基于激光雷達(dá)的豬只體重測量系統(tǒng)開發(fā)與研究

郭小鳳，谷亞寧，謝瑞潔

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801)

0 引言

在我國規(guī)?；呢i只養(yǎng)殖業(yè)中，影響豬只養(yǎng)殖效率最重要的因素是豬只的健康狀況以及出欄豬的體重[1]。對(duì)豬只的體重監(jiān)測，可以有效地了解豬只每日攝入體內(nèi)的蛋白質(zhì)和能量，對(duì)指導(dǎo)養(yǎng)殖戶進(jìn)行豬只計(jì)劃飼喂量具有重要意義[2]。同時(shí)，在豬只養(yǎng)殖過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測豬只的體重，可以對(duì)豬只養(yǎng)殖業(yè)每日營收情況有清晰的了解[3]。養(yǎng)殖業(yè)中采用綜合管理系統(tǒng)使養(yǎng)殖者能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)情況并處理，可以在養(yǎng)殖過程中實(shí)現(xiàn)豬場等養(yǎng)殖業(yè)閉環(huán)控制。

激光雷達(dá)是一種不受環(huán)境光照變化影響，可以直接獲得目標(biāo)物的高精度三維點(diǎn)云信息的遙感設(shè)備[4]，具有掃描頻率快、對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)物體具有精確性、掃描速度快、分辨率高等特點(diǎn)，為豬只體重測量提供了新的途徑。本文將激光雷達(dá)應(yīng)用于豬只體重測量，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于激光雷達(dá)的豬只體重測量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以豬只個(gè)體為研究對(duì)象，立足于豬只健康生長需求，結(jié)合豬只生長習(xí)性、生理特性以及豬舍現(xiàn)場環(huán)境，利用激光雷達(dá)在豬舍出欄口處對(duì)豬只進(jìn)行非接觸掃描，構(gòu)建三維模型，開發(fā)設(shè)計(jì)豬只體重測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成，如圖1所示。硬件包括MDB-21C型號(hào)激光雷達(dá)、直流電源模塊、路由器、可調(diào)節(jié)式雷達(dá)安裝平臺(tái)支架、計(jì)算機(jī)；軟件是用QT 4.10.0開發(fā)軟件、OpenCV和QT3D等函數(shù)庫對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。軟件部分包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、三維模型構(gòu)建模塊、體重計(jì)算模塊，通信原理為TCP/IP協(xié)議[5]。

圖1 豬只體重測量系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2.1 激光雷達(dá)掃描儀

本系統(tǒng)核心硬件是MDB-21C型二維激光雷達(dá)掃描儀，是一種非接觸式距離測量的光學(xué)傳感器，對(duì)動(dòng)態(tài)物體測量精準(zhǔn)度高，負(fù)責(zé)采集被測豬只二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可單獨(dú)使用，也可以多臺(tái)雷達(dá)連接使用。在本次實(shí)驗(yàn)中，通過使用TCP/IP通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)電腦與設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)參數(shù)設(shè)置，MDB-21C型激光雷達(dá)使用波長為905 nm的紅外激光對(duì)被測物體的距離、速度進(jìn)行測量，并且激光光束肉眼不可見[6]。該激光雷達(dá)[7]是由信息處理系統(tǒng)、紅外激光發(fā)射器、光學(xué)接受機(jī)等器件組成。本試驗(yàn)所用的激光雷達(dá)設(shè)備如圖2所示。

圖2 二維激光掃描儀實(shí)物圖

為了免掃描過程中，豬只的劇烈運(yùn)動(dòng)對(duì)測量結(jié)果造成較大誤差，在出欄口設(shè)置一塊約10平米的空間如圖3所示，用于搭建掃描設(shè)備，并放置豬只飼料與飲用水，待豬只處于平和安靜的狀態(tài)時(shí)迅速掃描。

