close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Оптико-электронная система контроля положения элементов механизмов при их цикличном линейном перемещении

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Панпошина Екатерина Николаевна
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ
ПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЗМОВ ПРИ ИХ ЦИКЛИЧНОМ
ЛИНЕЙНОМ ПЕРЕМЕЩЕНИИ
Специальность 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы и
комплексы (технические науки)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург - 2018
Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном
учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский национальный исследова­
тельский университет информационных технологий, механики и оптики».
Научный руководитель:
Горбачёв Алексей Александрович
кандидат технических наук
Официальные оппоненты:
Дмитриев Игорь Юрьевич
доктор технических наук, профессор,
АО "НИИ оптико-электронного
приборостроения",
начальник отдела-главный конструктор
направлению «Оптико-электронное
приборостроение космического
назначения»
по
Гусаров Вадим Федорович
кандидат технических наук,
ООО «СВЧ-Радиосистемы»,
начальник конструкторского отдела
Ведущая организация:
федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Томский государственный университет систем
управления и радиоэлектроники»
Защита состоится 11 декабря 2018 г. в 17.00 часов на заседании диссертационно­
го совета Д 212.227.01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при
Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информацион­
ных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д.14., ауд.312.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского нацио­
нального исследовательского университета информационных технологий, механики и
оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49 и на сайте
http://fppo.ifmo.ru/?pagel=16&page2=52&page_d=l&page_d2=l 38204.
Автореферат разослан «____» ___________ 2018 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д212.227.01
кандидат технических наук, доцент
А.В. Бахолдин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования
Бурное развитие сложного промышленного и технологического оборудо­
вания и необходимость обеспечения качественного и надежного его функцио­
нирования обуславливает актуальность разработки и исследования прецизион­
ных измерительных систем для контроля положения его составных элементов и
частей, расположенных как стационарно, так и подвижно.
Примером таких объектов являются механизмы цилиндро-поршневой
сборки, которые нашли широкое применение в различных отраслях промыш­
ленности (нефтегазовой, химической, строительной и др.). Уменьшить риск по­
ломки цилиндра можно, владея информацией о параметрах движения, размерах
и положении элементов цилиндро-поршневой сборки. Обычно поршни распо­
лагаются в труднодоступных местах, и контролировать их работу контактным
способом во время возвратно-поступательного движения не представляется
возможным. Поэтому задача обеспечения бесконтактного измерения переме­
щений подвижных элементов становится актуальной.
Приоритет методов оптоэлектроники при решении таких задач обуслов­
лен высоким уровнем их развития. Современная элементная база позволяет со­
здавать адаптивные оптико-электронные системы (ОЭС) контроля перемеще­
ний подвижных объектов на основе подходов компьютерного зрения для вы­
полнения требований, обеспечивающих необходимые диапазон и точность кон­
троля.
Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию эффек­
тивного и комплексного решения задачи контроля периодических линейных
перемещений объектов, заключающегося в объединении известных преиму­
ществ современной оптической и электронной базы ОЭС с цифровыми алго­
ритмами обработки изображений и методиками обеспечения контроля. Техно­
логические особенности задачи обуславливают необходимость разработки
ОЭС, контролирующей положение пассивной контрольной метки (КМ), за­
крепленной на поверхности объекта, совершающего линейные перемещения, в
частности, циклические и с постоянной или меняющейся скоростью.
Указанные обстоятельства определяют актуальность исследования осо­
бенностей построения оптико-электронной системы контроля циклически пе­
ремещающегося объекта, работающей в условиях достаточно ограниченного
пространства и при непрерывном воздействии внешних факторов.
Степень научной проработанности проблемы
Исследованием и развитием оптико-электронных систем контроля
пространственного положения объектов занимались такие ученые как
Порфирьев Л.Ф., Сабинин Ю.А, Якушенков Ю.Г., Панков Э.Д. и др.
Коллективами под их руководством проводились исследования в различных
областях как инженерной геодзии, так и автоматизации контроля в других
областях техники. В их работах отражены основные вопросы проектирования
систем рассматриваемого класса как на основе геодезических методов, так и на
основе методов оптико-электронного приборостроения, с использованием
4
контрольных меток. Однако в этих работах были недостаточно рассмотрены
вопросы ослабления влияния факторов движения на процессы контроля
пространственного положения циклично линейно перемещающихся объектов.
Объект исследований оптико-электронные приборы и системы для бес­
контактного контроля текущего положения циклично перемещающихся по ли­
нейной траектории контролируемых объектов - элементов машин и механиз­
мов.
