Способ бесконтактного измерения геометрических параметров и породно-качественного состава штабеля круглых лесоматериалов, погруженных на автотранспорт и/или прицеп, и автоматизированная система для осуществления способа
METHOD FOR CONTACT-FREE MEASUREMENT OF THE GEOMETRIC PARAMETERS AND THE SPECIES AND QUALITATIVE COMPOSITION OF A STACK OF ROUNDWOOD LOADED ONTO AN AUTOMOBILE AND/OR A TRAILER, AND AUTOMATED SYSTEM FOR IMPLEMENTING THE METHOD

Изобретение относится к области лесозаготовки и лесопереработки, а именно к устройствам и способам бесконтактного измерения геометрических параметров и контроля качества круглых лесоматериалов, погруженных на автомобильный транспорт.
Известен способ и устройство определения объема штабеля круглых лесоматериалов, расположенных на автомобиле (патент RU №2492477, МПК G01N 33/46, опубл. 10.09.2013). Способ основан на получении изображения торцов бревен, обработке полученных изображений с помощью компьютера и определении объема штабеля круглых лесоматериалов. Известное устройство определения объема штабеля круглых лесоматериалов, расположенных на автомобиле, выполнено на основе П-образной металлической конструкции, содержит компьютер с дисплеем, сканирующую измерительную балку с закрепленными на ней ультразвуковыми датчиками и лазерным дальномером.
Из описания следует, что сканирование производится только с одной стороны штабеля, и только в фиксированных точках, соответствующих расположению ультразвуковых датчиков. Этой информации недостаточно, чтобы достоверно измерить объем штабеля леса, даже при условии, того, что длина бревен в штабеле известна.
Известен комплекс для автоматизированного измерения геометрических параметров движущихся объектов (патент RU 180960, МПК G01B 21/06, опубл. 02.07.2018), которая состоит из излучателя структурированной подсветки, измерительных камер с оптическим полосовым фильтром, несущей конструкции с закрепленными на ней излучателями структурированной подсветки и измерительными камерами, датчика скорости объекта, блока обработки, в котором измерение профиля движущегося объекта производится методом триангуляции, при этом структурированная подсветка формирует на поверхности объекта линию из точек, излучатель структурированной подсветки включается только на время экспозиции измерительных камер.
Для сканирования колесных транспортных средств в движении существует необходимость точного измерения и контроля за изменением скорости движения транспортного средства и учет траектории движения, которая зависит как от направления движения самого транспортного средства, так и от качества дорожного полотна. Недостатком указанного технического решения является присутствие факторов влияющих на достоверность расчетных параметров - неравномерности движения, раскачивания штабеля при движении, проявление доплеровского эффекта (размывание контурных линий объекта).
Наиболее близким аналогом является способа является фотометрический способ определения объема и качества круглых лесоматериалов, описанный в заявке на изобретение РФ №99109434, МПК G06N 33/46, опубл. 10.02. 2001. Способ заключается в определении диаметра торцов бревен, расчете полезного объема, визуальном определении пороков и суждении о сортности, визуальном определении сорта древесины, для этого осуществляют съемку торцевых сторон бревен с помощью управляемых стереопар из видеокамер, ориентированных для съемки торцов, устанавливают маркеры с заданным расположением их в пространстве таким образом, чтобы они попали в угол обзора обеих камер, регистрируют и получают изображения торцов в виде пары (стереопары) растровых изображений, поочередно вводят полученные изображения в компьютер и преобразуют их в эквивалентные цифровые изображения с соответствующей разрешающей способностью, размещают левое и правое изображения для получения стереоскопического эффекта, проводят компьютерную обработку изображений путем цветового выделения торцов, векторизирования изображений (если съемка велась под углом), приводят в плоскость, параллельную плоскости экрана, восстанавливают недостающие границы торцов бревен и приводят все торцы к единой плоскости, наблюдают объемную геометрическую модель бревен, приводят ее к плоскости маркеров, аппроксимируют каждый торец известными способами с минимальной погрешностью, получают теоретическую модель бревен, по которой с помощью ЭВМ определяют наименьший диаметр каждого торца и/или площадь, по известному заранее соотношению переходят от системы координат экрана к системе координат объекта и вычисляют объем исследуемых круглых лесоматериалов по известным методикам. Формируют массивы регистрируемой информации для последующего контроля и учета, для определения качества древесины определяют наличие пороков на поверхности торцов, величину их геометрических характеристик и судят о качестве по известным критериям, породный состав исследуемой древесины оценивают по полученным изображениям, сравнивая рисунок древесного среза с известными, определяют соответствие той или иной породе.
