專利名稱：基于動態(tài)三維激光掃描的大型不規(guī)則散糧堆體積測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于動態(tài)三維激光掃描的大型不規(guī)則散糧堆體積測量方法，用于糧食儲量監(jiān)測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
糧食儲備是為保證消費需求，調(diào)節(jié)糧食供求平衡、穩(wěn)定糧食市場價格、應(yīng)對重大自然災(zāi)害或其他突發(fā)事件而建立的一項物資儲備制度。這一制度直接影響國家安全。為此對儲備在倉庫中的糧食實時監(jiān)管和數(shù)量核定，是保障國家利益和糧食安全的關(guān)鍵。同時也是儲備糧管理的重點和難點。我國糧食儲備約3000億斤，年糧食儲備補貼約近百億元。由于儲備量數(shù)量龐大，涉及巨大經(jīng)濟利益，使得虛庫、虛報貼息、以差換好、偷盜等各類違規(guī)、違法事件層出不窮，給國家造成了巨大經(jīng)濟損失。2008年兩會期間，袁隆平院士指出，某些糧 庫是空庫，引起國家領(lǐng)導(dǎo)人和社會各界高度關(guān)注。以后每年由國家發(fā)展和改革委員會、國家糧食局、財政部和中國農(nóng)業(yè)發(fā)展銀行四大部門聯(lián)合主持全國糧食庫存檢查工作。傳統(tǒng)清倉查庫的統(tǒng)計監(jiān)測方式，不僅花費了大量的人力、物力，耗資巨大(每年全國檢查人員差旅補貼、稽查搬運補貼近30億元)，且很難保證國家糧食儲備數(shù)量監(jiān)測的準(zhǔn)確性和實時性。因此國家糧食儲備數(shù)量快速而準(zhǔn)確的監(jiān)測問題一直是國家糧食監(jiān)管部門亟待解決的重要問題，迫切需要開發(fā)方便、快捷、準(zhǔn)確的糧食儲量監(jiān)測技術(shù)，研制相應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)。為全面準(zhǔn)確地掌握糧食庫存的真實情況，更好的落實宏觀調(diào)控任務(wù)，國家發(fā)展和改革委員會、國家糧食局、財政部和中國農(nóng)業(yè)發(fā)展銀行四大部門每年都要聯(lián)合主持全國糧食庫存檢查工作，核查全國庫存糧食數(shù)量是否真實可靠。庫存糧食數(shù)量檢查方式為測量計算法，即測量每棟倉房內(nèi)糧堆體積和糧堆密度，二者相乘得到糧食數(shù)量。如果庫存檢查時點存糧企業(yè)開展買糧和賣糧業(yè)務(wù)時(即糧食出庫和入庫作業(yè)時)，糧堆將呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，此時無法有效測算該倉糧食數(shù)量，影響到整個糧食數(shù)量統(tǒng)計和庫存檢查工作。不規(guī)則糧堆體積測算是糧食數(shù)量核定的難點，也是糧食數(shù)量實時監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵點，此問題多年來一直未能有效解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于動態(tài)三維激光掃描的大型不規(guī)則散糧堆體積測量方法。針對現(xiàn)行糧食倉儲模式，通過導(dǎo)軌移動式三維激光掃描空間形貌，生成附以坐標(biāo)的點云圖陣，曲面擬合成不規(guī)則散糧堆形貌，進而給出其體積；其能夠快速、高精度且有效的測量大型不規(guī)則形狀散糧堆的體積，并可實現(xiàn)遠程監(jiān)控；此方法成本低廉，易于實施。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的基于動態(tài)三維激光掃描的大型不規(guī)則散糧堆體積測量方法，其特征在于其測量方法，具體步驟如下
I)首先在糧倉頂部中間位置，沿寬度方向布置導(dǎo)軌；導(dǎo)軌上設(shè)有步進電機控制的滑塊，激光雷達掃描儀安裝在滑塊上；滑塊從糧倉頂部一端勻速移動至另一端，滑塊帶動激光雷達掃描儀完成整個散糧堆表面的掃描；
2)激光雷達掃描儀沿一端勻速通過導(dǎo)軌并掃描，激光雷達裝置為一維掃描裝置，實現(xiàn)線掃描并返回坐標(biāo)數(shù)據(jù)；通過激光雷達掃描儀返回柱坐標(biāo)信息，以及步進電機實時返回滑塊移動坐標(biāo)，激光雷達裝置與步進電機均通過局域網(wǎng)與主控制電腦連接；主控制電腦用于給步進電機發(fā)射脈沖，從而激勵滑塊運動以及控制激光雷達裝置掃描，并接收返回信號，對信號進行處理；計算掃描點的空間坐標(biāo)，從而得到糧堆頂部形貌輪廓的點云數(shù)據(jù)；