Предмет исследования - архитектуры оптико-электронных систем из­
мерения цикличных линейных перемещений (ОЭСИЛП) контролируемых объ­
ектов, взаимосвязь информативных параметров контроля перемещений с пара­
метрами внешнего воздействия и негативных эксплуатационных факторов, а
также алгоритмы обработки информации в ОЭСИЛП, определяющие пути
уменьшения суммарной погрешности измерения.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка
оптико-электронной системы бесконтактного контроля положения элементов
механизмов при их цикличном линейном перемещении в условиях изменяю­
щихся скоростей движения и ограниченного пространства их размещения.
Задачи диссертационной работы
1. Анализ современных методов и средств контроля параметров переме­
щения объектов, условий их применения и определение направления исследо­
вания.
2. Математическое и физическое моделирование ОЭСИЛП при контроле
параметров циклического перемещения объектов.
3. Исследование алгоритмов обработки полезной информации в
ОЭСИЛП и путей их оптимизации для управления физической моделью
ОЭСИЛП.
4. Разработка методик расчета параметров элементов при проектировании
ОЭСИЛП.
5. Анализ и оценка составляющих суммарной погрешности определения
координат текущего положения контролируемого циклически перемещаемого
объекта и исследование методов их уменьшения.
6. Разработка физической модели ОЭСИЛП и ее экспериментальные ис­
следования.
Научная новизна работы
1. Предложен подход к реализации бесконтактного непрерывного кон­
троля цикличных линейных перемещений труднодоступных элементов меха­
низмов с помощью оптико-электронной системы на основе анализа изображе­
ния сферических контрольных меток, позволяющий уменьшить суммарную по­
грешность измерений посредством компенсации воздействия смаза изображе­
ний и негативных эксплуатационных факторов.
2. Предложен метод вычисления координат и скорости перемещения кон­
тролируемого объекта по смазанному изображению сферической контрольной
метки на основе определения передаточной функции искажения с использова­
нием инверсной фильтрации и априорно известного спектра изображения объ­
5
екта без смаза.
3. Разработана математическая модель, основанная на анализе структу­
ры контролируемого объекта в информационном пространстве ОЭСИЛП, опи­
сываемого найденным множеством статических и динамических параметров,
помех, к которым относятся фон, описываемый двумерной синусоидально кор­
релированной функцией, смаз изображений, обусловленный скоростью движе­
ния объекта и его вибрацией, и электронные шумы многоэлементного прием­
ника оптического излучения.
Теоретическая и практическая значимость работы
1. Разработана архитектура ОЭСИЛП, работа которой основана на мно­
гокадровом анализе отображения сцены пространства с контрольными метками
в виде сферического отражателя, в которой применено универсальное решение
системы подсветки контролируемого объекта несколькими сосредоточенными
источниками.
2. Предложен метод определения координат изображения контролируе­
мого объекта, основанный на анализе связных компонент элементов изображе­
ния и взвешенного среднего его информативных параметров, позволяющий
осуществлять вычисление координат контрольной метки с субпиксельной точ­
ностью.
3. Предложена методика выявления селективных признаков движущихся
объектов для определения параметров их перемещения, базирующаяся на циф­
ровой обработке последовательности изображений на стационарном фоне.
4. Предложен алгоритм вычисления координат изображения ОЭСИЛП в
оптической схеме на основе сферической отражающей контрольной метки.
5. Определена взаимосвязь диаметра входного зрачка оптической систе­
мы ОЭСИЛП со временем экспозиции и скоростью перемещения контрольной
метки при выбранных источниках и приемнике оптического излучения.
6. Предложены новые варианты технических решений ОЭСИЛП и про­
граммных средств их обеспечения.
Методология и методы исследования
В теоретической части диссертационной работы применены методы си­
стемного анализа, математические методы теории преобразования оптического
излучения в оптико-электронных системах, векторно-матричный метод расчёта
пространственных сцен, методы цифровой обработки изображений, разработа­
ны инженерные методики по выбору соотношений, параметров и характери­
стик элементов обобщенной схемы ОЭСИЛП.
Экспериментальные исследования проведены методами компьютерного
имитационного моделирования в программной среде MATLAB с использова­
нием пакета Image Processing Toolbox и Simulink, в программной среде автома­
тического проектирования оптических систем Zemax. Практическая проверка
полученных характеристик осуществлена с использованием разработанных
опытных образцов ОЭСИЛП.
Положения, выносимые на защиту
1. Применение метода вычисления координат и скорости движения цик­
6
лически перемещающегося контролируемого объекта оптико-электронной си­
стемой посредством анализа смазанных изображений сферических отражаю­
щих контрольных меток на фотоприемном матричном поле, основанного на
определении передаточной функции искажения с использованием инверсной
фильтрации и априорно известного исходного двумерного Фурье-спектра изоб­
ражения позволяет повысить точность определения параметров движения в
условиях вибрации и стационарных фонов посредством компенсации негатив­
ного влияния смаза изображения.
2. Разработана методика выявления селективных признаков циклически
перемещающегося объекта по последовательности цифровых изображений,
позволяющая определить параметры его движения и детектировать контроли­
руемый объект в условиях вибрации и стационарных фонов.
