СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ОБЪЕКТАМИ
METHOD FOR MEASURING DISTANCE BETWEEN OBJECTS

Способ измерения расстояния между объектами относится к контрольно-измерительной технике, в частности к способам контроля взаимного положения объектов (или отдельных частей одного объекта) оптико-электронными методами, и может быть использован для контроля взаимного положения объектов в пространстве, для линейного контроля взаимного положения элементов крупногабаритных сооружений, соосных деталей (например, турбоагрегатов АЭС, направляющих крупногабаритных станков и т.п.), а также может быть использован в автоматизированных системах в процессе синхронизации выполнения технологических операций исполнительными звеньями механизмов.
Известен способ определения координат объекта (патент РФ №2251712 в Бюл. №13 от 10.05.2005), суть которого заключается в определении угловой координаты изображения объекта вместе с изменяющими образ элементами в поле зрения и последующем пересчете полученной величины в стабилизированную систему координат, определении величины и направления линейной скорости объекта в стабилизированной системе координат, формировании величины углового смещения в стабилизированной картинной плоскости исходя из полученной величины и координат, характеризующих линейное смещение изменяющих образ элементов относительно собственной системы координат объекта, и корректировке угловой координаты изображения объекта вместе с искажающими образ элементами в стабилизированной системе координат на величину углового смещения.
Недостатком этого способа является сложность реализации и, в следствие этого, низкое быстродействие, невысокая точность в случае наличия различного рода искажений (например, дефектов матрицы вследствие деградации или больших колебаний температуры и т.п.).
Известен способ определения взаимного положения объектов (патент РФ №2468383 в Бюл. №33 от 27.11.2012), который относится к оптическим способам определения взаимного положения и взаимной ориентации объектов. Он состоит в создании измерительной системы, состоящей из установленного на первом объекте комплекта оптических реперов, в который входят не менее трех реперных оптических излучателей, и из установленного на другом объекте оптического измерительного комплекта. Мощность излучения каждого реперного оптического излучателя модулируют на отличной от других частоте повторения, периодически вырабатывая одновременно на всех частотах временные метки. С помощью оптического измерительного комплекта определяют углы визирования каждого реперного оптического излучателя и разности между расстоянием до произвольно выбранного реперного оптического излучателя и расстояниями до остальных реперных оптических излучателей и по этим данным вычисляют параметры взаимного положения объектов.
Недостатком этого способа является сложность реализации, невысокая точность, когда в тракте преобразования возникают различного рода помехи (например, изменения характеристик излучателя, приемников и фоновых засветок и т.п.).
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является способ измерения линейного смещения объекта, который включает формирование облученности в виде квазиточечных пятен рассеяния в плоскости изображения двух излучателей, преобразование оптического сигнала в электрический, измерение координат пятен рассеяния и определение величины смещения. Оптический сигнал в электрический преобразуют посредством ПЗС матрицы, центр которой назначается программно. По значениям координат энергетических центров тяжести первого и второго пятен рассеяния определяют координаты середины отрезка между ними по формулам:
<mrow><mi>x</mi><mo>'</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mi>y</mi><mo>'</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>y</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
и
,
где х′, y′ - координаты центра отрезка между пятнами рассеяния;
1
2
x, х - горизонтальные координаты энергетических центров тяжести первого и второго пятен рассеяния соответственно;
1
2
у, у - вертикальные координаты энергетических центров тяжести первого и второго пятен рассеяния соответственно.
Недостатком этого способа является невысокая точность в случае наличия различного рода искажений изображений и помех (например, изменения характеристик излучателя, приемников и фоновых засветок и т.п.), сложность реализации и вследствие этого низкое быстродействие.
Задачей заявляемого изобретения является создание способа измерения расстояния между объектами.
Это достигается путем того, что измерение расстояний между объектами оптическим способом, протяженность которых на изображении соизмерима с расстояниями между ними, оценивается как совокупность нескольких характеристик положения одного пятна по отношению к другому.
