第1章緒論

1.1課題研究背景與意義
民以食為天,中國既是人口大國,也是糧食生產(chǎn)和消費(fèi)大國,糧食安全對(duì)其國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展全局具有舉足輕重的影響。聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)發(fā)布的"2010年糧食安全風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)"報(bào)告顯示,中團(tuán)被列為中度風(fēng)險(xiǎn)的國家,位列被調(diào)查的163個(gè)經(jīng)濟(jì)對(duì)象中第96位。據(jù)2012年海關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,我國糧食自供給占比已跌破政府此前制定的紅色標(biāo)線,約有1.9億中國人吃進(jìn)口糧,中國糧食安全正響起警鐘。糧食安全系數(shù)是指年終庫存量與全年消費(fèi)量之比。為了維護(hù)農(nóng)民利益、維護(hù)糧食市場穩(wěn)定、維護(hù)國家糧食安全,建立穩(wěn)定、保質(zhì)、保量的中央儲(chǔ)備糧系統(tǒng)十分重要。而對(duì)倉庫中儲(chǔ)備糧的數(shù)量實(shí)時(shí)核定及對(duì)糧食進(jìn)出庫實(shí)時(shí)監(jiān)管,是儲(chǔ)備糧系統(tǒng)正常發(fā)揮作用的保障,是確保糧食安全進(jìn)而維護(hù)國家利益的重要措施,同時(shí)也是倉儲(chǔ)管理的難點(diǎn)。
當(dāng)前我國糧食管理系統(tǒng)庫存數(shù)量稽查依靠派遣專人定期普查和隨機(jī)抽查等形式進(jìn)行。毎年用于稽查人員派遣,物資保障等的花費(fèi)高達(dá)二十多億,普查統(tǒng)計(jì)工作持續(xù)2個(gè)月,在準(zhǔn)確客觀性及時(shí)效性上都難以滿足現(xiàn)代管理需要,同時(shí)容易誘發(fā)虛報(bào)、瞞報(bào)、盜庫等問題。我國為了配合糧食儲(chǔ)備庫存檢查工作,迫切需要用先進(jìn)的測(cè)計(jì)量手段,研究開發(fā)具有高精度保證的快速檢測(cè)糧食儲(chǔ)量的檢測(cè)系統(tǒng)。

三維激光掃描技術(shù)是基于激光測(cè)距原理發(fā)展起來的,憑借激光頻率高,穩(wěn)定性好,速度快,精度高等特點(diǎn),能夠有效捕捉空間信息,形成高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)用描述被測(cè)空間。本世紀(jì)初以來,由于激光制造技術(shù)改進(jìn)提高,成本下降,使得三維掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛本文將蘭維激光掃描技術(shù)用于倉儲(chǔ)散糧堆的體積測(cè)量,利用自行設(shè)計(jì)開發(fā)的專用三維激光掃描設(shè)備采集倉儲(chǔ)散糧堆表面空間信息,獲得散糧堆表面空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)及相應(yīng)的空間曲面建模方法,重建散糧堆表面的空間曲面模型,并利用數(shù)值積分方法計(jì)算出散糧堆體積。結(jié)合倉儲(chǔ)糧食密度信息求得所儲(chǔ)糧食總重量。

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1.2散粒堆料體積測(cè)量的研究現(xiàn)狀
針對(duì)散料堆測(cè)量,國內(nèi)部分學(xué)者已經(jīng)展開研究實(shí)踐工作。上海交通大學(xué)的陳董、潘俊民提出了由4臺(tái)CCD攝像機(jī)、圖像采集卡和微機(jī)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)視覺測(cè)量系統(tǒng),用來測(cè)量形狀不規(guī)則的大型物料堆體積的方法。該系統(tǒng)從4個(gè)不同角度拍攝大型物料堆的圖像并對(duì)圖像數(shù)據(jù)的采集和分析進(jìn)行H維重建,進(jìn)而計(jì)算大型物料堆體積。長春理工大學(xué)朱海波等提出采用激光掃描光三角測(cè)量原理的系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)露天煤場存煤量自動(dòng)檢測(cè)功能。該系統(tǒng)將CCD攝像機(jī)、激光測(cè)距儀和地圖星均安裝在煤場一側(cè)的測(cè)量塔上,首先標(biāo)定一個(gè)已知空間位置做為初始點(diǎn),由計(jì)算機(jī)控制激光掃描測(cè)距系統(tǒng)對(duì)煤場進(jìn)行自動(dòng)掃描,通過激光測(cè)距儀測(cè)量每一個(gè)待測(cè)點(diǎn)與掃描儀的空間距離,通過地圖星記錄待測(cè)點(diǎn)與初始點(diǎn)的位置變化,進(jìn)而用光三角法和初始點(diǎn)的標(biāo)定信息計(jì)算獲得待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo),最后由計(jì)算機(jī)擬合煤堆表面形狀,并求出存煤體積。程棟提出一種在巡航小車上安裝由激光測(cè)距儀、視覺傳感器和可調(diào)整富度的傳感器底座組成的體積測(cè)量化構(gòu),環(huán)繞煤堆連續(xù)掃描獲取截面輪廓和圖像信息,進(jìn)而完成測(cè)算煤堆體積的方法專利號(hào)CN 101858730 A)。肖紀(jì)春提出應(yīng)用電磁波技術(shù),在物料倉內(nèi)利用設(shè)備發(fā)射低頻電磁波并且接受回波獲取倉內(nèi)空間信息,而后通過信息處理專利算法生成三維圖像計(jì)算散料體積的方法。天津理工大學(xué)的秦健提出將激光測(cè)距儀和步進(jìn)電機(jī)安裝在煤場取煤的斗輪機(jī)的懸臂上,行程傳感器觸點(diǎn)安裝在待測(cè)煤堆的縱向區(qū)域,采集煤堆表面數(shù)據(jù),生成蘭維坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算體積的自動(dòng)盤煤及管理系統(tǒng)。

