Brevet FR2785382A1 — publié le 20000505

SYSTEME ET PROCEDE DE MESURE DES CARACTERISTIQUES D'UN OBJET EN MOUVEMENT DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un système et un procédé de mesure des caractéristiques d'un objet en mouvement. Le domaine de l'invention est celui de la mesure rapide et précise des caractéristiques d'un objet en mouvement, par exemple un colis, et notamment de la mesure des trois dimensions englobantes de celui- ci. Etat de la technique antérieure Dans le domaine de l'invention ainsi défini, il existe de nombreuses publications, et notamment: * Le document référencé [1] en fin de description, qui décrit un système de mesure de surfaces des caractéristiques d'un objet, comprenant: - au moins deux caméras dirigées, selon deux directions différentes, vers l'espace de positionnement de l'objet situé au-dessus du plan supérieur d'une première boite à lumière, et reliées à un organe de traitement; - deux boîtes à lumière, la première étant disposée dans un plan supérieur horizontal au-dessus du plateau d'une balance, la seconde étant disposée dans un plan vertical au-dessus et sur le côté du plan supérieur de la première; - un organe de traitement relié d'une part à un organe d'entrée d'informations et d'autre part à un organe de visualisation; - une balance munie d'un plateau de pesée. * Le document référencé [2], qui décrit un procédé optoélectronique pour mesurer les dimensions et la forme de fruits, légumes et objets divers, caractérisé par le fait qu'on fait passer le produit à classer à vitesse constante, devant un ensemble comprenant un cadre muni, sur un de ses côtés, d'une série de photodiodes situées sur des plans à différentes hauteurs définissant et déterminant une unité détectrice, le côté opposé présentant une série d'orifices positionnés de haut en bas faisant face aux photodiodes et coïncidant avec elles, alors que le faisceau de rayons d'une ou plusieurs sources lumineuses incorporées au système est projeté horizontalement et parallèlement et rencontre la batterie de photodiodes, laquelle dispose des circuits électroniques nécessaires pour transmettre les signaux qu'elle détecte au circuit logique d'un micro- ordinateur qui, par des calculs mathématiques, détermine les diamètres maximal, minimal et moyen ou toute autre variable en rapport avec les dimensions et la forme du produit à classer. Ce procédé de mesure utilise des rayons équidistants et une série de capteurs permettant de déterminer les dimensions des objets. * Le document référencé [3], qui décrit un procédé de contrôle dimensionnel au défilé de barres consistant à faire défiler une barre le long d'un axe de défilement X-X. Deux capteurs inclinés l'un par rapport à l'autre forment chacun une image de la barre sur une barrette de photodiodes. Des moyens électroniques d'alimentation et de traitement permettent de comparer les données électroniques émises par les photodiodes et de signaler les différences significatives. Ce procédé permet de mesurer des barres forcément rondes. Mais, il n'y a pas de pesage, pas d'identification. * Le document référencé [4], qui décrit un procédé pour la mesure de différents paramètres de pièces, dans lequel à partir d'un rayon laser élémentaire on forme par glissement parallèle un rayon laser étalé de faible épaisseur que l'on fait traverser perpendiculairement à son plan principal par une pièce à mesurer mise dans le sens de sa longueur, la largeur du rayon étalé étant supérieure au diamètre maximum de la pièce, et on détermine la position de tout point de mesure sur la longueur de la pièce à partir de l'instant o celle-ci pénètre dans le rayon laser et à partir de la vitesse prédéfinie du déplacement que l'on impose à cette pièce. Ce procédé sert à mesurer les diamètres de rotondité. Ces pièces sont déplacées avec une orientation précise. * Le document référencé [5], qui décrit un dispositif optique de mesure à distance d'épaisseur de verre dont la précision de mesure à distance est peu affectée par les mouvements du verre. Le dispositif comprend: - un émetteur de faisceau lumineux, monté sur un plateau mobile à deux cardans, asservi pour que le faisceau lumineux reste toujours normal à la face supérieure du verre; - un récepteur, monté préférentiellement sur le même plateau mobile, destiné à mesurer