Суть изобретения заключается в том, что оценку положения изображений объектов в кадре проводят по параметру, который является интегральной характеристикой нескольких значимых признаков положения их, при этом значимость каждого признака определяется соответствующими коэффициентами влияния.
Технический результат заключается в обеспечении снижения требований к качеству исполнения отдельных узлов системы, реализующей предложенный способ, универсализации работы устройства, снижении требований к точности установки частей системы и упрощении настройки и эксплуатации.
Возможность осуществления изобретения подтверждается тем, что авторами проведено полунатурное моделирование процессов измерения.
На фигуре 1 приведен пример структурной схемы устройства, на котором поясняются особенности реализации предложенного способа, где
1 и 2 - объекты;
3 - фотоприемное устройство;
4 - считывающее устройство;
1
N
5…5 - блоки вычисления координат признаков положения с первого по N y каждого из объектов;
6 - блок вычисления интегрального центра каждого объекта;
7 - блок вычисления расстояния между объектами и регистрации результата.
1
N
Световой поток от объектов 1 и 2 поступает на фотоприемное устройство 3, выход которого подключен к входу считывающего устройства 4. Выход считывающего устройства 4 подключен к входам блоков 5…5 вычисления координат каждого из N признаков положения первого и второго объектов, выходы которых соединены со входом блока 6, выход которого подключен к входу блока 7.
Способ измерения электрического сопротивления изоляции иллюстрируется диаграммой, описывающей очередность выполнения операций контроля, приведенной на фигуре 2, где
8 - начало;
9 - приведение системы в исходное состояние: выбор расположения осей координат на плоскости изображения, определение значимых признаков на изображениях, характеризующих положение объектов в пространстве и друг относительно друга, а также задание весовых коэффициентов влияния;
10 - формирование изображения объектов по результатам считывания его (например, с ПЗС матрицы);
11 - вычисление координат признаков у изображения каждого объекта;
12 - вычисление координат интегрального центра изображения каждого объекта по принятому правилу суммирования координат с учетом весовых коэффициентов влияния;
13 - определение расстояния между интегральными центрами, как расстояние между объектами;
14 - конец.
4
4
4
1
1
1
2
2
2
3
3
3
На фигуре 3 представлен пример определения интегрального центра C(x,y) для трех признаков С(x,y), С(х,у), С(х,у), характеризующих положение объекта. На фигуре 4 представлен пример обработки изображений двух объектов на ПЗС матрице (размером 744×576 пикселей) для определения расстояния между ними.
Способ реализуется следующим образом (см. фиг. 1 и фиг. 2).
1
N
На стадии настройки системы принимается решение о количестве и видах значимых признаков на изображениях, характеризующих положение объектов в пространстве и друг относительно друга (например, первый признак - энергетический центр, второй - самое яркое пятно на поверхности объекта, третий - геометрический центр и т.п.), а также задаются значения весовых коэффициентов влияния, определяющих степень влияния каждого из принятых признаков на положение интегрального центра объекта. В процессе работы формируется изображение объектов 1 и 2 в фотоприемном устройстве 3. С помощью устройства 4 кадр изображения поступает в блоки 5…5, в которых вычисляются координаты признаков положения каждого объекта. Координаты интегрального центра каждого изображения вычисляют в блоке 6 по принятому принципу суммирования координат характерных признаков с учетом поправочных коэффициентов. Затем в блоке 7 вычисляют расстояние между объектами, которое определяется как произведение расстояния между интегральными центрами изображений на масштабный коэффициент, связывающий размер базового реального отрезка с размером его на кадре.
4
1
2
3
Из приведенного примера на фигуре 3 видно, что координаты интегрального центра С формируются, как среднее арифметическое координат признаков положения С, С и С по оси Х и по оси Y:
<mrow><msub><mi>X</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>a</mi><msub><mi>X</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>b</mi><msub><mi>X</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>c</mi><msub><mi>X</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mn>3</mn></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>Y</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>a</mi><msub><mi>Y</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>b</mi><msub><mi>Y</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>c</mi><msub><mi>Y</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mn>3</mn></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
4
1
2
3
и, при коэффициентах а, b и с, равных единице, С оказывается центром пересечения медиан треугольника, образованного тремя признаками С, С и С.