圖3 掃描環(huán)境示意圖

2.2 直流電源模塊

由于MDB-21C激光雷達(dá)供電電壓范圍在9～28 V，本試驗(yàn)選取的直流電源模塊，將220 V電壓轉(zhuǎn)為12 V，電流為1 A。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。豬只體重測量系統(tǒng)軟件部分利用QT creator4.10開發(fā)編輯器、C++語言進(jìn)行開發(fā)。通過TCP/IP通信原理連接激光雷達(dá)；設(shè)置激光雷達(dá)掃描范圍、高度等參數(shù)；將激光雷達(dá)掃描物體獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與解析；然后將采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)云生成并建立三維模型；最后由三維模型計(jì)算體積體重并顯示結(jié)果。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 激光雷達(dá)參數(shù)設(shè)置

本文使用兩臺(tái)激光雷達(dá)同時(shí)工作，為了避免兩臺(tái)激光雷達(dá)的測量相互干擾，在各自特定的掃描角度上產(chǎn)生誤測量數(shù)據(jù)。因此，通過調(diào)整激光雷達(dá)的激光掃描面高度或俯仰角度，避免出現(xiàn)測量誤差[8]。本實(shí)驗(yàn)中兩臺(tái)激光雷達(dá)垂直高度差34 mm。

以水平地面安裝方式為例，MDB-21C激光雷達(dá)的底面安裝高度h與有效工作距離的關(guān)系為公式(1)：

(1)

其中：h0為 MDB-21C 的出光光軸相對(duì)于底面的高度，h0=0.081 m；r0為光斑出口直徑，r0=0.008 m；α為光斑發(fā)散角，α=0.012 5。

考慮到激光雷達(dá)采集角度問題及單只豬平均體高為91.8 cm，體寬為48.7 cm，臀高為93.7 cm，臀寬為50.5 cm，綜上所述，在豬舍出欄口設(shè)置安裝雷達(dá)高度分別為1.2 m和1.234 m，間隔0.8 m左右，兩臺(tái)激光雷達(dá)的掃描范圍為60°～110°。該安裝位置保證了在豬舍單通道出欄口一只豬的出入，從而使激光雷達(dá)掃描回來的數(shù)據(jù)減少誤差，提高精度。

此外，設(shè)置分辨率0.25°、掃描頻率25 Hz時(shí)，可以達(dá)到精確掃描豬只，減少干擾數(shù)據(jù)產(chǎn)生的效果。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

3.2.1 數(shù)據(jù)采集與解析

在豬舍出欄口安裝激光雷達(dá)對(duì)標(biāo)定被測物發(fā)射激光束掃描被測標(biāo)定物如圖5所示。

圖5 被測標(biāo)定物示意圖

該掃描儀的工作頻率為25 Hz，按0.25°分辨率發(fā)射出激光光束，掃描得到被測目標(biāo)物的距離?？蓪?shí)時(shí)繪制出二維雷達(dá)圖對(duì)被測物進(jìn)行標(biāo)定[4]，同時(shí)將激光雷達(dá)返回來的數(shù)據(jù)通過TCP/IP通信協(xié)議返回到PC端進(jìn)行存儲(chǔ)[9]。

激光雷達(dá)返回的部分原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件中：

1)a5 96 ec f5為報(bào)頭識(shí)別碼；00 00 00 01 為報(bào)頭版本；09 00 00 00為連接編號(hào)；0a 00 00 00報(bào)文代碼；

2)a5 96 ec f5 00 00 00 01 01 00 00 00 0a 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 28 00 00 00 87 96 ec f4為發(fā)送心跳包；a5 96 ec f5 00 00 00 01 09 00 00 00 0b 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 28 00 00 00 86 96 ec f4為心跳回復(fù)；

3)LMD激光雷達(dá)測量距離數(shù)據(jù)信息：03 85；LMD-RSSI帶反射率的雷達(dá)測量數(shù)據(jù)信息：03 8F；請(qǐng)求LMD：07 6C；停止LMD：07 6E；

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，需要對(duì)十六進(jìn)制的原始數(shù)據(jù)去除報(bào)頭報(bào)尾處理轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制整型，然后將需要的點(diǎn)距離數(shù)據(jù)保存到新建數(shù)組。該數(shù)組是對(duì)掃描得到的距離值會(huì)自動(dòng)保存到根目路徑，每一段分號(hào)隔開的數(shù)據(jù)代表的是激光雷達(dá)每幀頻率采集回來的所有點(diǎn)距離值，并且數(shù)據(jù)之間用逗號(hào)隔開的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，分號(hào)隔開的是連續(xù)掃描點(diǎn)次數(shù)。

