автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Развитие методов бесконтактных измерений движущихся деталей приборов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И

ОПТИКИ

На правах рукописи

ЛАРИН МИХАИЛ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ БЕСКОНТАКТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ДВИЖУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИБОРОВ

Специальность 05.11.01 — Приборы и методы измерения по видам измерений (механические величины)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени ] ] г^:^ кандидата технических наук

Сан кт-Петербург 2013

005536266

005536266

Работа выполнена на кафедре Мехатроники Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» (СПб НИУ

ИТМО).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Мусалимов Виктор Михайлович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, Полянский Владимир Анатольевич (Профессор СПБГПУ, Зав. лабораторией прикладных исследований ИПМаш РАН), Кандидат технических наук, доцент, Воронцов Евгений Александрович (Исп. директор ООО «Эффективные Технологии»),

Ведущая организация:

ОАО "Государственный Оптический Институт им. С.И. Вавилова" (ГОИ)

Защита состоится "26" ноября 2013 г. в 17.30 часов на заседании диссертационного совета № Д 212.227.04 при НИУ ИТМО, Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, аудитория 206.

С текстом диссертации можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан "24" октября 2013г.

Отзывы и замечания по автореферату направлять по адресу университета: 197101, Санкт-Петербург, пр. Кронверкский, д. 49, Ученому секретарю диссертационного совета № Д 212.227.04

Ученый секретарь

диссертационного совета № Д 212.227.04 >

кандидат технических наук, доцент С.С. Киселев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Автоматизация процесса измерений стала возможна, как только появились персональные компьютеры, способные обрабатывать достаточно большой объём графической информации для определения динамики процесса по серии изображений. Необходимой связкой между растущей производительностью компьютеров и улучшающимися техническими характеристиками оптических и цифровых камер являются алгоритмы компьютерного зрения.

Моделирование позволяет быстрее определить недостатки и опробовать разные подходы к их устранению. При моделировании изображение объекта фиксируется на плоскости, но при проецировании теряется часть информации о геометрических соотношениях объекта. Чтобы восстановить геометрию, необходимо произвести моделирование с использованием алгоритмов компьютерного зрения для извлечения и обработки данных. Аффинные преобразования и эпиполярная геометрия позволяют восстановить в виртуальном пространстве отношения проекций так, что после моделирования возможно производить измерение количественного изменения отношений или динамики по серии изображений в относительных шкалах. В системах оптических измерений важно обеспечить условия, достаточные для идентификации одной и той же характерной особенности объекта.

Разработка современных бесконтактных систем измерений связана с анализом фиксируемого объекта или процесса. С одной стороны связана с описанием кинематики и динамики, и синтезом с другой, который заключается в разработке алгоритмов для определения и слежения за характерными особенностями объекта на изображении. Актуальность работы состоит в рассмотрении и учёте возможных отношений между камерой и объектом измерения.

Цель диссертационной работы.

Разработка новых методов и средств для бесконтактных измерений перемещения деталей приборов.

Задачи исследования.

1. Исследовать современные методы обработки и улучшения изображений, бесконтактных измерительных систем, источники погрешностей при измерениях.

2. Произвести совершенствование библиотеки измерений по изображениям 0>ГО, для задач измерения элементов печатных плат.

3. Разработать алгоритм восстановления внешних и внутренних параметров камеры и структуры поверхности по особым точкам, найденным по изображениям подвижных объектов для бесконтактных измерений.

4. Исследовать измерительные способности камер.

5. Разработать метод бесконтактных измерений перемещений подвижных объектов, как альтернативу датчикам линейных перемещений для идентификации трибологических взаимодействий на установке «Трибал-2» и произвести их сравнение.

6. Разработать программный метод повышения частоты сигнала.

7. Дополнить бесконтактный метод стереовосстановлением положения движущихся платформ.

Методы исследования. Основные результаты получены методами математического моделирования, анализа изображений, матричных преобразований в виртуальном пространстве с помощью разработанной программы. Произведен ряд экспериментов для сравнения на установке «Трибал-2» бесконтактного метода измерения и датчиков линейного перемещения.

Научная новизна работы.

1. Произведено совершенствование библиотеки измерений по изображениям (2ГО, для задач измерения элементов печатных плат.

