автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Оптоэлектронные устройства дистанционного контроля геометрических параметров профильных объектов

На правах рукописи

Малышева - Стройкова Александра Николаевна

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОФИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г ОКТ 2014

005553014

Самара-2014

005553014

Работа выполнена на кафедре электротехники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Скворцов Борис Владимирович Официальные оппоненты:

Лиманова Наталия Игоревна, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры программного обеспечения и управления в технических системах ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»;

Мелентьев Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Информационно-измерительная техника» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет».

Ведущая организация:

открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт «Экран», г. Самара.

Защита диссертации состоится 31 октября 2014 года в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.215.05, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», по адресу: 443086, Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» и на сайте http://www.ssau.ru.

Автореферат разослан 18 сентября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, доцент

Востокин С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Важной задачей машиностроения является создание средств высокопроизводительного контроля геометрических параметров изделий сложной формы. С развитием технологий обработки материалов значительно быстрее можно изготовить изделие сложной формы, чем его проконтролировать традиционными средствами. Причем надо контролировать каждое изделие несколько раз, на разных стадиях технологии. Геометрию каждого изделия требуется контролировать независимо от того, какая используется технология. Под геометрическими параметрами (ГП) подразумеваются линейные и угловые величины, а также соотношения между ними, характеризующие форму объекта. Существующие средства контроля геометрии изделий не отвечают современным требованиям. Контактные механические средства, оптические шаблонные приборы, координатно-измерительные машины устарели, имеют низкую производительность, большие габариты, не мобильны. Лазерные сканирующие устройства дороги и сложны в эксплуатации. Оптоэлектронные бесконтактные методы контроля ГП сформировались как приоритетное направление, обусловленное высоким уровнем развития традиционной те-ле(фото)электроники, лазерной и цифровой техники, что в совокупности создает основу для новых схемных и конструкционных решений устройств бесконтактного измерения. В этой области выдано свыше 200 авторских свидетельств и патентов, опубликовано множество статей, несколько монографий, что само по себе можно рассматривать как объективные признаки актуальности исследований.

Глобальной задачей данного направления исследований является разработка ряда бесконтактных измерительных устройств для современных промышленных технологий. Работа посвящена созданию и исследованию оптоэлектронных устройств дистанционных измерений геометрических параметров профильных объектов (ГППО). Рассматриваемые устройства представляют собой совокупность оптических, фотоприемных и электронных устройств, выполняющих функции преобразования сигналов, несущих информацию о ГП. В мировом приборостроении средства дистанционного оптоэлек-тронного контроля геометрических параметров изделий активно развиваются фирмами «Autech», «Rtticon», «Machinery» (США); «Siemens», «Schneider», «Ferster» (ФРГ); «Jla-рицу» (Япония); «Zumbach», «Boveri» (Швейцария). Достаточно активно распространяются фотографические измерительные системы V-STARS компании Geodetic System Inc. (США) и ATOS (Германия), теодолитные и интерферометрические измерительные системы (Axyz MTM-STM, Axyz LTD, фирмы Leica Geosystems AG), которые основаны на использовании лазерных дальномеров и специальных программ обработки изображений, являющихся строго охраняемой интеллектуальной собственностью указанных фирм. Большой вклад в развитие бесконтактных оптических измерительных устройств внесли работы Грейма И.А. и Сухопарова С.А. (дальнометрия), Русинова М.М. (фотограмметрия), Погарева Г.В. (зеркально-призменные системы), Топорца A.C. (шероховатость поверхности), Румянцева К.Е. (телевизионные измерительные системы), Ободана В .Я., Виноградова Е.Г., Шилина А.Н. (контроль геометрии крупных изделий). Работа основывается также на идеях, заложенных в трудах Балабаева С.Л., Нестерова В.Н., Меледина В.Г., Зиброва В.А., Двойнишникова C.B., Скворцова Б.В., Жиганова И.Ю., Борминского С.А., и включает в себя разработку и исследование созданных с участием автора оригинальных конструкций оптоэлектронных устройств дистанционного контроля ГППО.

Целью работы является разработка оптоэлектронных методов и устройств дистанционного контроля геометрических параметров профильных объектов, с расширенными функциональными возможностями.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1. Анализ достижений в области оптоэлектронных дистанционных измерений и контроля ГППО и выявление основных направлений и концепций их развития.

2. Теоретические исследования общего принципа формирования измерительной процедуры, связанной с получением плоского изображения объекта.

