Введение к работе
Актуальность работы
В мировой практике осуществляется повсеместный переход на измерительную аппаратуру нового поколения, для которой характерны малые габариты, высокий уровень автоматизации, многоканальность, цифровая фильтрация, спутниковая синхронизация, беспроводные каналы связи, анализ и обработка данных с использованием облачных технологий, питание от долгоживущих источников. Вместе с тем, современная аппаратная база, уровень развития технических средств и технологий бесконтактного контроля объектов измерительной отрасли в РФ свидетельствуют, что российский измерительный сектор в технологическом отношении постепенно становится импортозависимым и это противоречит национальным приоритетам.
Построение распределенных оптико-электронных каналов контроля смещений с ретрорефлекторами (РОЭКР - полуактивная оптико-электронная система с пассивными ретрорефлекторами) на принципах «интернета вещей» обусловлено целым рядом преимуществ: распределенные вычисления и обработка информации, устойчивость (адаптивность) к внешним воздействиям, широкий диапазон измерений, малое энергопотребление, встраиваемость в существующие комплексные информационные системы предприятий.
В настоящее время все больший процент промышленных измерений выполняется с использованием оптико-электронных приборов, благодаря которым появляется возможность унифицировать составляющие и реализовать адаптивный принцип построения различных схем контроля крупногабаритных инженерных объектов. Контроль протяженных конструкций - сложная техническая задача, которая эффективно решается с помощью распределенных оптико-электронных систем. Такие системы позволяют при минимальных затратах и достаточной чувствительности в широком диапазоне измерений контролировать элементы протяженных конструкций с повышенной точностью, они адаптированы для работы в жестких условиях эксплуатации.
Особое внимание уделяется бесконтактному методу, реализующемуся с помощью оптико-электронных каналов контроля смещений (ОЭСКС) элементов протяженных конструкций с погрешностью контроля смещений 0,05 мм на дистанциях до нескольких десятков метров с возможностью контроля в нескольких точках. Существующие многофункциональные системы, предлагающие решение такой задачи («Leica Geosystems», «SIXENSE Soldata inc» и др.) -иностранные, дорогие и сложные в эксплуатации. Чтобы уменьшить дефицит отечественных приборов, решающих вышеуказанную проблемы, перспективно применять РОЭКР с несколькими ретрорефлекторами при цифровом анализе на фотоприемном матричном поле отображений тест-объекта (ТО) в режиме реального времени.
Указанные обстоятельства определяют актуальность и важность темы диссертации, посвященной исследованию и разработке новых распределенных оптико-электронных каналов с ретрорефлекторами для контроля смещений
элементов протяженных конструкций с использованием авторефлексионного подхода.
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. 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 отражены основные вопросы проектирования систем данного класса, как на основе геодезических методов с визуальным, так и оптико-электронными каналами. Также рассматриваются факторы, влияющие на функционирование систем и пути повышения точности. Однако в этих работах недостаточно подробно освещены вопросы ослабления влияния пространственного поворота элементов системы на процесс контроля линейных смещений протяженных объектов.
Объект исследований – РОЭКР для контроля смещений элементов протяженных конструкций.
Предмет исследования – особенности построения распределенных оптико-электронных каналов, алгоритмы обработки измерительной информации в каналах, структуры составляющих погрешности контроля смещений, включая их взаимосвязи и влияние на суммарную погрешность контроля.
Целью работы является исследование и разработка распределенного оптико-электронного канала с ретрорефлекторами для контроля смещений элементов протяженных конструкций с расширенным диапазоном контроля в изменяющихся внешних условиях при заданной величине погрешности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Проанализировать современные средства РОЭКР с целью обоснования выбора элементов и разработки структуры построения системы.
-
Провести теоретические исследования принципов и особенностей построения РОЭКР на базе оптических многоэлементных ретрорефлекторов.
-
Разработать имитационные модели ретрорефлекторов с исследованием влияния погрешностей их изготовления на суммарную погрешность РОЭКР.
-
Проанализировать и оценить влияние основных источников погрешности РОЭКР с последующей разработкой методов их уменьшения.
-
Разработать и испытать опытный образец РОЭКР на стенде научно-исследовательского центра оптико-электронного приборостроения (НИЦ ОЭП) Университета ИТМО.
Научная новизна результатов диссертации заключается в следующем: 1. Предложен подход к формированию распределенных оптико-электронных каналов контроля смещений, основанный на авторефлексионной схеме измерений с несколькими ретрорефлекторами и управляемым источником излучения, межкадровый анализ координат отображения которого на матричном поле приемника оптического излучения позволяет повысить точность и
расширить диапазон измерений.
-
Разработано математическое описание обработки сигналов в развитой архитектуре распределенных оптико-электронных каналов контроля смещений с несколькими ретрорефлекторами, отличающееся независимостью первоначальной оценки области локализации изображения на кадре и адаптивной подстройкой под его размер, что позволяет обеспечить инвариантные к влияниям преобразования информации при определении координат смещения контрольного элемента с несколькими ретрорефлекторами.
-
Разработана методика габаритно-энергетического расчета зрачков оптической системы распределенных оптико-электронных каналов контроля смещений изображений тест-объекта на матричном поле анализа с учетом граничных возможных условий физической реализуемости наименьших размеров зрачков оптической системы.
-
Разработана методика анализа инструментальных и эксплуатационных погрешностей, которая позволяет оценить величину суммарной погрешности и сформировать пути ослабления негативных воздействий за счет рационального сочетания оптических параметров базового модуля (БМ) и процедур предварительной обработки информации.
Теоретическая и практическая значимость работы
-
Разработано математическое описание авторефлексионной схемы для контроля смещения с размещением ТО в выходном зрачке объектива БМ и при использовании нескольких ретрорефлекторов, которое позволило сформировать алгоритмы обработки информации с применением проекционной модели машинного зрения.
-
Разработана методика оценки величины среднего квадратического отклонения (СКО) составляющей основной погрешности контроля смещений, обусловленной внутренними шумами МФП, при обработке отображений дуплексного контрольного элемента (КЭ) с учетом диапазона регистрируемых перемещений РОЭКР, фокусного расстояния объектива БМ и базы КЭ.
-
Сформирована имитационная компьютерная модель влияния погрешности РОЭКР от величины смещения энергетического центра отображений ТО в виде дуплексного КЭ с трипельпризмами, изготовленными с заданными величинами двугранных углов, исследование которой позволяет сформировать требования к погрешности изготовления этих углов для реализации систем с требуемой погрешностью.
-
Реализован опытный образец РОЭКР и методики его испытаний, позволяющие проводить комплексные исследования РОЭКР в различных условиях эксплуатации и упростить процесс проектирования опытных образцов аналогичных каналов.
Методология и методы исследования
При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались методы системного анализа, математические методы теории преобразования оптического излучения в оптико-электронных системах, методы цифровой обработки изображений. Экспериментальные исследования проведены метода-
ми компьютерного имитационного моделирования в программных средах LABview, Mathcad и физического моделирования на разработанном макете.
Положения, выносимые на защиту
-
Обобщенная структура распределенных оптико-электронных каналов контроля смещений с несколькими ретрорефлекторами и управляемым источником оптического излучения, позволяет реализовывать модульный принцип построения РОЭКР с применением цифрового анализа положения изображений источника на матричном поле приемника оптического излучения и обеспечивает уменьшение погрешности и увеличение диапазона контроля смещений.
-
Способ измерения линейного смещения объекта с применением цифрового анализа изображений управляемого источника оптического излучения, сформированного несколькими ретрорефлекторами, апертуры которых расположены в одной плоскости и параллельны плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного устройства, обеспечивает увеличение дистанции и меньшее энергопотребление.
-
Методика расчета параметров объектива и ретрорефлекторов распределенных оптико-электронных каналов контроля смещений с несколькими изображениями тест-объекта на матричном поле анализа, с учетом взаимосвязи параметров оптической системы с характеристиками управляемого ИОИ и матричного фотоприемника (апертурные углы, границы углового поля, размеры площадок) позволяет определить граничные условий физической реализуемости размеров входного зрачка авторефлексионной оптической системы.
-
Многопроходный адаптивный алгоритм определения центра изображений тест-объекта, в основе которого лежит итерационная оценка области локализации изображения, с учетом нахождения максимумов модуля градиента облученности и разработанного способа измерения линейного смещения объекта, обеспечивает инвариантные к разворотам контрольного элемента преобразования информации при контроле поперечных смещений ретрорефлекторов.
Достоверность результатов работы основана на корректном применении используемых методов, а также на соответствии результатов математического моделирования и экспериментальных исследований опытного образца, и сходимости с теоретическими зависимостями.
Практическая реализация результатов работы
Результаты работы отражены в 15 отчетах по НИР, проводимых коллективом Научно-исследовательского центра оптико-электронного приборостроения Университета ИТМО, что подтверждено 4 актами использования материалов при выполнении НИР, а также актом внедрения в учебный процесс кафедры оптико-электронных приборов и систем Университета ИТМО.
Проводимые исследования поддержаны индивидуальным грантом комитета по науке и высшей школе Правительства г. Санкт-Петербурга в 2015 г.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 33 конференциях: XXXVIII-XLIVI научных конференциях Университета ИТМО (Россия, СПб, 2012-2018 г.); VI-VIII НУМК (Россия, СПб, 2010-
2011 г.); I-VII ВКМУ (Россия, СПб, 2012-2018 г.); Международная конференция «Прикладная оптика»/«Оптика» (Россия, СПб, 2010-2016 г.); Международная конференция “Сенсорика 2014” (Россия, СПб, 2014 г.); Международная конференция SPB OPEN (Россия, СПб, 2015-2016 г.), Международная конференция SPIE Photonics Europe (Бельгия, Брюссель, 2014 г., 2016 г.), Science of the Future (Россия, СПб, 2014 г.); Международная конференция OSA LAOP (Мексика, Канкун, 2014 г.); Международная конференция SPIE Optic+Optoelectronic (Чехия, Прага, 2017 г.), Международная конференция SPIE Optical Metrology (Германия, Мюнхен, 2015 г., 2017 г.)
Публикации
По теме диссертации опубликовано 34 печатных работ, из них 3 статей в изданиях из перечня ВАК, 11 статьи в изданиях, включенных в систему цитирования Scopus); 1 – патент РФ; 19 - в трудах международных конференций.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 233 наименований. Общий объем работы составляет 152 страницы, включая 60 рисунков, 8 таблиц и 1 приложение.