Комплекс для автоматизированного измерения геометрических параметров движущихся объектов бесконтактным способом

Комплекс для автоматизированного измерения геометрических параметров движущихся объектов бесконтактным способом относится к области контрольно-измерительного оборудования и может быть использован для бесконтактного измерения геометрических параметров движущихся объектов без необходимости их остановки.
Известен способ измерения формы поверхности и линейных размеров сложных трехмерных объектов (патент RU 2433372, дата публикации 10.11.2011 г.), который заключается в многократном формировании на поверхности контролируемого объекта зондирующей структурированной подсветки путем освещения поверхности контролируемого объекта пучком оптического излучения и последовательной регистрации изображений структуры зондирующей подсветки, искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта. Для каждой точки объекта определяют зависимость интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения. Для определения координат точки контролируемого объекта в пространстве используют калибровку калибровочной мишенью.
Известна система классификации типа и определения длины транспортных средств (патент US 6304321, дата публикации 16.10.2001 г.) на основе двух лазерных сканирующих дальномеров. В системе классификации, устанавливаемой на некоторой высоте над проезжей частью дороги, для измерения профиля транспортного средства использовано два сканирующих дальномера. Измерение дальности происходит путем измерения задержки между моментом излучения лазерного импульса до момента приема детектором отраженного лазерного излучения от поверхности объекта. Каждый из сканирующих дальномеров производит сканирование в своей вертикальной плоскости и построение профиля объекта в этих плоскостях. Сканирующие дальномеры ориентированы так, что обе плоскости сканирования образуют некоторый угол друг к другу, что обеспечивает измерение высоты, длины и ширины по верхней поверхности транспортного средства.
Известна установка (патент RU 100229, дата публикации 10.12.2010 г.) для автоматического бесконтактного определения геометрических параметров движущихся объектов, включающая три отдельно стоящие рамы, на первой из которых размещена видеокамера, на второй раме, выполненной с двумя перекладинами, на которых попарно размещены оптические датчики, на третьей раме расположены видеокамеры и датчики линейного перемещения на подвижных кронштейнах, между которыми перпендикулярно плоскости рамы размещены оптические датчики.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого технического решения, является установка автоматического бесконтактного определения геометрических параметров движущихся объектов (патент RU 67706, дата публикации 27.10.2007), которая включает в себя блок сканирования в виде двух жестко связанных П-образных ферм; лазерных излучателей маркерной линии, обеспечивающих генерацию линии сканирования в видимой области спектра; измерительных модулей, обеспечивающих передачу изображения лазерной линии на поверхности объекта в блок обработки; блок обработки, состоящий из модуля обработки снимков маркерной линии и датчика присутствия объекта. Принцип действия прототипа основан на триангуляции [Ashok W.R., Panse М.S., Apte Н. Laser Triangulation Based Object Height Measurement // International journal for research in emerging science and technology, 2015. Volume: 2, No. 3], широко применяемой в оптических методах трехмерного измерения. Метод триангуляции позволяет вычислить искомое расстояние до любой точки объекта по известным правилам из геометрических соотношений в самой системе, точнее из треугольника, образованного камерой, источником маркерной линии и точки на поверхности объекта.
Недостатками предложенного решения являются: ограниченная по высоте и ширине максимальная область измерения (4000×4000 мм); необходимость установки двух несущих ферм, а так же невозможность применения описанного способа измерения для измерения объектов на открытом пространстве в условиях естественного солнечного света из-за сильной засветки маркерной линии и невозможности ее обнаружения на полученном изображении.
Задачей заявляемой полезной модели является создание комплекса для автоматизированного бесконтактного измерения геометрических параметров движущихся объектов.
Технический результат настоящей полезной модели заключается в увеличении максимальных размеров измеряемых объектов, в возможности применения предложенного технического решения для измерения размеров объектов на открытом пространстве в условия естественного солнечного света, а так же в снижении стоимости оборудования.
Указанный технический результат достигается тем, что комплекс для автоматизированного измерения геометрических параметров движущихся объектов бесконтактным способом состоит из излучателя структурированной подсветки, измерительных камер с оптическим полосовым фильтром, несущей конструкции с закрепленными на ней излучателями структурированной подсветки и измерительными камерами, датчика скорости объекта, блока обработки, в котором измерение профиля движущегося объекта производится методом триангуляции, и отличающийся тем, что структурированная подсветка формирует на поверхности объекта линию из точек, излучатель структурированной подсветки включается только на время экспозиции измерительных камер. Другая особенность заключается в том, что каждая измерительная камера с оптическим полосовым фильтром и соответствующий ей излучатель структурированной подсветки объединены в единый измерительный узел, а также тем, что измерение скорости осуществляется оптическим методом.