在QT中使用的是Qthread類進(jìn)行多線程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的處理，主要的步驟如下：

1)需要對(duì)路徑指定進(jìn)行保存。

2)使用QT函數(shù)庫中的Send方法和Receive方法發(fā)送開始進(jìn)行連續(xù)掃描的命令和接受指令接收雷達(dá)返回來的數(shù)據(jù)。

3)使用QThread類對(duì)象thread類開啟新的線程。在線程中，僅運(yùn)行自定義的target方法，其中包含了一個(gè)while循環(huán)，在該循環(huán)內(nèi)實(shí)行解碼。

4)創(chuàng)建thread2線程，繪制二維激光雷達(dá)圖。

通過以上步驟可實(shí)時(shí)對(duì)激光雷達(dá)掃描繪制二維雷達(dá)圖，并且將記錄得到的數(shù)據(jù)保存到根目錄路徑下。本系統(tǒng)該模塊開發(fā)使用了三個(gè)線程，在豬只三維建模體重測量系統(tǒng)中主界面使用的是主線程，其余兩個(gè)線程用于數(shù)據(jù)解碼和繪制激光雷達(dá)實(shí)時(shí)二維雷達(dá)圖像，并且在該系統(tǒng)中這三個(gè)線程穩(wěn)定性較高，不易出錯(cuò)。

3.2.2 數(shù)據(jù)去噪處理

由于X值和Z值的數(shù)據(jù)是轉(zhuǎn)換成三維模型視窗的坐標(biāo)值，所以需要對(duì)X軸和Z軸模型上雜亂點(diǎn)云去噪。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)噪點(diǎn)去除算法思路是為丟失的數(shù)據(jù)再次賦值，以6個(gè)物體表面二維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，其效果如圖6所示。在這里本文結(jié)合激光雷達(dá)的掃描特點(diǎn)和豬舍真實(shí)場景進(jìn)行設(shè)置轉(zhuǎn)換，具有針對(duì)性，因此，該算法只能適用于本套系統(tǒng)三維模型創(chuàng)建部分。

圖6 噪點(diǎn)示意圖

在圖6中，在X軸和Z軸之間分布了6個(gè)大小不一樣的距離值，而斜線代表的是被測目標(biāo)物體，這六點(diǎn)本來應(yīng)該在斜線附近。在圖中可以看出第3個(gè)點(diǎn)和第5個(gè)點(diǎn)分別X值和Y值為零，這兩個(gè)點(diǎn)我們稱之為噪點(diǎn)，會(huì)影響我們后續(xù)的三維建模。所以本系統(tǒng)基于平均值的方法，將第3個(gè)點(diǎn)重新賦值，該方法的設(shè)計(jì)思路是將前一個(gè)點(diǎn)2和后一個(gè)點(diǎn)4的Z軸相應(yīng)的數(shù)據(jù)相加，然后取平均值賦值給點(diǎn)3，點(diǎn)4和點(diǎn)6距離數(shù)據(jù)相加然后取平均值賦值給點(diǎn)5，這種賦值方法可以有效的還原點(diǎn)云數(shù)據(jù)。同時(shí)還能保證三維模型建立的準(zhǔn)確性，也保證了系統(tǒng)點(diǎn)云計(jì)算效率。

3.3 基于QT3D的三維視窗模型建立

三維視窗模型框架是基于QT軟件中的QT3D框架創(chuàng)建完成，QT3D框架對(duì)OpenGL進(jìn)行了封裝處理，同時(shí)支持PLC濾波庫，為構(gòu)建三維場景提供了一種全新簡潔的方式，開發(fā)者可以對(duì)已經(jīng)封裝好的類，在三維視窗的框架上快速增加多種渲染方式，可以方便直觀的呈現(xiàn)出物體的三維模型；然后根據(jù)3DMax對(duì)Obj文件與QT3D框架交互實(shí)現(xiàn)繪制物體三維模型的建立；最后通過左右兩個(gè)激光雷達(dá)掃描得到的點(diǎn)云拼接形成完整的三維模型。

