МОДУЛЬ ДАТЧИКОВ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ОБЪЕМНО-ВЕСОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Полезная модель относится к аппаратной части систем для регистрации объемно-весовых характеристик (ОВХ) товаров, почтовых отправлений и других физических объектов при проведении логистических операций, например, транспортировки и сортировки, складских операций, таких как хранение, учет и упаковка. Устройство является модулем датчиков для определения ОВХ почтовых отправлений, в том числе, упакованных и не упакованных предварительно товаров, предназначенных для почтовой пересылки, курьерской доставки или других форм транспортировки между точкой отправления и точкой получения (вручения). Устройство может быть использовано на почтовых предприятиях, предприятиях электронной торговли. Полезная модель может быть использована в составе программно–аппаратных комплексов, обеспечивающих определение ОВХ товаров и отправлений, а также соответствие ОВХ посылки/товара характеристикам, заявленным в описании посылки/товара почтового отправления характеристикам, заявленным в описании товара.
При работе сетевых маркетплейсов и почтовых служб часто возникают ситуации, в которых многие товары класса "сорт" (товары, подлежащие сортировке и имеющие максимальные габаритные размеры одной стороны = 450 мм, двух других сторон = 350 мм и вес до 10 кг) приходят на приёмку от продавца или другого отправителя с заранее не проверенными или не указанными характеристиками, что, в ряде случаев, требует регистрации объемно-весовых характеристик, требуемых, например, для планирования логистических или складских операций. Например, при перевозке воздушным транспортом, требуется соблюдать установленные требования к весу контейнеров, при организации складского хранения важным параметром является объем объекта.
Из уровня техники известны решения, относящиеся к задачам автоматизации процесса определения объёмно-весовых характеристик товаров и почтовых отправлений на складах и сортировочных центрах интернет-магазинов для сокращения времени на операциях по приемке товара, достоверное определение комиссии, оптимизации использования мезонина и магистрали.
Например, известно устройство для цифрового измерения объемно-весовых характеристик (ОВХ) товаров, представляющее собой стол с весовой платформой на тензодатчиках и тремя лазерными датчиками для измерения габаритов груза (https://infoscansize.ru/). Разные варианты устройства могут быть оснащены монитором для вывода данных, либо подсоединяться непосредственно к ПК оператора и передавать полученные данные на ПК для дальнейшей обработки. Недостатком устройства является высокая стоимость изделия, необходимость выделения специального пространства для установки устройства.
Аналогичное устройство, представляющее собой стол с двумя бортами, переходящими в стойку, на которой установлен монитор. Известно из (https://vmlogo.ru/).
Наиболее близким аналогом патентуемого устройства является устройство для цифрового измерения объёмно-весовых характеристик товаров и почтовых отправлений, содержащее корпус; загрузочный стол; устройство измерения размера, которое измеряет размер упаковки, помещенной на загрузочный стол, на верхней поверхности которого  предусмотрен выступ, который упирается в боковую поверхность упаковки для предотвращения контакта упаковки с боковой стенкой (CN109154524A, опубл. 04.01.2019).