Недостаток способа состоит в том, что изображения торцов приводят к одной плоскости к плоскости маркеров и не учитывают то, что объект трехмерный, объемный. Игнорируются перспективные искажения оптической системы камер, при которых предметы одного размера расположенные ближе кажутся больше и наоборот, если они расположены дальше от точки съемки, то они на кадре будут меньше. Пренебречь этим можно только, если торцы находятся примерно в одной плоскости. На практике это бывает редко.
Наиболее близким аналогом устройства является система для определения объема круглых лесоматериалов (патент ПМ 14399, МПК G01N 33/46, опубл. 20.07.2000), включающая средство для размещения в виде железнодорожной или автомобильной платформы, трюма судна, лесонакопителя или любой другой стационарной сцены, средство для регистрации анализируемого объекта в виде одной или более идентичных фото- или видеокамер, ориентированных для съемки торцевых сторон бревен, при необходимости снабженное осветителями, и средство управления и контроля, выполненное в виде рабочего места оператора, оснащенного компьютером с дисплеем, сопряженным с камерами и с установленным на нем программным обеспечением, позволяющим рассчитать объем партии леса, оценить качество и породный состав древесины, сформировать массивы информации для последующего учета и контроля.
Известная система сложна и не обеспечивает точности расчетных параметров. В настоящее время известная система не эффективна и морально устарела.
Задачей настоящего изобретения является разработка простой, безопасный и надежной системы и способа бесконтактных измерений, которые позволяют быстро, с максимально возможным учетом требований к охране труда и технике безопасности, достоверно и качественно определять объем и иные параметры круглых лесоматериалов, оценивать их породно-качественный состав из полученных массивов информации о измеренных партиях лесоматериалов в виде исходных 3D-моделей с текстурными панорамами, формировать базу данных, отчеты и осуществлять их поиск в базе данных.
Предлагаемый способ позволяет упростить процедуру получения исходных первичных данных для определения геометрических параметров круглого леса (штабеля, штабелей), погруженных на транспортное средство или прицеп, повысить достоверность и точность измерений, снизить порог допустимой погрешности измерения.
Технический результат автоматизированной системы состоит в увеличении пропускной способности, упрощении конструкции и повышении техники безопасности, увеличении разрешающей способности (время процесса измерения на единицу транспорта составляет не более 30 секунд), удешевлении конструкции и ее обслуживание за счет снижения затрат на оборудование, энергопотребление и монтажно-наладочные работы. Кроме того, система не требует специальных управляемых прожекторов подсветки для получения текстурированных панорамных изображений.
