[發(fā)明專(zhuān)利]基于DEM三維特征分布的滑動(dòng)窗口檢測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010435166.1
• 申請(qǐng)日: 2020-05-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111626996B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-10-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于繼明
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 金陵科技學(xué)院
• 主分類(lèi)號(hào): G06T7/00
• 分類(lèi)號(hào): G06T7/00;G06T17/00;B66C3/00
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專(zhuān)利代理有限公司 32206
• 代理人: 蔣昱

1.基于DEM三維特征分布的滑動(dòng)窗口檢測(cè)方法，具體步驟如下，其特征在于；

步驟一，業(yè)務(wù)場(chǎng)景與基本定義；

在干散料碼頭、倉(cāng)庫(kù)中，散料的堆放為傾倒或抓斗拋放形成，其三維分布既連續(xù)又極不規(guī)則，工業(yè)級(jí)干散料無(wú)人值守裝運(yùn)業(yè)務(wù)，要求系統(tǒng)安全、高效，干散堆料的變化較快，要保證安全，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抓斗抓取姿態(tài)與堆料分布情況，建立三維特征分布與安全關(guān)系模型，在安全的情況下方可抓取；在抓取質(zhì)量方面，對(duì)每一次抓取位的堆料分布情況建模；

根據(jù)建模需要，做如下基本定義：

(1)單元窗口：整個(gè)堆料區(qū)域劃分為M×N個(gè)基本方格，稱(chēng)為單元窗口，每個(gè)單元窗口為邊長(zhǎng)為l的正方形，整個(gè)區(qū)域可視作一個(gè)三維矩陣A_mn，每個(gè)單元窗口A_mn的平均高度為H_mn(m∈(1…M)，n∈(1…N))；

(2)抓取窗口：在抓斗抓取物料時(shí)，抓斗完全張開(kāi)時(shí)抓取范圍在平面上的投影稱(chēng)為抓取窗口，假設(shè)堆料區(qū)域A_mn分成個(gè)抓取窗口，對(duì)于任何抓取窗口其包含P×Q個(gè)單元窗口；

(3)抓取子窗口：為表示三維分布特征，將任何一個(gè)抓取窗口W_pq劃分為多個(gè)子窗口，每個(gè)子窗口包含U×V個(gè)單元窗口，稱(chēng)為抓取子窗口W_uv，位于抓取窗口中心位置的虛擬子窗口W_c稱(chēng)為中心子窗口，實(shí)際應(yīng)用中，子窗口數(shù)量劃分越細(xì)，數(shù)據(jù)表達(dá)越精確；

(4)質(zhì)量分布向心度(AFF_uv)：表示任何一個(gè)子窗口W_uv堆料量以及離抓取窗口中心聚集的程度，如果抓取窗口高度越高、物料離中心點(diǎn)越近，其向心度越高；

(5)滑動(dòng)窗口：為尋找物料分布滿足安全與特征分布較好的抓取位置，按抓取窗口的大小，每隔S行、T列動(dòng)態(tài)滑動(dòng)此窗口，記錄滑動(dòng)過(guò)程中所有窗口的p、q值及特征分布數(shù)據(jù)，此窗口稱(chēng)之為滑動(dòng)窗口；

步驟二質(zhì)量特征分布及安全關(guān)系模型；

對(duì)于任何一個(gè)抓取窗口，其包含P×Q個(gè)單元窗口，則窗口W_pq為：

在W_pq窗口抓取作業(yè)時(shí)，其抓取方式中物料集中在中心一帶最有利，如果抓取窗口的物料分布為中間凹，抓取的量較少，達(dá)不到抓取效果與效率要求，當(dāng)大斜坡方向與抓斗長(zhǎng)邊方向一致時(shí)，抓取量介于兩者之間，同時(shí)易產(chǎn)生動(dòng)滑輪脫槽的安全風(fēng)險(xiǎn)；

要保證每一次抓取質(zhì)量滿足要求，設(shè)計(jì)抓取窗口W_pq的特征參數(shù)與特征模型，為方便表達(dá)抓取窗口的物料分布情況，從以下幾個(gè)特征值來(lái)考慮：

