Стереоскопический способ определений положения и формы объектов с контролем достоверности
OBJECTS POSITION AND FORM DEFINITIONS STEREOSCOPIC METHOD WITH THE RELIABILITY CONTROL

Изобретение относится к области метрологии, в частности к способам и средствам измерения на расстоянии пространственного положения и линейных размеров и формы объектов с заданной относительной погрешностью.
Известен метод центрального проектирования, обеспечивающий построений образов объектов в проективной системе координат, выбранный в качестве аналога. При использовании метода центрального проектирования объект отображается в перспективе, который соответствует реальному наблюдению окружающих объектов. Для описания выполняемых построений используют проективную систему координат, а для ее выполнения используют постулаты лучевого распространения информации (лучи не имеют ширины, объекты представляют в виде точек, скорость передачи информации - постоянна), которые не выполняются на практике и являются допущениями. Это ведет к необходимости использования итерационных методов для аналитического описания результатов измерений.
Проекции положения точек, ограничивающих размеры сторон объекта при построении в проективной системе координат, изменяются не только от отстояния, но и от пространственной ориентации сторон объекта относительно оси наблюдений измерителя, что ведет к неопределенности их положений на измерительной оси системы координат при проецировании. Она проявляется при измерении линейных размеров и является причиной появления дальней и ближней зон измерений. Погрешность носит систематический характер и возникает при перемещении измерителя или объекта из дальней в ближнюю зону, так как момент перехода не фиксируется, а по природе возникновения она имеет случайный характер [5]. Для учета ее Международная метрологическая служба ввела параметр неопределенность, который оценивают методом математической статистики [1], а ее природа является причиной многочисленных аварий.
Известен стереоскопический способ определения пространственного положения точек на объекте от измерительной базы, размеры которой служат мерой измерений, на концах которой установлены два измерителя, с параллельными осями наблюдений, центральную ось которых направляют на точки объекта, путем поворота измерительной базы, и получении ее перспективных отображений на измерительных осях координат, обладающих требуемой дискретностью, выбранный в качестве прототипа, включающий проецирование образов точек и центра базы на измерительные оси системы координат; оценку отстояния проекций наблюдаемой точки от центра базы; обеспечение равенства проекций положения точки от центра базы, путем ее вращения; вычислений отстояний наблюдаемой точки на объекте в пространстве от базы, используя базу, как меру измерений, а центр базы, как опорную точку.
Известны также аналоги стереоскопического способа измерений волновых процессов в других частотных диапазонах: в диапазоне электромагнитных полей и гидроакустике - фазовый и частотный способы [2, 3]; в сейсмике - метрика 2D и 3D [4].
Стереоскопический способ определения отстояний положений точек на объекте, выбранный в качестве прототипа, имеет недостаточную точность и надежность, связанную:
- с отсутствием контроля достоверности проецирования линейных отрезков, связанных с различием в ориентации каждой стороны объекта относительно осей каждого измерителя, что приводит к изменению ее отображения на оси координат;
- с отсутствием оценки трансформации меры измерений проекций для каждой точки от ее положения и ориентации относительно осей каждого из измерителей.
Эти погрешности носят случайный характер и являются второй причиной ввода международной службой метрологии параметра «неопределенность», которая характеризует относительную статистическую погрешность, связанную с применением единой меры для оценки положения проекции каждой точки объекта на оси измерений [7-8].
Введение параметра неопределенность снижает доверие к измеренной информации и ведет к невозможности установления достоверных зависимостей, отражающих связь измеряемых параметров на оси координат с размерами образов и с реальными объектами.
Целью данного изобретения является обеспечение достоверности измерений проекций положения и линейных размеров объектов при использовании стереоскопического способа измерений.
Дальнейшее изложение основано на строгом выполнении двух постулатов геометрии и метрологии:
- Измерить можно только прямолинейные отрезки, в качестве которых могут быть использованы проекции отрезков на осях координат.
- Достоверность отображений может быть определена только на основе сравнения длин прямолинейных отрезков.