l'angle sous lequel sont vues les deux tâches de diffusion créés par le faisceau lumineux sur les deux faces du verre, ainsi que l'angle d'incidence; - un système de traitement calculant l'épaisseur du verre. Ce dispositif permet la mesure d'une épaisseur de verre, uniquement par transparence. * Le document référencé [6], qui décrit un système qui détermine en dynamique le poids, les dimensions, le volume et la référence de colis. Ce système utilise une barrière de rayons infrarouge qui détermine par pas de 5 mm les caractéristiques dimensionnelles des colis. La précision de mesure du poids n'est que de 150g. Par le procédé imposé, la vitesse de déplacement maximale du colis est de 0.5 m/s. Ce système n'embarque pas de moyen informatique suffisant pour se connecter directement à une base de données (utilisation de lignes de communication série). Ce système ne peut être agrandi ou rétrécis en fonction de la taille des objets à mesurer. * Le document référencé [7], qui décrit un système qui détermine en dynamique le poids et les dimensions de colis. Ce système utilise une tête à balayage laser qui détermine avec une précision de +5 mm les caractéristiques dimensionnelles des colis. Par le procédé imposé, la vitesse de déplacement maximale du colis est de 0,3 m/s. Ce système n'embarque pas de moyen informatique suffisant pour se connecter directement à une base de données (utilisation de lignes de communication série). Ce système ne peut être agrandi ou rétréci en fonction de la taille des objets à mesurer. L'invention a pour objet un système de mesure des caractéristiques d'un objet en mouvement améliorant les caractéristiques des systèmes de l'art connu en permettant de mesurer le poids et le volume d'objets en mouvement de 0,1 à 1,5 m/s sur un tapis roulant, sans nécessiter l'intervention d'un opérateur pendant les mesures. Exposé de l'invention L'invention propose un système de mesure des caractéristiques d'un objet en mouvement, caractérisé en ce qu'il comprend: - un tapis roulant; - au moins un ensemble de mesure constitué de: 15. une balance de pesée située sous le tapis roulant, un système d'éclairage et une caméra, une unité de signalisation lumineuse, un lecteur de codes barres, 20. un codeur incrémental fixé sur l'axe moteur du tapis roulant pour mesurer le déplacement de celui-ci; - un organe de traitement permettant de gérer le fonctionnement de ces différents éléments. Avantageusement la caméra et le système d'éclairage sont fixés sur un portique qui encadre le tapis roulant. La présente invention concerne également un procédé de mesure des caractéristiques d'un objet en mouvement dans un tel système, ledit procédé comportant les étapes suivantes: - on mesure en permanence le poids; - on analyse la fréquence des oscillations mécaniques; - on détermine le poids de l'objet par soustraction du bruit de la courbe de mesure de poids. Le procédé de l'invention comporte de plus les étapes suivantes: - on calibre la caméra à l'aide d'un objet étalon qui est un cube noir sur trois faces adjacentes duquel sont collés douze carrés blancs (quatre par face), en ayant les phases suivantes: on positionne le cube étalon dans la scène, on extrait et on trie les coordonnées deux dimensions des 48 points correspondant aux sommets des carrés sur le cube étalon, on calcule les paramètres de projection; - on calcule les dimensions de l'objet. On extrait les coordonnées image des 48 points en plusieurs phases après acquisition et binarisation de l'image du cube étalon, à savoir: - mesure des coordonnées images des centres de gravité des 12 carrés; - tri des centres de gravité dans l'ordre prédéfini des carrés; - extraction des points du contour de chaque carré; - recherche approximative des sommets du carré; - extraction des droites comprises entre les sommets de chaque carré; - calcul exact des coordonnées images des sommets par intersection des droites. Le calcul des paramètres de projection s'effectue en résolvant, par la méthode des moindres carrés, un système d'équations construit à partir des coordonnées deux dimensions et trois dimensions des 48 points du cube étalon. Le calcul des dimensions de l'objet se décompose en plusieurs phases: détection de l'entrée complète d'un objet dans le champ de la caméra; acquisition de deux images successives de l'objet