3. Разработанная архитектура ОЭСИЛП, основанная на многокадровом
анализе отображения сцены пространства с пассивной контрольной меткой и ее
подсветкой несколькими сосредоточенными по заданной схеме источниками
оптического излучения, позволяет уменьшить погрешность измерения коорди­
нат контролируемого объекта.
Достоверность результатов работы подтверждена корректным примене­
нием математических методов, а также сходимостью теоретических зависимо­
стей с результатами экспериментальных исследований опытного образца, про­
веденных на метрологической аттестованной аппаратуре.
Практическая реализация результатов работы
Практическая значимость проведенных исследований подтверждена че­
тырьмя актами использования результатов диссертации. В частности, кафедрой
Оптико-электронных приборов и систем Университета ИТМО были использова­
ны: методика корректировки результатов измерений из-за вредного воздействия
смаза за счет величины скорости при известном направлении движения и време­
ни экспозиции использована - при выполнении НИР № 300225 «Исследование и
разработка универсальной оптико-электронной системы высокоточного позици­
онирования элементов составного зеркала с управляемой формой поверхности
для радиотелескопов миллиметрового диапазона длин волн»; методики опреде­
ления скорости контрольного объекта по смазанному изображению на основе
выделения передаточной функции искажения с использованием инверсной
фильтрации и априорно известного исходного спектра изображения объекта без
смаза - в лабораторном практикуме дисциплины М.1.3.5 «Измерительные видеоинформационные системы». Кроме того при проведении испытаний клапана
секционного дренчерного (ЛЦУИ.492100.002) был использован опытный обра­
зец
оптико-электронной
системы
контроля
линейных
перемещений
ОЭСИЛП-1.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуж­
дались на 14 конференциях: Всероссийских конференциях молодых ученых,
(Санкт-Петербург, Россия, 2009 - 2011 гг.); I и II Всероссийских конгрессах
молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2012. 2013 гг.); IX и XI междуна­
7
родная конференция «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2010,
2011 гг.); VIII Международная конференция молодых ученых и специалистов
«Оптика - 2013» (Санкт-Петербург, Россия, 2013 г); XLI, XLII XLIII научных и
учебно-методических конференциях Университета ИТМО (Санкт- Петербург,
Россия, 2012-2014 гг.); Международная конференция SPIE Optical Measurement
Systems for Industrial Inspection (Германия, Мюнхен, 2013 г.), Международная
конференция SPIE Precision Engineering Measurement and Instrumentation (Гер­
мания, Мюнхен, 2015 г.) Международная конференция SPIE Optics, Photonics
and Digital Technologies for Imaging Applications (Бельгия, Брюссель, 2016).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ, из них 5 статей в
изданиях из перечня ВАК, 3 статьи в изданиях, включенных в систему цитиро­
вания Web of Science и Scopus, 5 патентов РФ, 3 свидетельства о регистрации
программы для ЭВМ и 14 публикаций в иных изданиях.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,
библиографического списка из 155 наименований. Общий объем работы со­
ставляет 148 страниц, включая 74 рисунка, 5 таблиц.
Краткое содержание работы
Во введении показана актуальность работы, сформулированы ее цель и
задачи, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен критический анализ и классификация методов
контроля перемещений элементов механизмов. Анализ объекта контроля пока­
зал, что наиболее актуальным и универсальным является построение системы
контроля перемещения элементов механизмов, обеспечивающей диапазон кон­
тролируемых перемещений до 10 мм, погрешность определения положения (не
более 0,1 мм) в жестких условиях ограниченного пространства.
Был рассмотрен ряд неоптических, оптических и оптико-электронных ме­
тодов контроля, среди которых были выявлены преимущества изображающего
метода контроля. Он обладает достаточной точностью для решения поставлен­
ной задачи и отличается гибкостью и компактностью, не требующих примене­
ния мощных источников оптического излучения. На основании результатов
проведенного обзора поставлены цели и задачи диссертационного исследова­
ния.
Во второй главе предложена обобщённая структура модели ОЭСИЛП,
основанная на многокадровом анализе отображения сцены пространства, в ко­
торой наиболее универсальным решением является применение системы под­
светки контролируемого объекта КО (Рисунок 1) или пассивных реперных ме­
ток, сопряженных с КО.
8
Рисунок 1 - Обобщенная структура модели ОЭСИЛП
Структура ОЭСИЛП может отличаться в зависимости от области ее при­
менения и состоит из основных блоков - устройств видео захвата (УВЗ 1, УВЗ
2,... УВЗ N), количество которых обеспечивает соответствие пространственных
координат контролируемых объектов (КО 1, КО 2... КО N) установленным па­
раметрам точности и размеров контролируемого пространства, и устройства
обработки видеоинформации (УОВИ). Формирование изображения КО обеспе­
чивается с использованием излучения системы подсветки (СП). Излучение пре­
образовывается в результате внешнего воздействия (ВВ) и воздействия воз­
душного тракта (ВТ). Регистрация изображения УВЗ происходит на матричном
ПОИ, которое преобразуется блоком первичной обработки (БПО) и по интер­
фейсу передачи данных (ИПД) передается на УОВИ.
