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CN1754081A - 用于无接触式测量物体的方法 - Google Patents

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CN1754081A CNA200480004985XA CN200480004985A CN1754081A CN 1754081 A CN1754081 A CN 1754081A CN A200480004985X A CNA200480004985X A CN A200480004985XA CN 200480004985 A CN200480004985 A CN 200480004985A CN 1754081 A CN1754081 A CN 1754081A
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Abstract

提供一种用于无接触式测量一个物体(6)的至少一维尺寸的方法，其中，对物体(6)在一个扫描射线场(1)空间上有限的作用区内进行扫描，并从扫描射线(L)一次或者多次中断的检测中推断出物体(6)所测量维内的尺寸。扫描射线场(1)由多个可直接寻址的单个射线(L)构成。扫描射线场(1)空间上有限的作用区的射线扫描在使用非线性搜索法的情况下按照可预先规定的步骤模式进行。一种优选的方法在于使用一种二分法。

Description

用于无接触式测量物体的方法
本发明涉及一种依据权利要求1前序部分所述用于无接触式测量物体的方法。
在工业生产过程中，常常需要以第一近似值确定物体在高度和/或者宽度和/或者长度上的伸展，以便对其在后面的运输、仓储和/或者加工步骤中相应予以考虑。例如在自动化的仓储系统中必须确定所要储存物体的高度。许多物体不能采用接触传感器或者这类装置进行测量，而是必须使用无接触式测量法。因此为这种自动化的测量过程使用例如由物体从其中穿过的光栅或者光幕。通过确定射线的中断进行测量，从中可以反推出在各自尺寸上的伸展。在高度测量时，物体一般从下面凸入光栅内，因为是将其在一个底板或者一个传送带上运送通过光栅或光幕。高度测量涉及找出最上部中断的或最下部不中断的光束。为此顺序扫描光栅或光幕中的单个光束以确定中断。光束扫描在于激活一个发射元件并同时对与其面对面布置的用于所发射光束的接收元件进行计值。扫描或搜索的理论上的持续时间，即根据每个光束的扫描时间乘以光束的数量n加上计值时间产生搜索时间。为此依据公式：
t搜索＝t光束扫描×n+t计值
可能会出现所要自动测量的物体恰好进入刚刚扫描后的扫描射线检测范围内。为消除这种误差源而又识别物体，整个光栅必须进行第二次扫描。因此在实践上以两倍搜索时间作为最大检测时间。检测时间依据的公式为：
t检测＝t搜索×2＝(t光束扫描×n+t计值)×2
实践上每个光束的扫描时间约为100μs；光栅射线的数量n例如为32：计值时间典型的约为500μs。利用这些典型的实际值得出最大检测时间得出t检测值为7.4ms。在此方面应注意的是，该值为用于确定仅一维内高度伸展的最大检测时间。常常会要求确定物体在两维或者甚至所有三维内的尺寸。由此可以直接看出，目前用于无接触式测量物体的方法相当费时。
本发明的目的因此在于，避免现有技术方法的缺点。提供一种用于无接触式测量物体至少一维尺寸的方法，该方法在保持相同精度的情况下可以提高测量速度并整体上缩短了最大检测时间。
该目的通过一种用于无接触式测量物体的方法得以实现，该方法具有权利要求1特征部分所述的特征。本发明的改进方案和/或者优选的实施方式为从属权利要求的主题。