3.3.1 三維點(diǎn)云的坐標(biāo)值生成

根據(jù)本論文中二維掃描技術(shù)的研究，通過掃描物體的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化建立豬只三維模型，首先是以激光雷達(dá)0.25°分辨率、25 Hz的頻率發(fā)射激光束，三維模型中X坐標(biāo)軸表示為目標(biāo)物體關(guān)于X軸上的點(diǎn)云距離數(shù)據(jù)。對(duì)于X軸物體點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取，是兩臺(tái)激光雷達(dá)水平距離值(兩臺(tái)激光雷達(dá)水平距離相差0.8 m)減去到豬只表面的激光束間余弦值的水平分量。而對(duì)于Y值的獲取，本系統(tǒng)通過掃描物體的狀態(tài)信息獲取其沿Y軸方向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，因此Y軸運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表示的是物體在運(yùn)動(dòng)完雷達(dá)掃描范圍時(shí)間內(nèi)進(jìn)行位置變化數(shù)據(jù)。通過激光雷達(dá)每一幀掃描獲得100個(gè)點(diǎn)，而求取Y軸取決于多長時(shí)間內(nèi)豬只掃描完成時(shí)循環(huán)了多少幀。對(duì)于Z軸物體點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取，通過求得第一條垂直于地面激光束與第二條射到物體表面的激光束之間正弦值的差值，得到物體表面第一個(gè)點(diǎn)的Z軸。

(2)

通過得到Y(jié)軸的數(shù)據(jù)值與X軸、Z軸的數(shù)據(jù)值進(jìn)行聯(lián)合解算，就可以得到目標(biāo)物體的三維模型數(shù)據(jù)。

3.3.2 三維模型中干擾點(diǎn)云處理

在三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過程中，由于激光雷達(dá)鏡面反射干擾、操作人員的經(jīng)驗(yàn)等因素，采集到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中都會(huì)存在著一些噪聲點(diǎn)，這類干擾點(diǎn)云通常都會(huì)在三維點(diǎn)云模型表面顯示。本文將區(qū)別于被測目標(biāo)物點(diǎn)云模型的其他點(diǎn)云統(tǒng)稱為干擾點(diǎn)云。

干擾點(diǎn)云處理的常用方法是濾波降噪。通過一般的算法分割出目標(biāo)物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些噪聲點(diǎn)，并且得到的噪點(diǎn)幅度比較大。為了得到構(gòu)建精準(zhǔn)的三維模型，需要對(duì)噪聲點(diǎn)進(jìn)行濾波處理。

在研究了各種去噪濾波器[11]的基礎(chǔ)上，本文系統(tǒng)決定采用統(tǒng)計(jì)濾波器對(duì)掃描得到的三維模型進(jìn)行濾波降噪。該算法是通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)中所有點(diǎn)與鄰域點(diǎn)的平均距離滿足高斯分布，可以通過距離的均值和方差確定距離閾值[12]。當(dāng)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)大于閾值的話，表明這個(gè)點(diǎn)為噪點(diǎn)并剔除。本算法分為以下兩步操作：第一，遍歷文檔中所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)點(diǎn)和K個(gè)鄰域點(diǎn)之間的平均距離。第二，計(jì)算所有平均距離的標(biāo)準(zhǔn)差σ與均值μ，得到閾值dth。如公式(3)：

dth=μ+α·σ

(3)

σ表示常數(shù)，可稱為比例系數(shù)(本文α取值0.8～1.0)；最后，再次遍歷點(diǎn)云，將與K個(gè)鄰居點(diǎn)的平均距離大于dth的表面噪點(diǎn)剔除掉。

4 體重測量模型建立

4.1 三維點(diǎn)云異物點(diǎn)處理

4.1.1 輪廓提取

通過計(jì)算點(diǎn)云的平均點(diǎn)距，在豬只三維模型中的鄰域點(diǎn)進(jìn)行搜索和矢量估算，獲得后續(xù)處理所需的參數(shù)，點(diǎn)云將平面劃分并投影，最終獲得平面點(diǎn)云。在平面點(diǎn)云上，輪廓執(zhí)行提取可以使用連通性決策和直線擬合獲得所需的直線輪廓[13]。通過對(duì)特征點(diǎn)提取進(jìn)行對(duì)三維模型的平面分割獲取豬只外部線性輪廓，方便接下來計(jì)算應(yīng)用。圖7是對(duì)被測豬只背部獲取的輪廓圖。

