Введение к работе
Актуальность темы исследования
В настоящее время ведется строительство большого количества крупногабаритных, протяженных объектов сложной формы, таких как спортивные, торговые, развлекательные и прочие вместительные сооружения. Одним из направлений повышения эффективности строительства таких объектов является широкое применение конструкций, соответствующих различным трехмерным нелинейным формам.
Крупногабаритные протяженные сооружения различного назначения, как и многие другие объекты техногенной сферы, являются потенциально опасными в плане угрозы жизни людей со стороны возможных катастроф. Причинами опасных нарушений в функционировании объектов могут являться ошибки, допущенные на стадии конструирования, при строительстве или неправильной эксплуатации, а также вследствие влияния неблагоприятных природных факторов. Поэтому чрезвычайную актуальность приобретают автоматизированные измерительные системы, позволяющие в режиме реального времени осуществлять мониторинг технического состояния сооружений и тем самым предотвращать большие человеческие жертвы, экономические потери и угрозы окружающей среде.
Системы данного типа также применимы к задачам мониторинга пространственного положения буровых платформ, доков и других крупногабитных конструкций.
Одним из основных способов бесконтактного измерения расстояний и смещений является применение лазерных технологий, но их основной недостаток заключается в том, что при проведении замеров могут возникнуть ошибки, вызванные лазерным шумом (шумы детектирования, спекл-эффекты), а также свойствами отражения и рассеивания поверхности объекта мониторинга. Кроме того, приборы, существующие в данное время на рынке контрольно-измерительного оборудования, не могут быть применены для мониторинга точек вне прямой видимости, что говорит о необходимости создания распределенной оптико-электронной системы (ОЭС), точность измерения которой не зависит от отражающих свойств контролируемой поверхности, а также от ее формы.
Указанные факторы подтверждают актуальность и важность темы диссертации.
Степень разработанности темы
Известны труды Коротаева В.В., Тимофеева А.Н., посвященные исследованию оптико-электронных систем контроля линейных смещений элементов конструкций, а также Панкова Э.Д., Бондаренко И.Д., Джабиева А.Н. по разработке автоколлимационных угломеров. Исследованные ОЭС реализуют измерения в контрольных точках, находящихся в прямой видимости с некоторого базового пункта. Разработаны новые подходы к восстановлению трехмерных форм с использованием мульти-проекционных систем в работах Moulon Pierre, Monasse Pascal and Marlet Renaud.
Однако на данный момент не предложены обобщенные принципы и методы построения распределенных оптико-электронных систем для контроля деформаций протяженных объектов сложной формы, а существующие решения имеют схематические, либо сугубо теоретические описания к предлагаемым подходам.
Целью работы является разработка и исследование принципов построения, методов расчета параметров и характеристик распределенной измерительной системы для трехмерного мониторинга пространственного положения протяженных объектов сложной формы в реальном времени, а также ее практическая реализация и экспериментальное исследование.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
-
Рассмотреть и исследовать основные существующие методы и принципы трехмерного анализа объектов.
-
Предложить принцип построения и структуру оптико-электронной системы для трехмерного мониторинга протяженных объектов сложной формы.
-
Разработать компьютерную модель распределенной ОЭС, исследовать ее характеристики, выявить основные источники ошибок, влияющие на точность измерения.
-
На основе разработанной модели спроектировать и реализовать макет распределенной ОЭС, произвести ее экспериментальное исследование.
Научная новизна диссертации
Предложены принципы построения автоматизированной распределённой оптико-электронной системы на основе неоднородных измерительных каналов, реализующих метод последовательной привязки координат, с возможностью масштабирования по габаритам и конфигурации контролируемой поверхности, а также интеграции в комплексы техносферного мониторинга, позволяющей определять, как угловое, так и линейное положение элементов протяженных объектов сложной формы.
Теоретическая и практическая значимость работы
-
Установлены соотношения между параметрами сенсоров, образующих измерительный канал, полученные на основании математической модели распределенной оптико-электронной системы и позволяющие определить пути уменьшения погрешности измерения системы в целом.
-
Предложена методика расчета основных составляющих погрешности распределенной ОЭС мониторинга углового и линейного положения элементов протяжённых объектов сложной формы.
-
Разработана обобщенная компьютерная модель распределенной ОЭС с промежуточными измерительными блоками, состоящими из группы сенсоров, позволяющая оценить их метрологические характеристики.
-
Спроектирован и реализован макет распределенной ОЭС, исследование которого подтвердили возможность практической реализации систем трехмерного мониторинга нелинейных объектов с использованием промежуточных измерительных блоков.
Методология и методы исследования
Для теоретического анализа применяются соотношения геометрической оптики, теории центральной проекции, методов нелинейной оптимизации.
В экспериментальной области используется совокупность физической (макет) и компьютерной модели распределенной ОЭС, а также математические методы обработки изображений.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Оптико-электронная система, состоящая из измерительных блоков,
расположенных в контрольных точках объекта, каждый из которых включает
группу измерительных каналов в составе пары сенсоров, фиксирующих
изменение взаимного пространственного положения и принадлежащих
смежным измерительным блокам, позволяет осуществлять определение
углового и линейного положения элементов несущих конструкций
протяженных объектов сложной формы.
-
Теоретическая модель каждого сенсора, построенная на основе зависимостей центральной проекции с учётом выявленных в результате калибровки отклонений от линейности проективных преобразований, позволяет выполнить взаимную привязку измерительных баз всех сенсоров измерительного блока как узла распределенной ОЭС.
-
Погрешность распределённой ОЭС, реализующей метод последовательного определения взаимного положения измерительных блоков, может быть уменьшена при изменении пункта начальной привязки с изменением на противоположное направление построения последовательности опрашиваемых измерительных блоков.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 15 конференциях, в том числе 6 международных: Прикладная оптика-2012 (Санкт-Петербург, Россия, 2012 г.), «Sensorica-2015» (Санкт-Петербург, Россия, 2015 г.), SPIE Photonics Europe (Брюссель, Бельгия, 2014,2016 г.) и SPIE Optical Metrology (Мюнхен, Германия, 2015,2017 г.), а также: II-IV Всероссийских конгрессах молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2013-2015 гг.), XII научно-практической конференции «Перспективные задачи и системы управления» (Крым, Россия, 2016 г.), VI сессии научной школы-практикума «Технологии высокопроизводительных вычислений и компьютерного моделирования: технологии eScience» (Санкт-Петербург, Россия, 2013 г.), XLI–XLVI Научных и учебно-методических конференциях НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2013-2016 гг.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 8 статей, включенных в международные базы данных Web of Science и Scopus, 2 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 61 наименования, содержит 104 страницы основного текста, 52 рисунка.