基于激光掃描的體積測量系統①

張 巍,卿粼波,吳曉紅,何海波

1(四川大學 電子信息學院,成都 610065)

2(成都西圖科技有限公司,成都 610041)

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

在眾多對體積測量有需求的行業中,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,需要根據自身的行業特點改進或者設計適合于本行業的測量方法和測量設備.工程上常用的方法是通過采集被測物體的三維信息,利用微積分的數學思想對被測物體的體積進行計算.目前采集被測物體三維信息的方法主要有4 種:1)運用超聲波對整個物體進行掃描[3,4];2)基于機器視覺實現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生變形的程度,計算被測物體的三維點云信息[7-9];4)運用激光掃描儀掃描物體表面,獲得掃描區域的三維點云信息[1,10,11].其中因為激光具有速度快、方向性強等特點,運用激光掃描儀在環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有利于提高相關行業的工作效率和發展水平.因此本文設計并實現了一套基于激光掃描儀的物體體積測量系統,用于測量物流貨物的體積.該系統基于二維激光雷達,將其搭載于伺服電機驅動的平動裝置,采用非接觸的測量方式,實現對場景內所有貨物的表面進行勻速掃描;得到貨物的三維信息后,運用離散積分算法計算貨物總體積.該系統的優點是,測量速度快、穩定性好,單次掃描后可測得整體貨物的體積,在航空、物流等行業能夠廣泛應用于體積測量.

1 系統的總體方案設計

本文設計的系統采用激光掃描儀通過非接觸的方式對物體進行快速準確的體積測量,測量得到的體積數據通過網絡與其他系統進行共享.該系統主要滿足以下需求: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)體積數據易被觀察,通過顯示屏等設備將測量結果予以顯示;4)體積數據可上傳至服務器,與其他系統實現數據共享;5)重構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域的情況.

針對上述需求,設計得到的系統整體結構示意圖如圖1 所示.該系統主要由PC、電機控制單元、二維激光雷達、伺服電機、數碼顯示管、狀態指示燈和遠程服務器構成.伺服電機驅動二維激光雷達做直線運動,對物體進行均勻掃描;PC 機采集激光雷達返回的數據,結合伺服電機的運行速度,得到被測物體的三維點云信息;PC 機再對這些信息進行處理,計算得出被測物體體積,隨后將體積數據予以顯示并且上傳至服務器.

圖1 系統整體結構示意圖

為了增強模塊的獨立性和降低代碼與數據的耦合度,將系統的各項功能進行劃分與整理,主要包括:串口通信模塊、網絡通信模塊、流程管理與控制模塊和參數配置模塊.軟件系統結構框圖如圖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的參數,并提供用于通過串口收發字符消息的接口,下位機控制模塊使用這些接口向下位機發送控制命令,數碼顯示控制模塊使用這些接口將體積數據發送至數碼管;網絡通訊模塊的主要功能是創建套接字,通過這些套接字,數據采集與計算模塊接收激光掃描儀采集得到的數據并計算體積,而數據傳輸模塊將體積測量結果發送至遠程服務器;圖形重繪模塊將采集得到的點云信息重新建模;參數配置模塊提供了創建、讀取配置文件的函數接口,為降低代碼與數據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之后,完成軟件系統各模塊的協調與配合.

圖2 系統結構框圖

2 貨物體積的計算

激光掃描儀由伺服電機驅動,勻速地掃描被測場景.上位機采集激光掃描儀返回的測量數據,生成被測場景的三維點云信息.貨物體積由點云數據計算得出.本節首先介紹該系統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

本文設計的系統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掃描周圍的環境.LMS111 使用二維坐標描述其測量得到的周圍環境——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 使用激光二極管發射脈沖激光束.激光脈沖入射到物體時,會在其表面發生反射.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激光的傳播時間計算得到.該傳播時間是指從發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 使用鏡面使發射的激光束偏轉.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.

隨著測量距離的增加,LMS111 的激光束會漸漸發散,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 光束發散示意圖

圖5 不同角度分辨率下測量點之間距離的示意圖

2.2 體積計算

(1)標定首先對物體所在平面進行標定.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高度H1,H2,···,Hn,如圖6 所示.