et mesure du déplacement de l'objet entre les deux acquisitions; - mesure des coordonnées image des sommets de l'objet dans chaque image; - recherche des couples de points communs aux deux images (appariement des points); - calcul des coordonnées trois dimensions pour les points appariés; - calcul des dimensions. Pour calculer le volume de l'objet on acquiert deux images distinctes, la première image étant enregistrée dès la détection de l'entrée complète de l'objet, la seconde étant prise quelques instants après. A chaque acquisition on effectue une lecture de la valeur renvoyée par le codeur incrémental, cette valeur étant ensuite convertie en unité métrique, le déplacement de l'objet étant égal à la différence entre ces deux valeurs. Le procédé de l'invention permet de détecter l'arrivée d'un objet sur le tapis roulant, de l'identifier automatiquement s'il possède un code barres et de mesurer les cotes de longueur, largeur et hauteur, en parallèle de la mesure du poids. Il s'intègre facilement sur les systèmes de convoyage existants. Les domaines d'application du système de l'invention sont nombreux. Ce sont par exemple: - la prestation de services logistiques (gestion de stock, stockage, manutention, entrepôts, - la préparation de commandes; le contrôle et mesure, métrologie, calibrage. Brève description des dessins - La figure 1 illustre le système de l'invention; - la figure 2 illustre le fonctionnement du système de l'invention; - la figure 3 illustre le principe de la mesure effectuée par le système de l'invention; - la figure 4 illustre un exemple d'objet pris en compte par le système de l'invention; - la figure 5 illustre un objet étalon. Exposé détaillé de modes de réalisation Le système de l'invention, illustré sur la figure 1, comprend: - une armoire électrique 9; - au moins un tapis roulant; ici un convoyeur d'entrée des objets ou injecteur 10, un convoyeur principal 11, et un convoyeur 12 de sortie des objets; - au moins un ensemble de mesure constitué de: une balance de pesée 13, un système d'éclairage 14 et une caméra , par exemple une caméra CCD monochrome avec objectif, À une unité de signalisation lumineuse 16 (voyant rouge: défaut; voyant vert: bon), À un lecteur de codes barres 17 pour l'identification des objets, un codeur incrémental pour mesurer le déplacement du tapis (non représenté sur la figure); - un organe de traitement 20, relié à ces différents éléments et permettant de gérer le fonctionnement de ceux-ci, cet organe étant également connecté à au moins un organe d'entrée d'information et à au moins un organe de visualisation. Cet organe comprend par exemple 10. un processeur de type Intel PENTIUM, * un disque dur et un lecteur de disquette, une carte d'affichage vidéo de type VGA, une carte d'acquisition vidéo de type MATROX METEOR à laquelle se connecte la caméra, une carte de comptage rapide de type ADDICOUNT PA 1700 reliée au codeur incrémental. La caméra 15 et le système d'éclairage sont fixés sur un portique 21 qui encadre le tapis roulant 18. La balance 13 se trouve sous le tapis roulant 18. Le codeur incrémental est fixé sur l'axe moteur du tapis roulant. L'identification, la lecture du code à barres peut être confiées à un scanner automatique de type METROLOLIG MS700. Lorsqu'un objet passe à proximité du scanner, l'étiquette d'identification est lue automatiquement et l'information est envoyée par une liaison de type RS232 à l'organe de traitement 20. Dans un mode de réalisation, donné à titre d'exemple, le système de l'invention présente les caractéristiques suivantes: * Configuration logicielle Elle comprend: - un système d'exploitation WINDOWS NT 4.0; une bibliothèque de fonctions MIL utilisée avec la carte MATROX METEOR; un logiciel développé en Borland C++ Builder, qui gère l'ensemble du système; il intègre, sous interface graphique, la gestion d'une base de données, la mise en oeuvre de la calibration du système, et la gestion des mesures. Cette configuration n'est pas figée. Il est tout à fait possible de la faire évoluer pour l'adapter aux besoins de l'utilisateur (par exemple par ajout d'une fonctionnalité, par modification de l'interface graphique pour afficher un masque de saisie écran). * Liaisons internes Ce sont les lignes de communication entre l'organe de traitement et l'ensemble de