一种地外天体采样在线装箱归置方法与流程

1.本发明涉及一种地外天体采样在线装箱归置方法，属于地外天体探测技术领域。


背景技术：

2.目前地外天体探测采样任务的采样装置以钻取为主，适用于行星表面风化层的深层土壤采样，但采样装置机构相对复杂、受行星表层土壤特性影响大。地外天体表层岩石采样装置和采样技术相对简单，但采样的岩石尺寸差异较大，需要高效的装箱归置方法，以提高装箱率和样品采集量。


技术实现要素：

3.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种地外天体采样在线装箱归置方法，将采样的岩石样本简化为规则长方体，利用深度相机重构箱内空间，使用最远点采样初步筛选可行的放置位置、减少计算量，选取评价最高的放置位置，实现高容积率装箱归置。
4.本发明解决技术的方案是：
5.一种地外天体采样在线装箱归置方法，将采样的岩石样本简化为规则长方体，利用深度相机重构箱内空间，使用最远点采样初步筛选可行的放置位置，设计样本放置评价指标函数，指标包括距离指标、箱内实际空间占用量指标、箱内放置空间占用量指标、尺寸相似度指标和中心偏差指标，选取评价最高的放置位置，实现高容积率装箱归置。
6.进一步的，利用深度相机重构箱内空间，具体实现步骤为：
7.2.1将连续的箱内空间离散为单位长度为d的离散空间，并用三维矩阵b描述该空间，矩阵b的x、y和z方向分别表示箱子的长度、宽度和高度方向，矩阵b的三维尺寸为n
x
×
ny×
nz，矩阵b中的值表示该位置对应的箱内空间是否被占用，占用为1、不占用为0；
8.2.2使用深度相机从竖直方向对箱体进行观测，获取箱内区域高度图mh，将高度图mh映射到箱子的空间占用矩阵b。
9.进一步的，使用最远点采样初步筛选可行的放置位置、减少计算量，具体实现步骤为：
10.3.1将采样的岩石样本简化为规则长方体并离散化，得到三维尺寸为l
x
×
ly×
lz的长方体；
11.3.2长方体在箱子中对应有6种放置方向[l
x
,ly,lz]、[l
x
,lz,ly]、[ly,l
x
,lz]、[ly,lz,l
x
]、[lz,l
x
,ly]、[lz,ly,l
x
]，针对每一种放置方向，计算可放置图矩阵m0，矩阵m0的尺寸为n
x
×
ny，当b(i,j,:)中的剩余空间大于lz时m0(i,j)取1，否则取0；
[0012]
3.3针对步骤3.2的放置方向[l
x
,ly,lz]，使用尺寸为l
x
×
ly、值均为1的二维卷积核k，对矩阵m0进行卷积运算m0*k，得到和m0同尺寸的矩阵mk，对于mk中的每一个元素mk(i,j)，如果mk(i,j)的值小于l
x
·
ly(l
x
和ly的乘积)则置为0，否则置为1；
[0013]
3.4取出mk(i,j)中所有为1的元素对应的位置p:{(i,j)}，使用最远点采样方法从
p中筛选出ε
·np
个样本p
ε
，ε为采样率，n
p
为p的元素个数，其中采样率ε＝min(ε
base
·
(1+vr)
λε
,ε
max
)，其中ε
base
为基础采样率，ε
max
为最大采样率，vr为当前箱内空间的占用率，λ
ε
为扩展幂次系数，使用该动态采样率可提高寻找最佳放置情况的效率；
[0014]
3.5重复步骤3.2、3.3、3.4，直至将6种放置方向全部计算完成，得到所有的采样到的放置情况p:{(li,lj,lk,i,j)}，li、lj和lk为步骤3.2中的放置方向。
[0015]
进一步的，设计样本放置评价指标函数，选取评价最高的放置位置，实现高容积率装箱归置，具体实现步骤为：
[0016]
步骤1，对于所有放置情况p中的每一种情况，计算按照此放置情况放置后箱子的空间占用矩阵b
′
，计算矩阵b
′
中被占用空间的重心位置g:[g
x
,gy,gz]到箱子空间坐标原点o的距离指标c1，c1的具体表达式为：c1＝|g
·
([n
x
,ny,nz]
t
)
λ1
|
λ2
，其中λ1和λ2分别为距离指标幂次系数；
[0017]
步骤2，计算样本放置后箱内实际空间占用量指标c2，c2：具体表达式为c2＝(∑(b
′‑
b)/(l
x
·
ly·
lz))
λ3
，其中λ3为箱内实际空间占用量指标幂次系数；