На фигуре 4 приведен пример реального кадра (размером 744×576 пикселей) с изображением двух объектов, расстояние между которыми определяется несколькими способами.
В таблице 1 приведены координаты характерных точек, связанных с положением изображений объектов в кадре на фигуре 4.
Таблица 1
Объект 1
Объект 2
Координата
Значение, пиксел
Координата
Значение, пиксел
X<sub>ЭН1</sub>
116,3
X<sub>ЭН2</sub>
632,4
Y<sub>ЭН1</sub>
101
Y<sub>ЭН2</sub>
463,1
Х<sub>Г1</sub>
118
Х<sub>Г2</sub>
627,7
Y<sub>Г1</sub>
97,4
Y<sub>Г2</sub>
461,6
X<sub>M1</sub>
89
X<sub>M2</sub>
602
Y<sub>M1</sub>
70
Y<sub>M2</sub>
494
X<sub>И1</sub>
107,7
X<sub>И2</sub>
620,7
Y<sub>И1</sub>
89,5
Y<sub>И2</sub>
472,9
ЭHi
ЭHi
ЭH
ЭH
ЭH
Где Х Y координаты энергетического центра С(Х,Y), вычисленные по формулам:
<mrow><msub><mi>X</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Н</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>P</mi></munderover><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>H</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>P</mi></munderover><mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Н</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>P</mi></munderover><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>H</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>y</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>P</mi></munderover><mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow>
;
i,j
i,j
i,j
где H - суммарный сигнал от всех элементов матрицы ПЗС; K и Р - соответствующие числа столбцов и строк матрицы; x и y - дискретные значения координат элементов вдоль направления строк и столбцов.
Гi
Гi
Г
Г
Г
Х и Y - координаты геометрического центра C(X,Y), вычисленные по формулам:
<mrow><msub><mi>X</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>H</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>P</mi></munderover><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow><mrow><mi>K</mi><mo>⋅</mo><mi>P</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>H</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>P</mi></munderover><mrow><msub><mi>y</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow><mrow><mi>K</mi><mo>⋅</mo><mi>P</mi></mrow></mfrac></mrow>
;
Mi
Mi
M
M
M
X Y - координаты самой яркой области на изображении объекта C (X, Y).
И
И
И
И
И
Х и Y - координаты интегрального центра С(Х,Y), вычисленные по формулам (1) и (2) при коэффициентах a, b и c, равных 1.
i
Расстояние L между изображениями объектов определяется по формуле:
<mrow><msub><mi>L</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mi>i</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>y</mi><mrow><mi>i</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>y</mi><mrow><mi>i</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow>
В таблице 2 приведены расстояния между изображениями по фигуре 4, вычисленные при использовании различных пар характерных точек.
Таблица 2
Наименование расстояния между центрами
Значение, пиксел
L<sub>ЭН</sub>
630,5
L<sub>Г</sub>
626,4
L<sub>M</sub>
665,5
L<sub>И</sub>
640,4
ЭН
Г
М
И
И
Как расстояние между одноименными характерными точками С, С, С и С, которые в общем случае не совпадают друг с другом, и их величина может зависеть от многих факторов (от освещенности до качества ПЗС матрицы, от конструктивных особенностей до режимов эксплуатации системы). Наиболее стабильной величиной будет расстояние L между интегральными центрами изображений, которое в меньшей степени подвержено изменениям из-за влияния отдельных возмущающих факторов.
И
Расстояние между объектами D определяется как произведение L на масштабный коэффициент М, определяемый отношением длины реального образцового отрезка к длине изображения его на снимке
Таким образом, заявляемый способ измерения линейного смещения объекта обеспечивает сохранение точности измерения при упрощении требований к характеристикам и параметрам объектов и тракту формирования изображения.