3. Теоретический анализ и разработка функции преобразования оптоэлектронных методов измерений с угловым лазерным и линейным сканированием объекта.

4. Разработка научных основ и функции преобразования устройства групповых дистанционных измерений геометрических параметров цилиндрических объектов.

5. Разработка структурных и функциональных схем устройств измерения ГППО, схем и алгоритмов обработки сигналов.

6. Метрологический анализ и экспериментальные исследования созданных устройств, разработка методов повышения точности измерений.

Методы исследований

При решении поставленных задач использовались теория анализа и синтеза информационно-измерительных устройств, теория погрешностей, методы дифференциального, интегрального и операционного исчислений, аналитическая геометрия. При моделировании и проведении численных расчетов на ЭВМ использовался математический пакет МАТНСАБ.

Научная новизна

1. Теоретические основы оптоэлектронного метода контроля с угловым лазерным сканированием, описывающие измерительную процедуру при съемке объекта под разными углами с контролем лазерным дальномером расстояния до отдельных точек поверхности. Функции преобразования измерительного устройства, связывающие пространственные координаты объекта и его плоского изображения на основе аппроксимации поверхности набором плоскостей, построенных по калибровочным точкам.

2. Теоретический анализ дистанционного метода контроля объекта с линейным сканированием, описывающий измерительную процедуру при смещении телекамеры на фиксированные расстояния по трем координатам. Функция преобразования измерительного устройства, связывающая координаты объекта и его плоского изображения на основе кусочно-линейной аппроксимации его поверхности.

3. Теоретическое обоснование группового контроля геометрических параметров труб, расположенных в один слой на раскаточном столе. Методика для вычислений размеров объектов по их изображению независимо от оптических параметров объектива и угла наклона раскаточного стола.

4. Методика анализа погрешностей и аналитические выражения, определяющие метрологические требования к датчикам углов и перемещений, а также к телекамере, обеспечивающие требуемую точность измерений и контроля. Методика коррекции оптических искажений вида «дисторсия», примененная в устройстве для группового контроля длины труб.

Практическую ценность работы составляют:

1. Макетный образец оптоэлектронного устройства дистанционного контроля

ГППО с угловым лазерным и линейным сканированием.

2. Опытный образец устройства группового дистанционного контроля геометрических параметров труб.

3. Конструкторская документация созданных устройств дистанционного контроля ГППО, разработанная с использованием материалов диссертации.

4. Алгоритмы и программы обработки сигналов датчиков и реализации измерительных процедур в разработанных устройствах контроля ГППО.

Реализация результатов работы

По результатам работы изготовлено и внедрено устройство дистанционного группового контроля геометрических параметров труб в ООО «Лазерные измерительные комплексы». Материалы диссертации используются также в учебном процессе СГАУ в курсовом и дипломном проектировании.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретические основы оптоэлектронного метода контроля с угловым лазерным сканированием, описывающие измерительную процедуру при съемке объекта под разными углами с контролем лазерным дальномером расстояния до отдельных точек объекта, включающие функцию преобразования измерительного устройства, связывающую координаты объекта и его плоского изображения на основе аппроксимации поверхности набором плоскостей, построенных по калибровочным точкам.

2. Теоретический анализ дистанционного метода контроля объекта с линейным сканированием, описывающий измерительную процедуру при смещении телекамеры на фиксированные расстояния по трем координатам, включающий функцию преобразования измерительного устройства, связывающую пространственные координаты объекта и его плоского изображения на основе кусочно-линейной аппроксимации его поверхности.

3. Теоретическое обоснование группового контроля геометрических параметров труб, расположенных в один слой на раскаточном столе, включающее методику вычислений размеров объектов по их изображению независимо от оптических параметров объектива и угла наклона раскаточного стола.

4. Методику анализа погрешностей и аналитические выражения, определяющие метрологические требования к датчикам углов и перемещений, а также к телекамере, обеспечивающие требуемую точность измерений, включающую метод и алгоритм коррекции оптических искажений вида «дисторсия».

5. Результаты экспериментальных исследований и практической реализации разработанных устройств.

Достоверность результатов работы

Достоверность результатов работы определяется экспериментальными исследованиями, подтверждающими основные теоретические положения работы, которые не противоречат известным положениям в данном направлении исследований.

Апробация работы

Результаты работы доложены на конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (г.Самара 2009 - 2014 г.), Международная научно-техническая конференция «Гагарин-ские чтения» (г. Москва, 2014 г.).

