危化品倉庫障礙物掃描定位和還原算法的研究

劉學(xué)君，李 京，2，盧 浩，2，戴 波，袁碧賢，2

(1.北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院，北京 102617；2.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

?；穫}庫障礙物掃描定位和還原算法的研究

劉學(xué)君1，李 京1，2，盧 浩1，2，戴 波1，袁碧賢1，2

(1.北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院，北京 102617；2.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

隨著現(xiàn)代物流業(yè)的發(fā)展，倉儲安全越來越受到人們的重視，?；穫}庫的倉儲安全尤為重要。危化品倉庫中障礙物的掃描、定位、還原過程，用于顯示障礙物的位置、大小和形狀等準確的數(shù)字化信息。根據(jù)這些信息，管理員可對倉庫內(nèi)部情況作出準確的判斷，并采取恰當?shù)拇胧?，有效預(yù)防危化品倉庫安全事故的發(fā)生。為了對危化品倉庫的障礙物進行掃描、定位和還原形狀尺寸，對激光掃描裝置測得的數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)擬合。首先,利用激光掃描裝置對無障礙物進行掃描，得到掃描數(shù)據(jù)并擬合建立正常狀態(tài)。然后,對長方體障礙物的情況進行掃描，對得到的異常點進行數(shù)據(jù)擬合。最后，對圓柱體障礙物進行掃描，對收集到的異常點進行數(shù)據(jù)擬合。試驗結(jié)果表明，采用該算法得到的長度最大誤差值小于0.05m，能較好地實現(xiàn)圖像還原，滿足?；穫}庫監(jiān)控需求。該算法經(jīng)濟實用，具有很好的應(yīng)用前景。

物流； 倉儲安全； ?；?； 激光掃描； 障礙物； 最小二乘法； 誤差

0 引言

隨著國民經(jīng)濟和現(xiàn)代物流業(yè)的迅速發(fā)展，倉儲安全顯得越來越重要[1-2]，尤其是在危化品倉庫方面。?；肪哂幸兹家妆奶攸c[3-4]，一旦?；穫}庫發(fā)生事故，對人們的生命和財產(chǎn)將會造成不可估量的損失[5-6]。為了預(yù)防發(fā)生?；穫}庫安全事故，傳統(tǒng)情況下，一般采用視頻監(jiān)控技術(shù)。視頻監(jiān)控依據(jù)視頻圖像來查看倉庫內(nèi)異樣，需要人長期在屏幕前監(jiān)視。針對視頻監(jiān)控的缺點，設(shè)計了一套激光掃描監(jiān)測裝置，對倉庫障礙物進行安全監(jiān)測。在?；穫}庫中，激光掃描裝置掃描到障礙物，并對其進行定位和形狀尺寸還原，給管理員報警。管理員可以根據(jù)障礙物的位置、形狀和尺寸，決定怎么處理發(fā)現(xiàn)的障礙物。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

掃描監(jiān)測裝置分為主控單元、細分驅(qū)動、步進電機、蝸輪蝸桿、距離傳感器、角度檢測傳感器[7-9]這六部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控單元接收位置信息并處理，發(fā)出控制信號給細分驅(qū)動。細分驅(qū)動是主控單元和步進電機的中間環(huán)節(jié)，把邏輯控制信號細分轉(zhuǎn)化為可驅(qū)動步進電機運行的功率電流。步進電機是執(zhí)行機構(gòu)，接收細分驅(qū)動傳過來的驅(qū)動信號，并按相應(yīng)指令動作。蝸輪蝸桿是步進電機與工作臺之間的連接機構(gòu)，其作用是增大步進電機的扭矩和轉(zhuǎn)換運動方向。距離傳感器收集距離數(shù)據(jù)，角度檢測傳感器收集角度數(shù)據(jù)，它們把這些信息反饋給主控單元。

