Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Исследование и разработка распределенных оптико-электронных каналов с ретрорефлекторами для контроля смещений элементов протяженных конструкций Клещенок Максим Андреевич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Клещенок Максим Андреевич. Исследование и разработка распределенных оптико-электронных каналов с ретрорефлекторами для контроля смещений элементов протяженных конструкций: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.11.07 / Клещенок Максим Андреевич;[Место защиты: ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»], 2018.- 152 с.

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:

  1. Проанализировать современные средства РОЭКР с целью обоснования выбора элементов и разработки структуры построения системы.

  2. Провести теоретические исследования принципов и особенностей построения РОЭКР на базе оптических многоэлементных ретрорефлекторов.

  3. Разработать имитационные модели ретрорефлекторов с исследованием влияния погрешностей их изготовления на суммарную погрешность РОЭКР.

  4. Проанализировать и оценить влияние основных источников погрешности РОЭКР с последующей разработкой методов их уменьшения.

  5. 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.

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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.

  4. 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

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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.

  4. 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.