圖7 豬只背部輪廓圖

4.1.2 特征點(diǎn)提取

三維模型中特征點(diǎn)的提取是通過鄰域中該點(diǎn)與其他點(diǎn)的關(guān)系特征完成的。Zhang等人根據(jù)平面曲率，提出了LOAM算法[14]。通過點(diǎn)云的三維坐標(biāo)值來區(qū)別平面點(diǎn)。提高了特征點(diǎn)的提取效率，同時(shí)也保證了正確率。根據(jù)LOAM算法中的鄰域點(diǎn)之間形成的局部平面曲率來進(jìn)行特征點(diǎn)提取。如公式(4)：

(4)

特征點(diǎn)的提取是為了進(jìn)行三維建模中配準(zhǔn)校正，而在選取特征點(diǎn)的時(shí)候應(yīng)選取最具有地面、背景等代表性的點(diǎn)云。在點(diǎn)i處曲率c中，Sn為分布在點(diǎn)i周圍的n個(gè)連續(xù)點(diǎn)的集合。當(dāng)掃描環(huán)境較復(fù)雜的場景下，對(duì)特征點(diǎn)的選取應(yīng)根據(jù)局部平面曲率特征在鄰域中點(diǎn)大小排序的類型。為了后續(xù)簡化計(jì)算，將點(diǎn)i周圍的n個(gè)連續(xù)點(diǎn)的集合和通過反函數(shù)求得該點(diǎn)在雷達(dá)的俯仰角度ai表示在點(diǎn)i處的曲率ci，如公式(5)所示。

ci= |∑j∈S,j≠i(X(k,j)L-X(k,j)L)|

(5)

在對(duì)局部平面曲率點(diǎn)計(jì)算時(shí)，曲率ci值越小，代表選取的特征點(diǎn)所在的局部平面越平坦。曲率越大，代表選取的特征點(diǎn)所在的局部平面越不平坦，如圖8所示。

圖8 點(diǎn)i的局部曲率計(jì)算示意圖

對(duì)特征點(diǎn)的提取，應(yīng)選取最能代表所處環(huán)境特征的點(diǎn)。在保證該雷達(dá)每一幀掃描豬只獲取點(diǎn)云的同時(shí)，將選取的特征點(diǎn)均勻分布在每一個(gè)掃描平面中。通過對(duì)特征點(diǎn)的計(jì)算將索引每一幀掃描平面分為m個(gè)子區(qū)域，根據(jù)特征點(diǎn)曲率[15]將每一個(gè)平面中的點(diǎn)按公式(5)大小排序。選取最大值的點(diǎn)作為不平坦點(diǎn)，最小值的點(diǎn)作為平坦點(diǎn)，直到激光雷達(dá)完成最后一幀掃描結(jié)束。

4.1.3 地面點(diǎn)云剔除

由于上述操作是通過實(shí)地去豬場掃描采集到的數(shù)據(jù)做出的預(yù)處理，構(gòu)建豬只三維模型，發(fā)現(xiàn)存在大量的地面點(diǎn)云。如圖9所示激光雷達(dá)掃描得到的豬只模型所示。我們需要把被測目標(biāo)物從三維模型中分離出來，也就是將地面點(diǎn)云剔除。所以接下來的工作將需要從三維視窗構(gòu)建的豬只三維模型中刪除不必要的背景點(diǎn)云以及地面點(diǎn)云，為了提高系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)云的運(yùn)行效率、體重計(jì)算精度，因此需要減少數(shù)據(jù)量。

圖9 豬只點(diǎn)云模型

剔除地面點(diǎn)云[16]主要步驟包括如下。

1)柵格化原始點(diǎn)云：

將原始點(diǎn)云投影到X-Y二維平面上，分別找到X軸和Y軸數(shù)據(jù)最大值和最小值，分別記為Xmax、Xmin、Ymax、Ymin，該X軸和Y軸的范圍為[Xmin，Xmax]，[Ymin，Ymax]。然后初始化單元網(wǎng)格的長度為Xt，Yt，將所測點(diǎn)云分成若干個(gè)mn的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格用坐標(biāo)(Di，Dj)表示，如公式(6)、公式(7)：