本发明提出一种用于无接触式测量一个物体(6)至少一维尺寸的方法，其中，对物体(6)在一个扫描射线场(1)空间上有限的作用区内进行扫描，并从扫描射线(L)一次或者多次中断的探测中推出物体(6)所测量维内的尺寸。扫描射线场(1)由一定数量可直接寻址的单个射线(L)构成。扫描射线场(1)空间上有限作用区的射线扫描按照可预先规定的步骤模式在使用一种与线性搜索法不同的搜索法情况下进行。优选的方法在于使用一种二分法。
用于测量物体的检测时间主要通过测量步骤的持续时间和数量确定。因此减少确定物体尺寸时的扫描步骤直接影响到为此所需的持续时间。用于确定射线中断的扫描法缘于一种非线性搜索法，因为扫描辐射的作用区可以视为一个由单个直接可寻址射线构成的扫描射线场。非线性搜索法的原理可以相应地应用于该场。
在一种特别优选的方法中，为确定物体至少一维内的尺寸按照二分法的原理对扫描射线场空间上有限的作用区域进行分区扫描。二分法搜索法在同时充分利用该检索的情况下以连续等分搜索间隔为基础。为此目的将辐射场的作用区域分为一定数量可直接寻址的单个射线，它们为检索目的与连续上行或者下行编号相对应。单个射线可以是实际的测量射线。但如果物体例如由一个成像系统测定并对所产生图像的“射线中断”进行电子“射线形状”扫描的话，这些测量射线也可以视为假定的测量射线。二分法搜索系统在时间需求方面优于线性搜索系统。
在较大数量单个射线的情况下时间差别非常迅速地增长。在线性搜索时，运行时间与扫描射线的数量成正比增长，而在二分法搜索时，仅以与扫描射线数量成以2为底的对数的比例增长。
许多情况下要求确定物体的一维以上的尺寸。为此具有优点的是对扫描射线场空间上有限的作用区域通过线性和二分法搜索原理的组合进行扫描。通过线性和二分法搜索的组合考虑到这种状况，即所要测量的物体一般以任意方向输送到扫描射线场内。因此首先要求在各自所要测量的尺寸内确定起点，也就是物体的外部边缘，从该起点起确定物体各自维内的尺寸。该第一步骤实际上相当于每次原点确定，并顺序在一种线性搜索法中实施。在确定原点后可以通过使用二分法搜索法简化和缩短物体的其他固有测量。
为实施依据本发明的方法，将所要测量的物体例如插入一个由扫描射线展开形成的幕内。因此，例如在传送带的纵侧以规则的距离上下依次设置规定数量的辐射源。在传送带与这些辐射源相对的另一纵侧上下依次设置与辐射源发射辐射相同数量的探测器。在一维内所要测量的物体通过传送带送入扫描射线的区域内，并在那里按照依据本发明的方法进行测量。为在两维或者所有三维内测量物体，也可以展开一个平面的或者立体的光栅。
幕或者平面或立体光栅形式的扫描射线场具有的优点是光处于可见或者也可以处于不可见的光谱范围内。也可以使用超声波或者雷达辐射。不言而喻，还可以始终使用分别由辐射源发射的扫描辐射确定的探测器。
许多情况下不能直接测量物体，而是扫描物体的映像。物体的映像因此由一个成像系统的可进行一维或者两维扫描的成像区确定。成像系统例如为摄像机、光栅隧道显微镜或者电子力学显微镜内的物体映像。但物体的映像也可以由例如在采用铁磁体材料的情况下感应式测量或者由不导电或者弱导电材料的电容式测量产生。原则上反映一个物体实际外形或者有益测量尺寸伸展的所有映像均可以用于测量。
事实证明具有优点的是，对物体所要测量的每个维的扫描射线的数量至少为八个。二分法搜索系统大致从八个扫描射线的数量起在时间需求方面优于线性搜索系统。在较大数量扫描射线的情况下时间差别非常迅速地增长。在线性搜索时运行时间与扫描射线的数量成正比增长，而在二分法搜索时仅以与扫描射线数量成以2为底的对数的比例增长。
通过将物体这样插入扫描射线场空间上有限的作用区域内，至少在其所要确定的一个维内使物体边缘与扫描射线场空间上有限的作用区域的边缘界限重合，这取消了为该维确定零位线。为确定物体该维中的尺寸可以立即使用二分法搜索法。在一个长方体或者立方体物体的理想情况下，甚至可以将该物体这样在立体扫描射线场的原点中定位，从而可以为所有尺寸确定的取消零位线确定。然而一般或多或少涉及到不规则造型的物体，将它们在传送装置上以任意方向和位置送入扫描射线场内。因此，例如如果在通过传送带输送物体时，一般用于确定物体高度的水平走向传送带表面上的扫描射线场分量由传送带表面限制，那么则意味着大大简化测量方法。编号为1的扫描射线因此与从传送带的一个纵侧到另一个纵侧的传送带表面紧邻并平行分布。用于确定物体高度的其他扫描射线在其上面垂直设置并连续向上编号。