圖1 掃描監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)圖

2 算法研究

對掃描程序的設(shè)計,先用激光掃描，判斷有無異常點。沒有異常點，狀態(tài)正常，繪制圖形，作為原始狀態(tài)；當發(fā)現(xiàn)異常點時，判斷位置，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并且數(shù)據(jù)擬合，與數(shù)據(jù)庫作比對，判斷是直線還是曲線，組合出來圖形是矩形還是圓形或者其他圖形。管理員根據(jù)圖形和長度決定處理方法。本研究中，把最小二乘法應(yīng)用到圖形恢復(fù)和尺寸還原，建立一個原始數(shù)據(jù)狀態(tài)。當掃描到異常數(shù)據(jù)時報警，并對異常點擬合，與數(shù)據(jù)庫作對比，從而大致判斷障礙物的形狀和尺寸。

擬合就是把一組數(shù)據(jù)擬合成一個最佳匹配函數(shù)。數(shù)據(jù)擬合采用的算法為最小二乘法。設(shè)逼近函數(shù)為[10-11]：

f(x)=a0+a1x+…+anxn

(1)

式中：a0,a1,…,an為待定系數(shù)。

(2)

方差取得最小值時得到系數(shù)值(a0，ai,…,an)，進而可以得到逼近函數(shù)。當σ2數(shù)值最小，數(shù)據(jù)點在曲線兩側(cè)分布最均勻時，即令ε=f(xk)-yk。n為自然數(shù)，取值范圍預(yù)先設(shè)定為1～3，根據(jù)擬合曲線選擇最匹配的值。

2.1 對無障礙物的掃描算法

首先，固定掃描儀三腳架，調(diào)整激光掃描平臺位置，避免平臺歪斜或擺設(shè)不符要求，并記錄掃描儀位置。然后，開啟監(jiān)測裝置，對沒有障礙物時進行掃描，即在正常情況下進行激光掃描，建立正常狀態(tài)，作為參考，將沒有障礙物時的數(shù)據(jù)擬合。程序運行進入監(jiān)控狀態(tài)，用激光掃描得到數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)圖采用直角坐標系，以激光掃描儀口為原點。激光掃描得到的數(shù)據(jù)以直角坐標系顯示，即可得到(x,y)坐標點的數(shù)據(jù)圖。試驗中，激光掃描儀的激光發(fā)射口取為坐標原點(0,0)，旋轉(zhuǎn)掃描得到各個角度對應(yīng)的距離值。設(shè)計掃描角度范圍在125～135 ℃時有障礙物，編碼器精度為0.02 ℃。角度值和距離值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的直角坐標值。編碼器得到的角度值是十六進制，需要通過數(shù)制轉(zhuǎn)換得到十進制數(shù)。

激光掃描儀掃描得到角度和距離值數(shù)據(jù)，進而對極坐標進行轉(zhuǎn)換得到直角坐標數(shù)據(jù)圖。無障礙物時，激光掃描得到無障礙物數(shù)據(jù)圖。數(shù)據(jù)點大約在X軸(-1.65,-1.2)和Y軸(1.5,1.9)之間。采用最小二乘法，將這些數(shù)據(jù)點進行數(shù)據(jù)擬合，得到擬合曲線圖。無障礙物數(shù)據(jù)擬合曲線圖如圖2所示。

圖2 無障礙物數(shù)據(jù)擬合曲線圖

由圖2可知，擬合曲線的函數(shù)表達式為y=0.697 8x+2.719 2，而曲線長度積分公式[12]為：

(3)

將數(shù)據(jù)點數(shù)值代入曲線長度積分公式(1)，得到曲線長度0.471 m。實際掃描寬度為0.490 m，所以產(chǎn)生誤差為0.019 m。

2.2 對長方體障礙物的掃描算法

在激光掃描范圍內(nèi)放置一個長方體盒子，掃描2次后，得到長方體障礙物數(shù)據(jù)圖。將掃描得到的數(shù)據(jù)與正常情況無障礙時的距離進行比對，在X軸(-1.45,-1.25)和Y軸(1.5,1.65)之間，出現(xiàn)一些異常點，判斷為障礙物，進行報警。對獲得的數(shù)據(jù)點進行數(shù)據(jù)擬合，得到長方體障礙物數(shù)據(jù)擬合圖。這樣，管理員可以大致判斷在相應(yīng)位置存在有棱角的障礙物，判斷為矩形物體。長方體障礙物數(shù)據(jù)擬合曲線圖如圖3所示。