Технический результат достигается тем, что способ бесконтактного измерения геометрических параметров и породно-качественного состава штабеля круглых лесоматериалов, погруженных на автотранспорт и/или прицеп, включающий определение геометрических параметров штабеля, породно-качественного состава и расчет полезного объема, согласно изобретения, транспортное средство, загруженное штабелем (штабелями) бревен размещают на стационарной площадке в пространственно активной зоне измерения 3D-сканирования, осуществляют 3-D сканирование и текстурную съемку штабеля с помощью, по меньшей мере, двух средств регистрации, которые закрепляют, относительно зоны, на противоположных мачтах высотой не менее 10 метров и встречно ориентируют по отношению друг к другу , при этом каждое средство регистрации содержит, сопряженные между собой и размещенные в одном корпусе, стационарный лазерный 3D-сканер со сканирующими датчиками и текстурную камеру, причем сканирующие датчики и текстурные камеры, встречно ориентированные на зону измерения, образуют объемную пространственную активную зону типа «купол» с возможностью получения трехмерной координаты любой точки по всем сторонам штабеля бревен, кроме нижней плоскости, прилегающей к площадке лесовоза или прицепа, проводят измерение геометрических и текстурных параметров с помощью средств регистрации, получают первичные данные в виде массива цифровой информации трехмерной модели штабеля с текстурными изображения, передают цифровые модели и текстурные изображения на электронное устройство для предварительной первичной обработки, затем с помощью программно-аппаратного комплекса осуществляют обработку информационного массива цифровых моделей, строят глубинные карты (x, y, z) штабеля бревен, осуществляют расчет геометрических параметров бревен и штабеля, получают текстурную панораму штабелей, определяют качество и породный состав круглых лесоматериалов, формируют информационный лист для каждого транспортного средства по каждому штабелю, размещенных на нем или прицепе , содержащий разделы: дата и время факта процесса измерения; идентификационный государственный номера лесовоза или хлыстовоза; глубинная карта (x, y, z) штабеля бревен; текстурная панорама штабелей или хлыстов леса; размеры и объем каждого бревна в штабеле; рассчитанный суммарный объем бревен в штабеле; габаритные размеры штабеля; расчетный коэффициент укладки бревен в штабеле; рассчитанный объем штабеля исходя из габаритных размеров и расчетного коэффициента укладки, при этом информационные листы размещают в базе данных электронного устройства с целью хранения, поиска, передачи информации конечным потребителям или информационным системам.
Технический результат устройства достигается тем, что автоматизированная система бесконтактного измерения геометрических параметров и породно-качественного состава штабеля круглых лесоматериалов, погруженных на автотранспорт и/или прицеп, содержит стационарную сцену, средство для регистрации анализируемого объекта, средство управления и контроля в виде электронного устройства, сопряженного с регистрирующим средством и укомплектованного программным обеспечением, обеспечивающим обработку, расчет геометрических параметров, оценку качества и породного состава древесины, хранение массива информации, согласно изобретения, стационарная площадка имеет разметку активной зоны, система оборудована средством управления движением и остановкой транспортного средства в активной зоне сканирования и имеет, по меньшей мере, два средства регистрации, каждый из которых выполнен в виде стационарного 3D-сканера и текстурной камеры, установленных в одном корпусе и сопряженных между собой, при этом средства регистрации закреплены на двух противоположных опорах высотой не менее 10 метров и расположены таким образом, что сканеры направлены на зону сканирования статичных, неподвижных колесных транспортных средств и/или прицепов, загруженных круглыми лесоматериалами, и ориентированы по отношению друг к другу так, что формируют зону сканирования типа куполообразного облака, обеспечивая измерение со всех сторон кроме низа, а именно: высоты; длины и ширины штабеля, расположенного на транспортном средстве и/или прицепе. Средство обработки и передачи первичных данных, сопряженно со средством регистрации и электронным устройством. Система укомплектована осветителями и генераторами автономного электропитания. Программный комплекс средства управления и контроля содержит взаимосвязанные между собой посредством беспроводной связи блок удаленного управления работой сканеров, текстурных камер и средством управления движением и остановкой транспортного средства, блок приема 3D-моделей с текстурами, блок расчета объема, блок контроля породного состава и качества круглых лесоматериалов, блок формирования базы данных измеренных и рассчитанных параметров, блок хранения, поиска и выдачи информации.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена конструктивная схема устройства. На фиг.2 представлена алгоритмическая схема работы устройства. На фиг. 3 представлена технологическая схема работы автоматизированной системы.
Способ осуществляется следующим образом.