物体的测量可以在静止的物体上进行。但出于迅速通过的原因证明具有优点的是，测量期间在所要测量的物体和扫描射线场之间进行相对运动。这一点例如可以通过将物体连续输送通过扫描射线场的作用区域而达到。也可以通过将扫描射线场的作用区域输送通过静止的物体。例如在自动洗车装置中，有时汽车保持静止，而垂直和水平容纳汽车轮廓的测量装置运动通过汽车。利用所储存的图像然后在后面的洗车过程中控制垂直和水平的洗车刷。自动喷漆装置上也使用类似的方法，它是首先将所要喷漆的物体在静止状态下测量，随后在喷漆室内根据所储存的映像进行喷漆。相对速度在此根据用于测量物体的最大检测时间确定。利用常用的传送装置，所要测量的物体在测量射线场内的停留时间明显大于使用依据本发明方法时的检测时间。
本发明的其他优点和特征来自于对下面的依据本发明方法示例性的变型的说明。附图用于说明该方法。其中：
图1示出带有设置在里面的物体的电磁扫描辐射装置的水平设置的幕和一个对应的搜索表；
图2示出任意设置在扫描射线场内的物体；
图3示出用于测量物体的成像系统；以及
图4示出用于说明在使用依据本发明方法的情况下节省时间的曲线图。
图1示出水平布置的幕状扫描射线场，它整体采用附图标记1标注。扫描射线场1由单个扫描射线L展开，它们各自由一个发射元件2发射并由布置在对面的接收器3探测。扫描射线场可以是例如由光幕或者雷达射束幕组成的电磁辐射场或者超声波辐射场。单个扫描射线可以直接寻址。单个扫描射线L因此以彼此相同的距离分布。在所示的实施例中，扫描射线场包括总计32个单个扫描射线L。也可以设置反射元件代替接收器3，它们将所发射的扫描射线L反射到发射器2。在这种情况下每个发射器同时也作为接收器构成。发射器2和接收器3在所要测量物体6的输送装置5上面延伸，该物体利用其底面7置于输送装置的表面4上。例如输送装置5是传送带或者底板或者这类装置。扫描射线L基本与输送装置5的表面4平行分布。扫描射线场1基本上在输送装置5上方垂直延伸。最下部的扫描射线L与输送装置5的表面4紧邻分布。利用这种结构的幕状扫描场1可以确定物体6的高度。这一点例如对自动储存物体6来说是需要的，以便选择适当高度的箱子。
利用所示设置，确定物体的高度实质为确定扫描射线L的中断数量。为此扫描射线L从输送装置5的表面4开始连续向上编号。与输送装置的表面4紧邻分布的扫描射线L例如其编号n＝1。其上面的扫描射线L采用2编号等。向上限制扫描射线场1作用区域的最上部扫描射线L的编号n＝32。不言而喻，连续编号也可以按照相反的顺序进行。
因此为确定物体1的高度，从编号n＝1的第一中断扫描射线L出发，测定最上部中断的扫描射线L或第一自由透射到接收器6的扫描射线L。在从现有技术中公知的顺序搜索法中，对单个扫描射线L顺序扫描以确定中断。扫描在于激活发射元件2并同时计值用于所发射扫描射线L的设置在对面的接收元件3。扫描或搜索理论上的持续时间，即根据每个扫描射线的扫描时间乘以扫描射线的数量n加上计值时间产生搜索时间。为此依据公式：
t搜索＝t光束扫描×n+t计值
可能会出现所要自动测量的物体恰好进入刚刚得到扫描的扫描射线L的检测区内。为消除这种误差源而又识别物体，整个扫描射线场1必须进行第二次扫描。因此在实践上以两倍搜索时间作为最大检测时间。检测时间依据的公式为：
t检测＝t搜索×2＝(t光束扫描×n+t计值)×2
实践上每个光束的扫描时间约为100μs；光栅射线的数量n例如为32；计值时间典型地约为500μs。利用这些典型的实际值得出最大检测时间t检测值为7.4ms。