Для предложенной модели ОЭСИЛП было выведено математическое
описание информативного пространства, позволяющего на основе процессов
преобразования и обработки информации осуществлять оценку пространствен­
ного положения и параметров движения КО на зарегистрированном цифровом
изображении F(x,_y):
F ( x , y ) < ЛЦП
и г (!) =
( x ,y )dX
( 1)
Лшп
Лк
где U^{t) - выходной электрический сигнал ПОИ, S'(zl) - спектральная чув­
ствительность ПОИ, г0(А) - коэффициент пропускания ОС, к - / ' / D - диа­
фрагменное число ОС, Le?i{x,y) - энергетическая яркость падающего на ПОИ
потока излучения.
Предложенная методология выявления селективных признаков движу­
щихся объектов для определения их параметров по последовательности изоб­
ражений, позволяющая детектировать КО на изображении, показала, что ос­
новными такими признаками в ОЭСИЛП являются геометрические и векторные
характеристики, обусловленные изменением пространственного положения,
скорости и ускорения.
Основным влияющим фактором при определении пространственных ха­
9
рактеристик движущегося объекта является скорость перемещения объекта от­
носительно УВЗ (Рисунок 1), которая на результирующем цифровом изображе­
нии возникает в виде дефекта смаза. Смаз приводит к погрешности, основной
причиной которой является уменьшение эффективной облученности е 1ф по
сравнению с облученностью ПОИ для статичного положения £тах в kh раз:
кь = n d KM / ( 4 Vt_iKcn + n d KS, )
( 2)
где dKM —размер контрольной метки, V - скорость перемещения объекта т свя­
занной с ним КМ tjKCn - время экспозиции в ПОИ.
Для устранения этого фактора был предложен способ компенсации смаза
изображения движущегося объекта регулировкой относительного отверстия
DHX ОС к времени экспозиции t3Kcn:
K c(X’ y ) f ' 2( W t ^ j K d KM+\)
А ,=
^ o ( ^ ) Lex(X^y)
(3 )
Енас (х,_у) - облученность насыщения ПОИ, / ' - фокусное расстояние ОС. Ре­
гулировка Dtix должна осуществляться обратно пропорционально корню квад­
ратному от kh или при выбранной tiKcn в первом приближении прямо пропор­
ционально корню квадратному от скорости движения V.
Предложен метод определения скорости КО по остаточному смазу изоб­
ражения на основе определения передаточной функции искажения с использо­
ванием инверсной фильтрации и априорно известного исходного Фурьеспектра изображения КО без смаза, который позволяет производить оценку па­
раметров движения даже в условиях их изменения.
■+>G(u,v) ,2я[их+\у)
И
V=
I , F (M>V)
tЭKCn/J ’
dudv ■h
(4)
где G (n,v) - энергетический спектр зарегистрированного цифрового изобра­
жения движущегося объекта, F(w,v) - энергетический спектр изображения
контролируемого объекта в статике, h —расстояние до контролируемого объ­
екта, мм, пределы интегрирования [~иэ,+иэ] и [ - v 3, + v j определяют эффек­
тивную полосу частот инверсной фильтрации, при которых выполняется мини­
мизация влияния случайной составляющей цифрового изображения.
В третьей главе предложены математические модели КМ, фона, описы­
ваемого двумерной синусоидально коррелированной функцией, а также помех,
к которым относятся вибрации, смаз и шум. Разработана компьютерная модель
формирования цифрового изображения в ОЭСИЛП, содержащего объект, пере­
мещающийся по заданной квазилинейной траектории относительно стационар­
ного неподвижного фона:
LoM (Х’У) = {н„р, (х,у) * [/лех (loh(х,у) * Н (х,у)) + Ihack](х, у)} + 1тте (х,у) , (5)
гд еН
- передаточная функция оптической системы, * - оператор свертки,
10
juex- коэффициент ослабления изображения объекта, Ioh - изображение кон­
тролируемого объекта, Ihuck — изображение фона, Н — пространственный
фильтр, описывающий смаз изображения, Inoise - изображение, содержащее
шумовую составляющую.
В ходе компьютерного моделирования, реализующего математическую
модель в среде MATLAB с использованием Simulink, изображение объекта (Ри­
сунок 2а) I modej синтезировалось 64 раза с различными координатами объекта.
При каждом положении объекта рассчитывалась погрешность между найден­
ными и заданными координатами объекта для осей X ( s x) и Y ( £у) и СКО стх
и с7у соответственно.