2. Произведено совершенствование метода прецизионной калибровки бесконтактной измерительной системы с помощью алгоритма «выборочной калибровки».

3. Впервые предложен метод бесконтактного измерения перемещения платформ установки, как альтернатива датчикам линейного перемещения на основе алгоритма восстановления внешних и внутренних параметров камеры по изображениям, а также метод искусственного повышения частоты сигнала.

4. Произведено совершенствование использованного бесконтактного метода измерений механических величин с помощью дополнительной камеры, позволяющее повысить качество и точность измерений движущихся деталей прибора.

Достоверность научных результатов обеспечивается применением классических математических методов теории аффинных преобразований и

теории эпиполярных преобразований. Экспериментальные данные обрабатывались на базе кафедры Мехатроники НИУ ИТМО. Математическое моделирование, обработка и проверка результатов осуществлялись при использовании ППП Matlab и Visual Studio С++. Достоверность подтверждена совпадением, с установленной точностью (СКО менее 20%), экспериментальных данных с результатами, полученными с датчиков линейного перемещения.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Развитие метода прецизионной калибровки бесконтактной измерительной системы с помощью алгоритма «выборочной калибровки».

2. Метод бесконтактного измерения (механических величин) перемещения платформ установки, как альтернатива контактным измерениям с помощью датчиков линейного перемещения для идентификации трибологических взаимодействий на установке «Трибал-2» и метод искусственного повышения частоты сигнала.

3. Совершенствование использованного бесконтактного метода измерений механических величин с помощью дополнительной камеры.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы позволяют производить бесконтактные измерения неподвижных и подвижных объектов при неподвижной камере, строить стереоизображения в реальном времени, производить калибровку внешних и внутренних параметров камеры, определять измерительную способность камер, производить пространственные измерения подвижных объектов двумя камерами, производить отложенные расчёты. Результаты исследований и написанное программное обеспечение нашли применение: на кафедре Мехатроники СПб НИУ ИТМО, (при решении задач экспериментальной обработки данных трибологических исследований, оформлено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010615555 -«ARMEASURE», 2010). На кафедре Обеспечения качества ТУ Ильменау разработана программа, ставшая частью библиотеки программного обеспечения для обработки изображений, обеспечения качества измерительной техники и автоматизации Quick Image Development (QID) (оформлено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011613724 - «Stereo», 2011). Результаты работы были использованы при проведении занятий по курсу «Основы трибоники», на кафедре Мехатроники НИУ ИТМО, а также использованы в «Автоматизированной системе бесконтактного управления движением

макета корабля» используемой для музея «мини-Петербург» с оформлением патента на полезное изобретение.

Апробация работы. Результаты работы обсуждались и получили положительную оценку в ходе докладов на V, VI, VII и VIII Всероссийских межвузовских конференциях молодых ученых (Санкт-Петербург, 20082011); в 2008 г. доклад был отмечен дипломом «Лучший доклад студента», в 2009, 2010 и 2011 гг. доклады были отмечены дипломами «Лучший доклад на секции»; а также на семинарах кафедры Мехатроники СПб НИУ ИТМО. Кроме того, доклады по теме были сделаны в ИПМАШ РАН, на кафедре Обеспечения качества Технического университета Ильменау и на кафедре Мехагроники Таллиннского технического университета. Работа получала поддержку в виде грантов для проведения научных стажировок в TU Ilmenau (Германия, 2010) грант «DAAD» и TU Tallinn (Таллин, 2011) грант «DoRa». Получен сертификат 13th International Symposium, «Topical Problems in the Field of Electrical and Power Engineering and Doctoral School of Energy and Geotechnology II» (Estonia, Parnu, 2013).