Конструкция заявляемой полезной модели поясняется чертежами:
Фиг. 1. Структурная схема комплекса.
Фиг. 2. Размещение элементов комплекса.
Конструкция заявленного технического решения включает в себя несущую конструкцию 1, устанавливаемую в области движения измеряемого объекта; два лазерно-триангуляционных измерителя профиля (ИП) 2, устанавливаемых на несущей конструкции 1; оптический измеритель скорости 3, устанавливаемый в сечении измерения профилей и ориентированный перпендикулярно направлению движения объекта и блок обработки 4.
Измерение профилей объекта производится ИП 2 методом триангуляции. ИП состоит из источника структурированной подсветки 5, в свою очередь состоящего из источника лазерного излучения 6 и формирователя структурированной подсветки 7, измерительного модуля 8, в состав которого входит измерительная камера 9 и оптический узкополосный фильтр 10 на длину волны источника структурированной подсветки 5, модуля синхронизации 11 измерительного модуля 8 и источника структурированной подсветки 2. В отличии от прототипа, для измерения профиля объекта источник структурированной подсветки на объекте формирует не непрерывную маркерную линию, а маркерную линию, состоящую из 33 точек, другими словами, источник структурированной подсветки формирует 33 расходящихся луча, лежащих в одной плоскости при угле расхождения 55° между крайними лучами и равным угловым шагом. Размер точек, формируемых источником структурированной подсветки на поверхности объекта равен 5-10 мм на удалении 8 м. ИП закрепляют на несущей конструкции над противоположными сторонами зоны измерения, в которой движется объект на высоте 6 м, расстояние между ИП выбирают 6-6,5 м. Каждый из ИП измеряет боковой профиль объекта со стороны своей установки.
В описании прототипа показано, что при использовании в качестве формирователя подсветки генератора непрерывной маркерной линии с углом расхождения 54° плотность мощности излучения на поверхности объекта на расстоянии D≈250 см от источника, составляет:
-4
2
W=P/(L⋅d)=0,04/(250⋅1,0)=1,6⋅10 Вт/см,
где: Р - мощность лазерного излучателя а Вт, L - длина линии развернутого луча лазера в см, d - ширина (диаметр) лазерного луча в см.
-4
2
Для измерения геометрических параметров объектов при указанном в настоящем техническом решении способе размещения измерителей профиля необходимо измерение профиля на дальности до 8 м. В этом случае при непрерывной маркерной линии плотность мощности излучения на поверхности объекта составит 1⋅10 Вт/см.
2
-3
2
Известно, что мощность излучения солнца на поверхности земли может достигать значения 1000-1500 Вт/м или 1⋅10 Вт/см, которая на поверхности измеряемого объекта может существенно превышать мощность излучения маркерной линии, особенно, когда элементы поверхности измеряемого объекта являются хорошо отражающими и вызывают яркие блики. Применение трехслойного оптического фильтра с полосой пропускания 620-700 нм, как указано в описании прототипа, снижает уровень нежелательной фоновой засветки в рабочей области длин волн измерительной камеры в 4-5 раз, но не является достаточным для подавления мешающей засветки.
Предложенное техническое решение предназначено для эксплуатации на открытом пространстве при наличии естественного солнечного света, что требует уровня мощности подсветки на поверхности объекта, существенно превышающего уровень мощности засветки солнечного света для возможности обнаружения маркерной линии на изображении, получаемой измерительным модулем.
Повышение уровня мощности маркерной линии над фоновой солнечной засветкой на достаточную величину в заявляемом техническом решении обеспечивается использованием структурированной подсветки в виде не непрерывной линии, а линии, состоящей из отдельных точек, формируемых падением на поверхностность объекта 33 лучей. Эти лучи, расходящиеся под углом 55 градусов, формируются с помощью формирователя структурированной подсветки из одиночного луча источника лазерного излучения. Мощность источника лазерного излучения устанавливают 500 мВт при равном амплитудном распределении между лучами, что обеспечивает мощность излучения каждого из 33 лучей около 15 мВт, и плотность мощности на поверхности объекта:
-2
-2
2
2
dot
W=1,5⋅10 Вт / S=1,5⋅10 Вт / 0,79 см=19 мВт/см,
dot
dot
2
2
-2
2
-3
2
где: S - площадь точки, формируемой на поверхности объекта одним лучом структурированной подсветки, которая при диаметре пятна 10 мм S=π⋅(0,5)=0,79 см. Плотность мощности W=1,9⋅10 Вт/см существенно превышает уровень мощности фоновой солнечной засветки на поверхности объекта (1⋅10 Вт/см) и позволяет однозначно найти и локализовать изображение точки на кадре измерительной камеры.