Публикации

По результатам исследований и разработок опубликовано 11 работ, в том числе 3 статей в рецензируемых журналах (рекомендованных ВАК РФ), одна из которых в базе

Scopus, подано 2 заявки на изобретения.

Связь с государственными программами

Работа была выполнена при поддержке регионального общественного фонда содействия отечественной науке, 2013 г. Проект является победителем программы «СТАРТ-2013».

Личный вклад автора

Все результаты, связанные с научной новизной, получены автором лично. Экспериментальные исследования и практическое внедрение проведено при участии коллектива НИЛ-54.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 155 страницах текста, включает 42 рисунка и 11 таблиц. Список литературы состоит из 78 наименований и приложений на 33 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цель и задачи исследований, дана краткая характеристика диссертационной работы.

В первой главе дан анализ и классификация профильных объектов, номенклатура которых огромна, в том числе детали машин и летательных аппаратов, трубы, строительные конструкции. Дана классификация и сравнительная характеристики бесконтактных методов и устройств контроля ГППО, из которых выделены оптоэлектронные методы, как наиболее информативные, позволяющие создавать цифровой 3D - образ объекта и по нему вычислять размеры и анализировать форму. Определены основные направления развития оптоэлектронных дистанционных устройств ГППО, реализованные в данной работе в виде конструкций, находящихся в стадии патентования - дистанционные устройства контроля ГП с круговым и линейным сканированием, а также группового контроля ГП труб [1-13]. В данной работе ставится задача дистанционного контроля размеров с относительной погрешностью 0,2-2%. Определены проблемы, связанные с теоретическим анализом элементов заявленных устройств.

Во второй главе рассмотрены теоретические основы оптоэлектронных дистанционных устройств контроля ГППО, в частности разработаны математические модели устройств с угловым и линейным сканированием. Сущность измерительной процедуры иллюстрируется рисунком 1 и состоит в том, что объект 1 снимается телекамерой 2 и одновременно сканируется лазерным дальномером 3, которые расположены на подвижной платформе 4, способной перемещаться по трём координатам X, У, Z и вращаться по углам аи Р в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно. В процессе измерений контролируемый объект устанавливается в зоне обзора камеры. На объекте выбираются несколько контрольных точек А,, образующих массив {Ai,...Ai...A„j(i=l...п.). С помощью поворотного стола на указанные точки наводится лазерный дальномер, фиксируются углы и координаты положения поворотного стола, соответствующие этим точкам, измеряется расстояние от камеры до точки Aj, делается съемка объекта при полученных углах и положениях платформы. При этом положение объекта в кадре смещается (рисунок 2), но каждой точке поверхности измеряемого объекта A(X,Y,Z) соответствует точка на плоском изображении А (/и, ц). В измерительной процедуре имеют место быть следующие процессы. Распространение и отражение оптического сигнала от выбранной точки на поверхности объекта.

Рисунок 2 - Положения объекта в кадре при съёмке с различных точек

Формирование изображений объекта на фотоприёмнике камеры. Обработка изображений с целью получения информации о ГП объекта. В диссертации приведены основные этапы формирования изображения, которые описываются известными формулами, связывающими яркость каждой точки объекта и изображения через прямое и обратное преобразование Фурье, учитывающее оптическую функцию преобразования среды и объектива. Целью математического моделирования является определение функции преобразования между координатами точек объёмной поверхности и его плоского изображения на основе данных измерительной процедуры.

1 - объект, 2 - телекамера, 3 - лазерный дальномер,

4 — поворотная платформа Рисунок 1 - Иллюстрация к математической модели

А(Х, У,2;=Я^.а,р,р,ЛХ,ДУ,Д2; = Р(&, (1)

где ц, г\ - координаты плоского изображения, а, Д р - пространственные углы и расстояние до контролируемой точки, АХ, А У, Л2 - фиксированные смещения платформы в пространстве, Q - данные измерительной процедуры, определяемых совокупностью перечисленных параметров функции У7.

Выражение (1) подразделяется на три, связывающие каждую пространственную координату с параметрами изображения

Г = РШ г = (2)

Физически это соответствует созданию цифрового 3D - образа объекта по его плоскому изображению, по которому определяются все ГП и анализируется форма. Совокупность параметров Q избыточна, поэтому задача поиска функций преобразования (2) решена отдельно для углового, и для линейного сканирования.

