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公糧穀倉儲量估算與監測系統研發及應用之研究成果

農糧署 陳坤龍.吳淑慧
中興大學生物產業機電工程學系 林聖泉

. 前言

  為確保國家糧食安全及維護農民收益,政府多年來均以保證價格收購農民稻穀供作國內稻米安全庫存,存糧係委託國內 270 家公糧業者代為保管。目前公糧稻穀以 PP 袋包裝後,採交丁方式堆疊儲放於倉庫,由農糧署所屬各區分署不定期派員稽查庫存數量與品質,稽查人員則以丈量榖堆體積方式測計換算稻穀數量,藉以判斷庫存數量有否短少。由於部分公糧業者保管之稻榖數量龐大,穀堆高度甚至超過 6 公尺以上,稽查人員常需利用鋁(竹)梯、堆高機或輸送帶等機具,攀爬至穀堆頂層丈量榖堆體積以換算倉儲稻穀數量,除耗費時間、人力外,亦有人身安全顧慮,實有改善與提升稽查估測方式之需。為提升稽查作業效能,特委請學術單位研發公糧倉儲量估算與監測系統。

二 . 研究成果

  公糧穀倉儲量估算與監測系統係運用機電整合技術,組合測距儀、攝影機、紅外線照射器等裝置之量測平台,利用爬升機具與步進馬達定位技術,將量測平台推升至 6-7 公尺 之高度, 以搖桿方式控制雷射測距儀及 攝影機 測量穀堆外緣與內部特徵點,可估算儲穀量與擷取穀堆影像功能,並可以建立穀堆全景圖,作為穀堆歷史影像檢索使用 。運用即時比對影像紀錄,掌握穀堆外觀變化情形,確保公糧安全。該系統具人機介面親和性,操作時只要利用滑鼠點選螢幕之穀堆影像特定點,即可驅動測距儀之雷射點移至特定位置而取得點座標,藉由點座標即可估算穀堆體積,以取代現行之人工丈量與估算方式,提高量測效率與精度,並確保稽查人員安全。

  公糧倉儲量估算與監測系統歷經 3 年研發 ,於 98 年度由研發單位中興大學提出「物品體積估算及監測系統」與「雙軸式水平校正裝置」 2 項發明專利, 99 年持續精進改良工作,並配合公糧稽查實務作業加強測試,取得以下成果:

(一) 系統機構簡化與輕量化設計

  原型系統包含爬升機構及量測平台約 124 公斤,十分笨重,在考量精度與方便操作條件下,進行系統機構減重, 將爬升機構與量測平台 (圖 1 ) ,架設於堆高機 叉舉板上(圖 2 ) ,先利用堆高機爬升至一定高度後,再由爬升機構做高度的調整 (圖 3 ) ,爬升機構最高約可爬升至 3 公尺 ,配合堆高機揚舉高度 ,總爬升高度仍可達 7.0 公尺 以上, 爬升機構 重量則因而由原約 100 公斤大大減輕為 約 14 公斤 。

(二) 量測平台基座輕量化與縮小設計

  原型系統量測平台重量約 24 公斤 在高處進行量測時,容易因為 量測平台 不水平產生量測誤差, 98 年 利用 雙軸式水平校正裝置校正,惟該機構 較佔 量測平台基座 空間,且較為複雜 。 99 年更進一步 利用軟體處理方式將空間座標資料做校正處理, 可將數據校正回水平時的正確值 ,而非將平台機構調整成水平 ,因而 其 水平調整機構改採負載較低、重量較輕之步進馬達,達到減重至約 13.4 公斤目標,且仍保持原有功能 。

(三)親和性操作方式

  採用搖桿手把控制移動量測平台, 配合紅外線攝影機,即使穀倉內光線不足,亦能 量測目標穀堆之外部點和內部點,並在雷射測距儀取值時, 擷取 儲存 清楚影像 ,以供日後穀堆量測時比對,量測完成後,將量測數據轉換和校正成水平三維座標系統後估算目標穀堆體積。利用搖桿移動量測平台,依序量測所要拍攝之穀堆外部四點,搭配所選的拍攝張數,利用內插點數的方式,決定拍攝影像數量,並利用影像黏合軟體( Auto Stitch Demo Version V2.2 )製作目標穀堆之全景影像(圖 4 ), 可供稽查人員掌握穀堆變化。