Рисунок - Иллюстрация синтезированного изображение КМ и фона после про­
хождения оптической системы (а) и зависимость погрешности определения ко­
ординат от размера объекта: £х(2R) по оси X (б)и<?Г(2К) по оси Y (в)
Исследования показали, что при размере объекта 2R >5 пикселей вели­
чина размаха ошибки не превышает ±0,3 пикселей (Рисунок 2, б, в) и дальней­
шее увеличение размера объекта не оказывает значительного влияния на повы­
шение точности вычисления координат.
Исследования зависимости погрешности определения координат объекта
от длины смаза в направлении движения показали, что величина СКО прямо
пропорциональна длине смаза (Рисунок 3, а), в то время как в направлении,
перпендикулярном движению (Рисунок 3, б), не подвержена влиянию смаза, а
случайная составляющая ошибки обусловлена лишь шумовой составляющей и
вибрациями.
Проведенные исследования модели позволили сформулировать крите­
рии для выбора схемы построения опытного образца ОЭСИЛП и ее параметров.
Доказано, что параметры ОС должны быть подобраны таким образом, чтобы
она обеспечивала размер объекта 2R>5 на заданном расстоянии z0, энергети­
ческие характеристики подсветки КМ должны быть выбраны так, что яркость
КМ превышала яркость фона не менее чем в два раза, при этом электронный
тракт должен обеспечивать отношение сигнал-шум на уровне qmr >12 дБ.
Рисунок 3 - Зависимость погрешности определения координат объекта от вели­
чины смаза в направлении движения (а) и перпендикулярно направлению (б)
Анализ свойств оптических схем построения ОЭСИЛП показал, что реа­
лизацию контрольных меток (КМ) оптимально проводить на основе отражаю­
щих сфер. В оптической схеме такой ОЭСИЛП (Рисунок 4) не предусмотрена
перефокусировка на КМ, в процессе измерений, поэтому для получения макси­
мального отношения сигнал/шум оптическая система сфокусирована постоянно
на изображения источников излучения и в этом случае смещение отражателя
КМ хо по координатам смещений на ПОИ хи1И = х2 ш , определится
_ zQ z0 + R / 2
итти хг о -\ ( z°
z ° + ^ ^ )Л хV.
(6)
ши ИЛИ
2 ИИ
0 Г^
z0 +R
1
J
Z.+ К
—
У
-О
где
- заднее фокусное расстояние объектива, z0 - расстояние до контрольно­
го элемента, R - радиус зеркальной сферы КМ.
В этом случае позиционная чувствительность в ОЭСИЛП по контролиру­
емой координате OX Wx
^Дх Л dxo = z l + z0{2fo - D - f f o
W. = lim
Ллг„->0 Ax I
dxo
/ ' ( * о'0 +' 2 JO
/о )
\
о J
(?)
позволяет уменьшить влияние параметров схемы на результаты контроля.
Рисунок 4 - Сагиттальный (а) и меридиональные (б) ходы лучей в оптической
схеме ОЭСИЛП с КМ в виде сферического отражателя
12
В четвертой главе проведен анализ погрешностей оценки координат КМ
в каналах ОЭСИЛП, а также лабораторные и комплексные эксперименты но
выбору и оценке погрешностей.
Теоретические исследования на математической модели степени влияния
инструментальной погрешности ОЭСИЛП и эксплуатационной погрешности
показали, что наиболее сильное влияние по степени убывания оказывают
систематические сотавляющие инструментальной погрешности 8х[ и 8 х ^ , а
также эксплуатационной погрешности 8х^т и 8 x / K‘"v .
При возможности собстенной калибровки каждого фотомодуля
неточности задания фокусного расстояния объектива фотомодуля (Рисунк 5) и
задания расстояния до фотомодуля могут быть уменьшены до величин, не пре­
вышающих погрешность, обусловленную внутренними шумами ПОИ 8х1юи, и
тогда суммарная погрешность 8 x f принимает минимальное значение на рас­
стояниях до КМ в 4 - 5 раз больше фокусного расстояния объектива.