При угловом сканировании АХ = AY = AZ = 0 имеем классическую сканирующую систему, реализованную в 3D - сканерах, в которых пространственные координаты каждой точки поверхности определяются по формулам: ХА, = Pa, c°s Pa, cos алп yaí = Рм cos Paí sin aA¡ > ZA¡ = PM sin PA¡ (3) Для формирования точного цифрового образа объекта необходимо много точек отражения с малым шагом сканирования. Это трудоёмко, кроме того, поверхность объекта бывает такой искривлённой, что луч лазера не возвращается в фотоприёмник дальномера. Поэтому координаты точек поверхности предложено находить с помощью изображения на фотокадре по методике, основанной на аппроксимации объекта набором плоскостей, проходящих через три калибровочные точки. В этом случае координаты произвольной точки М, находящейся между калибровочными точками поверхности

, Д, Д+1 определяются по формулам: у K3(QnMf+Tr,MfyP _ Кэпм(Хи-Л K3fjM(XM.f)

и ~ Gf+K3(QKM+TrjM) ' / м / А>

где G=(í/ -Í/-1 X^i+i)-№+i -Yi-\xz¡ -z,_i) (5)

Г=(Х;--X¡-\XY;+1 )-(X/+iXY, ),

Q=-((X,-A',_1xz¡4])-(x¡+1 -л-м xz,-z,_i)), p^-GXi-x-QYi-x-TZj-x - параметры плоскости, образованной тремя калибровочными точками с координатами.

Xj,Yj,Zj,f - фокусное расстояние, Кэ - коэффициент преобразования оптической и электронной системы, ¡iu г\м - координаты точки М на изображении.

При линейном сканировании а, Д р не используются и считаются неизвестными. В этом случае применяется линейная аппроксимация объекта, и координаты каждой точки поверхности определяются по формулам

Л

X =-

Rxf2 +RrK2 3Afí2 r+R2K2 3At¡2 r

+RzK23^4r+Afi2^12ryK2J^RTAu2r+^'l2r)

КэАрг[(Хг-Хг_])-/] , у КэАг]г[(Хг~ХГ_])-/] . V =-у-+ ¥г-\' ¿г =--+ Со;

гтте я А4+А4 _ я .. А4п+Аг>0п

1 Кх ~-=>-' кг =-т-' кг--о-

ДДГ? ДУ2 АХ„ (7)

г = 1,2...п- точки цифрового массива объекта, отсчитываемые по лучу от начала координат, Амг=Рг-Мг-1 , = - 1г-\ ■

Групповой контроль геометрических параметров труб является частным случаем реализации устройства с линейным сканированием, предназначенного для группового измерения нескольких труб, раскатанных в один слой по измерительному столу, наклонённому к горизонту. Здесь камера неподвижна, но в кадре размещаются четыре репер-ные точки, расстояния между которыми известно. Кроме того, ввиду специфики задачи

параметры оптической системы считаются неизвестными. Координаты произвольной точки М объекта определяются по формулам

где Px,Py,Pz,d- параметры плоскостираскаточного стола, оперативно определяемые из системы восьми нелинейных уравнений, составленных по реперным точкам и данным измерительной процедуры. По координатам точек поверхности находятся линейные азмеры между произвольными точками объекта, выбранными на фотокадре (формула ифагора), а также анализируется форма объекта. Выражения (3) - (8) определяют i ункцию преобразования разработанных устройств.

В третьей главе рассмотрена элементная база, схемотехника и алгоритмы обработки ^формации в оптоэлектронных дистанционных устройствах контроля ГППО. Разрабо-ана обобщённая структурная и функциональная схемы рассматриваемых устройств, одержащая комплект датчиков, ЭВМ, контроллер управления, выполненный на мик-осхеме Atmel ATMega8535. Проведен обзор технических характеристик элементной азы — лазерных дальномеров, телекамер, датчиков пространственных углов с-отладоч-íimh платами. По результатам обзора для реализации разработанных устройств выбран азерный дальномер Lecia Disto D3 ABT, имеющий погрешность измерения ±1,0 мм, тапазон рабочих температур -10-^ + 50 ОС, передачу данных по радиоканалу. Ис-ользована телекамера модели Logiteh HD Webcam С270, гироскопические датчики "лов, расположенные на отладочной плате STM32F3 DISCOVERY, которая выдаёт ^формацию о трех углах поворота платформы на ЭВМ с периодом 2-5 сек. Для уст-ойства группового контроля труб использована фотокамера Canon - 1000D с дистан-г лонным управлением и широкоугольным объективом Sigma 10-20 F4-5,6. Разработан ггоритм и программа распознавания изображения устройства группового контроля лины труб, который работает в два этапа. На первом этапе анализируется сечение по ерной реперной полосе, нанесённой на раскаточном столе, что позволяет определить оличество труб и их диаметр. Второй этап заключается в сканировании каждой трубы т черной полосы вправо и влево, в ходе чего определяется координаты концов трубы, канирование производится методом корреляции срезов с дополнительным анализом пумов, который необходим для устойчивой работы на грязных и ржавых трубах. Алго-итм работоспособен в сложных условиях эксплуатации, таких как переменное и не-табильное освещение, различный цвет объекта, грязный фон. Новизна и оригиналь-ость алгоритма состоит в том, что распознавание основано на сравнении силы отра-енного света от объекта и реперной полосы на раскаточном столе.