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 11 работ, из них 1 -в иностранном издании, 4 - в журналах из перечня ВАК. Оформлено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010615555 - «ARMEASURE» (2010) и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011613724 - «Stereo» (2011), подано оформление патента на полезное изобретение «Автоматизированная система бесконтактного управления движением макета корабля» а также подана заявка на грант в РФФИ № 14-08-31120 «Трибометрическая установка с WEB-интерфейсом».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и библиографического списка, включающего 111 наименований. Основной текст диссертационной работы изложен на 95 страницах и включает в себя 9 таблиц, а также 54 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, показаны научная новизна исследования и практическая ценность полученных результатов, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается обзор современных методов обработки и улучшения изображений, описанных в работах И. П. Гурова, В. С. Сизикова, Р. Гонсалеса, В. П. Дьяконова, Д. Форсайта, Л. Шапиро. Наиболее подробно рассмотрены вопросы калибровки оптических систем, геометрических преобразований и перерастрирования изображений, проанализированные в работах Р. Цай, Ю. Хейккила, Р. Н. Гельмана, А. Л. Дунца, В. И. Юрченко, М. И. Труфанова, П. В. Непомнящего. Представлен обзор существующих отечественных и зарубежных патентов по данной теме. Приведено исследование применения корректировки геометрических искажений изображений при использовании программных продуктов PhotoShop, Oplomas, Common Vision Biox, Halcón, Matlab.

В работе рассмотрены следующие погрешности оптические систем: хроматические аберрации, которые являются одной из главных причин, приводящих к нерезкости изображения, и устраняются программно, а также хроматизм положения, хроматизм увеличения, монохроматические аберрации и аберрации третьего порядка, состоящие из уравнения с пятью коэффициентами (или аберрации Зейделя).

Вторая глава посвящена решению задач поставленных во время стажировки в TU Ilmenau, Германия, где для измерения элементов печатных плат нужно было произвести прецизионную калибровку камер и обеспечить вывод изображения с двух камер на один монитор для сохранения глубины при измерениях. Производились статические измерения, когда измеряемый объект и измерительное устройство (камера) находятся в неподвижном состоянии (рис. 1а). Условие неподвижности обеспечивает определённость геометрических соотношений между камерой и объектом измерения и даёт возможность производить прецизионную калибровку камеры. В случае двух откалиброванных камер, расположенных статически относительно друг друга и объекта (рис. 26), появляется возможность производить прецизионные измерения в выбранной плоскости пространства, а не только в плоскости изображения.

к

а) б)

М % 0

Рис. I. а) Неподвижна* камера, неподвижным объект б) Две неподвижные камеры, неподвижный объект

В данной главе решена проблема объединения изображений, получаемых с двух камер, для последующего измерения геометрических параметров элементов печатных плат и отображения двух изображений как одно стереоизображения. Важно отмстить, что стереосовмещение кадров -ресурсоемкий процесс, зависящий от размера кадров и их количества в секунду. При большом количестве кадров в секунду стереовидео получает задержки при обработке, из-за которых приходится пропускать часть поступающих кадров или записывать стереокадры в файл для дальнейшей работы, что создаёт неудобства для измерительного процесса, расчёт которого также занимает некоторое время.

Поэтому нужно обеспечить быстродействие, достаточное для одновременного отображения поступающих и обработанных кадров, т. е. свести задержку стереосовмещсння кадров к минимуму с помощью распараллеливания процесса обработки.

Для обработки

Есгественным математическим приёмом служит техника аффинных преобразований (преобразования плоскости). Аффинные преобразования взаимно однозначны.

Частным случаем аффинных преобразований являются простые движения или растяжения и сжатия относительно прямой, и сжатия и растяжения относительно точки (преобразование подобия, как. например, гомотетия).

На рис. 2 представлены некоторые случаи аффинных преобразований связанных.

Рис. 2. При параллельном мроемнрокиннн с одной плоскости на другую фигура подвсргаося рвстяжсиию (ежжтию) относительно прямой пересечения плоскостей, а при раояжении относительно точки - масштабированию

Рассмотрены неточности процесса измерений н измерительной и системы.

Описаны источники погрешностей измерений в которых особое внимание уделено оптическим аберрациям. Приведена таблица основных компонентов измерительной системы, а также объекты н факторы, которые оказывают значительное влияние на точность при измерениях но изображениям.

Описан эксперимент по калибровке оптической системы и проведена оценка влияния сё компонентов и калибровки на систематические и случайные погрешности при измерениях.

Основными компонентами исследуемых систем являлись камера, объектив, конструкция установки, освещение и программное обеспечение для обработки изображений «0$ргеу». Приведен список и некоторые фоюфафии используемого оборудования, одна из систем представлена на рис. За. Дчя определения границ объектов и измерений по изображению использовался алгоритм, описанный в диссертационной работе Польте Г. Л. «Динамическое пороговое значение».