Транспортное средство, загруженное штабелем бревен (или транспортное средство с одним и более прицепами) располагают на стационарной площадке в пространственного активной зоне измерения 3D-сканирования. Для регистрации первичных параметров штабеля используют спаренные 3D-сканер и текстурную камеру, заключенные в один корпус. Пары (сканер и камера) сопрягают между собой и закрепляют на противоположных мачтах высотой не менее 10 метров. Встречно ориентированные на зону измерения регистрирующие средства (пары), образуют при работе объемную пространственную активную зону типа «купол» (с облаком 3D-точек со всех сторон) с возможностью получения трехмерной координаты (x, y, z) любой точки по всем сторонам штабеля бревен, кроме нижней части (поверхности) штабеля, прилегающей к площадке лесовоза или прицепа. Затем проводят автоматическое измерение геометрических и текстурных параметров с помощью регистрационных пар - 3D-сканера и текстурной камеры, получают первичные данные в виде цифровой информации по 3D-моделей с текстурами (текстурными изображениями, панорамами). Глубинная карта (x, y, z) представляет собой числовую матрицу, кодирующую точки поверхности в трехмерном пространстве, в которой координаты ячейки кодируют положение точки (x, y), а значение в этой ячейке кодирует третью координату (z). Иначе, это трехмерная сеть точек, представляющая объект съемки, в которой каждая точка записывается с помощью значений координат (x, y, z) в трехмерном пространстве. За один сеанс сканирования получают облако точек всей поверхности штабеля, погруженного на транспортное средство или прицеп. Полученные цифровые модели передают на электронное устройство для обработки. С помощью программного обеспечения осуществляют анализ и обработку цифровых моделей, строят развертку глубинных карт (x, y, z) штабеля бревен, осуществляют расчет геометрических параметров бревен и штабеля в целом. По текстурным изображениям определяют качество и породный состав круглых лесоматериалов.
Для каждого транспортного средства формируют информационный лист, содержащий разделы: дата и время факта процесса измерения; идентификационный государственный номера лесовоза или хлыстовоза; глубинная карта (x, y, z) штабеля бревен; текстурная панорама штабелей или хлыстов древесного сырья; размеры и объем каждого бревна в штабеле; рассчитанный суммарный объем бревен в штабеле; габаритные размеры штабеля; расчетный коэффициент укладки бревен в штабеле; рассчитанный объем штабеля исходя из габаритных размеров и расчетного коэффициента укладки, информационные листы размещают в базе данных электронного устройства с целью хранения, поиска, передачи информации конечным потребителям или информационным системам.
Автоматизированная система бесконтактного (дистанционного) измерения геометрических параметров и оценки породно-качественного состава штабеля круглых лесоматериалов, расположенных на автомобиле, включает:
- площадку для размещения оборудования системы измерения [1];
- активную зону измерения типа «купол», образующуюся при работе системы [2];
- двухцветный светофор, совмещенный с таймером обратного счета [3];
- телескопические выдвижные мачты, высотой не менее 10 метров [4];
- устройство первичной обработки и передачи регистрируемых(исходных) данных на электронное устройство (рабочую станцию) оператора [5];
-3D-сканер с датчиком 3D-сканирования [6];
- камеру текстурного изображения [7];
- корпус для размещения 3D-сканера и текстурной камеры [8];
- осветители для подсветки площадки в темное время суток [9];
- генератор автономного питания системы (бензогенератор) [10];
- электронное устройство (рабочая станция) оператора [11] (клиентское приложение);
- оборудование Wi-Fi для беспроводного приема/передачи команд управления и информации [12];
- удаленное электронное устройство (рабочая станция) пользователя для проведения процесса измерений [13].
Стационарная площадка [1] имеет с разметку активной зоны (сцены) [2] для процесса измерений штабелей круглого леса на автотранспорте (прицепе) и оборудована управляемым средством движения и остановки транспортного средства, например, двухцветным светофором с таймером обратного отсчета времени [3]. На площадке [1] расположены, по меньшей мере, две выдвижные телескопические мачты [4] со средствами регистрации наверху, установленные на расстоянии, позволяющем получать достоверную первичную информацию с использованием 3D-сканирования объекта, находящегося без перемещения в активной зоне измерения. Каждое средство регистрации, закрепленное на мачте [4], включает стационарный лазерный 3D-сканер [6] и текстурную камеру [7], которые неподвижно установлены в одном корпусе [8]. В рабочем положении 3D-сканирующие датчики [6] и текстурные камеры [7] направлены и ориентированы по отношению друг к другу таким образом, что образуют объемную пространственную активную зону типа «купол», в центре которой находится неподвижное транспортное средство (лесовоз с прицепом), загруженный круглыми лесоматериалами. Направленность и ориентацию обеспечивают при проведении измерений объекта. Формируют облако 3D-точек со всех сторон (кроме нижней плоскости штабеля леса) и осуществляют определение высоты, длины и ширины штабеля и каждого бревна в целом. Средство первичной обработки и передачи регистрируемых данных [5] в виде цифровой первичной информации 3D-моделей с текстурами взаимосвязано по проводной или беспроводной связи со средствами регистрации и электронным устройством оператора (рабочей станцией) [11] или устройством удаленного рабочего места пользователя [13], и может быть установлено на одной из опор (мачт). Электронное устройство [11] и [13] (рабочая станция), выполнено в виде мобильного или стационарного компьютера, с установленным на нем комплексом программного обеспечения, обеспечивающим управление работой сканеров, текстурных камер и устройством управления движением и остановкой транспортного средства [3]; прием 3D-моделей с текстурами, расчет объема, определение и контроль породного состава и качества круглых лесоматериалов; формирование, хранение, поиск и передачу цифровой информации конечным потребителям.