В четвертой главе рассмотрены виды погрешностей и сформулированы задачи етрологических исследований, заключающиеся в обеспечении требуемой точности змерения линейных размеров и формы трёхмерного объекта по его плоскому изобра-ению. Под измерением линейных размеров подразумевается определение не только пины Ljk прямолинейного отрезка, соединяющего две произвольные точки Aj и Ак объ-кта, но и длины кривой линии LSß, соединяющей выбранные точки на его поверхности, бсолютная Ajk, погрешность измерений линейного отрезка определяется по формуле

rsf оу

-jk = Ljk -Ljk(fiT]), где Ljk - длина отрезка А/\к, измеренная эталонным прибором, - длина отрезка А}Ак , измеренная по изображению и вычисленная через его

координаты по формуле.

(МП) = ^тит )-х(цр] )}2+тмк1к УУ(м ¡п} )]2+[г(мт Под анализом формы подразумевается оценка принадлежности совокупности точек {А1(Х1У121)} объекта эталонной поверхности Р{ХУ2) = 0 . (10)

Функция (10) может быть задана аналитически, или в виде цифровой модели. В идеальном случае все точки контролируемого объекта должны удовлетворять уравнению (10). Мерой погрешности служит значение функции (10) при подстановке в неё координат, полученных в результате измерений по изображению объекта

(мттмттмйг)], (11)

где х^^Ш/^ Щ/^) - координаты точек контролируемой поверхности, вычисленные

по плоскому изображению объекта. Самым жёсткой мерой погрешности может быть отклонение вычисленных по изображению координат от эталонного значения д^ = Х(щт), ч, =г,- ), Л2, = - ), или их геометрическая сумма . (12)

Общим критерием качества объекта по геометрическим параметрам является совокупность условий Ам = шах|д,| < Д0 , = шах< , (13)

где До определяет требования к устройству по определению линейных размеров, а определяет требования по оценке формы объекта. Установлено, что погрешность измерения линейных размеров Л^ связана с максимальной погрешностью измерения координат Ам соотношением о < Лд < 4зам (14)

Найдены выражения для определения основных погрешностей, состоящих из методических и инструментальных. Методическая погрешность связана с аппроксимацией поверхности набором плоскостей и определяется по формуле

,\охм^м+тгм+р\ (15)

аа = тах[-Н5—о—9-1

параметры, которой определены в (5), где Хм, Ум, '¿м- координаты точки на плоскости изображения внутри калибровочного треугольника А1+/,А,,А1+/.

Инструментальные погрешности вызываются погрешностями фотокамеры и датчи ков, которые влияют на точность определения координат поверхности объекта. По грешность фотокамеры складывается из дискретизации матрицы и искажений оптики,! определяются по формуле дф = ^о. (16)

где а - шаг матрицы, Яэ - радиус диска Эри, определяемый разрешающей способно стью оптики. Установлено, что для видимого света и оптики среднего качеств о ыо"2лш<йэ 50 5.ю-2л«-Для фотоматрицы класса 1024x1024 ячеек шаг а = 0,0081 мм

и стандартной оптики Иэ = 0,006мм, погрешность фотокамеры Дф=0,0072мм. При рас пространенном для телекамер коэффициенте преобразования оптической системь К=0.01 абсолютная погрешность измерения координат составит АФК=0.72мм, что соот ветствует требованиям при контроле размеров крупногабаритных изделий. Найден аналитическое выражение, связывающее погрешность вычисления координат с по грешностью датчика углов