3)主控制電腦得到散糧堆表面的點云數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶對糧堆測量所允許的誤差值，確定用以計算體積的被掃描點的分布密度，從而主控制電腦中數(shù)據(jù)處理模塊均勻選擇一定數(shù)量的被掃描點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過計算機進行圖像擬合處理，得到散糧堆三維圖像，實現(xiàn)對點云數(shù)據(jù)進行有效合理地篩選，并根據(jù)數(shù)據(jù)積分計算散糧堆體積，根據(jù)用戶提供糧食密度，計算散糧堆重量。本發(fā)明的積極效果是采用動態(tài)激光雷達裝置自動測量大型不規(guī)則形狀散糧堆體積，這是首次將激光技術(shù)應(yīng)用于糧食體積測量上；且為保證大面積掃描的精度，能夠得到合 理的控制，其設(shè)計了導(dǎo)軌模式，動態(tài)進行激光雷達裝置測量，精度高，能夠得到較為精確的點云數(shù)據(jù)，從而在糧食體積測量上能夠保證高精度。由于得到的點云數(shù)據(jù)信息量很大，利用簡單的積分計算就能夠得到散糧堆的體積，計算效率上有很大優(yōu)勢。整個掃描裝置都是由計算機控制，系統(tǒng)可聯(lián)網(wǎng)運行，實現(xiàn)遠程監(jiān)控以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計，節(jié)省糧食數(shù)量儲備統(tǒng)計的成本。


圖I是儲糧倉的俯視簡圖。圖2是本發(fā)明的實施例簡圖(沿圖I中A方向的側(cè)視圖)。圖3是本發(fā)明掃描示意圖(沿圖I中B方向試圖)。圖4三維點云數(shù)據(jù)圖。圖5是散糧堆的三維曲面圖。圖2中，I為糧倉(長53. 5mX寬30mX高9m)，2為糧倉內(nèi)糧堆，3為激光雷達掃描儀，4為滑塊,5為導(dǎo)軌,6為主控制電腦。
具體實施例方式為了使本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行詳細的說明；應(yīng)當(dāng)說明的是，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖I所示，本實施例應(yīng)用的糧倉為長方形糧倉，具體尺寸為長53. 5mX寬30mX高9m，儲糧線位置高為6m。糧食情況如下儲存物料為玉米，容重為746kg/m3。結(jié)合本實施例的應(yīng)用環(huán)境和誤差小于3%。的體積測量精度要求，本實施例采用的激光雷達掃描儀的主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如下激光中心波長為905nm (不會影響糧食品質(zhì)),激光重頻為IOkHz,有效測量距離為2 30m，測量精度為3 5cm。如圖2、3所示，I為糧倉，其尺寸為長53. 5mX寬30mX高9m。糧堆2位于糧倉I內(nèi)儲糧線下部，糧堆2上表面呈不規(guī)則分布。在糧倉I頂部長度方向的中間位置沿糧倉I寬度方向裝有30m長的導(dǎo)軌5。導(dǎo)軌5上裝有滑塊4，滑塊4連接步進電機以及專用驅(qū)動裝置，滑塊4可在步進電機的帶動下沿導(dǎo)軌移動。激光雷達掃描儀3固定在滑塊4上，激光雷達掃描儀3可沿與導(dǎo)軌垂直的方向即糧倉I的長度方向掃描。主控制電腦6與激光雷達3、步進電機和專用驅(qū)動裝置通過局域網(wǎng)相連，主控制電腦6設(shè)有信號發(fā)射模塊和數(shù)據(jù)采集處理模塊。實施測量時，由主控制電腦6的信號發(fā)射模塊控制滑塊4內(nèi)部的脈沖發(fā)射裝置，激勵滑塊4內(nèi)的步進電機帶動滑塊4和安裝在滑塊4上的激光雷達掃描儀3沿導(dǎo)軌5勻速由一端向另一端移動。滑塊4和激光雷達掃描儀3移動的同時,主控制電腦6向激光雷達掃描儀3發(fā)出信號，激光雷達掃描儀3對糧堆2上表面進行一維掃描，得到糧堆2表面的柱面坐標(biāo)。激光雷達掃描儀3移動方向與其掃描方向垂直,從而實現(xiàn)對糧堆2上表面形狀的掃描。激光雷達掃描儀3返回信號通過接收裝置返回給主控制電腦6。主控制電腦6內(nèi)的數(shù)據(jù)采集處理模塊將返回的信號與掃描時滑塊4，即激光雷達掃描儀3所在的位置坐標(biāo)結(jié)合，得到被掃描點的三維坐標(biāo)，完成一次掃描。激光雷達掃描儀3完成整個糧堆2上表面 的掃描后。主控制電腦6即得到糧堆2上表面的點云數(shù)據(jù)，三維點云數(shù)據(jù)圖如圖4所示。根據(jù)誤差小于3%。的精度要求，主控制電腦6內(nèi)的數(shù)據(jù)處理模塊均勻選擇一定數(shù)量的被掃描點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，進行圖像處理，得到散糧堆的三維曲面并構(gòu)建網(wǎng)格如圖5所示，應(yīng)用專用算法求得糧食體積為4100. 397m3。誤差精度為I. 46%。，滿足誤差小于3%。的精度要求。