綜上所述,計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)測(cè)算,需要多角度拍攝來提高圖像匹配精度,而且易受光照條件影響,對(duì)煤場等精度要求相對(duì)寬松環(huán)境適用,而實(shí)現(xiàn)糧食體積測(cè)量實(shí)難堪重任。電磁波測(cè)量技術(shù)受到量程限制,對(duì)于立筒倉比較實(shí)用,但是對(duì)于平房倉空間過大難以保證測(cè)算精度。加之,易受電磁干擾,在糧庫這種各種大型機(jī)械作業(yè)頻繁的環(huán)境中,穩(wěn)定性差。

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第2章散糧堆表面空間建模及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1散糧堆表面空間曲面建模
在利用三維激光歸描技術(shù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量工作時(shí),糧倉內(nèi)散糧堆表面的三維信息可以通過激光掃描儀探測(cè)獲得。三維激光掃描設(shè)備自動(dòng)掃描測(cè)得散糧堆上表面離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),形成一組離散的空間點(diǎn)信息集合{(x,y,z,)|,i=l,2,…,"},這個(gè)集合稱為"點(diǎn)云"(pointclouds)。依據(jù)散糧堆表面的離散點(diǎn)信息,即點(diǎn)云數(shù)據(jù),獲得糧食表面形狀,形成糧堆表面曲面參數(shù),進(jìn)而根據(jù)數(shù)值積分求得散糧堆體積。

如圖2.1所示：

隱函數(shù)對(duì)曲面參數(shù)升算簡單,節(jié)省了許多中間變量計(jì)算。其在對(duì)空間閉合曲面和多值曲面的描述具有優(yōu)勢(shì),能夠高效判別空間點(diǎn)相對(duì)于曲面的位置,是位于曲面上還是在曲面外,并且能具體到哪一側(cè)。因此,該種方法具有準(zhǔn)確描述空間曲面特征細(xì)致的特點(diǎn)。由于近年算法的發(fā)展和演變、計(jì)算機(jī)計(jì)算速度提升以及計(jì)算大規(guī)模復(fù)雜曲面的現(xiàn)實(shí)需求,隱函數(shù)曲面擬合得到了研究人員的重視,開展了大量的開發(fā)和研究工作。

綜上所述,二次多項(xiàng)式插值曲面擬合方法計(jì)算簡單,計(jì)算速度快,但是邊界處理粗糙,逼近精度較差�；陔[函數(shù)的曲面擬合,能夠兼顧細(xì)節(jié)特征和整體光滑性,有著更能體現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜表面的能力,但是巨大的基礎(chǔ)運(yùn)算量,對(duì)運(yùn)算設(shè)備要求很高運(yùn)算和分析能力,實(shí)際應(yīng)用中難以兼顧設(shè)備成本和計(jì)算效率�；跇訔l函數(shù)分片整體光滑的曲面擬合,利用分段低次運(yùn)算特性,算法成熟,計(jì)算穩(wěn)定,在工程仿真計(jì)算、工業(yè)監(jiān)測(cè)、逆向工程等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。結(jié)合散糧堆的顆粒物質(zhì)特性,其表面空間形態(tài)具備光滑性要求,兼顧計(jì)算效率和成本等因素,本文在散糧堆空間曲面建模中的采用了基于樣條函數(shù)的分片整體光滑擬合。