РлАсоьасоь Рм+ътРжвт(а^+Д^)] соэ рыжеем-«тД^)

А рад

п п м м ^ о О О о о с> с> о

>0 1Л

О То о с> о с> о о

исунок 3 - Погрешности определения координат при разных Р и

Фиксированных а, Ду=0.01 (рад), р= 100 мм

4 мм

2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 О

(3=0

ф- 0 36 у

а,рад

р> о

<3 о

см см с> <3 о

§

о

График погрешности при фиксированных Ду и р, при изменении углов (рад) 0,35 < а < +0,35; -0,35 < р < +0,35 (±20°) показан на рисунках 3, 4.

Графики позволяют при известной погрешности датчиков углов Ду определить диапазон углов сканирования, при которых погрешность определения координат поверхности не превысит допустимую. Для стандартного оборудования Ау=0.0017(рад.)(0,1 °), 11л=0,3мм, Ап=0.1мм, До =0,2мм, АФК=0,72мм. Получены количественные оценки погрешностей - для устройств с угловым лазерным сканированием Д2 = 1.603 мм , для устройств с линейным сканированием, ДЕ =0,86мм, для устройств групповых дистанционных измерений Д£ =0,72мм. Наимень-

<М СМ СО СП

о с> о о

исунок 4 - Погрешности определения координат при разных а и шксированных р, Ду=0.01(рад), р= 100мм

шую теоретическую погрешность имеют устройства с групповым дистанционным измерением, так как процедура

змерения использует только фотокамеру и никаких других датчиков. Расчеты показа-[и, что все составляющие погрешностей соизмеримы. Наибольший вес имеют погреш-ости от датчиков углов, зависящие от расстояния до объекта, которое при измерениях лазерным сканированием необходимо уменьшать и использовать полный экран на зображении. Однако это приводит к увеличению оптических искажений, особенно исторсии, которая состоит в том, что прямые линии, не проходящие через центр опти-

ческой системы, превращаются в кривые. В разработанном устройстве группового контроля труб дисторсия компенсируется по следующей методике. Делается фотография испытательного листа с квадратной координатной сеткой, реперными точками А, В, С, Б и сравнивается с эталоном. Определяются скорректированные координаты цА , т)А , цВ ,г|В, ¡лС ,т)С, цО ,тр реперных точек по формулам

/Г =Мц+(р-Мц){1+а[(М-Мц?+(Ч-Щ)2'}, тГ = Пц ЧЛ'Щ^+^-Иц)2+(П~т1ц)2'^ где цц, г)ц - координаты центра линзы на экране.

Определяются расстояния между реальными и идеальными позициями реперных точек

Ь'^л-^Мъ-^Г? (19)

По аналогичным формулам определялись значения АВ, АС, ДО. Методом последовательных приближений подбирался коэффициент а, чтобы для всех реперных точек указанная разность была меньше допустимой: аа < &(], АВ ^ Ад >дс £ до'АО ~ Л0' РазРаб°"

тана программа для поиска коэффициента коррекции по приведённому алгоритму и дальнейшего пересчета координат изображения по уравнениям (18, 19). Для разработанного устройства такой коэффициент был найден и составил а = 1,944 ■ /О'8• Введение данного коэффициента позволило значительно повысить точность контроля крупнога-

В пятой главе описаны экспериментальные исследования, целью которых являлись, подтверждение основных теоретических положений оценка метрологических и эксплуатационных характеристик разработанных устройств. Изготовлен и испытан макетный образец оптоэлектронного устройства, с возможностями как углового лазерного, так и линейного сканирования, показанный на рисунке 5. На рисунке 6 изображено окно разработанной программы протоколирования и обработки результатов измерений. Разработана программа испытаний и методика обработки результатов, проведена калибровка разработанных устройств на эталонных образцах, отладка программных продуктов на тестовых задачах. В окне отображаются координаты контрольных точек А1 (X, У,Ъ) в пространстве и на изображении А, (/л,г]), расстояния между контрольными точками, координаты даны относительно точки Ао(0,0,0). Указав мышкой произвольную точку В* на изображении про-Рисунок5-Макетный образец лазерно- грамма автоматически по формулам (3) - (5) телеметрического усхройствас угловым и вычисляет координаты этой точки в линейным сканированием

пространстве, а также заполняет таблицу расстояний между этими точками. Координа-

ты вычисленных по изображению точек проверялись с помощью лазерного дальномера и датчиков углов и совпадали с погрешностью 3%._

Рисунок 6 - Окно программы протоколирования и обработки результатов для устройства

с угловым сканированием

Запись 2 из 2. Сделана 08-07-2013 в 12:27 2 Всего труб 30, суммарная длина 260,65 м.

