Введение к работе
Актуальность темы исследования
В настоящее время при активном развитии промышленности и инфраструктуры наблюдается не только строительство новых, иногда уникальных по сложности, инженерных и строительных сооружений, но также увеличение нагрузки на существующие объекты. Для обеспечения безопасности эксплуатации объектов необходимо производить своевременный контроль их технического состояния для предотвращения аварийных ситуаций, связанных с нарушениями целостности конструкций. По статистике более чем в 80% случаях обрушение инженерных и строительных сооружений происходят из-за совокупности нарушений, допущенных на различных этапах строительства и эксплуатации сооружений, в том числе из-за отсутствия контрольно-измерительных мероприятий. Обеспечение должного уровня технического контроля при эксплуатации крупногабаритных объектов различного функционального назначения (жилые и промышленные помещения, мосты, крупногабаритные суда, антенны радиотелескопа и прочее) является комплексной проблемой и требует поиска различных технических решений.
Наибольший практический интерес в решении задачи технического контроля состояния объектов представляет определение смещений элементов поверхности от заданной плоскости. При контроле крупногабаритных промышленных объектов также следует учитывать достаточно сложные условия эксплуатации и сильное воздействие внешних факторов. Существующие на данный момент системы и методы не всегда в полной мере предоставляют возможность обеспечить необходимые требования одновременного контроля большого количества точек поверхности, либо очень сложны и дороги в реализации.
Поэтому, для совершенствования процесса контроля и уменьшения вероятности возникновения аварийных ситуаций является актуальным проведение исследований, направленных на повышение точности измерения и поиск путей ослабления основных факторов, влияющих на процесс измерения в автоматизированных комплексах, позволяющих осуществлять непрерывный контроль смещений элементов поверхности с предоставлением своевременной информации о форме объекта.
Современные оптико-электронные системы (ОЭС) и методы обработки измерительной информации позволяют формировать каналы контроля смещений на основе рационального сочетания аппаратных и программных средств для выполнения требований, обеспечивающих необходимые диапазон и точность контроля параметров в режиме реального времени.
Степень научной проработанности проблемы
Существенный вклад в исследование и развитие оптико-электронных приборов и систем контроля пространственного положения объектов внесли такие ученые как Якушенков Ю.Г., Порфирьев Л.Ф., Панков Э.Д., Ямбаев Х.К., Торшина И.П., и др. Коллективами под руководством указанных ученых проводились исследования в области контроля прямолинейности и соосности с помощью ОЭС в строительстве и других областях техники. В их работах отраже-
ны основные вопросы проектирования систем данного класса, как на основе геодезических методов, так и на основе методов оптико-электронного приборостроения, с использованием пассивных марок. Рассматриваются факторы, влияющие на функционирование систем и пути повышения точности. Однако в этих работах недостаточно подробно рассматриваются вопросы ослабления влияния пространственного поворота элементов системы на процесс контроля линейных смещений крупногабаритных объектов, а также контроля формы деформируемой поверхности с помощью активных марок.
Объект исследований оптико-электронные комплексы для контроля линейных перемещений (МОЭК КЛП) элементов планарных инженерных и строительных сооружений.
Предмет исследования – особенности построения многоканального комплекса и его каналов, алгоритмов обработки измерительной информации в комплексе, структуры составляющих погрешности контроля смещений, включая их взаимосвязи и влияние на суммарную погрешность контроля.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка многоканального оптико-электронного комплекса для контроля линейных перемещений конструктивных элементов планарных инженерных и строительных сооружений.
Комплекс позволяет осуществлять непрерывный контроль смещения точек поверхности от номинальных значений в изменяющихся условиях эксплуатации и может использоваться для восстановления требуемой формы поверхности.
Задачи диссертационной работы:
-
Критический анализ оптико-электронных методов и средств контроля смещения элементов инженерных и строительных сооружений.
-
Теоретический анализ подходов к построению структуры МОЭК КЛП на основе рационального сочетания аппаратных и программных средств.
3.Разработка алгоритмов обработки информации о координатах марок в каналах МОЭК КЛП.
4.Исследование характеристик обнаружения активных марок в реальных условиях эксплуатации.
-
Анализ и оценка степени влияния основных источников погрешностей в каналах МОЭК КЛП, и нахождение путей ослабления этого влияния на результаты контроля.