Рис. 3. а) Оптическая измерительная система; б) Эталон; в) Изображение эталона

Предварительно система калибровалась с использованием »талона (рис. 36). Процесс работы с экспериментальными данными включал в себя: I) получение изображения эталона (рис. Зв); 2) определение системы координат на основе двух окружностей эталона, расположенных в центре изображения: 3) измерение значений координат центров окружностей; 4) обработку данных измерений. Полученные данные сравнивались с данными из паспорта эталона, оценивались погрешности, среднсквадратическое отклонение, размах результатов измерений, абсолютная погрешность измерений.

Исследование влияния погрешностей показало, что анализируемые измерительные системы имели незначительный размах результатов измерений и погрешность. который составлял менее 1 мкм. Максимальные значения систематической погрешности составили менее 19 мкм. Выявление, что, как правило, объектив в большей степени определяет размер и форму систематических погрешностей, представленных в виде графика.

Предложено совершенствование процесса калибровки с помощью метода "выборочной калибровки".

Описаны алгоритм определения границ, используемый при калибровке измерительных систем; развитие методов и разработка алгоритмов, корректировка радиальных и гаженциальных искажений; технология «NVIDIA 3D Vision». Разработан нро1раммнын модуль расширения возможностей библиотеки прецизионных измерений но изображениям Quick Image Development (QID), позволяющий производить стереосовмсщснис

калров с использованием библиотеки DirectX, для обеспечения измерительного процесса элементов печатных плат.

Для вывода на монитор 3D видео необходимо подготовить изображения для левого и правого глаза. Доступ к изображениям с двух камер был осуществлен через QID, которая возвращала указатели в те области памяти, где находились изображения. Далее нужно передать эти видеокадры драйверу DirectX для объединения в буфер двойного размера со стсрсозаголовком (рис. 4), который заполнялся, исходя из параметров изображений.

г

■ Прмыи

I Wh

Левый Правый

Сгерео-и»обр«>

Рис. 4. >кч1ы формировании стереоизображения

Модуль библиотеки Q step2 был модифицирован, добавлением программного кода для ЭВМ ио которому оформлено свидетельство о регистрации програм мы. Получаемые изображения с двух камер одновременно преобразовывалось в стереоизображения и выводились на экран с частотой 15 кадров в секунду. Эта скорость - о1раничение камер. Пели их заменить на более быстрые, то приложение в целом будет работать быарее.

Разработанная программа была включена в О image часть библиотеки для обработки изображений, обеспечения качества измерительной техники и автоматизации Q1D. которая является совместной разработкой кафедры Обеспечения качества Технического университета Ильменау и фирмы

Stcinbcis-Transfcrzcntrum Qualitätssicherung und Bildverarbeitung Ilmenau (STZ). Германия.

Описаны недостатки калибровки разных систем бесконтактных измерений и предложен метод «выборочной калибровки» с подробным исходным кодом и блок-схемой н приложении.

Третья глава посвящена восстановлению геометрии структур с помощью алгоритмов компьютерного зрения, которые были изучены во время стажировки в TU Tallinn, позволяющие перейти от статики к динамике. R статике, при условии неподвижности камеры и обьекта, вторая камера (рис. 5а) позволяет производить оценку относительных расстояний, различимых на изображении частей объекта. Анализ схожих точек на двух и более изображениях позволяет восстановить трехмерные координаты объекта в виртуальном пространстве относительно положения камер. По восс1ановлснным координатам можно оценить геометрические параметры объекта. В данной главе проанализированы информация и методы расчета геометрии объекта по ею проекциям, а также экспериментально проверена на основе пренрамм аналогов и разработанном программном приложении, возможность заменить две статические камеры на одну подвижную (рис. 56) без потерн способности восстанавливать геометрию объекта.

Рис. 5. а) Лес неподвижные камеры, неподвижный объект: б) Одна подвижная камера, неподвижный объект

Важно отметить, что при восстановлении геометрии объекта алгоритмы опираются на понятие локальных особенностей. Особые точки это связь реальных объектов и алгоритмов, математически определяющих неизвестные параметры. Эпиполярные ограничения, наложенные на особые точки и их относительные положения для находящихся в трёхмерном пространстве твёрдых тел, дают возможность расчета информации о положении камеры или геометрии объекта.

