Способ определения объема сыпучих грузов в движущемся транспортном средстве с использованием бесконтактного измерения
METHOD FOR DETERMINING THE VOLUME OF BULK CARGO IN A MOVING VEHICLE USING NON-CONTACT MEASUREMENT

Изобретение предназначено для автоматического измерения объема сыпучих грузов, перевозимых автомобильным и железнодорожным транспортом (самосвалами, бортовыми автомобилями, полувагонами, вагонами-самосвалами и т.д.). Изобретение может применяться в строительстве, горно-рудном деле, транспортной логистике в составе других систем и комплексов для автоматического/автоматизированного контроля объема перевозимых сыпучих грузов.
Известны системы для измерения объема поверхностных материалов, работающие на различных принципах. Как правило, используются акустические, радиочастотные и оптические методы для измерения дальности/расстояния до поверхности контролируемой среды - сыпучего материала в контейнерах или резервуарах (см. патенты РФ № RU 2657104 от 24.04.2017, МПК: G01F 22/00, G01F 23/292 и RU 2636794 от 29.04.2016, МПК G01F 23/292).
Недостатком таких методов является недостаточная точность измерения объема сыпучего материала со сложной конфигурацией поверхности: например, грунта, неоднородного строительного мусора, снега и т.д.
Наиболее близким решением является устройство для бесконтактного измерения объема движущегося груза, имеющего сложный рельеф поверхности (патент RU 171242) от 22.12.2016, МПК G01B 11/040). Устройство содержит два сканирующих блока, выполненных в виде лазерных дальномеров, один из которых расположен над поверхностью груза транспортного средства (ТС), с возможностью замера расстояния до точек поверхности груза, второй расположен сбоку транспортного средства, с возможностью измерения вертикального габарита груза или кузова транспортного средства. Также устройство содержит модули регистрации, связанные с вычислительным блоком и расположенные сбоку и сверху относительно транспортного средства с возможностью видео- и фотофиксации передней, задней, верхней и боковой сторон транспортного средства. Причем сканирующие модули и модули регистрации размещены на единой раме. Технический результат заключается в обеспечении возможности измерения объема груза, имеющего сложный рельеф поверхности, в кузовах, имеющих различные габаритные размеры и конфигурацию.
Недостатком описанного выше устройства является применение конфигурации с одним сканирующим блоком над ТС для измерения профиля последнего и вторым сбоку для измерения внешнего габарита ТС и груза. Описанный в данном решении подход позволяет оценить только объем груза при его загрузке с превышением верхнего габарита ТС как сумму полезного объема кузова и объема той часть насыпного груза, которая превышает верхний габарит кузова ТС. Оценка объема груза, не выступающего за верхний габарит ТС, осложняется затенением бортом кузова при измерении боковым сканирующим блоком. При этом, поскольку плоскости сканирования верхнего и бокового сканирующих блоков совпадают по их данным нет возможности оценить положение ТС по направлению проезда, что требует использования средств фото- и видеофиксации для вычисления его скорости и положения. Данный метод требует применения алгоритмов калибровки изображения, ресурсозатратных методов распознавания ТС на фоне подстилающей поверхности и оценки смещения. К тому же есть серьезные ограничения по наличию осадков и уровню освещенности исследуемого объекта, контрасту изображения.
Технической задачей предложенного решения является устранение указанных недостатков, а именно повышение достоверности результатов измерений, что приведет к повышению точности определения объема насыпного груза при любой загрузке ТС и его положения в регулируемом потоке движения
Для решения указанной технической задачи в способе для определения объема сыпучего груза, поверхности, находящемся в движущемся транспортном средстве, сканируют движущийся груз с помощью двух лазерных дальномеров, с возможностью замера расстояния до точек поверхности груза и вычисляют объема груза, лазерные дальномеры располагают на одной поверхности/плоскости над движущимся сыпучим грузом, расположенным в платформе или кузове движущегося транспортного средства так, чтобы их плоскости сканирования были перпендикулярны друг другу и на такой высоте над движущемся ТС, чтобы их поля зрения были ориентированы вниз и охватывали необходимую область проезда ТС без затенений и во всем диапазоне, по измеренным расстояниям до точек поверхности груза и их координатам, формируют двумерные дальностные портреты в плоскостях XOZ и YOZ в полярной системе координат, преобразуют координаты в прямоугольную декартовую систему координат, синтезируют на их основе трехмерный портрет путем накопления продольных профилей при оценке смещения ТС по продольному профилю XOZ, формируют поперечный профиль аналогично синхронизированным данным аналогично непрерывно смещающегося проезжающего ТС, вдоль профиля в плоскости YOZ, определяют смещение в текущий момент времени, используя один либо несколько предыдущих кадров данных продольного дальностного портрета, вычисляют пустой объем платформы или кузова, и определяют объем груза как разницу между эталонным значением платформы или кузова, или полезным объемом платформы или кузова, и вычисленным пустым объемом платформы или кузова.
Изобретение реализуют следующим образом.