оординаты точек поверхности объекта, от которых нет отражения лазерного луча, роверялись по расстояниям между точками на изображении и совпадали с погрешно-тью 5%. Экспериментально исследовалась методика создания цифрового З-О образа объекта «Звезда» при линейном сканировании. Для этого делалось четыре съемки объ-кта при начальном положении и при смещениях по осям X, У, Ъ на 20мм относительно [сходной точки (рисунок 2)._

По разработанной методике вычислялись масштабирующие коэффициенты и облако точек объекта, которое на выпуклых частях с погрешностью 5% совпадало с облаком, полученным методом углового лазерного сканирования и подтверждали корректность разработанной методики измерений и функций преобразования разработанных устройств. Проведён монтаж и производственные испытания опытного образца устройства группового контроля геометрических параметров труб в цеховых условиях, а также метрологическая оценка полученных результатов.

кно программы обработки информации и протоколирования результатов измерения эказано на рисунке 7. Проводилось измерение длины каждой трубы, а также суммар-

Рисунок 7 - Окно программы обработки информации для устройства группового контроля труб

ной длины труб, находящихся на рабочем столе. В каждом испытании выводилась следующая информация: изображение раскаточного стола и таблица измерений - количество труб и их длина, а также график изменения яркости среза по реперной полосе.

В результате производственных и лабораторных испытаний устройства дистанционного контроля длины труб получены следующие технические характеристики (таблица 1).

Таблица 1. Технические характеристики устройства

Наименование Значение

Область захвата камеры, не менее 12x6 м

Погрешность измерения длины < 20 мм

Диапазон измеряемых длин 7- 12м

Диаметр измеряемых труб 20- 150 мм

Количество одновременно присутствующих на столе труб 1-50

Диапазон рабочих температур окружающей среды -10 +40

Помимо повышения точности измерений разработанное устройство позволяет по высить культуру и производительность труда, получить экономический эффект.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны научные основы оптоэлектронных дистанционных методов кон троля геометрических параметров объемных объектов, описывающие основные этапь формирования измерительной информации, включающие съемку, калибровку и обра ботку изображения. Разработаны теоретические основы оптоэлектронного метода кон троля с угловым лазерным сканированием, описывающие измерительную процедур при съемке объекта под разными углами оптической оси телекамеры с контролем лазер ным дальномером расстояния до отдельных точек поверхности. Найдена функция преоб разования устройства, связывающая пространственные координаты объекта и его плоско го изображения на основе аппроксимации поверхности набором плоскостей, построен ных по калибровочным точкам.

2. Проведен теоретический анализ дистанционного метода контроля объекта линейным сканированием, описывающая измерительную процедуру при смещении те лекамеры на фиксированные расстояния по трем координатам. Найдена функция пре образования измерительного устройства, связывающая пространственные координат объекта и его плоского изображения на основе кусочно-линейной аппроксимации ег поверхности.

3. Дано теоретическое обоснование группового контроля геометрических пара метров труб, расположенных в один слой на раскаточном столе. Создана методика да вычислений размеров объектов по их изображению независимо от оптических параме' ров объектива и угла наклона раскаточного стола. Разработан алгоритм распознавай» и вычисления длины труб по изображению на раскаточном столе, который работоспо собен в сложных условиях эксплуатации, таких как переменное и нестабильное осв( щение, различный цвет объекта, грязный фон.

4. Метрологические исследования разрабатываемых устройств показали, что уш версальной мерой погрешности является отклонение вычисленных по изображенш координат поверхности от эталонного значения, которая является основой для оценк формы объекта и погрешности измерения его линейных размеров. Основные погреп

ости складываются из методических и инструментальных, значения которых зависят т выбора места и числа калибровочных точек, кривизны контролируемой поверхности, ara сканирования, связанного с погрешностями применяемых датчиков угловых и инейных перемещений. Разработана методика анализа погрешностей и получены ана-итические выражения, определяющие метрологические требования к датчикам углов и еремещений, а также к телекамере.

