本發(fā)明涉及體積測量系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體來說是一種用于體積測量系統(tǒng)的探測物體積計算方法。

背景技術(shù)：

在快遞包裹分揀計費場合，快遞公司希望能夠通過體積測量系統(tǒng)獲得探測物(待測包裹)的三維尺寸信息，而非僅獲得探測物體積。如圖1所示，在目前常用的雙光幕的快遞包裹體積計量系統(tǒng)中，探測物2在傳送帶1上通過高度測量光幕4和寬度測量光幕3所組成的測量面6，相互垂直安裝的兩對測量光幕傳感器構(gòu)成了一個矩形測量平面，傳送帶1以速度v勻速推送探測物2通過測量平面，被測量平面截取一個矩形的待測截面。系統(tǒng)通過這種斷面掃描方式測量包裹體積，如下式所示：

式中T表示待測包裹通過測量平面的總時間，w(t)表示待測截面的寬度值，h(t)表示待測截面高度；v表示傳送帶速度。

通過分析，圖1的雙光幕體積測量系統(tǒng)的測量誤差σ_V可表示為：

由于在進行包裹體積測量過程中，一般包裹尺寸最小的邊會作為高度，以保證包裹穩(wěn)定放置。這導致上式第一項中，(h+σ_h)給整個系統(tǒng)的測量結(jié)果帶來較大的誤差。且上式σ_s為累加方式體積測量的算法誤差，存在極大的不可控性。特別是，分層累加算法無法獲得探測物(待測包裹)的三維尺寸信息，而是直接獲得體積信息，導致其誤差較大。

如何開發(fā)出一種獲取探測物三維尺寸信息的方法已經(jīng)成為急需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中無法獲得探測物三維尺寸信息的缺陷，提供一種用于體積測量系統(tǒng)的探測物體積計算方法來解決上述問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種用于體積測量系統(tǒng)的探測物體積計算方法，包括以下步驟：

測量系統(tǒng)的預置，測量光幕以固定的時間間隔采集每一對紅外發(fā)射接收對管的阻擋狀況，并在極短的響應(yīng)時間內(nèi)上傳給上位機；

系統(tǒng)狀態(tài)的檢測，上位機通過實時監(jiān)測測量光幕測量值，判斷有無物體遮擋紅外發(fā)射接收對管所組成的通過體積測量平面；

探測物底面測量信息的獲取，當探測物通過測量平面時，上位機開始記錄測量光幕上傳的每一組數(shù)據(jù)，存儲在預設(shè)的二維數(shù)組A(i，j)中，其中：i為探測物的高度信息，j為探測物的寬度信息；當探測物完全通過測量平面時，停止向二維數(shù)組A(i，j)中存放數(shù)據(jù)，二維數(shù)組A(i，j)存儲了探測物的底面測量信息；

探測物底面的擬合與計算，通過在傳送帶平面上建立一個與探測物底面近似的解析模型，擬合出探測物底面，并通過解析模型計算出探測物的長、寬及面積；

探測物高度值的測量與計算，通過高度測量傳感器陣列，以固定時間間隔向上位機傳輸?shù)奶綔y物實時獲取高度測量值，對整個通過過程的探測物高度測量值求取平均值，得到探測物的高度值；

探測物體積的計算，將通過擬合底面計算獲得的底面積與高度值相乘，得到系統(tǒng)所求待測包裹體積V_package，其計算公式如下：

V_package＝hw_Fl_F＝hS_F

其中，h為高度測量傳感器陣列測量獲得的包裹高度平均值，l_F、w_F分別表示擬合計算得的探測物底面長與寬、S_F表示擬合出的探測物底面面積。

所述的探測物底面的擬合與計算包括以下步驟：

根據(jù)二維數(shù)組A(i，j)在傳送帶平面建立直角坐標系，以二維數(shù)組A(i， j)中i的增漲方向作為x軸，其為傳送帶速度方向，以二維數(shù)組A(i，j)中j的增漲方向作為y軸,其為測量光幕紅外發(fā)射接受對管排列方向；