5xQ,мм
1,00Е-01
9,00Е-02
8,00Е-02
V Хо
7,00Е-02
8х„
5х„
6,00Е-02
Zo
ПОИ
6х;
8хУ "
5х0
175
225
5,00Е-02
4,00Е-02
3,00Е-02
2,00Е-02
1,00Е-02
0,00Е+00
25
75
125
Z0' ММ
Рисунок 5 - Графики зависимостей теоретической оценки СКО суммарной по­
грешности определения координаты КМ и её составляющих от дистанции z0до
КМ после калибровки ( f = 5 мм, R= 1,5мм, размер пиксела ПОИ 2,25 мкм, ча­
стота кадров 30 гц, время экспозиции 0,8 от времени кадра, отношение сигнал/шум 300, максимальная величина контролируемого смещения 10 мм, ско­
рость перемещения КМ 5 мм/с)
Опытный образец видеоблока ОЭСИЛП (Рисунок 6 а) имел фокусное
расстояние объектива 5 мм (варифокальный объектив Fujinon YV10x5HR4ASA2L) и матричное поле анализа с размером пиксела 2,25 мкм (матрица типа
OV5620 CMOS QSXGA 5.17 MPixel with OmniPixelTM Technology ), источники
подсветки - полупроводниковые излучающие диоды диаметром 3 мм (марки
АЛ 107 б), КМ в виде стального шарика диаметром 3 мм, на сформированном
стенде университета ИТМО показал максимальное значение СКО на дистанции
100 мм 0,08 мм при нелинейности статической характеристики, не превышаю­
щей 0,11 мм. Сформированный стенд в ИКА им. Можайского состоял из осно­
вания, испытуемого клапана (Рисунок 6 б), штока с КМ и линейный преобразо­
ватель перемещений ЛИ Р-14 производства ОАО «СКВ ИС».
При комплексных экспериментальных исследованиях характеристик
разработанного образца ОЭСИЛП на стенде ИКА им. Можайского для
испытания клапанов пневмоуправляемых типа Р96.349.01.000, Р96.261.01.000,
Р96.139.01.000 (смещение, скорость и ускорение) показано, что в статике
отклонения от линейности некомпенсированной статической характеристики
для измерений со сферическим отражателем не превышают 1,66 пиксела
(Рисунок 7а), в то время как среднеквадратичное значение меньше 0,15
пиксела, что подтверждает то, что случайная погрешность измерений сдвига не
превышает 0,01 мм, в то время как в динамике при изменении скорости
перемещения КМ от 0,5 мм/с до 8 мм /с среднеквадратичное значение
изменялась от 0,03 мм до 0,35 мм (Рисунок 76), что подтверждает
необходимость компенсировать величину смаза изображений в зависимости от
скорости перемещения.
„ а)
б)
Рисунок 6 - Общий вид элементов ОЭСИЛП на стенде Университета ИТМО (а)
и Структура стенда PIKA им. Можайского (б)
X, ММ
0,04
0,03
0,02
• : ?•
0,01
О I #4 -I
-0,01
- 0,02
-0,03
# ..........................
■$Г
\4
*•
-0,04
0
0,5
1,5
2
t, С
V, м м / с
Рисунок 7 - Зависимость регистрируемых смещений от времени в образ­
це ОЭСИЛП при неподвижном положении КМ (а) и экспериментальное значе­
ние зависимости СКО контроля смещений х от скорости движения КМ V (б)
Заключение
1. Сформулирована обобщенная модель процесса формирования изоб­
ражения в ОЭСИЛП с пассивной КМ, описывающая преобразование информа­
ции об объекте, фоне, а также помехах различной природы.
2. Предложен метод определения скорости контрольного объекта по сма­
занному цифровому изображению КМ в виде отражающей сферы на основе
определения передаточной функции искажения с использованием инверсной
фильтрации и априорно известного исходного спектра изображения без смаза.
3. Полученная взаимосвязь требуемого диаметра входного зрачка опти­
ческой системы ОЭСИЛП с временем экспозиции и скорости перемещений КМ
для выбранных источников и приёмников определила алгоритм вычисления
координат в оптической схеме ОЭСИЛП с выпуклой сферической зеркальной
КМ и несколькими сосредоточенными источниками подсветки.
4. Исследования зависимости погрешности определения координат от ве­
личины смаза показали, что возможна корректировка результатов измерений
вредного воздействия смаза по величине скорости при известном направлении
движения за счет времени экспозиции.
5. Разработан стенд для испытания физических моделей и элементов
ОЭСИЛП, позволяющий проводить экспериментальные исследования.
6. Комплексные экспериментальные исследования характеристик образца
ОЭСИЛП на стенде ИКА им. Можайского показали, что в статике отклонения
от линейности некомпенсированной статической характеристики составляет
0,09 мм в то время как среднеквадратичное значение не превышает 0,01 мм, а в
динамике при изменении скорости перемещения КМ от 0,5 мм/с до 8 мм/с
среднеквадратичное значение изменялось от 0,03 мм до 0,35 мм.
7. Предложены новые технические решения блоков ОЭСИЛП и про­
граммных средств их управления.
По теме диссертации опубликованы работы:
- в изданиях из перечня ВАК
1. Анисимов А.Г., Коротаев В.В., Кулешова Е.Н.. О возможности адаптации теории распределенных
измерительных систем к оптико-электронным системам // Известия высших учебных заведений. Прибо­
ростроение - 2010. - Т. 53. - № 7. - С. 86-87.