Достижение указанной цели обеспечивается тем, что в известном стереоскопическом способе определения пространственного положения точек на объекте от измерительной базы, размеры которой служат мерой измерений, на концах которой установлены два измерителя, с параллельными осями наблюдений, центральную ось которых направляют на точки объекта, путем поворота измерительной базы, и получении ее перспективных отображений на измерительной оси системы координат, обладающей требуемой дискретностью, включающий проецирование образов точек и центра базы на измерительные оси системы координат; оценку отстояния проекций наблюдаемой точки от центра базы; обеспечение равенства проекций положения точки от центра базы, путем ее вращения; определение масштаба измерений положения точки; вычислений отстояний наблюдаемой точки на объекте в пространстве от базы, используя базу, как меру измерений, а центр базы, как опорную точку; для обеспечения достоверности измерений проекций положения и размеров сторон объекта на направление базы, дополнительно включают в параметры базы отстояние измерителей от измерительной оси системы координат (база характеризуется двумя параметрами: длиной и шириной) и нормируют базу заданной дискретностью, проецируя нормированную длину базы на измерительную ось системы координат; обеспечивают равенство проекций границ периметра объекта каждым измерителем для обеспечения достоверности его проецирования; выполняют оценку масштаба проекции каждой точки на измерительную ось, по равенству отображений проекций базы из этой точки по ширине и длине базы, а вычисление положения и размеров сторон объекта выполняют путем аддитивного суммирования проекций отстояний ограничивающих их точек через два измерителя и масштабов их отстояний.
Пример выполнения заявляемого изобретения.
На фиг. 1 показан стереоскопический способ определений положения и формы объектов с контролем достоверности
На фиг. 2 приведена структурная блок схема устройства, реализующего стереоскопический способ, которая может быть реализована любым из устройств, приведенных в источниках [9-12].
Измерительное устройство, показанное на фиг. 2, состоит из двух измерителей 1 и 2, оси которых параллельны, установленных на базе, между которыми размещен измеритель длины базы 3, блок управления 4, опорный генератор 5 и механизм поворота базы 6.
1
2
1
1
2
2
Рассмотрим плоскостную задачу (фиг. 1), в которой показан прямоугольный объект A'B'C'D', граничные точки которого выделены, имеющий длину D и ширину B, отображения которого проецируется на измерительную ось Г стереоскопической системы координат YYГ. Измерительные устройства 1 и 2 находятся на базовой оси стереоскопической системы координат (YГ), их оси направленности параллельны и являются осями локальных систем координат YГ, YГ. Расстояние между измерителями является длиной базы (d), а расстояние между измерителем и плоскостью измерений - шириной базы (f). Для оптических измерителей ширина базы задается их фокусным расстоянием f а для измерителей электромагнитных полей задается длинной волны принимаемого сигнала (f=N⋅λ/2, где N=1,2,3…).
1
2
1
2
A
B
Наблюдаемый периметр объекта каждым измерителем показан вектором, как на объекте, так и на его проекциях на оси Г. На измерительной оси Г получены два отображения проекции периметра объекта A'B'C'D', которые не равны и обозначены  и . Поворачиваем ось наблюдений Y стереоскопической системы координат, так, чтобы обеспечить равные значения образов периметра объекта  и . На фиг. 1 показан поворот объекта A'B'C'D', а не базы измерений, который заняв положение ABCD, обеспечит равные проекции периметра Р=Р на оси измерений Г. В этом случае на измерительной оси Г будут получены равные отображения периметра объекта Р=Р и равные проекций длины базы, полученные соответственно из граничных точек на объекте А и В, лежащих на периметре, то есть d=d.
Проективные лучи для построения различных образов объекта выделены: для периметра - сплошные, для точек расположенных внутри каждого периметра - штрихпунктирные, для точек расположенных вне периметра, которые можно увидеть при отображении полей - штриховые линии. Равенство двух образов периметра объекта свидетельствует о достоверности их отображений в парной проективной системе координат, которой и является стереоскопическая система.
1
2
A
B
C
Д
A
A
При равенстве образов периметра объекта полностью выполняются условия точности плоскостных измерений в стереоскопической системе координат, в которой функции тангенса и котангенса параллактического угла играют роль масштаба преобразования отстояния точки в размер базы в опоре на длину d или ширину f базы. Это позволяет в условиях измерений в стереоскопической системе координат оценивать масштаб преобразований положения каждой точки, зная эти два параметра базы, которые известны при их использовании. В результате измерений при равенстве P=Pопределены d, d, d, d, известны d, f и необходимо определить L, Г, D, B:
А
где М - масштабный коэффициент отстояний точки А на объекте;
f, d-размеры базы (отстояние и длинна базы);
A
d - размер проекции базы из точки А на измерительной оси;
A
L - отстояние центра базы от точки А по оси Y;
A
D - отстояние центра базы от точки А по оси Г.
