与空间物体表面相应点的几何位置关系的确定涉及摄像头模型及***模型中的参数，摄像头模型参数应该包括摄像头的焦距、主点以及畸变系数,***模型参数应该包括摄像头相对于线激光器的位置和方向.这些参数的值需要在步骤s100之前输入到控制与数据处理模块5。

S300点云数据处理：控制与数据处理模块5控制步进电机3,步进电机3带动线激光器1转动，记录转动的角度与方向，重复步骤1、2，获得粮堆表面的点云数据；把不同的坐标系下测得的点云数据进行坐标变换；提取点云数据中反映曲面特征的点，去除冗余数据；进行轮廓点的配对,然后通过这些配对的点进行插补,使数据点密度基本均匀。

S400粮堆表面重构：利用控制与数据处理模块5预存的粮仓结构数据，控制与数据处理模块5对点云数据按照测量坐标系的z轴方向作为切片的法线方向进行等间距切割，把切片附近的点投影到切片上，在切片上形成闭合的区域，取切片间距为d₁。

S500体积计算：控制与数据处理模块5对切片上的点云数据围成的闭合区域，按照等间距取扫描线。本发明采用测量坐标系的x轴方向作为扫描线的方向，取扫描线间距为d₂，设共有m条扫描线，扫描线与第j个切片上点云数据的两个交点之间距离为l_ji(i=1,,2,…,m);设共有n个切片，则切片上闭合区域的面积S_j(j=1,,2,…,n)：

$S_j=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{l}_{\mathrm{ji}}*d_2$

则点云数据的体积V：

$V=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j*d_1$

控制与数据处理模块(5)将粮堆体积输出到数据输出装置。

本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。例如，依据同样原理，利用仰视图和点光源也可以测得点高度；本发明可以测得粮食堆以外实心堆积物的体积，甚至结合其他角度的视图可以测得一般实心物的体积。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims (8)

1.一种粮堆体积自动测量装置，包括电源电路，控制与数据处理模块(5)，激光光源，数据输出装置，其特征在于，还包括摄像头(2)、光源驱动器；所述控制与数据处理模块(5)通过所述光源驱动器连接所述激光光源；所述控制与数据处理模块(5)连接所述摄像头(2)。

2.根据权利要求1所述的粮堆体积自动测量装置，其特征在于，所述激光光源是线激光器(1)。

3.根据权利要求1所述的粮堆体积自动测量装置，其特征在于，所述激光光源是线激光器阵列组成的面光源。

4.根据权利要求1所述的粮堆体积自动测量装置，其特征在于，所述光源驱动器由步进电机(3)和电机驱动器(4)组成；所述控制与数据处理模块(5)连接所述电机驱动器(4)，所述电机驱动器(4)连接所述步进电机(3)，所述步进电机(3)连接激光光源。

5.根据权利要求1所述的粮堆体积自动测量装置，其特征在于，所述光源驱动器是定时步进电机。

6.根据权利要求1所述的粮堆体积自动测量装置，其特征在于，所述电源电路由电源插头(11)和电源转换板(6)组成。

7.根据权利要求6所述的粮堆体积自动测量装置，其特征在于，所述自动测量装置还包括用来固定所述摄像头(2)、所述光源驱动器、所述控制与数据处理模块(5)、所述电源插头的机箱(7)。

8.一种粮堆体积自动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：控制与数据处理模块(5)发出信号，光源驱动器、激光光源、摄像头(2)开始工作；

步骤2：摄像头(2)拍摄光图像，并将光图像传输给控制与数据处理模块(5)；

步骤3：控制与数据处理模块(5)对光图像先进行滤波与二值化处理，去除图像中的散粒等噪声，增大信噪比，获得二值化图像；其次，从激光条提取出其亚像素的光条中心；最后，根据摄像头及***的数学模型，从光条中心中提取出各个点的坐标（x,y,z）；

步骤4：光源驱动器驱动摄像头(2)转动；控制与数据处理模块(5)记录摄像头(2)转动的角度与方向；重复步骤(2)和步骤(3)，获得粮堆表面的点云数据；激光光源扫描全部粮堆后，控制与数据处理模块(5)发出信号，光源驱动器、激光光源、摄像头(2)停止工作；

步骤5：依据步骤(4)获得的粮堆表面的点云数据，把不同的坐标系下测得的点云数据进行坐标变换；提取点云数据中反映曲面特征的点，去除冗余数据；进行轮廓点的配对,然后通过这些配对的点进行插补,使数据点密度基本均匀；

步骤6：控制与数据处理模块（5）对粮堆形貌轮廓的点云数据按照测量坐标系的z轴方向作为切片的法线方向进行等间距切割，把切片附近的点投影到切片上，在切片上形成闭合的区域，取切片间距为d₁；

步骤7：控制与数据处理模块(5)对切片上的点云数据围成的闭合区域，按照等间距取扫描线，采用测量坐标系的x轴方向作为扫描线的方向，取扫描线间距为d₂，设共有m条扫描线，扫描线与第j个切片上点云数据的两个交点之间距离为l_ji(i=1,,2,…,m);设共有n个切片，则切片上闭合区域的面积S_j(j=1,,2,…,n)：

$S_j=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{l}_{\mathrm{ji}}*d_2$

则点云数据的体积V：

$V=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j*d_1$

控制与数据处理模块(5)将粮堆体积输出到数据输出装置。

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