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2.2倉儲(chǔ)散糧堆體積測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)汁方案
首先,根據(jù)用戶管理的現(xiàn)實(shí)需求和現(xiàn)行的技術(shù)條件,確立基本技術(shù)路線。由三維激光掃描系統(tǒng)完成散糧堆表面三維數(shù)據(jù)信息獲取。獲得的蘭維數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線或wifi形式傳輸給系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)通過內(nèi)置的測(cè)試分析軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)巧處理,完成數(shù)據(jù)的去噪、精簡、融合以及體積計(jì)算等工作。同時(shí),還配備倉內(nèi)紅外視頻監(jiān)控圖像和散糧堆=維數(shù)據(jù)模擬顯示,增加直觀性和可對(duì)比性。
散糧堆體積測(cè)量系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是系統(tǒng)的平臺(tái)和具體執(zhí)行機(jī)構(gòu),其包括專用三維激光掃描儀、紅外/視頻藍(lán)控設(shè)備、計(jì)算機(jī)、工作站、附屬通訊設(shè)備等。三維激光掃描儀和紅外/視頻監(jiān)控設(shè)備組成的數(shù)據(jù)采集裝置安裝在糧倉內(nèi),完成糧倉內(nèi)散糧堆表面空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集,并通過通訊模塊傳輸給計(jì)算巧保存和調(diào)用;系統(tǒng)軟件是系統(tǒng)的靈魂所在,控制整個(gè)系統(tǒng)硬件的協(xié)同運(yùn)行,完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、散糧堆三維重建、體積計(jì)算、視頻顯示等具體任務(wù),并提供良好的交互界面,便于人員進(jìn)行系統(tǒng)操作及數(shù)據(jù)管理。

系統(tǒng)軟件分為四個(gè)模塊,一是三維激光掃描模塊:主要控制三維激光掃描儀完成空間信息捕獲,形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)。二是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理模塊:對(duì)初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行流程化去噪、簡化、融合處理,進(jìn)而對(duì)處理后點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)格劃分,最后根據(jù)樣條函數(shù)擬合出糧食表面空間曲面,通過數(shù)值積分獲取散糧堆體積,結(jié)合糧食密度參數(shù)得到整個(gè)散糧堆的重量。三是三維立體顯示模塊;通過OpenGL實(shí)現(xiàn)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建散糧堆表面圖形信息顯示,提供對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的直觀印證,并與紅外/視顏監(jiān)控圖像對(duì)比確認(rèn)糧倉內(nèi)實(shí)際情況。四是數(shù)據(jù)交互管理模塊:主要完成區(qū)分用戶管理權(quán)限,提供報(bào)表輸出和歷史查詢。

……

第3章硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………13
3.1硬件系統(tǒng)構(gòu)成………………………13
3.2三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)………………13
3.2.1三維激光掃描儀的基本構(gòu)成………13
3.2.2三維激光掃描儀工作原理………15
3.2.3三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)硬件構(gòu)成…18
3.2.4三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)軟件………20
3.3紅外/視頻監(jiān)視系統(tǒng)…………………21
3.3.1紅外/視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成……21
3.3.2紅外/視頻監(jiān)視系統(tǒng)工作功能……23
3.4本章小結(jié)………………………………25
第4章點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和體積計(jì)算……………27
4.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理……………………27
4.1.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)噪聲濾除………………28
4.1.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡…………………30
4.1.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合…………………32
4.1.4網(wǎng)格劃分…………………………33
4.2體積計(jì)算……………………………35
4.3模型顯示……………………………39
4.4本章小結(jié)……………………………40
第5章實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析……………………41
5.1實(shí)驗(yàn)情況……………………………41
5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析………………………43

