具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

下面结合图1到图4对本发明的具体工作方式进行详细说明：

图1示出了室内物料监管装置具体结构；

图2示出了室内物料监管装置中各个模块的功能；

如图1和图2所示，本发明提出一种室内物料监管装置，包括：物料三维扫描系统1和智能体积测量及告警处理系统3；

物料三维扫描系统1包括：激光雷达模块106、索道滑车模块105、电动滑轨模块102、无线供电模块107、无线数据传输模块；

智能体积测量及告警处理系统3包括：智能处理模块302、网络传输模块301。设定平行于索道方向为x轴方向；设定平行于滑轨方向为y轴方向。

室内物料监管装置的各组成模块的详细说明如下：

激光雷达模块106主要功能是扫描物料堆体表面，快速，大量，精确的获取物料表面的三维信息。激光雷达实时采集当前扫描位置物料表面的一条线性点云数据，将采集到的点云数据通过第一无线传输模块104发送给智能体积测量及告警处理系统3。

索道滑车模块105主要功能是带动激光雷达模块106和第一无线传输模块104在索道上做往返直线运动，来获取物料堆体点云信息。索道滑车模块105包括电动滑车和承载电动滑车的索道。

电动滑轨模块102架设在室内棚顶的两侧，每侧都安装有一根滑轨、在滑轨上运动的滑车101以及驱动滑车101运动的电机；索道滑车模块105的索道两端分别固定在两个滑车101上，由两个滑车101牵引并使索道保持平直。为了保障索道平直，本发明采用滑轨方式牵引索道。也可采用其他方式搭载索道，如齿条等。由于一般存储物料的仓库无论在长度方向还是宽度方向都比较大，而且物料堆放面不平整，因此需要安装电动滑轨模块102来保证由索道滑车模块105运载的激光雷达模块106可以扫描到仓库的所有位置。当仓库中的物料表面比较平整，并且仅凭由索道滑车模块105运载的激光雷达模块106就可以扫描到仓库的所有位置时，可以省略该电动滑轨模块102。

由于仓库的面积很大，为了避免激光雷达模块106、索道滑车模块105、无线数据传输模块的用电需要拖动数百米长的电缆一起工作。本发明设计采用了无线充电的供电模块。无线供电模块107包括：被激光雷达模块106、索道滑车模块105、第一无线传输模块104三者公用的供电电池、无线充电发射装置；无线充电发射装置安装在电动滑轨模块102一端的滑轨上；供电电池安装在索道滑车模块105上；无线充电发射装置由外部电源供电；供电电池上有无线充电接收装置，通过接收无线充电发射装置发出的磁感应信号来为供电电池无线充电。

无线数据传输模块包括第一无线传输模块104、第二无线传输模块103、第三无线传输模块108；第一无线传输模块104用于传输激光雷达模块106采集的点云数据、控制索道滑车模块105中电动滑车运动的指令；第二无线传输模块103用于传输在电动滑轨模块102一侧的滑轨上，驱动滑车101运动的电机的控制指令；第三无线传输模块108用于传输在电动滑轨模块102另一侧的滑轨上，驱动滑车101运动的电机的控制指令。

智能体积测量及告警处理系统3通过网络2控制物料三维扫描系统1，并将物料体积差及报警信息通过网络2传输至云端用户。

智能体积测量及告警处理系统3接收到线性点云数据，根据索道滑车模块105运动速度组成三维空间点云序列，采用无效点剔除、点云匹配、点云拼接方法求取有效物料点云数据，利用曲面积分求取物料体积，再根据历史物料体积数据计算出物料体积差，然后将物料体积差及报警信息输出到网络传输模块301；智能处理模块302控制电动滑车的运动、控制电动滑轨模块102中两个滑轨电机同时转动，来控制滑车101的运动。

网络传输模块301通过网络2接收点云数据、传输控制索道滑车模块105的运动指令、传输控制电动滑轨模块102中两个滑轨电机的运动指令；同时网络传输模块301通过网络2发送智能处理模块302计算得到的物料体积计算结果和报警信息到云端用户。

智能处理模块包括：B样条曲线拟合计算模块和点云数据噪声消除模块。

B样条曲线拟合计算模块用于计算室内物料堆竖直方向上的截面的包络曲线。B样条曲线拟合计算模块针对x轴同一位置处的点云数据，采用B样条曲线拟合方法(现有技术)计算室内物料堆竖直方向上的截面的包络曲线。然后根据包络曲线计算截面处曲线的包围面积，进而，根据各位置处计算的截面面积之和与各个截面的间距乘积得到仓库物料堆的具体体积。

点云数据噪声消除模块根据点云数据的重叠区域，采用点云匹配算法与点云物理位置、点云角度匹配相结合的方式，消除点云数据的噪声。

通常采样设定的采样间距小于激光雷达的扫描覆盖半径，因此所获得的点云数据有重叠区域，点云数据噪声消除模块采用点云匹配算法与点云物理位置、点云角度匹配相结合的方式，消除点云数据的噪声，减小了由于机械运动位置误差造成的点云数据不精确对体积计算的影响。

点云数据噪声消除模块使用统计分析技术，从点云数据移除测量噪声点。对每个点的邻域进行统计分析，剔除不符合一定标准的邻域点。

具体来说：点云数据噪声消除模块首先根据高斯分布对每个点分别计算它到所有相邻点的平均距离，计算得出一个均值μ和一个标准差σ；最后在这个邻域点的集合中，将邻域距离大于μ+stdmul*σ的点视为噪声点，并从点云数据中去除。(stdmul代表标准差倍数的一个阈值，可以自己指定)