Лазерные сканеры (ЛС) в виде лазерных дальномеров ЛС-1 и ЛС-2 устанавливаются на одной плоскости так, чтобы их плоскости сканирования были перпендикулярны друг другу и на такой высоте над проезжающим ТС таким образом, чтобы их поля зрения были ориентированы вниз и охватывали необходимую область проезда ТС (см. чертеж). Плоскость сканирования лазерного дальномера ЛС-1 должна быть ориентирована вдоль направления проезда ТС (параллельна плоскости XOZ), плоскость сканирования лазерного дальномера ЛС-2 ориентируется перпендикулярно направлению проезда (содержит плоскость YOZ).
Далее формируют дальностный портрет просканированной области в полярной системе координат, на данном этапе необходимо выполнить его преобразование в прямоугольную декартовую систему координат. Синтез трехмерного портрета производится только после обнаружения ТС в поле зрения, что позволяет организовать непрерывную работу системы. Для возможности построения трехмерного профиля того или иного типа сыпучего груза в зависимости от свойств диффузного отражения его составляющих и среды распространения излучения требуется выбор соответствующих параметров лазерного дальномера, таких как длина волны излучения, мощность лазера, чувствительности регистрирующего устройства и т.д.
Факт обнаружения может выдаваться как по данным с ЛС-1 при детектировании объекта, соответствующего габаритам ТС, так и по внешним сигналам (например, с помощью средств видео/радио идентификации или команде оператора) измерительного комплекса, в составе которого находится система измерения. После обнаружения ТС в продольном дальностном портрете с ЛС-1 с некоторым временным дискретом выполняется оценка смещения ТС по направлению движения вдоль оси X и одновременным накоплением поперечных профилей с ЛС-2. Накопление выполняется до тех пор, пока ТС не покинет исследуемую область проезда. Аналогично стартовому сигналу детектирования, сигнал покидания может формироваться по данным с ЛС-1 либо по внешним сигналам. Допускается движение ТС один за другим либо в сцепке непрерывно при соответствующей фрагментации их дальномерных портретов.
Построение трехмерного профиля как выборки высот в локальной системе координат описывается следующим выражением:
n
m
где N, М - количество точек выборки в продольном и поперечном направлениях соответственно, s(x,y) - функция, описывающая высоту ТС с грузом, δ - дельта-функция Дирака, x и y - положение каждой точки, для продольного и поперечного направлений.
m
n
При этом положение точки в поперечном направлении y вычисляется пересчетом измерений лазерного дальномера ЛС-2, а для вычисления x используется смещение, полученное по данным лазерного дальномера ЛС-1. Для вычисления смещения в текущий момент времени используются один либо несколько предыдущих кадров данных продольного дальностного портрета. При этом могут быть задействованы различные методы: корреляционная оценка смещения, пороговая обработка, поиск опорных точек, итеративный алгоритм ближайших точек и т.д. Оценка смещения ТС выполняется непрерывно в течение всего временного периода пребывания ТС в поле зрения, что позволяет скомпенсировать неравномерность движения последнего. Максимальная скорость движения в этом случае будет ограничена частотой получения и скоростью обработки дальностных портретов. Точность оценки смещения зависит от разрешающей способности лазерного дальномера. Описанный подход позволяет организовать проезд с любого направления вдоль оси X и при необходимости реверсивное движение ТС.
Как правило, после накопления выполняется необходимая предварительная обработка исходного трехмерного профиля, с целью устранения пробелов ввиду ограниченной разрешающей способности и частоты сканирования ЛС.
Вычисление объема перевозимого груза происходит в два этапа. Поскольку по синтезированному дальностному портрету возможно оценить только трехмерные профили ТС и поверхности сыпучего груза, то на первом этапе производится оценка пустого объема относительно максимального возможного объема платформы (объема кузова). Для данной оценки необходимо выполнить поиск опорных контуров платформы. В зависимости от конфигурации ТС такие контуры могут быть образованы различными поверхностями. Например, ими являются внутренние края бортов самосвала. Для повышения эффективности поиска могут задействоваться вспомогательные средства, такие как системы машинного зрения на основе видеокамер. Вычисление пустого объема производится интегрированием высоты профиля по всему полезному контуры относительно верхнего полезного края платформы.
На втором этапе происходит вычисление объема груза как разницы между полезным объемом платформы и измеренным пустым объемом на предыдущем этапе. Полезный объем платформы может быть либо известен заранее, либо предварительно получен системой и внесен в ее память при проезде пустого ТС. В случае, если система задействуется в измерительных комплексах с ТС различной конфигурации, то в данной ситуации требуется использовать базу данных, хранящую объемы платформы того или иного ТС, и вспомогательные средства его идентификации. Система допускает возможность измерения груза сверх максимального полезного объема платформы при возвышении поверхности груза над верхними краями бортов платформы.
Таким образом, построение трехмерного портрета ТС позволяет более достоверно определить конфигурацию грузовой платформы и груза, и тем самым повысить точность измерения объема перевозимого груза.