Модуль синхронизации измерительного модуля и источника структурированной подсветки управляет работой частотой получения кадров и временем экспозиции матрицы измерительной камеры, а также обеспечивает включение источника структурированной подсветки только в моменты экспозиции измерительной камеры. Частота следования кадров устанавливается в диапазоне от 50 до 100 Гц в зависимости от требуемой точности измерения продольного размера объекта, время экспозиции - 10 мкс. При частоте следования кадров 100 Гц средняя плотность мощности каждого из лучей подсветки составляет не более:
avrg
-5
-4
2
W=19 мВт⋅100 Гц⋅1⋅10 с=1,9⋅10 Вт/см.
Предельно допустимый уровень плотности энергии облучения для глаз [ГОСТ 31581-2012]:
-3
2
Е=1,7⋅10дЖ/см,
соответствующая предельно допустимая плотность мощности:
ПДУ
-3
2
W=1,7⋅10 Вт/см.
avrg
ПДУ
Отсюда видно, что средняя плотность мощности каждого из лучей структурированной подсветки W существенно ниже предельно допустимой плотности мощности W облучения для глаз человека, поэтому предложенное техническое решения является безопасным для здоровья человека.
В ИП с целью дополнительной защиты от мешающей фоновой солнечной засветки между объективом и матрицей измерительной камеры устанавливают узкополосный оптический фильтр на длину волны лазерного излучения подсветки с полосой пропускания 10 нм.
Изображение точек структурированной подсветки на поверхности объекта формируется на серии кадров измерительной камеры. Согласно принципу триангуляции, дальность от измерительной камеры до поверхности объекта определенным образом связаны с пиксельным смещением изображения точки на кадре измерительной камеры. Определив по измеренному пиксельному смещения дальность до поверхности объекта для каждого из 33 лучей подсветки в блоке обработки производится построение пространственного профиля объекта, образуемого 33 точками в пространстве.
Точность измерения дальности определяется калибровкой и разрешающей способностью по дальности. Разрешающая способность h измерения дальности методом триангуляции зависит от дальности до объекта D, разноса между источником структурированной подсветки и измерительной камерой В, фокусного расстояния f=6 мм и физического размера пикселя р:
2
h(D)=D⋅p/(f⋅В),
откуда при В=200 мм, f=6 мм, р=5,5 мкм получаем для дальности до поверхности объекта 5-6 м разрешающую способность 115-165 мм соответственно. Точность измерения на следующем этапе обработки повышают методами субпиксельной локализации точек на изображении [S. Hinz, Fast and subpixel precise blob detection and attribution // Proceedings of the 2005 International Conference on Image Processing, ICIP 2005, Genoa, Italy, September 11-14, 2005], в результате смещение точки измеряется с точностью до 0,2 пикселя, что обеспечивает разрешающую способность измерения по дальности на уровне 25-35 мм при дальности 5-6 м. При уменьшении расстояния до объекта точность квадратично повышается.
Количественная связь между дальностью до объекта и пиксельным смещением для изображения, формируемого каждым лучом, определяется экспериментально в процессе калибровки ИП. Калибровка производится поочередно для всех лучей ИП в одном цикле, в результате которой вычисляются калибровочные коэффициенты и углы для каждого из лучей ИП.
Видеопотоки от обеих ИП и данные от оптического измерителя скорости поступают в блок обработки, в котором по определенному алгоритму происходит обработка данных от ИП и построение профилей. После прохождения объектом измерительной зоны формируется информация о профилях объекта, построенных в разные моменты времени, а также скорость движения объекта в моменты измерения профилей. Так как измерения профилей происходят со строго заданным интервалом, то на основе данных скорости можно получить расстояния между профилями. На основе полученных геометрических данных измерений - профилей и дистанциями между ними в блоке обработки проводится пространственная реконструкция модели и определение геометрических параметров объекта.
Предложенное техническое решение позволяет проводить бесконтактное измерение геометрических параметров крупногабаритных объектов без снижения скорости движения или транспортировки и допускает эксплуатацию в условиях открытого пространства при наличии прямых солнечных лучей. Точность измерения высоты и ширины в заданных пределах измерений дальностей находится на уровне 2-3 см.