5.3本章小結(jié)……………………………46

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第5章實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1實(shí)驗(yàn)情況
我國散糧儲(chǔ)備庫通常分為長方形和圓形兩種。測(cè)量倉儲(chǔ)散糧體積時(shí),對(duì)于定點(diǎn)掃描測(cè)量方式,糧倉的最大跨度直接影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集密度,進(jìn)而影響體積測(cè)量的質(zhì)量與精度。由于長方形糧庫最大跨度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圓形糧庫,因此對(duì)體積測(cè)量系統(tǒng)的要求更加嚴(yán)格。為檢驗(yàn)所研制的體積測(cè)量系統(tǒng)的普遍適用性,特選取省內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的長方形糧庫作為系統(tǒng)試驗(yàn)檢驗(yàn)的對(duì)象。
測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到糧倉結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及安裝條件,三維激光掃描儀被簡單安裝在糧庫頂部橫梁上。整個(gè)安裝固定過程無需改變糧倉固有結(jié)構(gòu),只需一些簡單工具即可完成。且掃描儀設(shè)計(jì)、制作時(shí)已將水平儀組裝在掃描儀上,因此,利用掃描儀自帶水平儀可以簡單調(diào)整掃描儀水平,保證掃描儀的基準(zhǔn)平面處于水平狀態(tài),防止基準(zhǔn)平面傾斜所造成的失真。只要糧庫給掃描儀提供普通電源,掃描儀無需其他連線即可通過無線wifi與中心控制部分通訊,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
由三維激光掃描儀掃描采集的糧倉內(nèi)部原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)成的糧倉內(nèi)部三維空間效果圍。三維空間效果圖度示,三維激光掃描儀可以覆蓋整個(gè)糧倉區(qū)域,采集到全部糧食表面的H維信息。所采集的糧食表面數(shù)據(jù)充分提取到糧食表面的細(xì)節(jié)信息,糧食表面的腳印,其高低差只有數(shù)厘米,在三維空間效果圖中清晰可辨。
通過數(shù)據(jù)處理軟件去除測(cè)量數(shù)據(jù)的隨機(jī)噪聲、對(duì)數(shù)據(jù)過密處適當(dāng)精簡融合后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分、封裝得到用于糧倉糧食表面空間曲面建模用數(shù)據(jù)效果圖。

在設(shè)備安裝位置不變的情況下,掃描儀設(shè)置兩種不同的掃描速度,對(duì)應(yīng)兩種不同的采用密度,分別測(cè)量了10組糧堆表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。并利用研制的系統(tǒng)軟件及糧庫提供的倉儲(chǔ)糧容重計(jì)算出各組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的散糧誰重量。

……

結(jié)論

1.前期做了充分調(diào)研,了解工作任務(wù)的現(xiàn)實(shí)需求,有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了一款適用于糧倉倉儲(chǔ)散糧堆體積測(cè)量的H維激光婦描儀。該掃描儀采用脈沖式激光測(cè)距原理及定點(diǎn)掃描方式采集散糧堆表面三維空間信息。該掃描儀設(shè)置了5種不同的工作檔位,用適應(yīng)不同類型糧庫的測(cè)量精度和工作效率要求。為了獲取全面的空間信息,采用糧倉中也頂置安裝策略,即有效覆蓋整個(gè)倉儲(chǔ)散糧堆頂面,又縮短激光脈沖的測(cè)距距離,從而提高反射率得到完整的散糧堆表面數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)絡(luò)軟件遠(yuǎn)程控制,數(shù)據(jù)采集完成后打包傳輸?shù)杰浖贫窂奖４�。掃描儀即可按設(shè)定計(jì)劃自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集及處理,也可按需要通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制隨時(shí)采集處理數(shù)據(jù)。在糧庫的現(xiàn)場試驗(yàn)中,設(shè)備根據(jù)不同的工作檔位,可在2-10分鐘中內(nèi)完成糧倉內(nèi)數(shù)據(jù)采集。
2.搭建一套簡單實(shí)用的數(shù)巧處理款件,能夠根據(jù)客戶要求自行完成數(shù)據(jù)處理流趕,獲得散糧堆體積和重量信息。軟件利用中值濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)去噪濾波,以保持?jǐn)?shù)據(jù)光順性,減少噪聲影響;采用移動(dòng)最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡,針對(duì)不同曲率進(jìn)行差別精簡,以保留點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征;采用二次多項(xiàng)式曲面融合修補(bǔ)數(shù)據(jù)空洞,確保數(shù)據(jù)完整;運(yùn)用平面投影剖分法進(jìn)行Delaunay三角剖分建立點(diǎn)云的空間拓?fù)潢P(guān)系和空間三角網(wǎng)格劃分;利用樣條函數(shù)的分片整體光滑曲面擬合方法,完成倉儲(chǔ)散糧堆表面數(shù)據(jù)的H維空間曲面建模,并據(jù)此利用數(shù)值積分方法求得散糧堆體積。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,計(jì)算耗時(shí)4-5分鐘,體巧誤差不大于0.4%,較現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)提高了近一個(gè)數(shù)量級(jí)。

本系統(tǒng)在中儲(chǔ)糧運(yùn)行的糧庫中做了現(xiàn)場試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)效果顯著,在工作效率、測(cè)量精度上都較傳統(tǒng)人工普查方法有大幅提高。

參考文獻(xiàn)（略）

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本文編號(hào)：45512