Установка автоматического бесконтактного определения геометрических параметров движущихся объектов

Задачей заявленного технического решения является повысить точность вычисления размеров движущихся объектов и получить оперативную информации о поступлении сырья на предприятие в режиме реального времени. Технический результат достигается за счет того, что измерительные модули установки располагаются строго горизонтально соответствующим лазерным модулям и содержат трехслойный полосовой фильтр.

Установка предназначена для измерения линейных размеров, вычисления площади сечения и объема движущегося объекта. Применяется установка в случаях, когда обычными методами найти геометрические параметры не представляется возможным в силу сложного рельефа поверхности объекта. А так же при использовании в непрерывном технологическом процессе производства, т.е. большие объемы сырья (продукции) перевозимого автотранспортом, по железной дороге, непрерывная загрузка или выгрузка продукции по транспортерной ленте и т.п.

Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является устройство для измерения линейных размеров движущихся объектов (патент РФ 2030709, опубликован 1995.03.10), содержащий блок определения линейных размеров участков объекта, состоящий из панели сброса, панели выдачи команды считывания, двух счетчиков, трех схем совпадения, линии задержки, схемы или, инвертора оперативного запоминающего устройства и цифрового индикатора, при этом выход панели сброса соединены с первым входом первого счетчика и первым входом цифрового индикатора, имеющего второй вход, соединенный с выходом оперативного запоминающего устройства, имеющего первый вход, соединенный через вход блока обработки сигнала, второй выход анализатора с выходом счетчика, а второй и третий входы оперативного запоминающего устройства соответственно соединены с выходом первого счетчика, второй вход которого соединен с выходом панели выдачи команды считывания и выходом первой схемы совпадения, имеющей первый вход, соединенный с выходом второго счетчика, первый вход которого соединен через линию задержки с выходом схемы или, соединенный также с вторым входом первой схемы совпадения, а второй вход второго счетчика и вход инвертора соединен через третий вход блока определения линейных размеров участков объекта, третий выход блока обработки сигнала с выходом схемы совпадения, причем выход инвертора соединен с первыми входами второй и третей схем совпадения, вторые входы которых соответственно соединены с вторым входом блока определения линейных размеров участков объекта и через переменную линию задержки с этим же вторым входом блока, соединенным также через второй вход блока обработки сигнала с выходом амплитудного селектора. Выходы второй и третьей схемы совпадения соответственно соединены с первым и вторым входами схемы.

Недостатком известного устройства является то, что с помощью данного устройства, возможно, измерить только отдельные части объекта, а не весь, что может привести к неточности вычисления размеров объекта в целом

Задача заявленного технического решения заключается в том, что бы организовать эффективный автоматизированный процесс приемки сырья, особенно на крупных российских предприятиях переработки. Так же увеличить объем принимаемого сырья, повысить точность его вычисления и получить оперативную информации о поступлении сырья на предприятие в режиме реального времени.

Конструкция заявленного технического решения, включает в себя блок сканирования, а именно жестка связанные две П-образные фермы, позволяющие устанавливать систему сканирования различных размеров без предварительной подготовки монтажной площадки; лазерные излучатели маркерной линии обеспечивающие генерацию линии сканирования в видимой (красной) области света; измерительные модули, обеспечивающие передачу изображения лазерной линии на поверхности объекта в блок обработки; блок обработки, состоящий из модуля обработки снимков маркерной линии и датчика присутствия объекта.

Принцип, по которому построена работа блока сканирования, основан на триангуляции, широко применяемой в оптических методах трехмерного измерения с помощью кодированного света. Метод триангуляции позволяет вычислять искомое значение (расстояние до любой точки объекта) по известным правилам и законам геометрии, из геометрических отношений в самой системе, точнее из треугольника, образованного этой точкой и фиксированной линией между камерой и источником кодированного света.

Для того, чтобы провести такие тригонометрические вычисления на объект проецируется световая (маркерная) линия, каждая точка на поверхности объекта этой линии составляет некоторые определенные угловые соотношения. С помощью калибровки камеры (когда в плоскость (XY) помещается плоский объект (тест) с известными геометрическими размерами), мы можем задать каждому пикселю (или группе пикселей) на изображении телевизионного кадра координаты X, Y, Z. После этого остается лишь выделить на объекте (видеокадре) все маркерные точки, образованные от источника света (лазерной линии). Объединив эти точки на видеокадре, мы получим линию профиля поверхности объекта.