實施例實驗倉房情況長春市東湖糧油儲備庫2號倉，長53. 5m,寬30m，裝糧線6m。2012年2月入倉玉米，水分14. 4%，容重746g/L，數(shù)量3063. 360噸。三維激光掃描儀測算掃描儀獲得糧倉內(nèi)各點三維坐標(biāo)，即三維激光掃描儀內(nèi)部的棱鏡通過快速的旋轉(zhuǎn)，把激光頭發(fā)射的一維激光轉(zhuǎn)換為二維激光，與此同時，伺服馬達也進行旋轉(zhuǎn)，以獲得第三維的信息。通過記錄棱鏡的旋轉(zhuǎn)獲得激光束與垂直方向的夾角P，伺服馬達的旋轉(zhuǎn)可以獲得激光束與水平初始方向的夾角a以及測得距離R，三者相結(jié)合進行計算，就能得到被測點的三維坐標(biāo)(X, Y，z)。X= Rcos ^ cos ay= Rcos ^
Z= Rcos旦 sin a
將各點三維坐標(biāo)導(dǎo)入三維建模軟件(如CATIA或3DMax等)后生成如圖4所示的糧倉內(nèi)部掃描效果，并在該軟件中進一步轉(zhuǎn)化得到如圖5所示的效果。裝糧線以下空間總體積53. 5mX30mX6m=9630m3
裝糧線以下糧堆以上空氣體積插值積分計算得出5529.6030 m3 糧堆體積9630m3-5529. 6030 m3=4100. 397 m3 糧食實際數(shù)量3063. 360噸。重量計算糧食的重量=4100.397m3X0. 746kg/m3=3058. 896 噸。重量誤差誤差=3063.360-3058. 896 =4. 464 噸。誤差精度4. 464噸/3063. 360噸=1. 46%。，滿足要求。
權(quán)利要求
1.基于動態(tài)三維激光掃描的大型不規(guī)則散糧堆體積測量方法，其特征在于其測量方法，具體步驟如下 1)首先在糧倉頂部中間位置，沿寬度方向布置導(dǎo)軌；導(dǎo)軌上設(shè)有步進電機控制的滑塊，激光雷達掃描儀安裝在滑塊上；滑塊從糧倉頂部一端勻速移動至另一端，滑塊帶動激光雷達掃描儀完成整個散糧堆表面的掃描； 2)激光雷達掃描儀沿一端勻速通過導(dǎo)軌并掃描，激光雷達裝置為一維掃描裝置，實現(xiàn)線掃描并返回坐標(biāo)數(shù)據(jù)；通過激光雷達掃描儀返回柱坐標(biāo)信息，以及步進電機實時返回滑塊移動坐標(biāo)，激光雷達裝置與步進電機均通過局域網(wǎng)與主控制電腦連接；主控制電腦用于給步進電機發(fā)射脈沖，從而激勵滑塊運動以及控制激光雷達裝置掃描，并接收返回信號，對信號進行處理；計算掃描點的空間坐標(biāo)，從而得到糧堆頂部形貌輪廓的點云數(shù)據(jù)； 3)主控制電腦得到散糧堆表面的點云數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶對糧堆測量所允許的誤差值，確定用以計算體積的被掃描點的分布密度，從而主控制電腦中數(shù)據(jù)處理模塊均勻選擇一定數(shù) 量的被掃描點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過計算機進行圖像擬合處理，得到散糧堆三維圖像，實現(xiàn)對點云數(shù)據(jù)進行有效合理地篩選，并根據(jù)數(shù)據(jù)積分計算散糧堆體積，根據(jù)用戶提供糧食密度，計算散糧堆重量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于動態(tài)三維激光掃描的大型不規(guī)則散糧堆體積測量方法，其具體步驟如下首先在糧倉頂部中間位置，沿寬度方向布置導(dǎo)軌；導(dǎo)軌上設(shè)有步進電機控制的滑塊，激光雷達掃描儀安裝在滑塊上；滑塊從糧倉頂部一端勻速移動至另一端，滑塊帶動激光雷達掃描儀完成整個散糧堆表面的掃描；激光雷達裝置為一維掃描裝置，實現(xiàn)線掃描并返回坐標(biāo)數(shù)據(jù)；主控制電腦用于給步進電機發(fā)射脈沖，對信號進行處理；主控制電腦得到散糧堆表面的點云數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶對糧堆測量所允許的誤差值，確定用以計算體積的被掃描點的分布密度，根據(jù)用戶提供糧食密度，計算散糧堆重量。其通過導(dǎo)軌移動式三維激光掃描空間形貌，生成附以坐標(biāo)的點云圖陣，曲面擬合成不規(guī)則散糧堆形貌，進而給出其體積；其能夠快速、高精度且有效的測量大型不規(guī)則形狀散糧堆的體積，并可實現(xiàn)遠程監(jiān)控；此方法成本低廉，易于實施。
文檔編號G01B11/00GK102721367SQ20121022418
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月2日
發(fā)明者孟凡剛, 徐天爽, 徐濤, 施燕舞, 朱航, 朱鐵軍, 李恒, 王彥全, 程鵬, 胡韜綱, 薛恩儒, 鄭廣濱, 黃貴龍 申請人:吉林省糧油科學(xué)研究設(shè)計院