-
Экспериментальные исследования характеристик опытных образцов блоков МОЭК КЛП.
Научная новизна работы
1. Предложен новый подход к контролю линейных смещений управляемых элементов планарных инженерных и деформируемых строительных сооружений, заключающийся в регистрации координат отображений активных марок встречными оптико-электронными системами, сопряженными по концам створа и позволяющий расширить диапазон измерений смещений и уменьшить погрешность посредством компенсации воздействия вертикального градиента температуры воздушного тракта.
-
Определено условие инвариантности преобразований сигналов при разворотах блоков, вызванных деформациями поверхности, которое заключается в совместной обработке координат отображений активных марок сопряженными по концам створа встречными оптико-электронными системами на матричном фотоприемном поле анализа.
-
Предложен алгоритм координатной привязки множеств параллельных каналов по сопряженным активным маркам, координаты которых определяются встречными оптико-электронными системами.
Теоретическая и практическая значимость работы
-
Сформирована обобщенная структура МОЭК КЛП, которая за счет гибких алгоритмов работы позволяет определять координаты точек поверхности, и может быть трансформирована, с учетом требований к контролю ее формы.
-
Предложено математическое описание формирования опорной плоскости путем координатной привязки пересечений областей множеств каналов МОЭК КЛП по сопряженным точкам базовых плоскостей в каждом измерительном канале.
-
Разработана компьютерная модель для оценки вероятности обнаружения структурированных активных марок на случайном неоднородном фоне при возможной генерации заданного отношения сигнал/шум и разрядности аналого-цифрового преобразования сигналов с матричного фотоприемника.
-
Определено выражение для вычисления координат марок по фокусным расстояниям оптических систем и расстояниям до встречных оптико-электронных каналов, позволяющее оценить погрешность определения координат марок, при заданных дистанциях контроля.
-
Определено условие для расположения каналов МОЭК КЛП относительно линии установки марок, учитывающее непересечение полей перемещений марок на матричном поле анализа базового блока.
-
Предложены новые технические решения аппаратных и программных средств МОЭК КЛП (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № № 2017660467 от 21.09.2017 и № 2017660690 от 25.09.2017).
Методология и методы исследования
Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались базовые методы геометрической оптики, математические методы теории оптико-электронных приборов, методы системного анализа и цифровой обработки сигналов и изображений. Экспериментальные исследования проводились методами компьютерного моделирования в программах MATLAB, LabView, Mathcad, Zemax, а также методами физического моделирования.
Положения, выносимые на защиту
1. Применение сопряженных по концам створа встречных оптико-электронных систем с обработкой координат отображений активных марок с помощью методов технического зрения, позволяет расширить диапазон измерения линейных перемещений элементов планарных инженерных и строитель-
ных сооружений и уменьшить погрешность определения смещения посредством компенсации воздействия вертикального градиента температуры воздушного тракта.
-
Совместная обработка координат отображений активных марок сопряженными по концам створа встречными оптико-электронными системами позволяет исключить влияние разворотов блоков, вызванных деформациями контролируемой поверхности.
-
Использование дисперсионного метода с первичной обработкой результатов контроля перемещений в длинноволновом диапазоне излучения с последующей корректировкой результатов по измерениям в более коротковолновом диапазоне, позволяет обеспечить минимальную величину неисключенной составляющей погрешности контроля смещений марки при компенсации воздействия вертикального градиента температуры.
Практическая реализация результатов работы
Результаты работы отражены в 10 отчетах по НИР, проводимых
коллективом Научно-исследовательского центра оптико-электронного
приборостроения и Международной лаборатории техносферной безопасности Университета ИТМО, что подтверждено 3 актами использования материалов при выполнении НИР, а также актом внедрения в учебный процесс кафедры оптико-электронных приборов и систем Университета ИТМО.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 11 конференциях: II, III, IV Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2013-2017); XLI, XLII XLIII, XLVI научных и учебно-методических конференциях Университета ИТМО (Санкт- Петербург, Россия, 2012-2014); X, XI Международная конференция «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2013, 2016); Международная конференция SPIE Optical Metrology (Германия, Мюнхен, 2017), Международная конференция SPIE Photonics Europe (Франция, Страсбург, 2018).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 2 статьи в изданиях из перечня ВАК, 5 статей в изданиях, включенных в систему цитирования Web of Science и Scopus, 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ, 4 публикации в иных изданиях.
Структура и объем работы