(6)

Di∈[1,m]

Dj∈[1,n]

(7)

2)平均高度計(jì)算：

計(jì)算Z軸平均距離值大小，找出每個(gè)網(wǎng)格中占總數(shù)1/4最小距離值的點(diǎn)，計(jì)算這些點(diǎn)的平均高度值Zave，根據(jù)豬只的現(xiàn)實(shí)平均高度設(shè)置一個(gè)B值，在平均高度值Zave和ZaveB之間的點(diǎn)云求出平均值Zave2。

3)地面點(diǎn)去除：

設(shè)置閾值s，前期工作中對(duì)人工測量豬只體高的平均值為91.8 cm，在Zave和Zave2區(qū)間做差，如果差值小于所設(shè)的閾值說明點(diǎn)云在三維模型構(gòu)建相對(duì)穩(wěn)定。因此在區(qū)間[Zave，Zave+B]內(nèi)的點(diǎn)云就是豬只在進(jìn)行掃描完成時(shí)的地面點(diǎn)云，并去除地面點(diǎn)。

4)迭代優(yōu)化：

為了提高試驗(yàn)三維建模的準(zhǔn)確度，需要在Zave和Zave2區(qū)間內(nèi)的差值與所設(shè)的閾值做對(duì)比，該閾值的區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)將縮小點(diǎn)云所在網(wǎng)格的大小，循環(huán)以上操作步驟，直至剔除掉地面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為止。

經(jīng)過上述預(yù)處理，提取出豬只個(gè)體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，地面點(diǎn)云剔除效果如圖10所示。

圖10 地面去除豬只三維模型

4.2 點(diǎn)云模型體積計(jì)算

點(diǎn)云模型體積計(jì)算是對(duì)本系統(tǒng)三維視圖模塊并根據(jù)Delaunay三角網(wǎng)原理，對(duì)所測目標(biāo)物進(jìn)行三維建模[17]，將該模型進(jìn)行三角網(wǎng)劃分，可以在三維模型中得到若干三角形網(wǎng)格，三角形網(wǎng)格的面積被記做S△。構(gòu)成的三角形網(wǎng)格與被測物模型中的點(diǎn)云一一對(duì)應(yīng)，可以得到若干個(gè)三棱柱，被測目標(biāo)物Z軸坐標(biāo)相鄰三個(gè)點(diǎn)平均值被記做三棱柱的高h(yuǎn)，如公式(8)所示。

h=1/3*(Zi+Zj+Zk)

(8)

根據(jù)底面積和高，可以得到三棱柱的體積，如公式(9)所示。

VΔ=SΔ*h

(9)

根據(jù)上述公式可以對(duì)被掃描豬只的三維模型分割成若干個(gè)三棱柱，本系統(tǒng)通過計(jì)算各個(gè)三棱柱的體積并累計(jì)加和，即可得到所掃描豬只三維模型的體積結(jié)果，如公式(10)所示。

V總=∑VΔ

(10)

本節(jié)通過對(duì)10個(gè)大小不同的方形不銹鋼材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)物體，掃描并構(gòu)建的三維模型進(jìn)行體積計(jì)算，對(duì)該系統(tǒng)體積計(jì)算模塊進(jìn)行測試分析[18]。其中，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)物體與激光雷達(dá)的距離為0.8 m時(shí)，其測量模型體積數(shù)據(jù)與真實(shí)體積值誤差分析，如表1所示。

表1 規(guī)則物體測量與真實(shí)值誤差

通過對(duì)10個(gè)不同大小標(biāo)準(zhǔn)物體進(jìn)行體積計(jì)算，該體積測量數(shù)據(jù)與實(shí)際體積對(duì)比，得到誤差在±5%以內(nèi)，并且精度達(dá)到了本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的初期預(yù)想。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 豬只體重?cái)?shù)學(xué)模型構(gòu)建

本次試驗(yàn)場地采用的是磚塊與鋼材的復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)建，場內(nèi)配有養(yǎng)育室，飼料投放室以及休息室。場內(nèi)有吊頂，地面使用的是帶有網(wǎng)絡(luò)形狀具有漏縫的地板，墻中安裝有保溫層，場內(nèi)南北方向安置窗戶，墻的北面配置進(jìn)氣口，南墻順序配置四臺(tái)同規(guī)格風(fēng)機(jī)。在此場中的每個(gè)豬欄長4 m、寬3 m，同時(shí)安裝自動(dòng)喂食裝置以及自來水管。

通過前期對(duì)激光雷達(dá)部署研究，使用豬只體重測量系統(tǒng)完成對(duì)參數(shù)的設(shè)置，并對(duì)豬舍內(nèi)17頭豬只出入出欄口飲食處，完成掃描并構(gòu)建豬只三維模型、體積計(jì)算，不同豬只的掃描三維模型如圖11所示。

圖11 不同豬只三維點(diǎn)云模型

根據(jù)豬只測量體重系統(tǒng)通過現(xiàn)場測量并構(gòu)建豬只三維模型、體積計(jì)算結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖如圖12所示。

表2 測量結(jié)果

續(xù)表

圖12 豬只體重體積散點(diǎn)圖

由圖12中趨勢線可看出，豬只測量體積與實(shí)測體重?cái)?shù)據(jù)呈線性關(guān)系。因此擬合函數(shù)可寫成式(11)：

(11)

其中：

(12)

(13)

(14)

因此，得出數(shù)學(xué)模型關(guān)系式如式(15)所示：

y=83.389 54x+32.519 33

(15)

該公式中，y值為豬只體重(kg)，x值為測量豬只體積(m3)。擬合直線如圖13所示。

圖13 豬只體重體積擬合直線

擬合函數(shù)整體擬合度由擬合度進(jìn)行衡量，R2最大值為1，越接近于1，說明函數(shù)的擬合度越好，公式如式(16)所示：

(16)

5.2 豬只體重?cái)?shù)學(xué)模型驗(yàn)證

在豬場中，通過豬只測量體重系統(tǒng)對(duì)另一豬舍內(nèi)20頭豬只進(jìn)行掃描，并將獲取得到的體積結(jié)果代入豬只體重回歸線性方程中得到豬只體重，與豬場給出實(shí)測豬舍數(shù)據(jù)對(duì)比分析，如表3所示。

表3 測量豬只體重結(jié)果

從表3可知，通過對(duì)本系統(tǒng)測量該20頭豬只的體重?cái)?shù)據(jù)與豬舍管理人員給出人工實(shí)測豬只體重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，得出誤差在±8%范圍內(nèi)[20]。整體看來，該豬只體重測量系統(tǒng)可以有效對(duì)豬只進(jìn)行測量，并且精度較高、誤差相對(duì)較少，為后續(xù)非接觸式測量豬只體重提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

6 結(jié)束語

豬只的體重參數(shù)直接影響了豬只的健康生長，為提高豬只的養(yǎng)殖福利，減少接觸式測重操作對(duì)豬只產(chǎn)生的刺激性行為，本文利用激光雷達(dá)測量動(dòng)態(tài)物體的精準(zhǔn)特性[21]，通過開發(fā)設(shè)計(jì)的豬只體重測量可以獲取到豬只體積和體重等參數(shù)內(nèi)容，對(duì)提高動(dòng)物福利提供實(shí)質(zhì)性幫助。同時(shí)由于本文所設(shè)計(jì)的豬只體重測量系統(tǒng)探索研究還處于初級(jí)階段，因此還需繼續(xù)研究的工作內(nèi)容有：

1)在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)時(shí)，本文采用的是C++語言編譯運(yùn)行，利用分辨率為0.25°，工作頻率為25 Hz的激光雷達(dá)進(jìn)行連續(xù)掃描。由于掃描產(chǎn)生的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，可以對(duì)數(shù)據(jù)解碼和存儲(chǔ)做出進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足更多場景需求。

2)可以結(jié)合A超測量技術(shù)對(duì)活體豬的背膘厚和眼肌厚進(jìn)行測量，為提高豬只測量體重計(jì)算精準(zhǔn)度提供幫助。

3)本系統(tǒng)采用兩個(gè)激光雷達(dá)同時(shí)進(jìn)行掃描，通過正反掃描豬只數(shù)據(jù)并拼接的建模方式，建議以后的工作者，考慮在多雷達(dá)多方位進(jìn)行掃描來進(jìn)行研究。