УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ КООРДИНАТ ОБЪЕКТА (3D-СКАНЕР)

Полезная модель относится к области цифровой измерительной техники, а именно - к бесконтактным измерительным устройствам, определяющим координаты поверхности объемных тел путем использования ультразвуковой волны для последующего построения пространственной модели объекта, и может быть применена, например, в робототехнике, приложениях компьютерной трехмерной графики, промышленном дизайне, интерактивных компьютерных играх, кинематографии, машиностроении, медицине, судебно-медицинской экспертизе и т.д.
Из уровня техники известен сканер для ультразвукового контроля колесных пар, выполненный в виде горизонтально расположенной платы, установленный на портале с возможностью вертикального перемещения, содержащий пять сканирующих устройств: 1 - для контроля диска колеса с поверхности катания; 2 - с боковой поверхности обода; 3 - оси колесной пары по цилиндрической поверхности и 4, 5 - с торца, 6 - на подступичной части оси колесной пары, а также механизм фиксации обода диска колеса (см. патент на полезную модель №48226 «Модуль сканеров для ультразвукового контроля колесных пар», дата подачи 20.04.2005 г., опубликовано 27.09.2005 г.).
Недостатком данного ультразвукового сканера является ограниченность его сфер применения, так как схема расположения отдельных сканирующих устройств полностью определяется конфигурацией сканируемого объекта, а именно, колесной пары.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемой полезной модели является устройство для ультразвукового исследования, предназначенное для диагностирования состояния кровеносного сосуда путем использования ультразвуковой волны, включающее блок излучения ультразвукового сигнала, блок приема ультразвукового эха, блок обработки информации амплитуды, блок обработки информации фазы, блок детектирования границы для детектирования распределения границы между областью тока крови и внутренней оболочкой и границы между средней оболочкой и адвентициальной оболочкой и блок вычисления величины ТИМ (см. патент №RU 2403866 «Устройство для ультразвукового исследования», дата подачи 13.03.2007 г., опубликовано 20.11.2010 г.).
Недостатки прототипа обусловлены необходимостью участия оператора в процессе сканирования объекта, а также возможностью получения только двумерного изображения объекта.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является создание компактного универсального устройства с расширенными функциональными возможностями, включающими, в том числе, самокалибровку и получение трехмерного (3D) изображения сканируемого объекта.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для бесконтактного определения трехмерных координат объекта (3D-сканер), включающее блок излучения ультразвукового сигнала в направлении объекта, блок приема отраженного от объекта ультразвукового сигнала, блок обработки информации, согласно полезной модели содержит, по меньшей мере, четыре модуля, каждый из которых выполнен с возможностью излучения ультразвукового сигнала в направлении объекта, приема и усиления отраженного от объекта ультразвукового сигнала, а также с функциями цифровой обработки сигнала в микроконтроллере, обеспечивающем генерациюмодулированного сигнала, цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование сигнала, обработку полученной информации, при этом любой из модулей, взятый в качестве управляющего и представляющий собой блок первичной обработки информации, полученной со всех модулей, производит самокалибровку устройства и подключен к блоку вторичной обработки информации, получаемой со всех модулей.
В качестве блока вторичной обработки информации используют, например, ПК.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемой полезной модели, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели такому условию патентоспособности как «новизна».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного осуществления заявляемого устройства.
Увеличение числа сканирующих модулей до четырех не только позволяет получать трехмерное (3D) изображение объекта, но и производить самокалибровку устройства с учетом погрешностей текущих измерений.
Выполнение модулей идентичными с функциями микроконтроллера, позволяет производить их соединение друг с другом в любом порядке, например, последовательно или параллельно, преимущественно, во взаимно ортогональных плоскостях, а также выбирать один из них в качестве управляющего модуля, принимающего информацию со всех остальных модулей, производящего первичную обработку всей полученной информации и передающего первично обработанные данные на подключаемый к нему блок вторичной информации, например, ПК.
Кроме того, управляющий модуль одновременно производит самокалибровку устройства с учетом погрешностей измерений.
Процесс самокалибровки включает в себя внесение данных в ПК, касающихся сведений о расстояниях между модулями, и осуществляется следующим образом. От излучателя одного из модулей посылается сигнал в направлении приемников остальных модулей. Сигнал, достигший приемников быстрее всех, предположительно будет считаться прямым и, следовательно, данное расстояние будет считаться кратчайшим. Из полученных длин кратчайших отрезков составляют и получают координаты нахождения модулей. В случае изменения или отклонения модулей от своего предыдущего местоположения ПК записывает новые относительные координаты модулей, что позволяет получать координаты объекта относительно управляющего модуля более точными. Благодаря самокалибровке, устройство учитывает погрешность координат объекта.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где
Фиг.1 - вариант схемы расположения модулей 3-D сканера в пространстве;
Фиг.2 - схема единичного модуля (например, 1.1) устройства для бесконтактного определения трехмерных координат.