其二，我喜《雜文月刊》，是因她是“一本有良知、講真話的雜志”。她不同于某些網(wǎng)頁戴著墨鏡看世界，所載盡是唯恐天下不亂的“憤青文”；也不同于某些脫離實際，不接地氣的“偽高調(diào)”“假大空”的“雞湯文”。她是和黨中央在政治上保持高度一致的大前提下，聯(lián)系當今社會人民群眾身邊的真人真事，針砭時弊，激濁揚清。不僅提出問題、分析問題尖銳、潑辣，有精辟獨到的見解，而且也有解決問題的建設(shè)性意見，把話說到了老百姓的心坎上，自然引起了老百姓的共鳴。不僅有令人蕩氣回腸之感，還能讓人深思，自己應(yīng)該怎么做，實現(xiàn)雜文“以文化人”傳播正能量的使命。

圖3 長方體障礙物數(shù)據(jù)擬合曲線圖

擬合得到三個擬合曲線函數(shù)，函數(shù)表達式分別為：f(x1)=y1=0.699 7x1+2.727;f(x2)=y2=12.581x2+17.5;f(x3)=y3=0.026 8x3+1.493 6。

根據(jù)曲線長度公式(1)，得到長方體寬度為0.088 m、長度為0.141 m，而實際長方體寬度為0.095 m、長度為0.155 m；掃描數(shù)據(jù)誤差分別為0.007 m和0.014 m。

2.3 對圓柱體障礙物的掃描算法

在激光掃描范圍內(nèi)放置一個圓柱體，掃描2次得到圓柱障礙物數(shù)據(jù)掃描圖。與無障礙物時正常狀態(tài)的數(shù)據(jù)作對比，數(shù)據(jù)圖在X軸(-1.4,-1.25)和Y軸(1.55,1.65)之間出現(xiàn)異常點，進行報警。所得到的數(shù)據(jù)點被擬合，得到圓柱障礙物數(shù)據(jù)擬合圖。異常點為一段弧線，判斷為圓柱類障礙物。圓柱障礙物數(shù)據(jù)擬合曲線圖如圖4所示。

圖4 圓柱障礙物數(shù)據(jù)擬合曲線圖

擬合函數(shù)表達式為：

f(x1)=y1=0.700 9x1+2.723 8

(4)

異常數(shù)據(jù)點取自變量2次冪，擬合度較好，擬合曲線函數(shù)表達式為：

(5)

f(x2)是一個二次函數(shù)，即為一段弧線?；【€可被判斷為原柱狀物，由于f(x1)直線缺一段，故測得直徑為0.073 m；圓柱體實際直徑為0.077 m；激光掃描數(shù)據(jù)誤差為0.004 m。

3 試驗結(jié)果

把試驗掃描的曲線長度與實際物體尺寸進行對比，如表1所示。

表1 試驗結(jié)果與實際情況的對比

表1分別對墻面長度、矩形寬、矩形長和圓直徑實際測量長度和掃描測量長度進行了對比。由表1數(shù)據(jù)可知，采用本算法的掃描計算得到的長度最大誤差為0.019 m，小于?；穫}庫要求的0.050 m，滿足?；穫}儲需求。

4 結(jié)束語

危化品倉庫中的障礙物定位和形狀還原，對預(yù)防?；穫}庫事故極具意義。本研究設(shè)計了一套掃描儀監(jiān)測裝置進行掃描定位，建立原始數(shù)據(jù)狀態(tài)，當掃到異常點的時候，用最小二乘法數(shù)據(jù)擬合。通過對長方體，圓柱狀物體的試驗，證明對障礙物距離、形狀和尺寸恢復(fù)有較好的效果，誤差小于安全要求的0.050 m，滿足危化品倉庫需求。在實際情況中，該方法能為管理員清楚提供危化品倉庫障礙物的相關(guān)數(shù)據(jù)，使庫內(nèi)狀態(tài)信息數(shù)字化，為判斷和處理庫內(nèi)情況提供切實依據(jù)。該方法為多個固定激光掃描儀組合，數(shù)據(jù)匯總得到障礙物立體圖和倉庫全局狀態(tài)圖奠定基礎(chǔ)，為?；穫}庫監(jiān)控提供技術(shù)支持，具有很好的應(yīng)用前景。