mesure, telles que: - une ligne RS232 pour la balance; - un câble vidéo alimenté pour la caméra; - une ligne RS232 pour le lecteur code barres; - un câble spécifique pour le codeur incrémental. * Liaisons externes Ce sont des liaisons entre l'organe de traitement et tout autre système informatique. Le système de l'invention est capable de se connecter au système informatique de l'utilisateur soit par l'intermédiaire d'une liaison RS232, soit par l'intermédiaire d'une liaison Ethernet. Le système de l'invention fonctionne de la façon suivante: Mesure du poids Le poids maximum et la précision de mesure dépendent du type de balance utilisé. Tout type de balance peut être connecté au système à la seule condition qu'il dispose d'une ligne de communication RS232. Dans un mode de réalisation considéré, on utilise une balance de type METTLER TOLEDO FCC 150 (poids max. = 150 Kg; précision = 10,20 ou 50 g en fonction du poids). Le poids du convoyeur étant de kg, la marge de mesure est alors de 40 kg. Dans la mesure du poids on analyse en permanence le poids, qu'il y ait présence ou non d'un objet sur le convoyeur. Après analyse, on calcule la fréquence des oscillations mécaniques donc de poids. Le poids exact de l'objet est déterminé par soustraction du bruit de la courbe de mesure. Pour ne pas perturber le système de pesage par le poids des cordons d'alimentation du moteur du convoyeur, chaque phase du secteur (trois fils) et la terre (un fil) sont amenées sur chacun des quatre pieds du convoyeur à l'aide de câbles souples enroulés sous forme de ressorts. * Mesure du volume Calibration de la caméra Avant de pouvoir faire des calculs, on passe par une phase de calibration de la caméra qui permet de définir les paramètres utiles. Le but de la calibration de la caméra est de calculer les paramètres de projection qui permettent de passer des coordonnées trois dimensions de la scène aux coordonnées deux dimensions de l'image. Ce calcul s'effectue en mesurant les coordonnées image de points de la scène dont les coordonnées trois dimensions sont parfaitement connues. On peut ainsi utiliser un objet étalon tel qu'un cube noir, de dimension par exemple 400x400x400 mm. Sur trois faces adjacentes de ce cube sont collés 12 carrés de couleur, par exemple blancs, de par exemple 17 mm de côté, comme illustré sur la figure 5. Les points étalons de la scène sont les sommets des carrés, ce qui représente au total 48 points. Les coordonnées trois dimensions exactes de ces points sont stockées dans un fichier. Ils sont rangés dans un ordre croissant prédéfini, chaque carré étant numéroté de A à L et chaque sommet d'un carré de un à quatre. La calibration se décompose en plusieurs étapes: - positionnement du cube étalon dans la scène; - extraction et tri des coordonnées deux dimensions des 48 points dans l'image; - calcul des paramètres de projection. On positionne le cube étalon en le plaçant correctement afin de pouvoir observer les douze carrés. Il existe deux solutions: - utilisation d'une pièce de calage qui s'adapte au tapis roulant; - superposition sur l'image d'un écran de contrôle de repères graphiques correspondant à une image référence des trois faces munies de carrés.. L'extraction des coordonnées image des 48 points étalon s'effectue en plusieurs étapes après acquisition et binarisation de l'image du cube étalon: - mesure des coordonnées images des centres de gravité des douze carrés; - tri des centres de gravité dans l'ordre prédéfini des carrés; extraction des points du contour de chaque carré; - recherche approximative des sommets de chaque carré - extraction des droites comprises entre les sommets de chaque carré; - calcul exact des coordonnées images des sommets par intersection des droites. Le calcul des paramètres de projection s'effectue en résolvant, par la méthode des moindres carrés, un système d'équations construit à partir des coordonnées deux dimensions et trois dimensions des 48 points du cube étalon. La calibration s'effectue à l'installation, ou lors d'une modification du système. Une fois calculés, les paramètres sont stockés pour être ensuite utilisés pendant les mesures de volume. On peut adapter le système de l'invention en déplaçant la caméra pour pouvoir mesurer soit de très petits objets (inférieurs à 10 cm de côté), soit de très volumineux