5. Повышение точности разработанных устройств связано с конструкционными, юграммными и комбинированными методами, основными из которых являются ка-

ибровка с увеличением числа эталонных точек, повышение разрешающей способности птики и уменьшение шага квантования фотоматрицы. Разработана методика и про-амма коррекции оптических искажений вида «дисторсия», примененная в устройстве я группового контроля длины труб.

6. Испытания макетного образца устройства с угловым и линейным сканировани-м подтвердили корректность математической модели, положенной в основу процеду-ы измерений. Цифровые образы объекта, созданные различными способами, совпали с огрешностью 5%. Испытания опытного образца устройства дистанционного группо-ого контроля длины труб, проведённые в лабораторных и цеховых условиях, подтвер-или корректность теоретических положений, программ и алгоритмов, положенных в снову измерительной процедуры, и выявили удовлетворительные характеристики из-елия. Относительная погрешность измерения длины не превысила 0,2%. Результаты недрены в ООО «Лазерные измерительные комплексы», а также в учебном процессе ГАУ.

Основное содержание диссертации опубликовано в изданиях, рекомендован-ых ВАК

. Скворцов, Б.В. Оптоэлектронное устройство дистанционного измерения геометри-еских параметров профильных объектов/ Б.В. Скворцов, А.Н. Малышева-тройкова, И.Ю. Жиганов // Измерительная техника—2014. -№7. -С.26-29. . Скворцов, Б.В. Математическое моделирование и расчет распространения направ-енных импульсов в неоднородных поглощающих средах / Б.В. Скворцов, А.Н. Ма-ышева-Стройкова, Д.Б. Скворцов // Вестник Самарского государственного техниче-кого университета. Серия «Технические науки».-2012.-№1(33).-С.66-73. . Солнцева, A.B. Применение метода совокупно-косвенных измерений при мониторинге езервуарных парков / А.В.Солнцева, С.А. Борминский, Е.А. Силов, А.Н. Малышева-тройкова // Известия Самарского научного центра РАН. - 2013.-Т15, №6.-С.6-10.

В других изданиях

. Скворцов, Б.В.Оптоэлектронные методы и устройства дистанционных измерений еометрических параметров профильных объектов: Монография/ Б.В. Скворцов, И.Ю. 'иганов, А.Н. Малышева-Стройкова- Germany: LAP LAMBERT Academic ublishing GmbH&Co.KG, 2012. - 313c.

. Борминский, С.А. Установка дистанционных групповых измерений геометрических араметров крупногабаритных объектов/ С.А. Борминский, А.Н. Малышева-тройкова // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «Ак-'альные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций».-Самара, 2011 .-С.205-208. . Малышева-Стройкова, А.Н. Оптоэлектронное устройство дистанционного измере-

\

г

16 ,//;

^

ния геометрических параметров профильных объектов/А.Н. Малышева-Стройкова, И.С. Зарецкий//Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций».— Самара, 2013.

7. Скворцов, Б.В. Телевизионное устройство дистанционного измерения геометрических параметров профильных объектов/ Б.В. Скворцов, С.А. Борминский, А.Н. Малышева-Стройкова // Сборник Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций".-Самара, 2012-С.240-244.

8. Скворцов, Б.В. Экспериментальные исследования системы автоматического нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубы / Б.В. Скворцов, М.И. Голикова, С.А. Борминский, А.Н. Малышева-Стройкова // Вестник Самарского отделения Поволжского центра Метрологической Академии России «Информационные, измерительные и управляющие системы». — Самара, 2012.

9. Заявка № 2012112171/018363,МПК С01В 11/12. Телевизионное устройство измерения геометрических параметров профильных объектов/ Скворцов Б.В., Борминский С.А., Жиганов И.Ю., Малышева-Стройкова А.Н; заявл. 28.03.12.

10. Заявка № 2013114340/021185, МПК О 01В 21/28, в 06К 9/52. Устройство дистанционного измерения геометрических параметров профильных объектов / Скворцов Б.В., Борминский С.А., Блинов Д.И., Малышева-Стройкова А.Н; заявл. 29.03.13.

11. Малышева-Стройкова, А.Н. Оптоэлектронное устройство дистанционного измерения геометрических параметров объектов/ А.Н. Малышева-Стройкова, Д.М. Жи-воносновская // Сборник трудов Международной научно-технической конференции «40-ые Гагаринские чтения». - М., 2014. -С.73-75.

Подписано в печать 29.08.2014г. Объем - 1,0 усл. п. л. Тираж 100 экз. Отпечатано в СГАУ 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34