Недостатком известного решения является наличие бокового выступа, который может быть определен, при сканировании размеров, как часть упаковки почтового отправления. Кроме этого, при использовании известного устройства не исключается контакт почтового отправления с боковыми стенками, например, при использовании мягкой упаковки или упаковки, форма которой отличается от прямоугольной. В ряде случаев, бортики платформы могут восприниматься датчиками как часть упаковки, либо изгибы почтовых отправлений малой высоты, таких как заказные письма могут быть распознаны как бортики весовой платформы и не учитываться при формировании сведений о почтовых отправлениях. Устройство не защищено от загрузки в него негабаритных товаров. Все указанные обстоятельства существенно снижают достоверность параметров ОВХ, определяемых пери помощи устройства.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, заключается в создании устройства для бесконтактного определения физических параметров, товаров, в том числе, ОВХ с достижением технического результата, заключающегося в повышении достоверности параметров, определяемых при использовании устройства, а также с обеспечением возможности идентификации товара по размерам и штрихкоду. При использовании полезной модели обеспечивается определение габаритов товаров любой формы и с любым типом упаковки с точность 10% по объёмному весу и скоростью не более 15 сек и автоматическая передача данных в системы компании
Технический результат достигается за счет того, что модуль датчиков для регистрации объемно-весовых характеристик, содержит
закрытый стенками каркас в виде параллелепипеда, по углам нижней части которого закреплены тензодатчики, на которых закреплена плоская весовая платформа, в пределах которой находится прямоугольная область для размещения отправления, ограниченная рельефной полосой;
две стереоскопические камеры глубины, расположенные в противоположных углах верхней части каркаса, так, что светоизлучающие приборы подсветки каждой из камер глубины расположены между видеокамерами соответствующих камер глубины на вертикальных прямых линиях, проходящих через углы выделенной прямоугольной области, а видеокамеры камер глубины, расположены на одинаковом расстоянии от весовой платформы;
передняя часть устройства выполнена с отверстием, расстояние между боковыми краями которого не меньше ширины выделенной области, а верхний край расположен не выше высоты размещения светоизлучающих приборов камер глубины. В частных случаях реализации, рельефная полоса может быть выполнена в виде углубления на весовой платформ, либо в виде выступающей на поверхности платформы полосы из полимерного покрытия, при этом полимерное покрытие может быть выполнено из контрастного материала, по отношению к материалу платформы, кроме того, весовая платформа, за исключением рельефной полосы, может иметь матовую или текстурированную поверхность. В частном случае реализации модуль может содержать сканер шхтрикодов, установленный выше уровня размещения светоизлучающих приборов подсветки, а также осветительный прибор видимого диапазона, расположенный выше светоизлучающих приборов подсветки. Для повышения функциональности модуль может быть снабжен средствами ввода и отображения информации, закрепленными на передней стенке устройства, нижний край которой формирует верхний край отверстия. Осветительный прибор может быть выполнен в виде линейного светильника, закрепленного напротив задней стенки устройства, а весовая платформа выполнена с сетчатой  рельефной разметкой.
Далее решение описано с ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.
Фиг. 1 – общий вид устройства со стенками.
Фиг. 2 – вид устройства сверху (без стенок).
Фиг. 3 – изображение устройства без стенок.
Фиг. 4 – пример графического интерфейса (вывод карточки товара, полученного от продавца после сканирования шхтрикода).
Фиг. 5 - пример графического интерфейса (вывод результатов измерений).
Фиг. 6 – примеры расположения товаров различных форм внутри устройства для измерений.
Фиг. 7 –пример выполнения камеры глубины.
Для каждой категории товаров есть максимальные и минимальные значения. Вес и габариты товара в упаковке должны соответствовать допустимым значениям. Нельзя добавить товар, вес и габариты которого отличаются. Модуль датчиков для регистрации физических параметров почтового отправления в составе устройства для цифрового измерения объёмно-весовых характеристик товаров и почтовых отправлений, содержит каркас в виде параллелепипеда со стенками, крышкой и весовой платформой, выполненной в виде основания с защитным покрытием. Как показано на фиг. 2, весовая платформа содержит прямоугольную область для размещения отправления, ограниченная слоем покрытия из контрастного материала и может быть дополнительно выполнена с разметкой в виде клеток, как показано на фиг. 5, например, шахматной разметкой, выполненную на верхней поверхности из вещества, в частном случае, контрастного для светового диапазона видеокамер. Вместе с тем, использование рельефа поверхности и матовой структуры платформы обеспечивает более надежные измерения, поскольку исключается возможность удаления дополнительного слоя в процессе эксплуатации. Например, защитное покрытие может быть выполнено в виде полимерного покрытия с наполнителем из диоксида титана, а контрастные покрытия с наполнителем из сажи газовой. Рельеф может быть выполнен с использованием лазерной гравировки, либо, при серийном производстве, путем использования пресса и матрицы. Также весовая платформа может быть выполнена текстурированной, что обеспечивает возможность точного определения расстояния весовой платформы от камер глубины и отделение изображения поверхности товара от изображения поверхности платформы. Нанесенная на поверхность платформы сетка обеспечивает возможность калибровки камер глубины. Весовая платформа закреплена на четырех тензодатчиках, расположенных вблизи стоек каркаса по углам дна каркаса и закрепленных неподвижно относительно каркаса.  Тензодатчики могут быть соединены в измерительный мост. В верхних углах каркаса по диагонали расположены две камеры глубины, камеры и аналогово-цифровой преобразователь весовой платформы подключены к вычислительному модулю, установленному внутри каркаса и связанному с устройством вывода информации, установленным на внешней поверхности стенки устройства,  установленная сверху по центру каркаса видеокамера, например, веб-камера или RGB-камера (видеокамера видимого диапазона спектра). обеспечивает возможность комплексного анализа изображения товара как в случае упаковки с низкой высотой, так и в случае, если упаковка занимает всё доступное для размещения товара пространство.