1、中心平均高度，對(duì)于窗口W_pq來(lái)講，其抓取分布于式(1)所在的區(qū)域，假設(shè)在各窗口的物料分布在P_x∈[l₁，l₂]中心帶，對(duì)于連續(xù)分布的干散料來(lái)講，在總量一定時(shí)，中心帶的平均高度HS_z能較好的反應(yīng)物料分布好壞的一個(gè)特征；

2、質(zhì)量分布向心度，將抓取窗口W_pq分為多個(gè)抓取子窗口W_uv，每一個(gè)子窗口W_uv包含U×V個(gè)單元窗口，對(duì)于任何一個(gè)窗口W_uv，其中心離W_pq線的垂直距離為l_uv，且HS_z越大、l_uv越小，其質(zhì)量分布向心度越好，即形成“峰”狀分布，即特征值與HS_z乘積越大，抓取效果越好，當(dāng)子窗口在[1，l₁]與[l₂，P]范圍時(shí)，對(duì)抓取不利；

根據(jù)上述分析，定論質(zhì)量分布向心度為：

AFF_uv＝α*HS_z*D_uv (式2)

其中，α值為：

對(duì)于整個(gè)抓取窗口，其質(zhì)量分布向心度為所有子窗口向心度之和的平均值，由此可得：

根據(jù)式(2)，可以求出任何一個(gè)子窗口的質(zhì)量分布向心度值，用于評(píng)測(cè)在此窗口在抓取時(shí)是否滿足抓取效果，如果滿足則實(shí)施抓取動(dòng)作，否則通過(guò)滑動(dòng)窗口，找到合適的抓取窗口位置；

對(duì)于任意一個(gè)抓取窗口W_pq，抓取時(shí)抓斗傾斜度越小抓取越安全，出現(xiàn)安全事故的機(jī)率越低，細(xì)顆粒散料的理想分布的情況是中間高、四周低，即P_x∈[l₁，l₂]時(shí)，抓取安全且效果好；

為分析安全關(guān)系，將整個(gè)窗口分為中心帶WZ_c、周邊四個(gè)子窗口WZ_k(k∈[1，4])，則對(duì)于任何一個(gè)周邊子窗口WZ_k，中心帶WZ_c為：

其中，WZ_c的中心點(diǎn)位于((1+P)/2，(yWc+1+Q/2))，抓取窗口可表示為：用W_n表示HS_z高于各子窗口WZ_k平均高度的數(shù)量，W_n＝2時(shí)最危險(xiǎn)，W_n＝3次之，當(dāng)W_n＝4時(shí)最安全，四個(gè)周邊子窗口的根據(jù)抓斗長(zhǎng)邊左右兩邊的位置，分為WL_pq和WR_pq，即W_pq＝(WL_pq WR_pq)，假設(shè)HL_pq、HR_pq表示W(wǎng)_pq左右兩邊窗口的均高，SW_pq表示W(wǎng)_pq的安全特征系數(shù)，則SW_pq可表示為：

SW_pq＝β*HS_z/abs(HL_pq-HR_pq) (式6)

式(6)中，當(dāng)W_n＝2或W_n＝3，左右兩邊的子窗口高度相差達(dá)到某一危險(xiǎn)值H_d時(shí)，會(huì)發(fā)生安全事故，安全情況，此時(shí)β＝0，其它情況下，β＝1，由式6可知，SW_pq值越大，越安全；

步驟三滑動(dòng)窗口算法；

如果規(guī)則的劃分各抓取窗口，SW_pq與AFF_pq同時(shí)符合抓取要求的W_pq并不多，從全局上看，有些窗口經(jīng)過(guò)移動(dòng)之后，很容易滿足兩個(gè)條件要求，因此，從第一個(gè)窗口W₁₁開(kāi)始，每次下、右移動(dòng)S、T個(gè)單元窗口位置，計(jì)算其質(zhì)量向心度與安全特征值，一直到所有滿足滑動(dòng)的窗口計(jì)算完成，則每個(gè)滑動(dòng)窗口的位置為：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DEM三維特征分布的滑動(dòng)窗口檢測(cè)方法，其特征在于，單元窗口中定義M＝33，N＝99，共33*99個(gè)單元窗口，設(shè)P＝8，Q＝16，U＝2，V＝4，則全場(chǎng)可劃分為共24個(gè)抓取窗口，每個(gè)窗口又劃分為8個(gè)子窗口。