2. Пантюшина Е.Н., Горбачёв А.А. Исследование влияния формы сферического отражателя на точ­
ность измерения перемещений поршня в цилиндре клапана // Научно-технический вестник СПбГУ
ИТМО - 2010. - Т. 6. - № 70. - С. 12-16.
3. Михеев С.В., Усик А.А., Кулешова Е.Н. Многоканальная оптико-электронная система контроля
деформаций сооружений // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и опти­
ки - 2011. -№ 4(74). - С. 159-160.
4. Горбачёв А.А., Коротаев В.В., Пантюшина Е.Н. Оптико-электронная система для контроля поло­
жения поршня в клапане // Известия высших учебных заведений. Приборостроение - 2013. - Т. 56. - № 11.
- С. 29-32.
5. Фам Нгок Туан, Пантюшина Е. Н., Тимофеев А. Н., Васильев А. С., Динь Ба Минь. Влияние скоро­
сти движения оптико-электронной системы на погрешность контроля положения железнодорожного пути
// Изв. вузов. Приборостроение. 2018. Т. 61, № 9. С. 814— 822.
- в изданиях списка Web of Science и Scopus
1. Gorbachev A.A., Pantiushina E.N. Imaging sensor for monitoring o f the piston mechanism in cylindrical
valves // Proceedings o f SPIE - 2013, Vol. 8788, pp. 878824
2. Serikova M.G., Pantyushina E.N., Zyuzin V.V., Korotaev V.V., Rodrigues J.J. Accurate invariant pattern
recognition for perspective camera model // Proceedings o f SPIE - 2015, Vol. 9530, pp. 953000
3. Gorbachev A.A., Serikova M.G., Pantyushina E.N., Volkova D.A. Accurate and high-performance 3D po­
sition measurement o f fiducial marks by stereoscopic system for railway track inspection // Proceedings o f SPIE 2016, Vol. 9896, pp. 989611
- патенты и свидетельства о гос. регистрации программ для ЭВМ
1.
Горбунова Е.В., Коротаев В.В., Пантюшин А.В., Пантюшина Е.Н., Чертов А.Н. Обработка цифро­
вых цветных изображений объектов при их классификации по цветовому признаку Свид. о гос. регистра­
ции программы для ЭВМ № 2011613482 от 04.05.2011 (заявка № 2011611750 от 15.03.2011). Правообла­
датель Университет ИТМО -2011.
2. Коротаев В.В., Тимофеев А.II., Горбачев А.А., Пантюшин А.В., Алеев А.М., Кулешова Е.Н.
Устройство для контроля деформаций протяженного объекта Патент на изобретение № 2445572 от
20.03.2012, заявка на ИЗ № 2010145639 от 09.1 1.2010. Патентообладатель Университет ИТМО -2012.
3. Коняхин И.А., Усик А.А., Тургалиева Т.В., Пантюшина Е.Н. Измерение координат изображения
радиоисточника, смоделированного на матрице радиотелескопа Свид. о гос. регистрации программы для
ЭВМ № 2012613940 от 27.04.2012 (заявка № 2011611750 от 15.03.2011). Правообладатель Университет
ИТМО-2012.
4. Горбачёв А.А., Пантюшин А.В., Пантюшина Е.Н., Лашманов О.Ю. Измерение параметров движе­
ния объектов с помощью телевизионной камеры Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ №
2012613939 от 27.04.2012 (заявка № 2011611750 от 15.03.2011). Правообладатель Университет ИТМО 2012.
5. Горбунова Е.В., Коротаев В.В., Лашманов О.Ю., Пантюшина Е.Н., Тимофеев А.Н., Чертов А.Н.
Устройство для измерения параметров и характеристик источников излучения. Патент на изобретение №
2509988 от 20.03.2014 заявка на изобретение № 2012134427 от 10.08.2012 Патентообладатель Универси­
тет ИТМО -2014.
6. Горбачёв А.А., Пантюшина Е.Н., Коротаев В.В. Устройство для измерения параметров перемеще­
ния объекта Патент на полезную модель № 140598 от 10.05.2014 МПК G01B9/00, заявка на ПМ №
2013158561 от 27.12.2013. Патентообладатель Университет ИТМО -2014.
7. Алёхин А.А., Пантюшина Е.Н., Горбунова Е.В., Коротаев В.В., Чертов А.Н. Способ оценки степе­
ни обогатимости минерального сырья оптическим методом и устройство для его реализации Патент на
изобретение № 2540489 от 10.02.2015 МПК G01J3/46, G01N21/00, заявка на ИЗ № 2013134058 от
19.07.2013 Патентообладатель Университет ИТМО -2015.
8. Коротаев В.В., Чертов А.Н., Горбунова Е.В., Пантюшина Е.Н., Перетягин В.С. Способ измерения
параметров и характеристик источников излучения Патент на изобретение № 2547163 от 10.04.2015 МПК
GO 1J1/00, заявка на ИЗ № 2013158588 от 27.12.2013. Патентообладатель Университет ИТМО -2015.