Вычислительный модуль может быть выполнен в виде микрокомпьютер для управления камерами, установленного в индивидуальном корпусе, закрепленном внутри каркаса устройства. Микрокомпьютер может содержать блок охлаждения, и микроконтроллер для управления весовой платформой.
Микрокомпьютер может содержать USB-концентратор для подключения внешних устройств, при этом USB порты выведены на внешнюю поверхность одной из боковых стенок или крышки. В частности, к USB-концентратору может быть подключен сканер шхтрикода товара, который передает информацию о считанном штрихкоде базовой станции по корпоративному каналу связи (bluetooth, wi-fi и т.д.).
В частном случае полезная модель может содержать в себе осветительный блок, включающий светодиодный источник света в виде светодиодных лент, размещённых по периметру верхней крышки и по периметру весовой платформы на боковых и задней крышках. Предлагаемое устройство обеспечивает оптимизацию работы склада, в частности определение габаритных размеров товара (длина, ширина, высота) с помощью камер, определение массы товара с помощью тензодатчиков на весовой платформе, считывание наклейки с штрихкодом товара с помощью сканера штрихкода, вывод информации из карточки товара на интерфейс программы для оператора, вывод полученных результатов замера ОВХ на интерфейс программы для оператора, внесение полученных данных ОВХ для замеренной единицы складского учета в  ISS (информационно-статический сервер). Объёмно-весовые характеристики (ОВХ) - это вес и габариты товара в упаковке, например, в заводской упаковке. По ОВХ, без необходимости использования других параметров, может быть рассчитана, в том числе, стоимость доставки в пункт назначения, определен склад, промежуточный терминал, или пункт выдачи, на который можно поставить товар. Также по ОВХ можно определить объёмный вес товара, который он занимает на мезонине и количество требуемого упаковочного материала.
Конструктивно закрытое исполнение корпуса устройства обеспечивает защиту чувствительных элементов устройства от внешних воздействий, которые могут повлиять на процесс измерений. Это позволяет провести калибровку камер посредством поверхности покрытия платформы с шахматной разметкой только при первом использовании после запуска устройства в эксплуатацию.
Каркас 1 устройства состоит из легкосборного алюминиевого профиля 30×30 мм. Боковые, задняя, верхняя (крышка) и передняя стенки 2 выполнены из алюкобонда. Данные материалы позволяет обеспечить достаточную прочность при небольшом весе. На внешней поверхности корпуса, предпочтительно на передней стенке в верхней части, размещено устройство вывода информации 3.
На каркасе и стенках внутри устройства размещены основные конструктивные элементы: весовая платформа, оптический сенсорный блок, вычислительный блок, блоки освещения и сканирования, модуль питания.