以i＝0為x軸原點，其為首次產(chǎn)生遮擋位置；以傳送帶邊緣j＝0為y軸原點，其為傳送帶邊緣；對探測物通過測量平面過程中所有被遮擋的紅外發(fā)射接受對管進行標定，形成底面標定圖；

去除探測物底面矩形內(nèi)部冗余點，提取邊緣點作為擬合算法的采樣點；

探測物底面坐標陣列點的獲取，根據(jù)采樣點對探測物底面矩形進行分割，獲得四組點陣坐標；

對四組點陣坐標進行線性回歸分析計算，擬合出邊緣直線，四條直線相交形成的范圍為探測物的擬合底面；

通過解析模型計算探測物擬合底面矩形的長寬及面積，其計算公式如下：

其中，x為直角坐標系的橫坐標，y為縱坐標，k表示矩形邊緣直線AB的斜率，b表示各組邊緣直線與y軸的截距，S_F為四條直線所組成的擬合探測物底面的面積，l_F、w_F分別表示擬合計算得的探測物底面長與寬。

所述的探測物高度值的測量與計算包括以下步驟：

根據(jù)無探測物通過時，高度測量傳感器陣列的上傳值確定傳送帶平面位置，作為高度零點；

當探測物通過測量平面，高度測量傳感器陣列被包裹遮擋導致測量值減小，計算測量值改變量△h_i；

當△h_ij大于5mm時，上位機存儲單元記錄連續(xù)的△h_ij值；當△h_ij小于5mm，停止記錄數(shù)據(jù)；共獲得m個高度測量值；

計算探測物高度h，其計算公式如下：

所述的探測物底面坐標陣列點的獲取包括以下步驟：

對二維數(shù)組A(i，j)中的數(shù)據(jù)由i＝0、j＝0開始，對整個二維數(shù)組進行遍歷；

提取二維數(shù)組A(i，j)中待測物體底面的邊緣坐標值，并根據(jù)單增\單減原則分割坐標點陣，將其分為4部分，代表待測矩形包裹的四條邊；其具體步驟如下：

由i＝0開始遍歷，判斷數(shù)組A(i，j)中A值為1的單元所對應(yīng)的j值；

增加i值，獲取到數(shù)組中A值為1的點有兩個，其對應(yīng)j值為j₁、j₂，其中j₁表示待擬合矩陣的上邊緣L_ABC；j₂表示待擬合矩陣的下邊緣L_BCD；

持續(xù)遍歷，j₁值呈先增大后減小，j₂值先減小后增大；根據(jù)轉(zhuǎn)折點，將j₁分為L_AB與L_BC，j₂分為L_CD與L_DA，完成對數(shù)組A(i，j)元素的分割，獲得四條邊的測量點陣坐標。

有益效果

本發(fā)明的一種用于體積測量系統(tǒng)的探測物體積計算方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠精確獲取探測物三維尺寸信息，通過擬合算法建立模型，獲取三維尺寸信息再計算出探測物的體積，提高了測量精度與穩(wěn)定性。本發(fā)明通過底面擬合算法進行探測物底面建模，消除累加算法誤差σ_S，使底面積測量值S_F更接近真實值。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的雙光幕體積測量系統(tǒng)；

圖2為改進后的體積計量系統(tǒng)

圖3為本發(fā)明的方法順序圖；

圖4為本發(fā)明中底面邊緣擬合過程示意圖；

其中，1-傳送帶、2-探測物、3-寬度測量光幕、4-高度測量光幕、5-高度測量傳感器陣列、6-測量面。

具體實施方式

為使對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征及所達成的功效有更進一步的了解與認識，用以較佳的實施例及附圖配合詳細的說明，說明如下：