Устройство для бесконтактного определения трехмерных координат объекта представляет собой систему, состоящую из, по меньшей мере, четырех идентичных модулей 1.1-1.4, соединенных между собой, при этом каждый модуль содержит ультразвуковой излучатель сигнала 2.1-2.4.
Кроме того, каждый модуль включает приемник 3.1-3.4 и усилитель 4.1-4.4 отраженного от объекта сигнала. В качестве усилителей применяют, как правило, операционные усилители.
Сбор и обработка информации в каждом модуле осуществляется с помощью микроконтроллеров 5.1-5.4, при этом разрядность микроконтроллера составляет не менее 16 бит.
Каждый микроконтроллер обеспечивает выполнение таких функций, как генерация электрического сигнала, подаваемого на ультразвуковой излучатель, управление приемом и усилением отраженного от объекта сигнала, цифровая обработка полученного сигнала, передача полученных результатов на модуль, выбранный в качестве управляющего, в качестве которого может быть использован любой из четырех, например, 1.1, который осуществляет первичную обработку уже всей информации, полученной со всех модулей с целью получения координат исследуемого объекта, а также последующую передачу полученной и обработанной от всех модулей информации на блок вторичной обработки информации 6, в качестве которого применяют ПК.
Помимо этого, управляющий модуль производит самокалибровку устройства.
Порядок соединения модулей 1.1-1.4, приведенный на фиг.1, представляет собой только один из возможных вариантов осуществления полезной модели. На практике могут быть реализованы различные варианты расположения модулей 1.1-1.4.
Осуществление полезной модели подтверждается примерами конкретного выполнения.
Предлагаемое к защите устройство работает следующим образом.
При проведении сканирования модули устройства должны быть надежно зафиксированы, чтобы исключить возможность их произвольного перемещения во время работы, что достигается посредством использования различных штативов и регулируемых универсальных подставок (на чертеже не показаны).
Сгенерированный микроконтроллером 5.1-5.4 сигнал подается на излучатель 2.1-2.4 модулированным, что позволяет приемнику 3.1-3.4 отличать сигнал от фона.
Модулированный электрический сигнал, сгенерированный с помощью микроконтроллера 5.1-5.4, направляются на мембрану ультразвукового излучателя 2.1-2.4, который превращает его в акустический и, в свою очередь, направляет в сторону исследуемого объекта.
Акустический сигнал, достигая объекта, отражается от него и поступает в приемник 3.1-3.4, где преобразуется снова в электрический, а затем поступает на усилитель 4.1-4.4. Усиленный электрический сигнал поступает на вход АЦП микроконтроллера 5.1-5.4, где преобразуется в дискретный временной ряд, который анализируются программой микроконтроллера. Время, прошедшее между моментом излучения сигнала и моментом, когда отраженный импульс достиг приемника, используют для вычисления расстояния до исследуемого объекта.
Первичные временные ряды, содержащие информацию обо всех координатах объекта, сначала обрабатываются микроконтроллерами 5.1-5.4, а затем передаются на управляющий модуль, например, 1.1, в котором происходит первичная обработка уже всей полученной с модулей 1.1.-1.4 информации и формируется «облако точек». Данное «облако» передается на блок вторичной обработки информации 6, при этом ПК обрабатывает данную информацию и производит вычисление координат объекта по трем ортогональным направлениям (3D-объект) с последующей визуализацией полученных результатов на мониторе.
В заявляемом устройстве для связи с ПК 6 используют универсальный высокоскоростной интерфейс, например, USB, который обеспечивает необходимую пропускную способность для передачи информации от каждого сканирующего модуля 1.1-1.4.
Питание на микроконтроллеры 5.1-5.4 подается по USB интерфейсу (на чертеже не показан).
Создание компактного устройства достигается в том числе, путем использования smd-компонентов.
Применение заявляемого устройства для бесконтактного определения трехмерных координат объекта позволяет получить и построить его трехмерное изображение.
Универсальность устройства обеспечивается за счет возможности расположения его модулей в пространстве в любой последовательности, в разных плоскостях, при этом компактность устройства сохраняется.
Кроме того, устройство производит самокалибровку.