При наблюдении разных точек объекта по вертикали постоянство ширины базы позволяет по изменениям размеров проекций периметра учитывать пространственный параллактический угол в плоскости ортогональной плоскости наблюдений и достоверно определять требуемые параметры.
1
2
C
Д
1Д
2Д
При равенстве проекций периметра Р=Р проекции длины базы, полученные соответственно из граничных точек С и Д также будут равны d=d (объект прямоугольный). Одновременно ширина прямоугольника В, находясь в параллактическом угле при вершине Д, отобразится двумя проекциями В и В, сумма отношения которых к ширине прямоугольника В пропорциональна отношению длины базы к ее отстоянию от точки Д, то есть:
Аналогично могут быть определены геометрически все наблюдаемые линейные размеры объектов. Количество используемых зависимостей для определения любого из линейных параметров равно 6:
Таким образом, требуемые параметры положения и размеров сторон объекта определены аддитивным методом - суммированием.
Однако при измерении в общем случае все стороны объекта увидеть невозможно. Для этого необходимо наблюдать объект в ортогональных направлениях, при этом наблюдаемые проекции сторон объекта необходимо суммировать мультипликативно.
Все измерения линейных размеров на отстоянии выполняются с использованием волновых полей различного частотного диапазона и физической природы. При измерении полей не светового диапазона изменяется характер отображения образов полей, которые содержат информацию о размерах объекта внутри измеряемого образа поля, который заключен в периоде или в замкнутой группе периодов. При этом замкнутость группы периодов обеспечивает равенство суммы измеряемых параметров нулю, что обеспечивает, в соответствии с теорией регуляризации некорректных задач по Тихонову, возможность их аналитического решения, которое и рассмотрено для случая контроля достоверности полученных проекций линейных размеров по проекции его периметра.
Измерительное устройство работает следующим образом.
1
2
0
Сигналы от измерителей 1 и 2 поступают в блок управления 4, в котором сигналы разворачивают на общей измерительной оси и выбирают, принадлежащие одному объекту по характерным свойствам (близкие амплитуды и протяженности). Одновременно из генератора 5 опорная частота поступает в блок измерения длины базы 3, блок управления 4 и механизм поворота базы 6. В блоке измерения длины базы 3 выполняется непрерывная нормировка базы в мерах частоты опорного генератора. В блоке управления 4 сравниваются протяженности сигналов от измерителей 1 и 2, выбранного объекта P и Р, и вырабатывается сигнал поворота базы для обеспечения равенства их протяженностей. Механизм поворота базы 6, синхронизированный частотой опорного генератора, поворачивает базу до обеспечения равенства протяженностей сигналов от выбранного объекта. После этого блок управления 4 выдает команду в блок измерения длины базы 3, которая выдает в блок 4 число импульсов опорной частоты в длине базы N и опорную частоту этого промежутка времени.
В блоке управления 4:
A
B
C
Д
A
B
С
- выделяют все особые точки в образах объекта, например ABCD, как показано в описании способа, и нормируют для каждой точки проекции базы d, d, d, d, соответственно на N, N,  N, Nд;
А
B
C
Д
- вычисляют масштабные коэффициенты М, М, M, М по выражению (1), заменяя соответствующие значения, например:
- вычисляют пространственное положение каждой из точек ABCD по выражению (2).
Все последующие вычисления выполняют по необходимости по оценкам проекций сторон объекта на направление базы.
Вычисление масштабных коэффициентов обеспечивает индивидуальное нормирование меры для каждой точки, наблюдаемой на объекте. При этом нормировка длины базы не стабильной частотой опорного генератора и проецирование делений на проекцию базы позволяет дополнительно повлиять на оценку разрешающей способности измерений ε, которая для каждой точки измерений будет различна и равна:
А
Где ε - разрешающая способность измерений положения точки А;
0
9
N - число делений, на которое разделена база в момент измерений, например 10;
А
A
9
М - масштабный коэффициент отображения положения точки А, например M=l0.
