Введение к работе
Актуальность работы. Автоматизация процесса измерений стала возможна, как только появились персональные компьютеры, способные обрабатывать достаточно большой объём графической информации для определения динамики процесса по серии изображений. Необходимой связкой между растущей производительностью компьютеров и улучшающимися техническими характеристиками оптических и цифровых камер являются алгоритмы компьютерного зрения.
Моделирование позволяет быстрее определить недостатки и опробовать разные подходы к их устранению. При моделировании изображение объекта фиксируется на плоскости, но при проецировании теряется часть информации о геометрических соотношениях объекта. Чтобы восстановить геометрию, необходимо произвести моделирование с использованием алгоритмов компьютерного зрения для извлечения и обработки данных. Аффинные преобразования и эпиполярная геометрия позволяют восстановить в виртуальном пространстве отношения проекций так, что после моделирования возможно производить измерение количественного изменения отношений или динамики по серии изображений в относительных шкалах. В системах оптических измерений важно обеспечить условия, достаточные для идентификации одной и той же характерной особенности объекта.
Разработка современных бесконтактных систем измерений связана с анализом фиксируемого объекта или процесса. С одной стороны связана с описанием кинематики и динамики, и синтезом с другой, который заключается в разработке алгоритмов для определения и слежения за характерными особенностями объекта на изображении. Актуальность работы состоит в рассмотрении и учёте возможных отношений между камерой и объектом измерения.
Цель диссертационной работы.
Разработка новых методов и средств для бесконтактных измерений перемещения деталей приборов.
Задачи исследования.
1. Исследовать современные методы обработки и улучшения изображений, бесконтактных измерительных систем, источники погрешностей при измерениях.
-
Произвести совершенствование библиотеки измерений по изображениям QID, для задач измерения элементов печатных плат.
-
Разработать алгоритм восстановления внешних и внутренних параметров камеры и структуры поверхности по особым точкам, найденным по изображениям подвижных объектов для бесконтактных измерений.
-
Исследовать измерительные способности камер.
-
Разработать метод бесконтактных измерений перемещений подвижных объектов, как альтернативу датчикам линейных перемещений для идентификации трибологических взаимодействий на установке «Трибал-2» и произвести их сравнение.
-
Разработать программный метод повышения частоты сигнала.
-
Дополнить бесконтактный метод стереовосстановлением положения движущихся платформ.
Методы исследования. Основные результаты получены методами математического моделирования, анализа изображений, матричных преобразований в виртуальном пространстве с помощью разработанной программы. Произведен ряд экспериментов для сравнения на установке «Трибал-2» бесконтактного метода измерения и датчиков линейного перемещения.
Научная новизна работы.
-
Произведено совершенствование библиотеки измерений по изображениям QID, для задач измерения элементов печатных плат.
-
Произведено совершенствование метода прецизионной калибровки бесконтактной измерительной системы с помощью алгоритма «выборочной калибровки».
-
Впервые предложен метод бесконтактного измерения перемещения платформ установки, как альтернатива датчикам линейного перемещения на основе алгоритма восстановления внешних и внутренних параметров камеры по изображениям, а также метод искусственного повышения частоты сигнала.
-
Произведено совершенствование использованного бесконтактного метода измерений механических величин с помощью дополнительной камеры, позволяющее повысить качество и точность измерений движущихся деталей прибора.
Достоверность научных результатов обеспечивается применением классических математических методов теории аффинных преобразований и
теории эпнполярных преобразований. Экспериментальные данные обрабатывались на базе кафедры Мехатроники НИУ ИТМО. Математическое моделирование, обработка и проверка результатов осуществлялись при использовании ППП Matlab и Visual Studio C++. Достоверность подтверждена совпадением, с установленной точностью (СКО менее 20%), экспериментальных данных с результатами, полученными с датчиков линейного перемещения.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Развитие метода прецизионной калибровки бесконтактной измерительной системы с помощью алгоритма «выборочной калибровки».
-
Метод бесконтактного измерения (механических величин) перемещения платформ установки, как альтернатива контактным измерениям с помощью датчиков линейного перемещения для идентификации трибологических взаимодействий на установке «Трибал-2» и метод искусственного повышения частоты сигнала.
-
Совершенствование использованного бесконтактного метода измерений механических величин с помощью дополнительной камеры.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы позволяют производить бесконтактные измерения неподвижных и подвижных объектов при неподвижной камере, строить стереоизображения в реальном времени, производить калибровку внешних и внутренних параметров камеры, определять измерительную способность камер, производить пространственные измерения подвижных объектов двумя камерами, производить отложенные расчёты. Результаты исследований и написанное программное обеспечение нашли применение: на кафедре Мехатроники СПб НИУ ИТМО, (при решении задач экспериментальной обработки данных трибологических исследований, оформлено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010615555 -«ARMEASURE», 2010). На кафедре Обеспечения качества ТУ Ильменау разработана программа, ставшая частью библиотеки программного обеспечения для обработки изображений, обеспечения качества измерительной техники и автоматизации Quick Image Development (QID) (оформлено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011613724 - «Stereo», 2011). Результаты работы были использованы при проведении занятий по курсу «Основы трибоники», на кафедре Мехатроники НИУ ИТМО, а также использованы в «Автоматизированной системе бесконтактного управления движением
макета корабля» используемой для музея «мини-Петербург» с оформлением патента на полезное изобретение.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались и получили положительную оценку в ходе докладов на V, VI, VII и VIII Всероссийских межвузовских конференциях молодых ученых (Санкт-Петербург, 2008-2011); в 2008 г. доклад был отмечен дипломом «Лучший доклад студента», в 2009, 2010 и 2011 гг. доклады были отмечены дипломами «Лучший доклад на секции»; а также на семинарах кафедры Мехатроники СПб НИУ ИТМО. Кроме того, доклады по теме были сделаны в ИПМАШ РАН, на кафедре Обеспечения качества Технического университета Ильменау и на кафедре Мехатроники Таллиннского технического университета. Работа получала поддержку в виде грантов для проведения научных стажировок в TU Ilmenau (Германия, 2010) грант «DAAD» и TU Tallinn (Таллин, 2011) грант «DoRa». Получен сертификат 13th International Symposium, «Topical Problems in the Field of Electrical and Power Engineering and Doctoral School of Energy and Geotechnology II» (Estonia, Parnu, 2013).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 11 работ, из них 1 -в иностранном издании, 4 - в журналах из перечня ВАК. Оформлено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010615555 - «ARMEASURE» (2010) и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011613724 - «Stereo» (2011), подано оформление патента на полезное изобретение «Автоматизированная система бесконтактного управления движением макета корабля» а также подана заявка на грант в РФФИ № 14-08-31120 «Трибометрическая установка с WEB-интерфейсом».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и библиографического списка, включающего 111 наименований. Основной текст диссертационной работы изложен на 95 страницах и включает в себя 9 таблиц, а также 54 рисунка.