(四)辦理穀堆之示範量測

  在雲林縣信昌糧食工廠與三煌碾米廠、宜蘭縣宜蘭市與五結鄉農會、彰化縣溪州鄉與社頭鄉農會、台南縣六甲鄉與白河鎮農會等 8 家公糧業者進行系統量測。經多次試驗顯示,量測一堆穀堆僅需 10-20 分鐘與人工作業時間相當,量測各穀堆體積的重複性良好,在穀堆頂部放置靶牌情況下,經測試體積誤差率 低 於 2% ,較人工測量準確可靠。 另在實驗室針對已知體積之物體進行量測,所估算體積誤差均在 1% 以內,確認本系統可精確估算穀堆體積。

(五) 辦理系統操作研習班

  在台南縣六甲鄉農會辦理操作研習班,說明本系統操作步驟,同時安排研習人員實機演練,計有 24 位分署同仁參加研習 ,熟悉系統操作,可協助運用本系統進行稽查工作。

三 . 具體效益

(一) 以兩軸水平調整機構( Two-axis leveling device for a working platform ) 發表於第五屆農業與生物系統機電整合工程國際學術研討會( The 5th International Symposium on Machinery and Mechatronics for Agriculture and Biosystems Engineering , ISMAB ) ,該研討會每兩年舉辦一次, 2010 年由日本農機學會辦理,有日本、韓國、台灣等國之農機研究人員參與盛會,彼此切磋與交換心得, 提升我國農業科技能力與能見度 。

(二)以非水平傾斜校正與全景影像系統應用於穀堆儲量監測( Non-horizontal tilt correction and panoramic imaging system applied in monitoring grain storage )發表於 2010 年農機與生機論文發表會, 提升國內相關研究能量,並可 供產、官、學界參考引用。

(三) 根據量測平台所處位置的傾斜度,提出量測校正公式,經由旋轉座標軸的方式校正量測數值,即使是在不水平的情況下,傾斜量測得到的結果經校正後也可以等同水平量測時的結果,可以減少量測時間和機具成本。

(四) 公糧穀倉儲量估算與監測系統 以搖桿方式控制雷射測距儀測量穀堆外緣與內部特徵點,可估算儲穀量與擷取穀堆影像功能,並可以建立穀堆全景圖,作為穀堆歷史影像檢索使用。

(五) 利用 公糧穀倉儲量估算與監測系統 所拍攝得到的相片製成全景影像資料,以利稽查人員往後的比對工作, 可監控穀堆外型, 有效管理 公糧。

(六) 本系統在量測和拍照的功能兼具下,可以協助稽查人員現場勘驗穀堆,人員不需要爬上穀堆,也能清楚看到穀堆頂部情形。更可降低稽查人員在勘驗穀堆過程中發生危險的機率。

(七) 公糧穀倉儲量估算與監測系統 準確估算儲穀量,進而減少與公糧 業者之儲量爭議。

(八) 公糧穀倉儲量估算與監測系統 所開發之雙軸式水平調整機構,可應用至量測儀器或機台,快速調整機台達到水平狀態。此機構不限在農業範圍之應用。

四 . 未來展望及推廣

  運用此 一具有向上爬升量測榖堆現況,擷取穀堆影像之儲穀量估算與監測系統,在可搭配堆高機作業前提下,確可準確估算穀倉儲穀量,影像檔案管理亦可即時比對影像紀錄,掌握穀堆變化情形。如此,可取代人工作業方式測計公糧數量,增進人身安全維護,提升 公糧稽查作業效能, 強化公糧管理, 確保公糧物資安全。

圖 1 量測平台裝設完成圖
圖1 量測平台裝設完成圖

圖 2 量測平台與爬升機構搭配堆高機組裝完成圖
圖2 量測平台與爬升機構搭配堆高機組裝完成圖

圖 3 量測系統以堆高機舉升量測作業
圖3量測系統以堆高機舉升量測作業

圖 4 穀堆頂部全景圖
圖4 穀堆頂部全景圖\

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