Весовой модуль содержит весовую платформу 4 и располагается в основании устройства. Весовой модуль состоит из четырех полумостовых тензодатчиков на 5 кг. В качестве тензодатчиков могут использоваться пьезорезистивные тензодатчики или тензодатчики других известных типов, используемые, предпочтительно, таким образом, что показания тезодатчиков считываются отдельно.  Тензодатчики соединены по схеме "мост" и подключены к аналогово-цифровому преобразователю, который в свою очередь подключен к микроконтроллеру, например, Arduino Nano. Применение данных датчиков обеспечивает простое устройство весов. Основание тензоплатформы состоит из листа фанеры для обеспечения необходимой жёсткости. Для ограничения перемещения каркаса весовой платформы в горизонтальном направлении предусмотрены физические упоры в виде выступов. Сверху на фанере размещен лист из алюкобонда, на который непосредственно кладут товары для измерения. Верхний лист имеет с одной стороны разметку линейного измерения с габаритами измеряемого товара, с другой стороны шахматную разметку для проведения калибровки камер. Лист из алюкобонда на весовой платформе располагается белой стороной наверх. Калибровка камер производится однократно перед запуском устройства в эксплуатацию. Дополнительно устройство может содержать веб-камеру 30, используемую для повышения точности измерения габаритов товара при определении ОВХ
Оптический сенсорный модуль, пример выполнения которого показан на фиг. 7, используется для определения габаритной составляющей ОВХ товара (длина, ширина, высота) и состоит из двух камер 5 глубины, например, Intel RealSence D415. Они установлены симметрично относительно сцены обмера на угловых стойках в верхних углах каркаса по диагонали. Камеры глубины содержат две видеокамеры 72 инфракрасного диапазона, обеспечивающие возможность определения расстояния до точек поверхности объекта с использованием стереоскопического эффекта. Кроме того, использование инфракрасных камер и камер видимого диапазона позволяет повысить точность определения габаритов товара, в случае, если упаковка товара или нанесенная на упаковку этикетка являются прозрачными или частично прозрачными для одного из спектральных диапазонов, диапазонов. Для подсветки объекта используются инфракрасные светодиоды 71, используемые в качестве светоизлучающих приборов подсветки. Для регистрации действий оператора, а также, например, для считывания графической информации с упаковки отправления, могут быть использованы видеокамеры 73 оптического диапазона.  С использованием видеокамер оптического диапазона также может определяться правильность расположения отправления на весовой платформе. Реализованные варианты настоящего технического решения Данное решение обеспечивают оптимальную точность измерений (точность до 10% от объёмного веса (ключевая метрика) при собственной погрешности камер в 2%) разногабаритных предметов в диапазоне от 30 мм до 500 мм по высоте, от 40 мм до 500 мм по длине и он 30 до 450 мм по ширине. При измерении габаритов посредством камер глубины, первоначально, с помощью камер глубины определяется высота объекта для включения нужного алгоритма. При высоте менее 50 мм используется алгоритм с сегментацией, который работает по изображению с веб камеры, при высоте более 500 мм используется определение формы объекта по облаку точек с использованием камер глубины. При измерении габаритов по облаку точек, облако точек, формируемое камерами глубины, обрезается в соответствии с размерами и расположением стола. Затем, для выделения предмета, облако точек обрезается по высоте (точки, находящиеся на высоте больше определенного порога, считаются частью товара) и кластеризуется для фильтрации шумов. Далее по точкам предмета строится ограничивающий их параллелепипед, габариты которого считаются габаритами предмета. Расположение камер глубины, в противоположных углах верхней части каркаса, так, что оптические центры видеокамер камер глубины расположены на линиях, нормальных к поверхности весовой платформы, проходящих через углы выделенной прямоугольной области, обеспечивает полный и эффективный обзор предметов, расположенных на весовой платформе в пределах ограниченной области, а дополнительное использование шахматной разметки позволяет откалибровать камеры и используемые вычислительные методы таким образом, что погрешность измерений становится минимальной.