Изучены основные положения эпнмолярной ГСОМСТрИИ (рис. 6), матричное представление камеры н преобразование координат. Рассмотрены модели перспективной проекции камеры.

Проанализированы гсомсфия нескольких изображений, а также особые случаи.

Разработана профамма с использованием фафической библиотеки ОрспСЬ и библиотеки компьютерного зрения ОрепСУ для виртуального восстановления позиции камеры по особым точкам (рис. 7).

Рис. 7. Мюбражснис фруоума камеры (пирамидальная область видимости иерел камерон) и особых точек спроецированных на ближнюю плоскость

На ближней плоскости точками показаны спроецированные точки объекта.

Восстановленное положение камеры полностью соответствовало положению виртуальной камеры. На изображении представлены две камеры: восстанавливаемая и восстановленная со небольшим сдвигом, добавленным из-за полного визуальною соответствия.

Написано нрофаммнос обеспечение для калибровки внугренннх и внешних параметров реальной камеры (рис. 8).

Рнс. 8. Снимок жрана приложения 1КI 2

Сцена представлена сеткой линий в плоскости маркера. Восстановленное положение камеры отображено тремя ортами. Из положения камеры проведены лучи до особых точек на калибровочном маркере. В нравом верхнем углу изображение, получаемое с вэб-камеры. Ищутся соответствия особых точек с первою кадра и последующих. Найденные соответствия соединяются линиями, из которых извлекается матрица, описывающая камеру относительно первою кадра.

Написано приложение для нахождения особых точек и восстановления внешних параметров по ним.

Рассмотрены существующие программы для восстановления трехмерной геометрии по серии изображений: РТАМ. ВипЛег. УЬиа151:М. Основные недостатки рассмотренных программ в низкой скорости обработки одного кадра н отсутствии задания только необходимых точек для отслеживания на изображении, но по части реконструкции эти приложения лучшие из доступных.

Четвёртая глава посвящена развитию методов бесконтактных измерений движущихся деталей приборов, которое проводилось па кафедре Мехатроника СНб НИУ ИТМО. В частности рассматривается случай, когда при измерении движений деталей прибора используется одна неподвижная камера (рис. 9а). а информативность сигнала повышалась сперва программно а затем путем добавления второй неподвижной камеры (рис. 96).

Рис. 9. а) Одна неподвижная камера, подвижный объект; 6} Дне неподвижные камеры, подвижный объект

Бесконтактные измерения производились с использованием оптической камеры, компьютера, разработанного в ходе диссертационной работы, программного обеспечения на установке «Трнбал-2» (рис. 10).

АЭС ПАС 8 7 [

Рис. 10. Схема уоановки «Трнбал-2», для иеследонания фибоеопряжений

На рис. 10 обозначено:

1. Образцы и контр образцы образующие пару трения. С помощью электропривода 8. с блоком питания 9. через крнвошнпно-шатунный механизм нижняя платформа приводится в возвратно-поступательное движение, прижатие образцов производится реверсивным электродвигателем, через червячную передачу 6.

2. Контактный измерительный блок используется для снятия механических характеристик. Блок состоит из датчиков линейного перемещения 2 и тензодатчика 5.

3. Бесконтактный измерительный блок состоит из маркеров 10, 11, камеры и шаблона для калибровки.

Программное обеспечение было написано на языке С++ с использованием библиотек компьютерного зрения OpenCV и графической библиотеки OpenGL.

Разрешающая способность камеры ограничена её матрицей и пропускной способностью интерфейса передачи данных. Максимальный диапазон измеряемых значений зависит от разрешающей способности камеры (размер получаемого изображения). В данном исследовании размер кадра, получаемого камерой, был 740x574. Движение происходило в горизонтальной плоскости, максимальный диапазон вычислялся как 740*к, где к - коэффициент, отражающий сколько миллиметров на измеряемой плоскости проецируется на один пиксель изображения. От 1 пикселя (1 мм) до ширины кадра 754 пикселя (120 мм). При калибровке была установлена ошибка репроекции пикселя, не превышающая значение 1 пикселя. Диапазон входных значений определялся минимальным и максимальным значениями, фиксируемыми камерой.