[0018]
步骤3，计算样本放置后箱内放置空间占用量指标c3，使用一个元素值均为1的三维卷积核k3，尺寸为估计的最小采样岩石样本的体积m
x
×my
×mz
，分别进行卷积运算b*k3和b
′
*k3，得到与b同尺寸的矩阵b
k3
和b
′
k3
，对于b
k3
和b
′
k3
中的每一个元素b
k3
(i,j,k)和b
′
k3
(i,j,k)，如果值大于0则置为0，否则置为1，则c3的具体表达式为c3＝(∑(b
k3-b
′
k3
)/(l
x
·
ly·
lz))
λ4
，其中λ4为箱内放置空间占用量指标幂次系数；
[0019]
步骤4，计算盒子尺寸与样本放置方向的相似度指标c4，c4：具体表达式为c4＝(2-([n
x
,ny,nz]
·
[l
x
,ly,lz]
t
)/(|[n
x
,ny,nz]|
·
|[l
x
,ly,lz]|))
λ5
，其中λ5为尺寸相似度指标幂次系数；
[0020]
步骤5，计算样本中心位置与放置区域接触面中心位置的偏差指标c5，c5的具体表达式为c5＝(1+(|s
p-ss|)
·
(1-vr)/|s
p
|)
λ6
，其中s
p
是样本体坐标系下样本中心位置坐标，ss是样本体坐标系下放置区域接触面中心位置坐标，λ6是中心偏差指标幂次系数；
[0021]
步骤6，计算所有放置情况的放置评价综合指标c:{c1·
c2·
c3·
c4·
c5}，该指标综合评价了放置后箱内空间的占用情况，取c中的最小值对应的放置情况为评价最高的放置情况，将样本放置到对应位置。
[0022]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0023]
(1)本发明使用动态采样率利用最远点采样对所有可行的放置点进行初步筛选，可以提高寻找最佳放置情况的效率；
[0024]
(2)本发明使用距离指标、箱内实际空间占用量指标、箱内放置空间占用量指标、尺寸相似度指标和中心偏差指标5个指标综合评价每个样本的可行放置情况，可以提高装箱归置容积率。
附图说明
[0025]
图1为第1～8个样本的放置情况；
[0026]
图2为第21～28个样本的放置情况。
具体实施方式
[0027]
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
[0028]
本实施例的一种地外天体采样在线装箱归置方法，将采样的岩石样本简化为规则长方体，利用深度相机重构箱内空间，使用最远点采样初步筛选可行的放置位置、减少计算量，设计考虑样本的放置稀疏度、放置方向、放置位置、放置重心、箱内实际空间占用量、箱内放置空间占用量等因素的样本放置评价指标函数，选取评价最高的放置位置，实现高容积率装箱归置。
[0029]
如图1、2所示，所述的地外天体采样在线装箱归置方法具体实现步骤如下：
[0030]
步骤一：利用深度相机重构箱内空间，具体实现步骤为：
[0031]
步骤1，将连续的箱内空间离散为单位长度为d的离散空间，并用三维矩阵b描述该空间，矩阵b的x、y和z方向分别表示箱子的长度、宽度和高度方向，矩阵b的三维尺寸为n
x
×
ny×
nz＝50
×
30
×
24，矩阵b中的值表示该位置对应的箱内空间是否被占用，占用为1、不占用为0；
[0032]
步骤2，使用深度相机从竖直方向对箱体进行观测，获取箱内区域高度图mh，将高度图mh映射到箱子的空间占用矩阵b。
[0033]
步骤二：使用最远点采样初步筛选可行的放置位置，具体实现步骤为：
[0034]
步骤1，将采样的岩石样本简化为规则长方体并离散化，得到三维尺寸为l
x
×
ly×
lz的长方体，取三维尺寸分别为6～15的随机值；
[0035]
步骤2，长方体在箱子中对应有6种放置方向[l
x
,ly,lz]、[l
x
,lz,ly]、[ly,l
x
,lz]、[ly,lz,l
x
]、[lz,l
x
,ly]、[lz,ly,l
x
]，针对每一种放置方向，如[l
x
,ly,lz]，计算可放置图矩阵m0，矩阵m0的尺寸为n
x
×
ny，当b(i,j,:)中的剩余空间大于lz时m0(i,j)取1，否则取0；
[0036]
步骤3，针对步骤2的放置方向[l
x
,ly,lz]，使用尺寸为l