Выполнение передней стенки с калибровочным прямоугольным отверстием, ширина которого не больше ширины выделенной области, а высота не больше высоты размещения оптических центров видеокамер, позволяет избежать загрузки на весовую платформу предметов, габариты которых не позволяют осуществить эффективное определение физических показателей отправлений, что существенно сокращает время на обработку большого количества отправлений.
Вычислительный модуль 6 состоит из одноплатного микрокомпьютера Raspberry PI 4B, платы микроконтроллера Arduino Nano (для тензоплатформы) и USB концентратора 7 для подключения внешних устройств (USB порты, содержащиеся в  USB концентраторе, выведены на внешнюю поверхность корпуса устройства, например, на внешнюю поверхность одной из боковых стенок или крышки). Raspberry PI 4B установлен в алюминиевый корпус с вентиляторами и снабжён картой памяти для хранения данных. Данное решение обеспечивает измерение предметов, без использования сторонних ПК и облачных сервисов, а параметры устройства обеспечивают мобильность перемещения установки по всей территории склада/логистического центра.
В качестве устройства вывода информации 3 используется сенсорный дисплей 3 с диагональю 10-12 дюйма, закрепленный на верхней части рамы с лицевой стороны, который может использоваться в качестве средства ввода и вывода информации и для работы с графическим интерфейсом ПО устройства. Также может быть использован ЖК экран для вывода информации, клавиатура и/или манипулятор для ввода информации и работы с графическим интерфейсом ПО устройства.
Модуль питания состоит из трёх блоков. Первый блок обеспечивает работу одноплатного микрокомпьютера Raspberry PI 4B, второй предназначен для питания USB-концентратора, третий блок для освещения.
Блок сканирования и освещения обеспечивает сканирование товаров с помощью шхтрикод сканера, применяемого на складах. Подключается он непосредственно к USB-порту в USB-концентраторе. Освещение осуществляется с помощью светодиодного источника света.
Далее приведен пример осуществления полезной модели.
Для начала работы с устройством включают питание на все исполнительные элементы, включив устройство в электрическую сеть и в сеть Ethernet, используя соответствующие кабели. Далее включают тумблер/кнопку питания внутри устройства, запустив ПО. Готовность устройства к работе можно оценить по включению освещения внутри устройства и выводу графического интерфейса на устройства вывода информации.
Варианты взаимодействия с графическим интерфейсом:
посредством сенсорного экрана;
посредством клавиатуры и/или манипулятора ввода информации (мышь).
При первом запуске устройства в эксплуатацию для калибровки камер используют поверхность алюкобонда с шахматной разметкой, в дальнейшем для измерений ОВХ товаров используют белую поверхность листа.
Калибровка весовой платформы производится автоматически. Для корректной калибровки необходимо следить за ее положением относительно устройства. Перед проведением измерений считывают шхтрикод товара (например, ручным сканером или сканером, встроенным в устройство), после чего на экране должна отобразиться информация о товаре (карточка товара), включающая длину, ширину и высоту, а также вес товара.
После считывания шхтрикода товар помещают на весовую платформу для измерения ОВХ и нажимают на экране кнопку «Измерить». Данная команда передается на микрокомпьютер, который считывает данные с камер и весовой платформы. Система в течение промежутка времени от 2 до 10 с производит замер товара. Данные измерений микрокомпьютер выводит на графический интерфейс устройства, при этом выделяются (например, цветной заливкой) те значения, у которых отклонение от размеров, полученных от продавца, более чем на 20%.
Для сохранения результатов измерения в складскую базу данных ISS нажимают кнопку на интерфейсе устройства «Сохранить в ISS».
Для сканирования нового товара повторяют сценарий, начиная с шага сканирования штрихкода сканером.
Все товары необходимо располагать в центре весовой платформы. Ограничения по габаритным размерам измеряемых товаров:
Длина, мм - до 400.
Ширина, мм - до 400.
Высота, мм - до 350.
Вес, кг - до 20.
Всего для получения наиболее точных значений по измерению ОВХ рекомендуется расположить объект измерения в центре сцены замера.
Примеры расположения товаров приведены на фиг. 6.