如圖3所示，本發(fā)明所述的一種用于體積測量系統(tǒng)的探測物體積計算方法，包括以下步驟：

第一步，測量系統(tǒng)的預置。測量光幕以固定的時間間隔采集每一對紅外發(fā)射接收對管的阻擋狀況，并在極短的響應(yīng)時間內(nèi)上傳給上位機。其中，測量光幕可以采用圖1所示的雙光幕體積測量系統(tǒng)，基于本方法采用擬合出底面再計算體積的計算過程，其可以不基于高度測量光幕4的數(shù)據(jù)采集，采用高度測量傳感器代替，計算精度能夠得到大幅提升。而若依靠傳統(tǒng)的累加算法計算體積，其必須依靠高度測量光幕4的數(shù)據(jù)采集，無法使用高度測量傳感器陣列5代替高度測量光幕4，由于高度測量光幕4的精度低于高度測量傳感器陣列5，使得兩個方法在物理材質(zhì)的選擇上就產(chǎn)生了精度差別(測量誤差)。

如圖2所示，采用高度測量傳感器陣列5代替高度測量光幕4。高度測量傳感器陣列5的高度測量傳感器可以采用相位式激光位移傳感器(KLH-01T型激光位移傳感器)。相位激光位移傳感器作為一維測距器件，具有較高測量精度和抗干擾能力。KLH-01T型激光位移傳感器測量精度可達±1mm，采樣頻率10Hz。通過等間距排列的一組激光位移傳感器，可覆蓋寬度60cm的傳送帶，采集橫向尺寸不小于10cm的探測物的高度值。

在此情況下，高度測量誤差σ_h→0，則測量誤差σ_V化簡為：

如上式所示，通過高度測量傳感器陣列5采集探測物高度，極大地提高了整個系統(tǒng)的測量精度，通過擬合算法，能夠完全消除累加算法所帶來的測量誤 差。

第二步，系統(tǒng)狀態(tài)的檢測。上位機通過實時監(jiān)測測量光幕測量值，判斷有無物體遮擋紅外發(fā)射接收對管所組成的通過體積測量平面，以待準備獲取探測物底面測量信息。

第三步，探測物底面測量信息的獲取。當探測物通過測量平面時，上位機開始記錄測量光幕上傳的每一組數(shù)據(jù)，存儲在預設(shè)的二維數(shù)組A(i，j)中。二維數(shù)組A(i，j)中，i為探測物的高度信息(二維平面中X的值)，j為探測物的寬度信息(二維平面中Y的值)，。當探測物完全通過測量平面時，停止向二維數(shù)組A(i，j)中存放數(shù)據(jù)，二維數(shù)組A(i，j)存儲了探測物的底面測量信息。

第四步，探測物底面的擬合與計算。如圖4所示，通過在傳送帶平面上建立一個與探測物底面近似的解析模型，擬合出探測物底面，并通過解析模型計算出探測物的長、寬及面積。其具體步驟如下：

(1)根據(jù)二維數(shù)組A(i，j)在傳送帶平面建立直角坐標系，以二維數(shù)組A(i，j)中i的增漲方向作為x軸，其為傳送帶速度方向，以二維數(shù)組A(i，j)中j的增漲方向作為y軸,其為測量光幕紅外發(fā)射接受對管排列方向。

(2)以i＝0為x軸原點，其為首次產(chǎn)生遮擋位置；以傳送帶邊緣j＝0為y軸原點，其為傳送帶邊緣；對探測物通過測量平面過程中所有被遮擋的紅外發(fā)射接受對管進行標定，形成底面標定圖。如圖4的第一張圖所示，各點在y軸方向的間距為光幕的測量精度δ_w＝10mm，x軸方向間距為光幕的采樣間隔v_Δt＝10mm。

(3)去除探測物底面矩形內(nèi)部冗余點，提取邊緣點作為擬合算法的采樣點。

(4)探測物底面坐標陣列點的獲取，根據(jù)采樣點對探測物底面矩形進行分割，獲得四組點陣坐標。其具體步驟如下：

A、對二維數(shù)組A(i，j)中的數(shù)據(jù)由i＝0、j＝0開始，對整個二維數(shù)組進行遍歷。

B、提取二維數(shù)組A(i，j)中待測物體底面的邊緣坐標值，并根據(jù)單增\ 單減原則分割坐標點陣，將其分為4部分，代表待測矩形包裹的四條邊；其具體步驟如下：

a、由i＝0開始遍歷，判斷數(shù)組A(i，j)中A值為1的單元所對應(yīng)的j值；

b、增加i值，獲取到數(shù)組中A值為1的點有兩個，其對應(yīng)j值為j₁、j₂，其中j₁表示待擬合矩陣的上邊緣L_ABC；j₂表示待擬合矩陣的下邊緣L_BCD；

c、持續(xù)遍歷，j₁值呈先增大后減小，j₂值先減小后增大；根據(jù)轉(zhuǎn)折點，將j₁分為L_AB與L_BC，j₂分為L_CD與L_DA，完成對數(shù)組A(i，j)元素的分割，獲得四條邊的測量點陣坐標。

(5)對四組點陣坐標進行線性回歸分析計算，擬合出邊緣直線，四條直線相交形成的范圍為探測物的擬合底面。在線性回歸技術(shù)中，最小絕對偏差法

(LAD)和最小二乘法(LS)常被用于進行回歸模型的統(tǒng)計分析。LAD無解析最優(yōu)解，在采樣數(shù)量較大時，計算量很大。相較于LAD，LS方法包含完善的理論和方差分析方法，并且可以獲得唯一的解析最優(yōu)解，計算簡單高效。同時，為防止光幕對矩形某對對邊采樣點過少導致底面擬合算法無解，可以添加鄰邊相互垂直約束。從而采用帶鄰邊正交約束的最小二乘擬合算法進行回歸分析實現(xiàn)矩形底面邊緣擬合。

(6)通過解析模型計算探測物擬合底面矩形的長寬及面積，其計算公式如下：

其中，x為直角坐標系的橫坐標，y為縱坐標，k表示矩形邊緣直線AB的斜率，b表示各組邊緣直線與y軸的截距，S_F為四條直線所組成的擬合探測物底面的面積，l_F、w_F分別表示擬合計算得的探測物底面長與寬。

第五步，探測物高度值的測量與計算。通過高度測量傳感器陣列，以固定時間間隔向上位機傳輸?shù)奶綔y物實時獲取高度測量值，對整個通過過程的探測 物高度測量值求取平均值，得到探測物的高度值。其具體步驟如下：

(1)根據(jù)無探測物通過時，高度測量傳感器陣列的上傳值確定傳送帶平面位置，作為高度零點。

(2)當探測物通過測量平面，高度測量傳感器陣列被包裹遮擋導致測量值減小，計算測量值改變量△h_i；

當△h_ij大于5mm時，上位機存儲單元記錄連續(xù)的△h_ij值；當△h_ij小于5mm，停止記錄數(shù)據(jù)；總共可以獲得m個高度測量值。

(3)計算探測物高度h，其計算公式如下：

通過對i和j兩個值的雙累加運算，計算出探測物(包裹)高度h。

第六步，探測物體積的計算。將通過擬合底面計算獲得的底面積與高度值相乘，得到系統(tǒng)所求待測包裹體積V_package，其計算公式如下：

V_package＝hw_Fl_F＝hS_F

其中，h為高度測量傳感器陣列測量獲得的包裹高度平均值，l_F、w_F分別表示擬合計算得的探測物底面長與寬、S_F表示擬合出的探測物底面面積。如圖4所示，通過底面擬合的方法，較好地消除了σ_s及Σσ_wi所導致的系統(tǒng)測量誤差，并進一步獲取模型的尺寸信息，實現(xiàn)獲取探測物(包裹)底面長度L、寬度W及底面積S_F的目的。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明要求的保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。