Дополнительно, для видимого обзора в темное время суток, на площадке могут быть установлены осветители [9], а при необходимости автономной работы автоматизированная система снабжена генератором электропитания [10] и средствами Wi-Fi [12] для беспроводного цифрового обмена командами и информацией.
Работа автоматизированной системы измерения (АСИ) осуществляется следующим образом (фиг.2). В исходном состоянии программно-аппаратное оборудование системы находиться в фазе «ожидание». Порядок управления устройством движением и остановкой [3] следующий. На светофоре горит зеленый свет, таймер обратного счета установлен в положение "0" - это соответствует тому, что транспортному средству разрешен въезд на площадку [1] в активную зону измерения [2] до линии STOP. Заезжающее в активную зону регистрации транспортное средство обязано прекратить движение, выполняя требования светофора [3], изменившего сигнал с зеленого на красный свет и индицируемого времени таймера. Автоматизированное специально подобранное управление движением и остановкой транспортного средства [3] на площадке [1] с помощью взаимосвязанных блоков (светофор, таймер) позволяет наиболее точно разместить объект в активной зоне для последующей регистрации параметров штабеля, расположенного на ТС.
Следующим шагом является считывание первичной информации датчиками 3D-сканирования [6] и текстурными камерами [7], передача и обработка первичных регистрационных данных устройством [5] по Wi-Fi каналу [12] на рабочую станцию клиентского приложения [11] или на рабочую станцию 13. После активации мишени «старт» автоматизированная система включает алгоритмы:
- фиксации гос. номера автолесовоза, стоящего в активной зоне;
- запуск табло-секундомера, показывающего время до окончания процесса измерения;
- запуск программного сервиса облачного 3D-сканирования;
- запуск программного сервиса обработки результатов сканирования и расчетов геометрических параметров бревен в штабеле и в целом суммарного объема штабеля;
- запуск сервиса формирования пула необходимой цифровой, видеографической и других информационных данных для представления на дисплее клиентского приложения оператору процесса;
- при активации оператором мишени «сохранить» (в режиме автоматизированного измерения) происходит запись информационного блока в базу данных АСИ;
- в режиме автоматического измерения мишень «сохранить» не активная и запись в базу данных АСИ происходит автоматически.
По окончании цикла программно-аппаратного измерения включается разрешающий сигнал светофора на покидание лесовозом активной зоны измерения, и система снова переходит в фазу ожидания до входа в активную зону следующей транспортной единицы. При необходимости, оператор за рабочей станцией [11] визуально оценивает завершенность полного цикла (окончание расчетов, сохранение результатов в базе данных) и активизирует команду на выезд транспортного средства из активной зоны измерения, что приводит к переключению сигнала светофора на разрешающий зеленый свет и сброс таймера в нуль (если автоматически не закончилось установленное время цикла). Программно-аппаратный комплекс оборудования системы вновь переходит в режим «ожидание» и готов к следующему циклу измерения. В системе предусмотрена возможность проведения измерений с удаленных рабочих мест [13]. В случаях необходимости функционирование измерительной системы возможно от автономного источника питания [10].