圖6 標定示意圖

由于掃描儀在電機啟動時,位移速度逐漸增加,相鄰兩組測量數據之間的位移距離不易求出,所以這段時間內的掃描數據不易用于計算物體體積.然而,電機啟動時速度較慢,這段時間內產生的數據近似可以看作是對初始位置的多組重復掃描,因此這些數據可以用來標定物體所在平面的基準高度.

具體的標定方式為:對掃描儀啟動時采集的前5 組數據的對應測量點求取平均值,作為掃描儀到該平面的基準徑向距離L1,L2,···,Ln;將基準徑向距離根據角度值轉換成高度信息即可標定該平面初始位置各測量點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云信息,運用離散積分運算求得被測物體的體積.二維激光雷達對物體進行單次掃描時,掃描區域為扇形,如圖7 所示.

圖7 掃描區域示意圖

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

同一扇形截面相鄰兩點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掃描儀的運行速度可以求出.其中,l1,l2,···,ln表示測量點到激光掃描儀的徑向距離,h1,h2,···,hn表示測量點到激光掃描儀所在水平面的垂直距離,θ1,θ2,···,θn表示測量點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表示同一扇形區域內相鄰兩測量點之間的間距.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 系統的實現與測試

該系統主要由測量管理與控制、測量場景重繪和數據采集與體積計算等功能構成.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,設計了幾組試驗,用于驗證該系統的測量精度;最后,對于試驗中發現的問題予以分析.

3.1 界面與軟件流程

軟件的整體控制流程圖如圖8 所示.根據系統功能需求設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”、“結束”、“撤銷”和“圖像”4 個按鈕用于用戶對本系統下達控制命令;體積用于顯示測量所得物體體積;提示信息用于顯示當前系統所處的狀態.

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據.這樣做的好處是,在接收激光掃描儀發送給主機的信息時,同時可以響應操作界面產生的新的事件,使得在掃描過程中撤銷或者結束當前掃描的指令可以被執行;多媒體定時器的定時精度更高,使得系統能夠以嚴格的時間間隔采集數據.考慮到激光掃描儀最大的掃描頻率可以達到50 Hz,即每20 ms 完成一個扇形截面區域的掃描,所以將多媒體定時器設置為每20 ms 請求一次測量數據.

圖形重繪功能借助Matlab 強大的圖形處理能力得以實現.使用激光掃描儀采集得到的點云信息,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,函數流程如圖10 所示.

圖10 圖形重繪函數流程圖

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

圖11 三維重建立體圖

3.2 對比試驗

(1)物體大小對于測量結果的影響

首先對少量物體的總體積進行測量,隨后再逐漸增加被測物體的數量.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,以避免因為貨物擺放位置的不同而影響試驗測試結果;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.試驗結果如表1 所示.

表1 對比試驗1 的測量結果

(2)貨物是否規則擺放對于測量結果的影響

在實際測量中,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如圖12 的擺放情況.

圖12 不規則擺放貨物示意圖

設計對比試驗來測試在這種情況下對貨物進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行體積測量,再移動貨物使其之間的角度為任意值,對其進行掃描,得到的測試數據如表2 所示.

表2 對比試驗2 的測量結果

(3)堆疊擺放方式對測量結果的影響當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計了對比試驗,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,測試數據如表3 所示.

表3 對比試驗3 的測量結果

(4)試驗結果分析

通過對以上各試驗的分析,得到如下的一些結論:

1)對比試驗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;

2)對比試驗2 說明:雖然對不規則擺放的物體進行掃描時會造成比掃描規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,總體誤差小于2%,因此說明此系統可以運用于對擺放不規則的物體進行體積掃描;

3)對比試驗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“掃描盲區”,如圖14 所示,使得處在盲區中的貨物沒有被掃描到,導致掃描的體積數據偏小;即使如此,造成的整體誤差仍然低于5%,說明系統仍然可以適用于此種情況.

圖14 掃描盲區示意圖

4 總結

本文設計并實現了一套基于激光掃描儀的物體體積測量系統的軟件程序,該系統滿足了所設計的功能需求: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;測量得到的體積數據可以準確的傳輸至服務器;軟件界面可視化,而且可以通過對掃描數據的三維重建直觀的觀察到所掃過區域的情況.本文設計的體積測量系統適用性更強,可以測量掃描區域中物體的總體積,具有廣泛的應用前景.