Введение к работе
Актуальность темы исследования
Бурное развитие сложного промышленного и технологического оборудования и необходимость обеспечения качественного и надежного его функционирования обуславливает актуальность разработки и исследования прецизионных измерительных систем для контроля положения его составных элементов и частей, расположенных как стационарно, так и подвижно.
Примером таких объектов являются механизмы цилиндро-поршневой сборки, которые нашли широкое применение в различных отраслях промышленности (нефтегазовой, химической, строительной и др.). Уменьшить риск поломки цилиндра можно, владея информацией о параметрах движения, размерах и положении элементов цилиндро-поршневой сборки. Обычно поршни располагаются в труднодоступных местах, и контролировать их работу контактным способом во время возвратно-поступательного движения не представляется возможным. Поэтому задача обеспечения бесконтактного измерения перемещений подвижных элементов становится актуальной.
Приоритет методов оптоэлектроники при решении таких задач обусловлен высоким уровнем их развития. Современная элементная база позволяет создавать адаптивные оптико-электронные системы (ОЭС) контроля перемещений подвижных объектов на основе подходов компьютерного зрения для выполнения требований, обеспечивающих необходимые диапазон и точность контроля.
Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию эффективного и комплексного решения задачи контроля периодических линейных перемещений объектов, заключающегося в объединении известных преимуществ современной оптической и электронной базы ОЭС с цифровыми алгоритмами обработки изображений и методиками обеспечения контроля. Технологические особенности задачи обуславливают необходимость разработки ОЭС, контролирующей положение пассивной контрольной метки (КМ), закрепленной на поверхности объекта, совершающего линейные перемещения, в частности, циклические и с постоянной или меняющейся скоростью.
Указанные обстоятельства определяют актуальность исследования особенностей построения оптико-электронной системы контроля циклически перемещающегося объекта, работающей в условиях достаточно ограниченного пространства и при непрерывном воздействии внешних факторов.
Степень научной проработанности проблемы
Исследованием и развитием оптико-электронных систем контроля пространственного положения объектов занимались такие ученые как Порфирьев Л.Ф., Сабинин Ю.А, Якушенков Ю.Г., Панков Э.Д. и др. Коллективами под их руководством проводились исследования в различных областях как инженерной геодзии, так и автоматизации контроля в других областях техники. В их работах отражены основные вопросы проектирования систем рассматриваемого класса как на основе геодезических методов, так и на основе методов оптико-электронного приборостроения, с использованием
контрольных меток. Однако в этих работах были недостаточно рассмотрены вопросы ослабления влияния факторов движения на процессы контроля пространственного положения циклично линейно перемещающихся объектов.
Объект исследований оптико-электронные приборы и системы для бесконтактного контроля текущего положения циклично перемещающихся по линейной траектории контролируемых объектов - элементов машин и механизмов.
Предмет исследования - архитектуры оптико-электронных систем измерения цикличных линейных перемещений (ОЭСИЛП) контролируемых объектов, взаимосвязь информативных параметров контроля перемещений с параметрами внешнего воздействия и негативных эксплуатационных факторов, а также алгоритмы обработки информации в ОЭСИЛП, определяющие пути уменьшения суммарной погрешности измерения.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка оптико-электронной системы бесконтактного контроля положения элементов механизмов при их цикличном линейном перемещении в условиях изменяющихся скоростей движения и ограниченного пространства их размещения.
Задачи диссертационной работы
-
Анализ современных методов и средств контроля параметров перемещения объектов, условий их применения и определение направления исследования.
-
Математическое и физическое моделирование ОЭСИЛП при контроле параметров циклического перемещения объектов.
-
Исследование алгоритмов обработки полезной информации в ОЭСИЛП и путей их оптимизации для управления физической моделью ОЭСИЛП.
-
Разработка методик расчета параметров элементов при проектировании ОЭСИЛП.
-
Анализ и оценка составляющих суммарной погрешности определения координат текущего положения контролируемого циклически перемещаемого объекта и исследование методов их уменьшения.
-
Разработка физической модели ОЭСИЛП и ее экспериментальные исследования.
Научная новизна работы
-
Предложен подход к реализации бесконтактного непрерывного контроля цикличных линейных перемещений труднодоступных элементов механизмов с помощью оптико-электронной системы на основе анализа изображения сферических контрольных меток, позволяющий уменьшить суммарную погрешность измерений посредством компенсации воздействия смаза изображений и негативных эксплуатационных факторов.
-
Предложен метод вычисления координат и скорости перемещения контролируемого объекта по смазанному изображению сферической контрольной метки на основе определения передаточной функции искажения с использованием инверсной фильтрации и априорно известного спектра изображения объ-
екта без смаза.
3. Разработана математическая модель, основанная на анализе структуры контролируемого объекта в информационном пространстве ОЭСИЛП, описываемого найденным множеством статических и динамических параметров, помех, к которым относятся фон, описываемый двумерной синусоидально коррелированной функцией, смаз изображений, обусловленный скоростью движения объекта и его вибрацией, и электронные шумы многоэлементного приемника оптического излучения.