x
×
ly、值均为1的二维卷积核k，对矩阵m0进行卷积运算m0*k，得到和m0同尺寸的矩阵mk，对于mk中的每一个元素mk(i,j)，如果mk(i,j)的值小于l
x
·
ly(l
x
和ly的乘积)则置为0，否则置为1；
[0037]
步骤4，取出mk(i,j)中所有为1的元素对应的位置p:{(i,j)}，使用最远点采样方法从p中筛选出ε
·np
个样本p
ε
(ε为采样率，n
p
为p的元素个数)，其中采样率ε＝min(ε
base
·
(1+vr)
λε
,ε
max
)，其中ε
base
取0.15，ε
max
取0.8，λ
ε
取3，使用该动态采样率可提高寻找最佳放置情况的效率；
[0038]
步骤5，重复步骤2、3、4，直至将6种放置方向全部计算完成，得到所有的采样到的放置情况p:{(li,lj,lk,i,j)}(li、lj和lk为步骤2中的放置方向)。
[0039]
步骤三：计算每一个放置情况的放置评价指标，选取评价最高的放置情况，具体实现步骤为：
[0040]
步骤1，对于所有放置情况p中的每一种情况，计算按照此放置情况放置后箱子的空间占用矩阵b
′
，计算矩阵b
′
中被占用空间的重心位置g:[g
x
,gy,gz]到箱子空间坐标原点o的距离指标c1，c1的具体表达式为c1＝|g
·
([n
x
,ny,nz]
t
)
λ1
|
λ2
，其中λ1和λ2分别取0.29和0.4；
[0041]
步骤2，计算样本放置后箱内实际空间占用量指标c2，c2的具体表达式为c2＝(∑(b
′‑
b)/(l
x
·
ly·
lz))
λ3
，其中λ3取0.2；
[0042]
步骤3，计算样本放置后箱内放置空间占用量指标c3，使用一个元素值均为1的三
维卷积核k3，尺寸为估计的最小采样岩石样本的体积m
x
×my
×mz
，分别进行卷积运算b*k3和b
′
*k3，得到与b同尺寸的矩阵b
k3
和b
′
k3
，对于b
k3
和b
′
k3
中的每一个元素b
k3
(i,j,k)和b
′
k3
(i,j,k)，如果值大于0则置为0，否则置为1，则c3的具体表达式为c3＝(∑(b
k3-b
′
k3
)/(l
x
·
ly·
lz))
λ4
，其中λ4取0.29；
[0043]
步骤4，计算盒子尺寸与样本放置方向的相似度指标c4，c4的具体表达式为c4＝(2-([n
x
,ny,nz]
·
[l
x
,ly,lz]
t
)/(|[n
x
,ny,nz]|
·
|[l
x
,ly,lz]|))
λ5
，其中λ5取0.3；
[0044]
步骤5，计算样本中心位置与放置区域接触面中心位置的偏差指标c5，c5的具体表达式为c5＝(1+(|s
p-ss|)
·
(1-vr)/|s
p
|)
λ6
，其中s
p
是样本体坐标系下样本中心位置坐标，ss是样本体坐标系下放置区域接触面中心位置坐标，λ6取0.2；
[0045]
步骤6，计算所有放置情况的放置评价综合指标c:{c1·
c2·
c3·
c4·
c5}，该指标综合评价了放置后箱内空间的占用情况，取c中的最小值对应的放置情况为评价最高的放置情况，将样本放置到对应位置。如图1所示为第1～8个样本在箱内的放置情况。
[0046]
步骤四，重复步骤一、二、三，直至采集的新岩石样本无法放入箱子为止。如图2所示为第21～28个样本在箱内的放置情况。该算例共放置28块样本，在win10(系统)、i7-9750h(cpu)配置的计算机上每次放置的计算平均用时9.2s，对箱子空间的占用率为82.7％。
[0047]
本发明要解决的技术问题是设计地外天体采样在线装箱归置方法，在仅知道当前样本尺寸的情况下进行在线装置归置，提高装箱率。本发明公开的一种地外天体采样在线装箱归置方法，将采样的岩石样本简化为规则长方体，利用深度相机重构箱内空间，使用最远点采样初步筛选可行的放置位置、减少计算量，设计考虑当前样本的放置稀疏度、放置方向、放置位置、放置重心、箱内实际空间占用量、箱内放置空间占用量等因素的样本放置评价指标函数，选取评价最高的放置位置，实现高容积率装箱归置。
[0048]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。