objets (0,50 m à 2 m de côté) Principe de la mesure Le calcul des trois dimensions de l'objet (longueur, largeur et hauteur) est basé sur la prise en compte du mouvement de l'objet sur le tapis roulant et l'utilisation d'une caméra. Cette dernière est placée au-dessus du tapis, à l'une de ses extrémités, et orientée de manière à observer l'ensemble du déplacement de l'objet. L'acquisition de deux images successives et la connaissance du déplacement exact de l'objet entre ces deux acquisitions permettent de calculer les coordonnées trois dimensions des sommets visibles de l'objet, comme le montre la figure 3. Si on considère les références suivantes: O: centre optique de la caméra de coordonnées trois dimensions (X0, Y0, Z0) D: déplacement de l'objet entre les deux images P: point caractéristique (sommet) de la première image P'3: point homologue de P' dans la seconde image P: projetée de P'l sur le tapis roulant P3: projetée de P'3 sur le tapis roulant P2: point construit à partir de Pl par translation d'une longueur D P'2: intersection des segments [OP2] et [P'l P'3] Hcam: hauteur de la caméra h: hauteur de l'objet Les coordonnées trois dimensions (x5, y., z$) d'un sommet considéré de l'objet sont données par les équations suivantes (le repère à trois dimensions étant solidaire du tapis roulant): Zs = h = Hcan{1 - __ Xs =m''Hca - h, cani - Ys =H (Y-- Yo) + Yo carn Les coordonnées trois dimensions (x, y, z) des points P1 et P3 sont calculées grâce aux paramètres de projection déterminés lors de la phase de calibration. Ce calcul se décompose pour chaque point en plusieurs étapes: détermination des deux équations caractérisant la droite de projection dans l'espace trois dimensions, à partir des coordonnées images du point et des paramètres de projection; - calcul des coordonnées trois dimensions du point en fixant z=0 dans les deux équations de la droite de projection, condition qui correspond à l'intersection de cette droite avec le tapis roulant. La distance P1P3 est calculée à partir des coordonnées trois dimensions des points P1(xp, YP1, Zp1) et P3 (Xp3, YP3, Zp3) et d'après la formule suivante (sachant que zp = zp3 = O): PP3 = (Xp3 - Xp)+ (Yp3 - YP Le calcul des coordonnées trois dimensions pour chacun des sommets visibles de l'objet permet de retrouver sa longueur et sa largeur, comme illustré sur la figure 4. Par exemple, la longueur de l'objet est obtenue par différence entre S1 et S2. Calcul des dimensions de l'objet Le calcul des dimensions de l'objet se décompose en plusieurs phases: - détection de l'entrée complète d'un objet dans le champ de la caméra; - acquisition de deux images successives de l'objet et mesure du déplacement de l'objet entre les deux acquisitions; mesure des coordonnées image des sommets de l'objet dans chaque image; recherche des couples de points communs aux deux images (appariement des points); - calcul des coordonnées trois dimensions pour les points appariés; - calcul des dimensions. Pour détecter l'arrivée d'un objet sur le tapis roulant et son entrée complète dans le champ de la caméra, on effectue des acquisitions en continu et on scrute la première colonne de chaque image. Une fois l'entrée détectée, le système attend le passage entier de l'objet dans la zone d'acquisition. Pour calculer le volume de l'objet on acquiert deux images distinctes. La première image est enregistrée dès la détection de l'entrée complète de l'objet. La seconde est prise quelques instants après. Le temps entre ces deux acquisitions est fonction de la vitesse du tapis. A chaque acquisition, le système effectue une lecture de la valeur renvoyée par le codeur incrémental. Cette valeur est ensuite convertie en unité métrique. Le déplacement de l'objet est égal à la différence entre les deux valeurs mesurées successivement. Pour mesurer les coordonnées image des sommets, on utilise une méthode similaire à celle employée pour la calibration qui s'applique aux deux images: - binarisation de l'image; - extraction des points du contour de l'objet; - recherche approximative des sommets; - extraction des droites comprises entre les sommets; calcul exact des coordonnées images des sommets par intersection des droites. Dans une étape d'appariement des points, on recherche les couples de points, formés d'un point de chaque image correspondant à un