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科技論文中文文摘的撰寫

摘要是現(xiàn)代科技論文的必要附加部分，只有極短的文章才能省略。它是幫助讀者從浩瀚的信息海洋中能較快、較準地找到他們所需要的科技信息的一種有效工具。摘要一般置于作者及其工作單位之后、關(guān)鍵詞之前。

根據(jù)GB/T 6447-1986《文摘編寫規(guī)則》關(guān)于摘要的定義，摘要是以提供文獻內(nèi)容梗概為目的，不加評論和補充解釋，簡明、確切地記述文獻重要內(nèi)容的短文。按摘要的不同功能來劃分，它大致分為報道性摘要、指示性摘要、報道-指示性摘要3種類型。一般的科技論文應(yīng)盡可能采用報道性摘要。摘要中應(yīng)寫的內(nèi)容一般包括研究工作的目的、方法、結(jié)果和結(jié)論，而重點是結(jié)果和結(jié)論。根據(jù)有關(guān)規(guī)定，撰寫摘要應(yīng)注意以下幾點。

① 省略“我們”“作者”“筆者”“本文”這樣的主語。

② 簡短精煉，明確具體。簡短，指篇幅短，一般以不超過350字為宜(依摘要類型而定)；精煉，指摘錄出原文的精華，無多余的話；明確具體，指表意明白，不含糊，無空泛、籠統(tǒng)的詞語，應(yīng)有較多而有用的定性和定量的信息。

③ 一般不要交代背景，更不要闡述一般性知識。

④ 格式要規(guī)范，一般不分段，盡可能用規(guī)范術(shù)語，不用非共知共用的符號和術(shù)語。不能簡單地重復(fù)題名中已有的信息，并切忌羅列段落標題來代替摘要。除了實在無變通辦法可用以外，一般不出現(xiàn)插圖、表格，以及參考文獻序號，一般不用數(shù)學(xué)公式和化學(xué)結(jié)構(gòu)式。

Research on the Scan Positioning and Reduction Algorithm for Obstacles in Hazardous Chemicals Warehouse

LIU Xuejun1,LI Jing1,2,LU Hao1,2,DAI Bo1，YUAN Bixian1,2

(1.College of Information Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology,Beijing 102617,China； 2.College of Information Science and Technology，Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)

Along with the development of modern logistics industry,more and more attention has been paid by people on warehousing security,especially for the storage security of the hazardous chemicals warehouse.Scanning,positioning and reduction processes for the obstacles in hazardous chemicals warehouse are used for displaying accurate digitized information of the position,sixe,and shape of obstacles.In accordance with such information, administrators can make precise judgment on the situation inside warehouse,and take appropriate measures to effectively prevent occurrence of accidents in hazardous chemicals warehouse.In order to conduct scan,positioning and restore the shape and size of the obstacle,the data obtained by the laser scanning device are fitted.Firstly,the laser scanning device is used to scan the scene without obstacle; the scanned data are fitted to establish the normal state.Then,the rectangular obstacle is scanned; the data fitting is conducted for the abnormal points.Finally,the cylindrical obstacle is scanned and the data fitting is conducted for the abnormal points.The experimental results show that with this algorithm the maximum error of the length is less than 0.05m,the image restoration can be better achieved,to meet the monitoring requirement for hazardous chemicals warehouse,the method is economical and practical,and has good application prospects.

Logistics; Warehousing security; Hazardous chemicals; Laser scanning; Obstacle; Least square method; Error

北京市教育委員會科技計劃面上項目(15032221001/006)、北京市教育委員會市屬高校創(chuàng)新能力提升計劃項目(2016014222000041)、北京石油化工學(xué)院科技創(chuàng)新資助項目(15031862005/052)、北京石油化工學(xué)院優(yōu)秀青年教師和管理骨干培育計劃項目(08031862008/040)、2015年度青年教師科技創(chuàng)新能力提升計劃項目(15031862005/052)

劉學(xué)君(1977—)，男，博士，副教授，主要從事單片機開發(fā)和光纖通信方向的研究。E-mail: qinbufei@foxmail.com。

TH-3;TP274+.2

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705021

修改稿收到日期:2016-11-24