与现有技术的线性搜索法的区别在于，本发明提出一种非线性搜索法，特别是一种二分法。该方法基本上以在同时充分利用扫描射线搜索的情况下连续等分搜索间隔为基础。首先等分总计32个扫描射线L的间隔，并激活和查询编号为n＝16的扫描射线。如果该扫描射线L可以自由到达其接收元件3，由此推断出物体6仅在带有编号为1到16的扫描射线的扫描射线场的下半部分内延伸。在图1所示的搜索表中，自由通过的扫描射线标注为16F。在第二步骤中，将扫描射线场的下半部分再次等分成下部间隔并激活和查询编号为8的扫描射线L。其中确定编号为8的扫描射线中断。这一点在搜索表中采用8U标注。从该结果中推断出物体6延伸的上端必然处于编号为n＝9至n＝16扫描射线的间隔内。将该间隔等分并查询编号为n＝12的扫描射线。由此确定该扫描射线可以自由通过。这一点在搜索表中采用12F标注。由此在步骤4中将编号为12的扫描射线和编号为8的扫描射线之间的间隔等分，并查询编号为10的扫描射线。由此确定该扫描射线中断，这在搜索表中采用10U标注。由此在步骤5中仅需检查编号为n＝10中断的扫描射线和编号为n＝12的自由通过的扫描射线之间的间隔。这最终得到编号为n＝11的扫描射线。由此确定该扫描射线同样中断，在搜索表中采用11U确定。通过依据本发明的搜索法因此仅以5个步骤便可确定，与所要测量物体6的高度相关其上部延伸端处于编号为n＝11和编号为n＝12的扫描射线之间。因此根据两个相邻扫描射线距离数量级的精度确定物体的高度。
检测时间通过公式
t检测＝t搜索×2＝(t光束扫描×n+t计值)×2
确定。利用单个搜索次数n＝5为所介绍的实施例得出检测时间t检测＝2ms。这一点与线性搜索法相比相当于节省时间5.5ms或者73％。
如果物体边缘在所要确定的维内与电磁辐射场的检测边缘重合的话，那么可以最快速地实施依据本发明的方法。在确定一维高度情况下该标准一般可得到满足。但如果要确定另一维或者两维或者所有三维内伸展的话，物体大多处于电磁场检测区内的任意某个地方。例如图2示出这种情况，其中再次涉及到确定物体的高度。在这种情况下首先利用公知的线性搜索法确定物体的下部或者上部起点。如果确定了延伸的边缘，那么与该位置对应的扫描射线作为零位线确定。其他维的确定然后可以按照此前介绍的依据本发明的方法进行。也可以首先仅搜索扫描射线场内部的物体。上部和下部物体边缘然后可以按照依据本发明的方法向上和向下确定。在依据图2实施例所描述的情况下，与纯线性方法相比节省的时间并未达到最大可能的数值。但线性和二分法搜索组合所需要的时间始终低于单纯使用线性搜索法。
图3示出物体的映像16，例如扫描摄像机的图像。也可以是物体在如光栅隧道显微镜或者电子力学显微镜内的映像。物体的其它映像例如可以来自铁磁体材料的感应式测量或者来自不导电或者弱导电材料的电容式测量。与扫描射线幕相反，在这里物体的映像16在两维内扫描或查询。
尺寸ny和nx表示图像的行号或列号。行和列在此由多个单独的像素(Pixeln)构成并可直接寻址。物体底面17与扫描射线场11的分行检测边缘重合。因此依据本发明的搜索法在行方向(y-方向)上与借助图1介绍的搜索法类似实施。与扫描列nx相关的情况与借助于图2介绍的类似。为确定物体在列方向(y-方向)上的尺寸，在此必须首先找到物体的映像16。这一点例如也通过线性搜索法进行。如果在两维的扫描射线场11内找到物体的映像16，可以再按照依据本发明的方法进行物体边缘的确定。
依据本发明在例如像光幕这种一维扫描射线场情况下的方法同样可以在如在两维或者三维扫描场情况下使用。两维扫描场例如可以由一个光栅展开或者由一个例如摄像机、光栅隧道显微镜或者电子力学显微镜的成像系统构成。来自感应式或者电容式测量和类似分析的映像也可以用于测量。扫描辐射可以是例如可见和不可见光谱内的光或者雷达电磁辐射，或者是超声波辐射。依据本发明的方法在展开线状、平面或者立体扫描场的任何类型的传感器情况下均可使用。物体在测量期间可以处于静止状态。由于该方法具有很高的速度，物体也可以运动通过扫描场。