même sommet de l'objet. Pour le calcul des coordonnées trois dimensions des sommets, pour chaque sommet de l'objet possédant un couple de points appariés, on effectue un: - calcul des projetées des sommets sur le tapis roulant; - calcul du déplacement relatif entre les projetées; - calcul des coordonnées trois dimensions en utilisant les équations définies précédemment. REFERENCES [1] FR-A-2 756 042 [2] FR-A-2 582 801 [3] FR-A-2 588 654 [4] FR-A-2 591 737 [5] FR-A-2 751 068 [6] " Securicor Omega Express " (document commercial de la Société Caljan) [7] " Cargo Scanning " (document commercial de la Société Mettler Toledo) REVENDICATIONS 1. Système de mesure des caractéristiques d'un objet en mouvement, caractérisé en ce qu'il comprend: - un tapis roulant (18); - au moins un ensemble de mesure constitué de: une balance de pesée (13) située sous le tapis roulant (18), un système d'éclairage (14) et une caméra (15), À une unité de signalisation lumineuse (16), un lecteur de codes barres (17), un codeur incrémental fixé sur l'axe moteur du tapis roulant pour mesurer le déplacement de celui-ci; - un organe de traitement (20) permettant de gérer le fonctionnement de ces différents éléments. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel la caméra (15) et le système d'éclairage (14) sont fixés sur un portique qui encadre le tapis roulant (18). 3. Procédé de mesure des caractéristiques d'un objet en mouvement dans un système comprenant: - un tapis roulant (18); - un ensemble de mesure comportant: une balance de pesée (13) située sous le tapis roulant (18), un système d'éclairage (14) et une caméra (15), - un organe de traitement; ledit procédé comportant les étapes suivantes: - on mesure en permanence le poids; - on analyse la fréquence des oscillations mécaniques; - on détermine le poids de l'objet par soustraction du bruit de la courbe de mesure de poids. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel: - on calibre la caméra à l'aide d'un objet étalon qui est un cube noir sur trois faces adjacentes duquel sont collés douze carrés de couleur, en ayant les phases suivantes: on positionne le cube étalon dans la scène, À on extrait et on trie les coordonnées deux dimensions des quarante huit points correspondant aux sommets des carrés sur le cube étalon, À on calcule les paramètres de projection; - on calcule les dimensions de l'objet. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on extrait les coordonnées image des quarante huit points en plusieurs phases après acquisition et binarisation de l'image du cube étalon, à savoir: - mesure des coordonnées images des centres de gravité des douze carrés; - tri des centres de gravité dans l'ordre prédéfini des carrés; - extraction des points du contour de chaque carré; - recherche approximative des sommets du carré; - extraction des droites comprises entre les sommets de chaque carré; - calcul exact des coordonnées images des sommets par intersection des droites. 6. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le calcul des paramètres de projection s'effectue en résolvant, par la méthode des moindres carrés, un système d'équations construit à partir des coordonnées deux dimensions et trois dimensions des quarante huit points du cube étalon. 7. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le calcul des dimensions de l'objet se décompose en plusieurs phases: - détection de l'entrée complète d'un objet dans le champ de la caméra; - acquisition de deux images successives de l'objet et mesure du déplacement de l'objet entre les deux acquisitions; - mesure des coordonnées image des sommets de l'objet dans chaque image; - recherche des couples de points communs aux deux images; - calcul des coordonnées trois dimensions pour les points appariés; - calcul des dimensions. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel pour calculer le volume de l'objet on acquiert deux images distinctes, la première image étant enregistrée dès la détection de l'entrée complète de l'objet, la seconde étant prise quelques instants après, et dans lequel à chaque acquisition on effectue une lecture de la valeur renvoyée par le codeur incrémental, cette valeur étant ensuite convertie en unité métrique, le déplacement de l'objet étant égal à la différence entre les deux valeurs mesurées successivement.