- в других изданиях
1. Кулешова Е.Н. Оптико-электронная система контроля линейного перемещения поршня клапана на
основе анализа совокупности изображений //Сб. трудов конф. молодых ученых, Выпуск 1. Оптотехника и
оптическое приборостроение / Гл. ред. д.т.н., проф. В.Л. Ткалич. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. с. 334 - 337.
2. Горбачёв А.А., Коротаев В.В., Кулешова Е.Н. / Выбор схемы построения оптико-электронного
прогибомера. / 9 Международная конференция «Прикладная оптика - 2010» / Сборник трудов (том 1, ч. 2)
СПб: ГОИ им. С.И. Вавилова, 18-22 октября 2010. - С. 160-164.
3. Горбачёв А.А., Коротаев В.В., Кулешова Е.Н. Оптико-электронная система бесконтактного изме­
рения линейных перемещений / 9 Международная конференция «Прикладная оптика - 2010» / Сборник
трудов (том 1 ,ч .2 ) СПб: ГОИ им. С.И. Вавилова, 18-22 октября 2010. - С.247-250.
4. Кулешова Е .Н ., Михеев С .В ., Ярышев С.Н. Выбор структуры оптико-электронной системы пре­
дупреждения техногенной катастрофы. / 9 Международная конференция «Прикладная оптика - 2010» /
Сборник трудов (том 1, ч. 2) СПб: ГОИ им. С.И. Вавилова, 18-22 октября 2010. - С .271-275.
5. Кулешова Е.Н. Расчет погрешности от сферического отражателя в оптико-электронной системе
контроля линейных смещений. //Сб. тезисов докладов конф. молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых
ученых / Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. - 99 с.
6. Кулешова Е.Н. Оптико-электронная система для измерения линейных перемещений поршня в ци­
линдре клапана // Ан. сборник научно-исслед. выпускных квалификационных работ магистров НИУ
ИТМО/Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: СПб НИУ ИТМО, 201 Г - С . 22-23.
7. Кулешова Е.Н. Адаптация алгоритма получения информации о параметрах движения объектов в
оптико-электронной измерительной системе // Шестнадцатая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых
ученых и специалистов. Аннотации работ победителей конкурса грантов Санкт-Петербурга 2011 года для
студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук. - СПб. 2011. - 113 с.
8. Кулешова Е.Н., В.В. Коротаев Адаптация алгоритма получения информации о параметрах движе­
ния объектов в оптико-электронной измерительной системе // Материалы международной научнопрактической конференции, часть 21/ Редакционная коллегия В.Э. Гасумянц (отв. ред.), Ю.А. Голуб, А.В.
Володкин - СПб: изд-во Политехи, ун-та, 2011. - С 17-18.
9. Кулешова Е.Н. Сравнительный анализ схем измерения в оптико-электронной системе контроля
смещений // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2. СПб: СПбГУ ИТМО,
2011.- С . 112-113.
10. Кулешова Е.Н. Сравнение алгоритмов получения информации о движении объектов с помощью
оптико-электронной системы // Сб. тезисов докладов конг. молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых
16
ученых / Гл. редактор д.г.н., проф. 15.0. Ники(|юров. -- О 16: 11ИУ ИТМО. 2012. - С. 80-82).
11. Горбачёв А.А., Кулешова F.H.. Лашманов О.Ю. Моделирование погрешности измерения линей­
ных перемещений объекта в оптико-электронной системе. //Труды X Международной конференции
«ПРИКЛАДНАЯ ОПТИКА-2012» 15-19 октября 2012 года, "Оптические материалы и технологии", ГОИ.
СПб. 2012. С- 1 12.
12. Кулешова Е.И. «Моделирование и исследование процесса измерения периодических перемеще­
ний объекта в оптико-электронной системе». // Семнадцатая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых
ученых и специалистов. Сборник тезисов. - СПб.: Издательство РГГМУ, 2012. С -157
13. Пантюшина Е.Н. Компьютерная модель системы контроля поперечных перемещений объекта //
Сб. тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 2. - СПб: НИУ ИТМО, 2 0 1 3 .-е. 149-151
14. Горбачёв А.А., Пантюшина Е.Н. Исследование системы для контроля удлинения штока поршня
во время ресурсных испытаний клапанов // Сборник трудов Международной конференции и семинаров.
Т. Г. Санкт-Петербург. 14-18 октября 2013 / Под ред. проф. В.Г. Беспалова, проф. С.А. Козлова - СПб:
НИУ ИТМО, 2013., с. 216-218.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
677 Кб
Теги
линейной, контроля, перемещении, цикличного, система, элементов, механизм, оптика, положение, электронные
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа