張 巍,卿粼波,吳曉紅,何海波

1(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院,成都 610065)

2(成都西圖科技有限公司,成都 610041)

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,各行各業(yè)對于體積測量的需求程度正在迅速增加.快速準(zhǔn)確地測量物體的體積對于提高工作效率,促進(jìn)行業(yè)發(fā)展甚至增加國民效益至關(guān)重要.例如礦產(chǎn)等大型倉儲企業(yè),需要對儲存的物料資源進(jìn)行準(zhǔn)確快速地測量,以便合理地安排生產(chǎn)計劃[1];貨站等大型物流企業(yè),需要對貨物的重量和體積快速準(zhǔn)確地測量,以便安排車輛或飛機(jī)的裝載計劃.采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行人工測量,不僅效率低、精度差、測量不便,還會造成重復(fù)測量[2].因此采用機(jī)械化、自動化的測量方法對體積進(jìn)行測量,既有利于簡化生產(chǎn)流程,又有助于控制成本.

在眾多對體積測量有需求的行業(yè)中,由于被測物體本身的特殊性,無法使用通用的測量方法或者通用的測量儀器,需要根據(jù)自身的行業(yè)特點(diǎn)改進(jìn)或者設(shè)計適合于本行業(yè)的測量方法和測量設(shè)備.工程上常用的方法是通過采集被測物體的三維信息,利用微積分的數(shù)學(xué)思想對被測物體的體積進(jìn)行計算.目前采集被測物體三維信息的方法主要有4 種:1)運(yùn)用超聲波對整個物體進(jìn)行掃描[3,4];2)基于機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)待測物體的圖像獲取,通過圖像處理算法得到物體的三維特征[5,6];3)基于三角測量原理,檢測激光投射到被測物體表面產(chǎn)生變形的程度,計算被測物體的三維點(diǎn)云信息[7-9];4)運(yùn)用激光掃描儀掃描物體表面,獲得掃描區(qū)域的三維點(diǎn)云信息[1,10,11].其中因?yàn)榧す饩哂兴俣瓤?、方向性?qiáng)等特點(diǎn),運(yùn)用激光掃描儀在環(huán)境條件較為惡略的情況下依然能夠以較小的誤差完成對被測物體的測量.

綜上所述,推廣基于激光測量的體積測量系統(tǒng)有利于提高相關(guān)行業(yè)的工作效率和發(fā)展水平.因此本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一套基于激光掃描儀的物體體積測量系統(tǒng),用于測量物流貨物的體積.該系統(tǒng)基于二維激光雷達(dá),將其搭載于伺服電機(jī)驅(qū)動的平動裝置,采用非接觸的測量方式,實(shí)現(xiàn)對場景內(nèi)所有貨物的表面進(jìn)行勻速掃描;得到貨物的三維信息后,運(yùn)用離散積分算法計算貨物總體積.該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是,測量速度快、穩(wěn)定性好,單次掃描后可測得整體貨物的體積,在航空、物流等行業(yè)能夠廣泛應(yīng)用于體積測量.

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

本文設(shè)計的系統(tǒng)采用激光掃描儀通過非接觸的方式對物體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的體積測量,測量得到的體積數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)與其他系統(tǒng)進(jìn)行共享.該系統(tǒng)主要滿足以下需求:1)操作界面可視化,僅通過少量按鈕就可以完成對整個系統(tǒng)的操控;2)速度快,精度高,在距離物體擺放平面約5 至6 米的高度,以每秒0.5 米左右的速度完成掃描,體積測量誤差不大于5%;3)體積數(shù)據(jù)易被觀察,通過顯示屏等設(shè)備將測量結(jié)果予以顯示;4)體積數(shù)據(jù)可上傳至服務(wù)器,與其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;5)重構(gòu)被測量物體的三維圖像,以三維圖像的方式顯示掃描過程中掃描區(qū)域的情況.

針對上述需求,設(shè)計得到的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示.該系統(tǒng)主要由PC、電機(jī)控制單元、二維激光雷達(dá)、伺服電機(jī)、數(shù)碼顯示管、狀態(tài)指示燈和遠(yuǎn)程服務(wù)器構(gòu)成.伺服電機(jī)驅(qū)動二維激光雷達(dá)做直線運(yùn)動,對物體進(jìn)行均勻掃描;PC 機(jī)采集激光雷達(dá)返回的數(shù)據(jù),結(jié)合伺服電機(jī)的運(yùn)行速度,得到被測物體的三維點(diǎn)云信息;PC 機(jī)再對這些信息進(jìn)行處理,計算得出被測物體體積,隨后將體積數(shù)據(jù)予以顯示并且上傳至服務(wù)器.

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

為了增強(qiáng)模塊的獨(dú)立性和降低代碼與數(shù)據(jù)的耦合度,將系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行劃分與整理,主要包括:串口通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、流程管理與控制模塊和參數(shù)配置模塊.軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示.其中串口通訊模塊的主要功能是配置串口通訊相關(guān)的參數(shù),并提供用于通過串口收發(fā)字符消息的接口,下位機(jī)控制模塊使用這些接口向下位機(jī)發(fā)送控制命令,數(shù)碼顯示控制模塊使用這些接口將體積數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)碼管;網(wǎng)絡(luò)通訊模塊的主要功能是創(chuàng)建套接字,通過這些套接字,數(shù)據(jù)采集與計算模塊接收激光掃描儀采集得到的數(shù)據(jù)并計算體積,而數(shù)據(jù)傳輸模塊將體積測量結(jié)果發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器;圖形重繪模塊將采集得到的點(diǎn)云信息重新建模;參數(shù)配置模塊提供了創(chuàng)建、讀取配置文件的函數(shù)接口,為降低代碼與數(shù)據(jù)的耦合度提供了解決方法;界面繪制與流程控制模塊向軟件使用者提供了一個友好的交互界面,同時在檢測到某個按鍵命令下達(dá)之后,完成軟件系統(tǒng)各模塊的協(xié)調(diào)與配合.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 貨物體積的計算

激光掃描儀由伺服電機(jī)驅(qū)動,勻速地掃描被測場景.上位機(jī)采集激光掃描儀返回的測量數(shù)據(jù),生成被測場景的三維點(diǎn)云信息.貨物體積由點(diǎn)云數(shù)據(jù)計算得出.本節(jié)首先介紹該系統(tǒng)所使用的激光掃描儀,然后闡述計算原理與方法.

2.1 激光掃描儀

本文設(shè)計的系統(tǒng)所采用的激光測量傳感器是德國SICK 公司的LMS111 二維激光掃描儀.該傳感器是一種光電激光傳感器,基于時間飛行原理,使用激光束在某個平面內(nèi)掃描周圍的環(huán)境.LMS111 使用二維坐標(biāo)描述其測量得到的周圍環(huán)境——如果激光束入射到物體上,則以距離和方向的形式給出物體的確定位置.

在距離測量方面,LMS111 使用激光二極管發(fā)射脈沖激光束.激光脈沖入射到物體時,會在其表面發(fā)生反射.LMS111 的接收器使用光電二極管檢測反射激光.基于“脈沖傳播時間測量”原理,傳感器到物體的距離根據(jù)激光的傳播時間計算得到.該傳播時間是指從發(fā)射激光到接收反射之間的時間t,如圖3 所示.

圖3 “脈沖傳播時間測量”原理

在方向測量方面,LMS111 使用鏡面使發(fā)射的激光束偏轉(zhuǎn).激光束按照角度編碼器的約束逐步地以扇形方式掃描周圍環(huán)境,最大掃描范圍270°,掃描頻率為25 或50 Hz.在測量過程中,激光脈沖以0.25°或0.50°的角度步長被觸發(fā).

隨著測量距離的增加,LMS111 的激光束會漸漸發(fā)散,入射到物體表面上的光束大小隨之增大,如圖4 所示.相鄰光束之間的間距也隨著距離的增加而變大,并且角度分辨率越松散,間距越大,角度分辨率越緊密,間距越小,如圖5 所示.因此,激光掃描儀的測量精度會隨著與被測量物體之間的距離增加而降低.

圖4 光束發(fā)散示意圖

圖5 不同角度分辨率下測量點(diǎn)之間距離的示意圖

2.2 體積計算

(1)標(biāo)定首先對物體所在平面進(jìn)行標(biāo)定.激光掃描儀測量得到的是物體和傳感器之間的直線徑向距離l,為了描述物體的高度信息,需要獲得物體所在平面的一組基準(zhǔn)高度H1,H2,···,Hn,如圖6 所示.

圖6 標(biāo)定示意圖

由于掃描儀在電機(jī)啟動時,位移速度逐漸增加,相鄰兩組測量數(shù)據(jù)之間的位移距離不易求出,所以這段時間內(nèi)的掃描數(shù)據(jù)不易用于計算物體體積.然而,電機(jī)啟動時速度較慢,這段時間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)近似可以看作是對初始位置的多組重復(fù)掃描,因此這些數(shù)據(jù)可以用來標(biāo)定物體所在平面的基準(zhǔn)高度.

具體的標(biāo)定方式為:對掃描儀啟動時采集的前5 組數(shù)據(jù)的對應(yīng)測量點(diǎn)求取平均值,作為掃描儀到該平面的基準(zhǔn)徑向距離L1,L2,···,Ln;將基準(zhǔn)徑向距離根據(jù)角度值轉(zhuǎn)換成高度信息即可標(biāo)定該平面初始位置各測量點(diǎn)到掃描儀所在平面之間的距離H1,H2,···,Hn.

(2)計算

物體體積計算的基本原理是通過建立被測物體的三維點(diǎn)云信息,運(yùn)用離散積分運(yùn)算求得被測物體的體積.二維激光雷達(dá)對物體進(jìn)行單次掃描時,掃描區(qū)域?yàn)樯刃?如圖7 所示.

圖7 掃描區(qū)域示意圖

單次掃描得到的距離信息是激光雷達(dá)中心到物體上表面某點(diǎn)的徑向距離,需要根據(jù)角度與距離之間的關(guān)系得出物體上表面該點(diǎn)的高度信息,計算公式為:

同一扇形截面相鄰兩點(diǎn)之間的距離可以通過距離信息和激光掃描儀的角度分辨率求得,計算公式為:

相鄰扇形之間的間距根據(jù)掃描儀的運(yùn)行速度可以求出.其中,l1,l2,···,ln表示測量點(diǎn)到激光掃描儀的徑向距離,h1,h2,···,hn表示測量點(diǎn)到激光掃描儀所在水平面的垂直距離,θ1,θ2,···,θn表示測量點(diǎn)與激光掃描儀中心的偏移角度,α 表示激光掃描儀的角分辨率,d1,···,dn-1表示同一扇形區(qū)域內(nèi)相鄰兩測量點(diǎn)之間的間距.物體體積計算公式為:

其中,w 代表相鄰兩個扇形之間的間距.

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與測試

該系統(tǒng)主要由測量管理與控制、測量場景重繪和數(shù)據(jù)采集與體積計算等功能構(gòu)成.首先介紹測量管理與控制的流程,并展示測量場景的重繪效果;然后針對不同的貨物擺放方式,設(shè)計了幾組試驗(yàn),用于驗(yàn)證該系統(tǒng)的測量精度;最后,對于試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題予以分析.

3.1 界面與軟件流程

軟件的整體控制流程圖如圖8 所示.根據(jù)系統(tǒng)功能需求設(shè)計軟件界面和所需要的輸入與輸出接口,軟件界面如圖9 所示.其中,“掃描”、“結(jié)束”、“撤銷”和“圖像”4 個按鈕用于用戶對本系統(tǒng)下達(dá)控制命令;體積用于顯示測量所得物體體積;提示信息用于顯示當(dāng)前系統(tǒng)所處的狀態(tài).

圖8 軟件流程圖

圖9 軟件界面

在掃描過程中使用了多媒體定時器采集數(shù)據(jù).這樣做的好處是,在接收激光掃描儀發(fā)送給主機(jī)的信息時,同時可以響應(yīng)操作界面產(chǎn)生的新的事件,使得在掃描過程中撤銷或者結(jié)束當(dāng)前掃描的指令可以被執(zhí)行;多媒體定時器的定時精度更高,使得系統(tǒng)能夠以嚴(yán)格的時間間隔采集數(shù)據(jù).考慮到激光掃描儀最大的掃描頻率可以達(dá)到50 Hz,即每20 ms 完成一個扇形截面區(qū)域的掃描,所以將多媒體定時器設(shè)置為每20 ms 請求一次測量數(shù)據(jù).

圖形重繪功能借助Matlab 強(qiáng)大的圖形處理能力得以實(shí)現(xiàn).使用激光掃描儀采集得到的點(diǎn)云信息,完成對被測物體的三維圖像繪制.首先在Matlab 編輯器中編寫用于重繪的函數(shù),函數(shù)流程如圖10 所示.

圖10 圖形重繪函數(shù)流程圖

為了使C++程序可以方便地調(diào)用這段代碼,使用Matlab 所提供的Deployment Tool 工具將.m 文件編譯為Windows 可執(zhí)行文件,即.exe 文件.圖形重繪的實(shí)現(xiàn)效果如圖11 所示.

圖11 三維重建立體圖

3.2 對比試驗(yàn)

(1)物體大小對于測量結(jié)果的影響

首先對少量物體的總體積進(jìn)行測量,隨后再逐漸增加被測物體的數(shù)量.需要注意的是,所有貨物均擺放在激光掃描儀掃描軌道的正下方,以避免因?yàn)樨浳飻[放位置的不同而影響試驗(yàn)測試結(jié)果;同時,為了避免擺放方式不同可能造成的測量誤差,所有貨物均平行擺放于同一平面.試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示.

表1 對比試驗(yàn)1 的測量結(jié)果

(2)貨物是否規(guī)則擺放對于測量結(jié)果的影響

在實(shí)際測量中,貨物之間可能并沒有全部都擺放整齊,從俯視角度看可能會出現(xiàn)如圖12 的擺放情況.

圖12 不規(guī)則擺放貨物示意圖

設(shè)計對比試驗(yàn)來測試在這種情況下對貨物進(jìn)行體積掃描所造成的誤差是否較大.首先將貨物平行擺放于地面進(jìn)行體積測量,再移動貨物使其之間的角度為任意值,對其進(jìn)行掃描,得到的測試數(shù)據(jù)如表2 所示.

表2 對比試驗(yàn)2 的測量結(jié)果

(3)堆疊擺放方式對測量結(jié)果的影響當(dāng)貨物較多或者貨物較大時,為了能一次性的測量更多的貨物的體積,加快測量效率,往往需要將貨物堆疊擺放.但是在堆疊擺放過程中,可能出現(xiàn)上下兩層貨物擺放并沒有完全對齊的情況,如圖13 所示.

圖13 兩層貨物未對齊擺放的示意圖

針對這種情況本文設(shè)計了對比試驗(yàn),分別測量上層貨物與下層貨物對齊擺放的情況和上層貨物較下層貨物擺放更加緊密的情況,測試數(shù)據(jù)如表3 所示.

表3 對比試驗(yàn)3 的測量結(jié)果

(4)試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對以上各試驗(yàn)的分析,得到如下的一些結(jié)論:

1)對比試驗(yàn)1 說明:無論被測物體體積較大還是較小,測量的總體誤差都可以控制在1%以內(nèi);

2)對比試驗(yàn)2 說明:雖然對不規(guī)則擺放的物體進(jìn)行掃描時會造成比掃描規(guī)則擺放物體更大的誤差,但是掃描的整體誤差還是處于可控制的范圍之內(nèi),總體誤差小于2%,因此說明此系統(tǒng)可以運(yùn)用于對擺放不規(guī)則的物體進(jìn)行體積掃描;

3)對比試驗(yàn)3 說明:在測量堆疊貨物時,貨物擺放要盡量邊緣對齊,造成誤差的主要原因是光線沿直線傳波,較高的貨物旁邊將會出現(xiàn)“掃描盲區(qū)”,如圖14 所示,使得處在盲區(qū)中的貨物沒有被掃描到,導(dǎo)致掃描的體積數(shù)據(jù)偏小;即使如此,造成的整體誤差仍然低于5%,說明系統(tǒng)仍然可以適用于此種情況.

圖14 掃描盲區(qū)示意圖

4 總結(jié)

本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一套基于激光掃描儀的物體體積測量系統(tǒng)的軟件程序,該系統(tǒng)滿足了所設(shè)計的功能需求:在高度為5 至6 m 的位置,以約0.5 m/s 的速度完成對被測物體體積的掃描,整體誤差可以控制在5%以下;測量得到的體積數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確的傳輸至服務(wù)器;軟件界面可視化,而且可以通過對掃描數(shù)據(jù)的三維重建直觀的觀察到所掃過區(qū)域的情況.本文設(shè)計的體積測量系統(tǒng)適用性更強(qiáng),可以測量掃描區(qū)域中物體的總體積,具有廣泛的應(yīng)用前景.