在本发明的一个实施例中，点云数据噪声消除模块中的stdmul设为3。

点云数据噪声消除模块具体工作流程为：提取采集到的y轴相同位置处覆盖的点云数据，迭代累加二者的点云数据，求得的误差之和最小处，即为同一位置扫描二次的重合位置，并计算去除噪声点后的重合位置处的点云平均值，保证了获取的点云数据的准确性和可靠性，从而提高了物料体积计算的精度。

智能处理模块302通过网络传输模块301来控制激光雷达模块106、索道滑车模块105和电动滑轨模块102采集物料堆体点云数据的流程如图3所示。

首先智能处理模块302按照预先设定好的运动速度发出控制指令，通过网络传输模块301、第一无线传输模块104发送到索道滑车模块105。索道滑车模块105接收控制指令，通过电动滑车带动激光雷达模块106沿着x轴正方向(在图1中)在索道上运动。

智能处理模块302通过网络传输模块301、第一无线传输模块104发送采集命令给激光雷达模块106，激光雷达模块106开始扫描，并实时将当前经过物料位置的扫描点云数据通过第一无线传输模块104、网络传输模块301回传给智能处理模块302。

当电动滑车沿索道方向运动到终点时，智能处理模块302通过网络传输模块301、第二无线传输模块103、第三无线传输模块108同时给电动滑轨模块102发送运动指令，接到运动指令后，电动滑轨模块102的两侧电机同时带动两滑车101沿y轴正方向(在图1中)前进指定距离后，停止运转。此时，智能处理模块302再次通过网络传输模块301、第一无线传输模块104发送指令到索道滑车模块105，使得电动滑车沿x轴负方向运动。在y轴方向上沿滑轨平均取k个标定位置点，当到达一个标定位置点时，电动滑轨模块102停止运转，在x轴方向上沿索道平均取n个位置点，索道滑车模块105每到一个索道上的位置点，激光雷达模块106采集m次点云数据。

本发明的一个实施例中，仓库y轴方向长为100米，x轴方向宽为40米，高度为10米。为了保证仓库物料的体积计算精度，激光雷达在沿索道运行的x轴方向，每5厘米采样一次，因此n为800。激光雷达扫描覆盖半径为10米，本发明在y轴滑轨上每前进5米作为一个标定位置点，因此k为20。m为激光雷达每帧采集的点云数量，本发明采样激光雷达采集数据为每帧2000个。

完成上述步骤后，智能处理模块302通过第一无线传输模块104、网络传输模块301接收了来自激光雷达模块106的全部物料堆体点云数据，得到k*m*n个空间点云数据，至此采集完毕。

在本发明的一个实施例中，智能处理模块302获取的点云数据量为2000*20*800个空间点云数据。

采集完毕后，智能处理模块302通过网络传输模块301、无线数据传输模块发送复位指令给电动滑轨模块102及索道滑车模块105，使其归位到起始位置。待索道滑车模块105运动到起始位置处后，无线充电发射装置自动对索道滑车上的供电电池进行无线充电。

智能处理模块302处理物料堆体点云数据的流程如图4所示。

智能处理模块302对获取的k*m*n个空间点云数据进行无效点剔除、点云匹配、点云数据拼接后，形成完整有效的仓库物料面空间点云。智能处理模块302以仓库的地面作为物料底面，在x轴方向上，每个位置处采集的点云用过控制点的B样条曲线连接起来，以y轴两端做为边界，对B样条曲线做定积分计算，求得B样条曲线包络的面积，B样条曲线包络的面积与x轴方向上间距点的乘积之和即为物料体积。

将计算得到的物料体积与之前数据库中保存的物料体积进行比较，当物料体积发生变化时，产生报警数据。智能处理模块302通过网络传输模块301将体积变化差及报警相关信息发送到云端用户。

本发明的一个具体实施例的点云数据处理方法如下所述：

通常仓库中物料的堆放形态是不规则的，本发明中是在每间隔5米采集一次点云数据，本发明把每次间隔采集的数据作为物料堆的竖直方向上的截面，以仓库的地面作为物料堆体的底面，根据面积积分原理来计算物料堆的体积；

点云数据噪声消除模块根据已知雷达在仓库中架设的位置、角度对竖直方向上的截面上的点云数据进行无效点剔除和简化，在本发明的一个实施例中，雷达的扫描探测范围为270°，并且由于雷达安装在距棚顶1米处，高于物料堆放高度，因此只需要保留采集到的小于180°以内的点云数据即可；

结合实际点云采集的特点，B样条曲线拟合计算模块针对x轴同一位置处的点云数据采用B样条曲线拟合方法(现有技术)计算物料竖直方向上的截面的包络曲线，然后根据包络曲线计算竖直方向上的截面处曲线的包围面积，进而，根据各位置处计算的截面面积之和与各个截面的间距乘积得到仓库物料堆的体积；

对y轴方向由于激光雷达可覆盖半径为10米，而本发明中采样间距为5米，因此所获得的点云数据有重叠区域，对重叠区域点云数据，点云数据噪声消除模块采用点云匹配算法(现有技术)与采集点云物理位置、角度匹配相结合的方式，剔除掉点云数据的噪声；

具体做法为提取采集到的y轴相同位置处各覆盖6米的点云数据，迭代累加二者的点云数据，求得误差之和最小处，即为同一位置扫描二次的重合位置处，并对去除噪声点后的重合位置处计算平均值，保证了获取的点云数据的准确性和可靠性，从而提高物料体积计算精度。

综上所述，本发明提供一种室内物料监管装置，本发明具有全自动物料堆体测量、测量无死角，精度高及报警及时的特点，大大降低了人工带来的不确定性及监测的成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。