Теоретическая и практическая значимость работы
-
Разработана архитектура ОЭСИЛП, работа которой основана на многокадровом анализе отображения сцены пространства с контрольными метками в виде сферического отражателя, в которой применено универсальное решение системы подсветки контролируемого объекта несколькими сосредоточенными источниками.
-
Предложен метод определения координат изображения контролируемого объекта, основанный на анализе связных компонент элементов изображения и взвешенного среднего его информативных параметров, позволяющий осуществлять вычисление координат контрольной метки с субпиксельной точностью.
-
Предложена методика выявления селективных признаков движущихся объектов для определения параметров их перемещения, базирующаяся на цифровой обработке последовательности изображений на стационарном фоне.
-
Предложен алгоритм вычисления координат изображения ОЭСИЛП в оптической схеме на основе сферической отражающей контрольной метки.
-
Определена взаимосвязь диаметра входного зрачка оптической системы ОЭСИЛП со временем экспозиции и скоростью перемещения контрольной метки при выбранных источниках и приемнике оптического излучения.
-
Предложены новые варианты технических решений ОЭСИЛП и программных средств их обеспечения.
Методология и методы исследования
В теоретической части диссертационной работы применены методы системного анализа, математические методы теории преобразования оптического излучения в оптико-электронных системах, векторно-матричный метод расчёта пространственных сцен, методы цифровой обработки изображений, разработаны инженерные методики по выбору соотношений, параметров и характеристик элементов обобщенной схемы ОЭСИЛП.
Экспериментальные исследования проведены методами компьютерного имитационного моделирования в программной среде MATLAB с использованием пакета Image Processing Toolbox и Simulink, в программной среде автоматического проектирования оптических систем Zemax. Практическая проверка полученных характеристик осуществлена с использованием разработанных опытных образцов ОЭСИЛП.
Положения, выносимые на защиту
1. Применение метода вычисления координат и скорости движения цик-
лически перемещающегося контролируемого объекта оптико-электронной системой посредством анализа смазанных изображений сферических отражающих контрольных меток на фотоприемном матричном поле, основанного на определении передаточной функции искажения с использованием инверсной фильтрации и априорно известного исходного двумерного Фурье-спектра изображения позволяет повысить точность определения параметров движения в условиях вибрации и стационарных фонов посредством компенсации негативного влияния смаза изображения.
-
Разработана методика выявления селективных признаков циклически перемещающегося объекта по последовательности цифровых изображений, позволяющая определить параметры его движения и детектировать контролируемый объект в условиях вибрации и стационарных фонов.
-
Разработанная архитектура ОЭСИЛП, основанная на многокадровом анализе отображения сцены пространства с пассивной контрольной меткой и ее подсветкой несколькими сосредоточенными по заданной схеме источниками оптического излучения, позволяет уменьшить погрешность измерения координат контролируемого объекта.
Достоверность результатов работы подтверждена корректным применением математических методов, а также сходимостью теоретических зависимостей с результатами экспериментальных исследований опытного образца, проведенных на метрологической аттестованной аппаратуре.
Практическая реализация результатов работы
Практическая значимость проведенных исследований подтверждена четырьмя актами использования результатов диссертации. В частности, кафедрой Оптико-электронных приборов и систем Университета ИТМО были использованы: методика корректировки результатов измерений из-за вредного воздействия смаза за счет величины скорости при известном направлении движения и времени экспозиции использована - при выполнении НИР № 300225 «Исследование и разработка универсальной оптико-электронной системы высокоточного позиционирования элементов составного зеркала с управляемой формой поверхности для радиотелескопов миллиметрового диапазона длин волн»; методики определения скорости контрольного объекта по смазанному изображению на основе выделения передаточной функции искажения с использованием инверсной фильтрации и априорно известного исходного спектра изображения объекта без смаза - в лабораторном практикуме дисциплины МЛ.3.5 «Измерительные видеоинформационные системы». Кроме того при проведении испытаний клапана секционного дренчерного (ЛЦУИ.492100.002) был использован опытный образец оптико-электронной системы контроля линейных перемещений ОЭСИЛП-1.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 14 конференциях: Всероссийских конференциях молодых ученых, (Санкт-Петербург, Россия, 2009 - 2011 гг.); I и II Всероссийских конгрессах молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2012. 2013 гг.); IX и XI междуна-
родная конференция «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2010, 2011 гг.); VIII Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика - 2013» (Санкт-Петербург, Россия, 2013 г); XLI, XLII XLIII научных и учебно-методических конференциях Университета ИТМО (Санкт- Петербург, Россия, 2012-2014 гг.); Международная конференция SPIE Optical Measurement Systems for Industrial Inspection (Германия, Мюнхен, 2013 г.), Международная конференция SPIE Precision Engineering Measurement and Instrumentation (Германия, Мюнхен, 2015 г.) Международная конференция SPIE Optics, Photonics and Digital Technologies for Imaging Applications (Бельгия, Брюссель, 2016).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ, из них 5 статей в изданиях из перечня ВАК, 3 статьи в изданиях, включенных в систему цитирования Web of Science и Scopus, 5 патентов РФ, 3 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ и 14 публикаций в иных изданиях.
Структура и объем работы