Проведение измерений на стационарной площадке исключает необходимость контролирования скорости движения транспортного средства, соблюдения требований к скоростному режиму и траектории движения транспортного средства, требований к качеству дорожного полотна. Процесс получения регистрационных данных больше напоминает съемку, чем сканирование, т.к. объект измерений статичный, также, как и оборудование для фиксации карт глубины (х, у, z) и цветных фотоснимков высокого разрешения. Транспортное средство со штабелями круглых лесоматериалов в зоне сканирования стоит и не двигается до момента окончания сканирования карты глубины (х, у, z), не менее 3-5 секунд. Оборудование для сканирования располагается на большом удалении от транспортного средства, не менее 12-15 м, а над измеряемым транспортным средством и над зоной сканирования в целом нет никаких конструкций, тем самым исключаются дополнительные факторы, которые могут создать угрозу для безопасности людей, машин и механизмов. Упрощается процедура сбора исходных данных для измерения объема и определения породно-качественного состава штабеля круглых лесоматериалов, их обработка обеспечиваются за счет за счет глубинного сканирования и получения карт глубины (х, у, z) и цветных изображений высокого разрешения. С помощью средства регистрации обеспечивается высокая скорость сканирования, очень высокая плотность сканирования, высокая точность (+/-2 см), при этом, кроме координаты z для точек х, у получают еще две величины - коэффициент отражения и цвет (это разные величины). В сравнении с аналогом сокращается время процесса измерения на единицу транспорта с 2-х минут до нескольких секунд. Пропускная способность системы измерения возрастает в несколько раз, что является существенным при интенсивном привозе лесного сырья лесовозами на пункт приемки. Степень защиты - IP67.
Результаты процесса обработки проведенных измерений и расчета параметров, идентификационные данные автомобиля записываются в базу данных электронного устройства автоматизированной измерительной системы (АСИ) и по запросу могут быть переданы по цифровому информационному каналу в учетные системы более высокого уровня. В таблице 1 условный приведен пример определения геометрических параметров и породно-качественного состава штабеля.
Таблица 1
Информационные данные
Параметры
дата и время факта процесса измерения
"хх" сентября 2021 г.место ХХХХХ
идентификационный гос.номера автомобиля (лесовоза или хлыстовоза)
СХХХКХ29
текстурная панорама штабелей или хлыстов древесного сырья, прошедшего измерительную зону АСИ
Осина
диаметр 1, диаметр 2, длина, объем каждого бревна по внешнему контуру штабеля
22 18 6000см 0.19 м3Динамическая таблица по кол. бревен
диаметр 1, Длинна по бревнам внутри штабеля
17 6001 см 0.14 м3Динамическая таблица по кол. бревен
объем каждого бревна по идентификационной матрице видимого торца штабеля
Динамическая таблица по кол. бревен
общий объем штабеля леса на автомобиле (суммарный объем бревен в штабеле)
11 м 3
общие габаритные размеры штабеля (ширина, высота, длинна)
В = 241 Н = 162 L = 6001
расчетный коэффициент укладки бревен в штабеле лесовоза
0,51
объем лесного сырья в штабеле исходя из габаритных размеров штабеля и расчетного коэффициента укладки
11.9 м3
Создана опытная автоматизированная стационарная система измерений, которая не зависит от таких факторов как: неравномерность движения ТС; раскачивание штабеля при движении; доплеровский эффект (размывание контурных линий объекта). При проведении испытаний АСИ показала очевидные преимущества изобретения: увеличение разрешающей способности АСИ на порядок (радиус действия: 50-150 м, слепая зона практически отсутствует; увеличение достоверности и точности измерений (порог допустимой погрешности измерения объемов круглого леса 0,5-2%); увеличение пропускной способности системы в несколько раз (что важно при интенсивном привозе лесного сырья лесовозами на пункт приемки, время процесса измерения на единицу транспорта сокращается с 2-х минут до 30 секунд). При работе АСИ снижается утомляемость операторов, обслуживающих систему, повышается техника безопасности. Кроме того, архитектура построения измерительной системы с применением метода облачного 3D-сканирования упрощает монтажно-наладочные работы, позволяет снизить затраты на оборудование, не требуются обслуживания для получения текстурированных панорамных изображений, уменьшает энергоемкость и энергопотребление от промышленной сети питания.