Для искусственного повышения частоты сигнала, использован метод наименьших квадратов. Нижняя платформа установки (вход) движется возвратно-поступательно. Поэтому график движения этой платформы не имеет таких особенностей, как график перемещения верхней платформы (выход). Последний образует неравномерные участки на графике за счёт сил трения двух образцов. Особенности неравномерного движения верхней платформы (выхода) обусловлены трением под нагрузкой, возникающим при взаимодействии материалов, из которых сделаны образцы. Для определения параметров трения эти неравномерности необходимо выделять только для верхней платформы (выхода) (рис. 11).

. « % \ fi, .........\ .......Дг •* -»V «V (Ч--Д • Л *. % ,

; « W < iV-П Г; Л. N Т\ Л f * П i * Г î ♦ i

I 1 к i * t * < i i i * i f * i i j \ f 4 i * ' i l i > * » I u v f

1 V *. V M- % J -J-......V v.........И *» S V *

перемещение платформы, см время, мсек^^

Рис. 11. График перемещения верхней платформы установки одной камерой до искусственного повышения частоты

Для нахождения отношения сигнала входа к сигналу выхода необходимо иметь по одной кривой для каждого сигнала. При этом, чтобы произвести оценку, кривую нужно вписать достаточно близко к средней линии графика. Последняя может быть построена с помощью метода наименьших квадратов (МНК), в результате применения которого можно получить коэффициенты полинома выбранной степени. От показателя степени зависит количество

коэффициентов полинома и опорных точек, чем больше опорных точек тем больше особенностей на кривой проявится, эмпирически выбрано значение степени равное 100. По полученным коэффициентам были построены кривые (рис. 12) восстановленного сигнала после повышения частоты.

с 6

Время, сек

Рис. 12.Восстановленный сигнал с помочью мсгола искусственного повышения частоты

Данные, полученные при обработанных трафиков, используются для сравнительною анализа контактного и бесконтактною методов захвата движения платформ.

Для оценки восстановленной информативности сигнала была построена модель второго порядка: вход состояние выход. Кроме того, строились АЧХ.

частота (рад/с) частота (рал/О

Рис. 13. На девой части представлена ЛЧХ. построенная по данным датчиков линейного перемещения Справа ан.гтотчные I рафики для бесконтактного метола измерения. Маркеры в трафиках указывают динамический котффнинент трения на выбранной частоте. Видно, что в обоих случаях значения близки.

Таблица I. Сравнение числа периодов лля восстановлсния данных демпфирующий фи кгор и чаеIот собственных колебаний

Число периодов, иснолыованных при наложении Собственная частота. Гц Коэффициент демпфирования Динамический ко »ффнциен! 1 рения (отм. сл.). на частоте 1.8 Гц

5,00 0.02 0.14 0,71

10.00 0.06 0.23 0.47

20,00 0.06 0.51 0.4К

Контактный меюл измерения 0.13 0.67 0.50

Сравнительный анализ контактного и бесконтактного методов показал, что при использовании большей частоты сигнала коэффициенты трения, демпфирования приближались к значениям, которые были рассчитаны но сигналам, поступившим с датчиков линейного перемещения. Полученные данные показываю! возможность использования предложенного метода измерения подвижных объектов как альтернативу датчикам линейного перемещения. Наилучшее совпадение по характеристикам наблюдается для случая наложения 20 периодов. Это свидетельствует о том, что для идентификации процессов трения информативнее сигнал с большей частотой. Высокоскоростная съемка способна превысить частоту показаний ДЛП. Размер кадра можно выбрать таким образом, что способность фиксировать размах перемещений с помощью камер будет превосходить размах измерений ДЛП. Причем, в отличие от ДЛП, камеры не влияют на процесс перемещений непосредственно.

Для повышения точности было произведено усовершенствование бссконтакгного метода. В большинстве работ посвященных измерениям по изображениям единовременно используется только одна камера, что накладывает определенные ограничения на используемые методы.