图4以曲线图方式示出在使用依据本发明方法的情况下与线性搜索法相比节省的时间。在此这些数据涉及一维测量，其中物体边缘与扫描射线场的检测边缘重合。横坐标给出扫描射线的数量；纵坐标表示节省时间的百分比。在此在扫描射线数量相同的情况下分别参照纯线性搜索法。可以直接看出，依据本发明的方法带来令人惊异的速度优势，以致也能检测和测出相当快速运动通过扫描射线场的较小物体。

Claims (13)

1.用于无接触式测量物体(6；16)至少一维尺寸的方法，其中，对物体(6；16)在一个扫描射线场(1；11)空间上有限的作用区域内进行扫描，并从扫描射线一次或者多次中断的探测中推断出物体(6；16)所测量维内的尺寸，其特征在于，扫描射线场由多个可直接寻址的单个射线(L；P)构成，按照可预先规定的步骤模式进行扫描并为扫描使用一种非线性搜索法。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定物体(6；16)至少一维内的尺寸按照二分法搜索的原理通过对扫描射线场(1；11)进行分区扫描。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定物体(6；16)一维以上的尺寸，扫描射线场(1；11)空间上有限的作用区域通过线性和二分法搜索原理的组合进行扫描。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将物体(6)插入由单个射线束(L)展开的射线幕(1)或者平面的或者立体的射线光栅的作用区域内。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将物体(6)插入由电磁辐射(L)或者由超声波辐射组成的扫描射线场(1)内。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将物体(6)插入由可见或者不可见光谱范围内电磁辐射(L)或者雷达辐射组成的扫描射线场内。
7.根据权利要求1到4之一所述的方法，其特征在于，扫描所要测量物体的映像(16)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，物体的映像(16)通过例如摄像机、光栅隧道显微镜或者电子力学显微镜这种成像系统，或者具有图像转换电容式或者感应式测量和这类可扫描的一维或者两维图像区(11)确定。
9.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，用于物体所要测出的每个维的尺寸的扫描射线的数量至少为八个。
10.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将物体(6；16)这样插入扫描射线场(1；11)空间上有限的作用区域内，至少在其所要确定的一个维内使物体边缘(7；17)与扫描射线场(1；11)空间上有限的作用区域的边缘界限重合。
11.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，测量期间所要测量的物体和扫描射线场(1；11)之间进行相对运动。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所要测量的物体在测量期间最好连续输送通过扫描射线场(1；11)的作用区域。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，为进行测量拍摄、储存和分析物体的图像，在接下去的步骤中将所测定的测量数据用于控制该物体的处理和加工装置。
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