A
-18
Тогда разрешающая способность и относительная погрешность измерений положения точки А будет равна ε=10. Добиться такой разрешающей способности другими способами невозможно. Разрешающая способность оценки каждой стороны объекта и определяет достоверность ее измерения. Достоверность измерений формы объекта оценивается как средняя оценка достоверности всех его сторон.
При этом на результаты измерений не будет влиять ни стабильность опорного генератора, обеспечивающего деление длины базы измерений, так как число делений входит одновременно и в меру измерений и в измеряемую величину. Не будут влиять и ни внешние и ни внутренние помехи, так как они одновременно отображаются в образах измеряемых параметров наблюдаемых образов, а наблюдаемые параметры не измеряются, а фиксируются по особым точкам огибающей образа (экстремальные, нулевые и точки перегиба), которые выбраны для фиксации одновременных измерений. При сравнении двух образов сравниваются их протяженности, измеряемые параметры являются метками. Высокочастотные помехи будут даже повышать точность измерений.
Относительная погрешность измерения линейных размеров при использовании способа определяется двумя относительными погрешностями, обусловленными разными техническими устройствами:
- относительной погрешностью отображения образа объекта, обусловленной разрешающей способностью работы приемных устройств или переносчика информации;
- относительной погрешностью нормирования образа объекта, обусловленной частотой развертки измерительной строки приемных устройств или дискретностью измерительной матрицы.
Отсутствие влияния случайных погрешностей на результаты измерений исключает понятие вероятности из процесса измерений, так как процесс измерений разделен на процессы отображения и нормирования, каждый из которых включает этап сравнения, что обеспечивает их достоверность.
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестны способ, в которых постулаты лучевого распространения информации выполнялись бы однозначно. Способ обеспечивает детерминированное определение положение наблюдаемой точки объекта в пространстве модельно с геометрической точностью и достоверностью. Он обеспечивает управление разрешающей способностью измерений в любой среде при использовании требуемого частотного диапазона и при этом, исключая влияние изменений окружающей среды на результаты измерений, что ранее было недостижимо.
Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций повышает точность и достоверность измерений объектов, оцениваемых количественно.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо и обосновывает необходимость использования нано технологий в измерительных процессах при возможности использовании стандартных устройств, оборудования и приспособлений.
Технико-экономическая эффективность заявленного способа заключается в возможности исключения понятия вероятности и неопределенности из процесса измерений и существенном повышении надежности при его использовании.
Литература:
1. РМГ 29-99 Основные метрологические термины и определения.
2. Пудовкин А.П., Панасюк Ю.Н., Иванков А.А. «Основы теории антенн»: учебное пособие / - Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО, ТГТУ, 2011. - 92 с. - ISBN 978-5-8265-0981-4.
3. Ю.Г. Фирсов. «Основы гидроакустики и использования гидрографических сонаров». СПб. Нестор-История, 2010. - 348 с.
4. Шевченко А.А.«Скважинная сейсморазведка». - М: РГУ нефти и газа, 2002. 129 с.
5. Гузевич С.Н. «Об одной систематической погрешности локационных измерений // «Авиакосмическое приборостроение» 2014, №10, С. 42-50.
6. Гузевич С.Н. «О допущениях при построении моделей электромагнитных полей» // «Авиакосмическое приборостроение» 2014, №11, С. 38-49.
7. Гузевич С.Н. Описание модельных построений объектов в проективной системе координат. // Прикладная физика и математика 2016, №3. С. 43-52
8. Гузевич С.Н. Достоверные измерения линейных размеров объектов в пространстве или метрология измерений // Измерительная техника, №3 2017 г.
9. Гузевич С.Н. Патент РФ №2490663 G01S 13/06 «Способ определения положения объекта относительно источника электромагнитного поля и устройство для его осуществления» Бюл.№23/2013
10. Гузевич С.Н. Патент РФ №2413240 G01С 3/00, 5/00, «Способ определения расстояния от объекта до источника электромагнитного поля и радиоприемник для его осуществления», Бюл. №6/2011
11. Гузевич С.Н. Патент РФ №2533348 С1 Оптический способ измерения размеров и дальномер-пеленгатор. Бюл.№32 /2014.
12. Гузевич С.Н. Патент РФ №2431154, G01S 13/00. Способ измерения глубин и эхолот для его осуществления. Бюл. №28 /2011