Рис. 14. Пересечение лучей с двух камер лас1 положение маркера платформы в трехмерной снсгемс координат

Рие. 4.13. Графики перемещения верхней платформы вдоль оси движения нла1формы. Нижний (рафик отражает относительные масштабы ¿«ми ниуд по всем трем осям

Добавление дополнительной камеры в измерительный процесс позволяет получить рял преимуществ. Повышение частоты кадров системы до суммы частот кадров используемых камер в условиях асинхронною формирования изображении. Повышение точности при определении положения особой точки в трехмерном пространстве. а также использование пространственной интерполяции положения особой точки между опорными кадрами с учетом данных дополнительной камеры. Повышение точности добавлением второй камеры лает визуально идентичные фафики

перемещения платформы по сравнению с графиками перемещения полученными датчиками линейного перемещения. Для оценки схожести двух графиков полученных разными методами, использовались коэффициент корреляции и СКО.

Основные выводы и результаты работы.

1. Исследованы современные методы обработки и улучшения изображений, особенности оптики и бесконтактных измерений, источники погрешностей, свидетельствующие о необходимости калибровки.

2. Разработано расширение возможностей библиотеки бесконтактных измерений ОГО за счет стереосовмещения кадров, что позволит использовать С^ГО для измерения элементов печатных плат в стерео режиме.

3. Разработана программа для восстановления внешних и внутренних параметров камеры и структуры поверхности по особым точкам, найденным по изображениям, на основе которой производились исследования бесконтактных измерений.

4. Разработаны методы и алгоритмы обработки бесконтактных измерений как альтернатива датчикам линейных перемещений для идентификации трибологических взаимодействий на установке «Трибал-2». Произведено их сравнение, показано что оба метода дают сравнимые по точности результаты замеров возвратно-поступательных перемещений платформ.

5. Исследованы измерительные возможности камер, позволяющие геометрически моделировать параметры камер для определения неточности при различных положениях камеры и объекта измерения.

6. Развит используемый метод бесконтактных измерений с помощью дополнительной камеры, что позволило повысить качество и точность измерений.

Публикации в изданиях из перечня ВАК.

1. Ларин М.С., Тюрин А.Е., Исмаилов Г.М., Мусалимов В.М. Использование

технологий захвата изображений для оценки кинематических параметров

трибопар // Научное обозрение. 2013. № 3. С. 114-123.

2. Ларин М.С. Моделирование дополненной реальности // Изв. вузов.

Приборостроение. Тематич. вып. «Фундаментальные и прикладные

проблемы надёжностн и точности машин и приборов». 2010. № 2. С. 5256.

3. Ларин М.С. Работа с пакетом программ Open Computer Vision // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики СПб., 2008. Вып. 48. С. 95-99 (изд. СПбГУ ИТМО).

Публикации в иностранных изданиях.

4. Musalimov Victor, Larin Mikhail, Turin Andrey (Saint Petersburg National Research University of Informational Technology, Mechanics and Optics, Russia). Using Optical Tracking Technology to Estimate Cyclical Linear Motion // 13th International Symposium PARNU 2013 «Topical Problems in The Field of Electrical and Power Engineering» and «Doctoral School of Energy and Geotechnology II». Parnu, 2013. P. 319-322.

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ:

5. Ларин М.С. Программный модуль «Stereo» // свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2011613724. М.: Роспатент, 2011.

6. Ларин М.С. Программный модуль «AR_MEASURE» // свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2010615555. М.: Роспатент, 2010.

Прочие публикации:

7. Ларин М.С. Локализация камеры // Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте и образовании: Сб. науч. трудов SWORD. 2010. Т. 4. С. 55-63.

8. Ларин М.С. Алгоритмы виртуального дополненного пространства // Аннотированный сборник научно-исследовательских выпускных квалификационных работ магистров СПбГУ ИТМО. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2010.- 133 с.

9. Ларин М.С. Измерительные функции виртуального пространства // Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов: Сб. докладов 9-й сессии Международной школы. СПбГУ ИТМО. СПб., 2009. С. 386.

10. Ларин М.С. Среда виртуального пространства // Фундаментальные и прикладные проблемы надёжности и диагностики машин и механизмов:

Сб. докладов 8-й сессии международной школы СПбГУ ИТМО. СПб., 2007. С.146-149.

Подписано в печать: 21,10.2013 Формат: 60x84 1/16 Псчатьцифровая Бумага офсетная. Гарнитура Times. Тираж: ЮО зкэ. Закат 398 Отпечатано: Учреждение «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблмнская ул, д. 14 +7(812)9)51454, zakaz@tibir.ru, www.iibir.ru