Блок сканирования представляет собой две П-образные фермы, которые расположены (смонтированы) параллельно друг другу, размеры и расстояние между конструкциями зависит от размеров измеряемого объекта. С помощью такой конструкции мы фиксируем, в системе определения координат маркерных точек на объекте, параметр «С»-расстояние между плоскостью распространения лазерной линии и телекамерами.

На одной из ферм по периметру смонтированы лазерные модули, с помощью которых создается плоскость сканирования. Каждый модуль генерирует монохромную световую расходящуюся вертикально линию длинной от

1 метра до 2,5 метров в центральной части фермы и шириной 3-10 мм, а их расположение позволяет нанести световую маркерную линию на всей видимой поверхности объекта находящегося в области сканирования

На второй ферме также по периметру расположены измерительные модули. Они располагаются строго горизонтально соответствующим лазерным модулям, что позволяет избежать дополнительных нелинейных искажений в изображении маркерной линии. Все камеры измерительных модулей одновременно передают полученные видеоизображения маркерных линий на поверхности объекта с трех сторон в блок обработки, где, используя определенный алгоритм, происходит вычисление геометрии объекта.

Датчик присутствия объекта устанавливается на ферме и позволяет управлять процессом получения видеоряда маркерных линий при сканировании, а также соотносить изображение каждой маркерной линии на видеокадре с положением ее на поверхности объекта.

Разработанная конструкция П-образной фермы (она собирается из одинаковых сегментов размерами 1400×200×200) позволяет устанавливать систему сканирования различных размеров без предварительной подготовки монтажной площадки, а также органично встраиваться в уже работающий технологический процесс без дополнительных финансовых затрат.

Конструкция опорного элемента фермы (стандартный сегмент перемещается вертикально внутри опоры) позволяет регулировать вертикальный размер фермы, обеспечивая возможность установки в готовые помещения (ангары, склады, цеха).

Лазерный модуль обеспечивает генерацию линии сканирования в видимой (красной) области света. С помощью установленного лазерного диода (в промышленном исполнении установлен дублирующий диод) с частотой излучения 660 нм (возможно использовать лазерные диоды с частотой излучения от 620 нм до 700 нм), углом расходимости не более 1 мрад и оптической линзы (генератор линии с углом разворота луча 54 градуса) модуль излучает ярко красную линию шириной 3-10 мм.

Разработанная конструкция крепления лазерного модуля включает в себя динамическую систему плоскостной стабилизации. С помощью винтов регулируется вертикальный наклон луча (по оси Y), а также отклонение линии от оси излучения (X) в плоскости (X, Y), что позволяет совместить линии от пяти лазеров, размещенных по периметру фермы в одной плоскости.

Измерительный модуль используется для передачи изображения лазерной линии на поверхности объекта в блок обработки.

Для получения четкой картинки лазерной линии в модуле применяются цифровые цветные телекамеры с ПЗС матрицей 1/3", 480 ТВЛ, позволяющей при обработке кадра добиться разрешения не ниже 720×540(PAL).

Использование объектива с переменным фокусным расстоянием (вариообъектив) обеспечивает универсальное применение измерительного модуля для объектов различных размеров. Изменяя фокусное расстояния объектива измерительный модуль обеспечивает выделение области сканирования размерами от 1000×1000 мм. до 4000×4000 мм.

Отличительной особенностью измерительного модуля от обычной телекамеры является использование трехслойного полосового фильтра. Полосовой фильтр позволяет ослабить световой поток, попадающий на матрицу, в частотном диапазоне слева и справа от основной частоты кодированного света.

Фильтр способствует усилению засветки матрицы в диапазоне частот 620-700 нм., это значит, что даже небольшое превышение в отраженном свете интенсивности маркерной линии позволяет четко фиксировать ее на матрице камеры.

Применяемые фильтры дают возможность получить превышение яркости маркерной лазерной линии над общим фоном кадра (при обработке кадра, это ускоряет процедуру поиска линии, а так же повышает точность поиска координат точек на линии). Использование в установке лазеров с мощностью до 40 мВт, делает ее применение безопасной для здоровья человека (водитель, технический персонал, и др.), попадающего в плоскость сканирования. Расчеты показывают, что мощность рассеянного (диффузного) лазерного излучения (при использовании 5-ти лазеров с мощностью излучения Р=40 мВт)

W=Р/(L×d)=(5×0.04)/(250×1.0)=0.0008=8.0×10(-4)

Р - Мощность лазерного излучателя в Вт

L - Длинна линии развернутого луча лазера в см.

d - Ширина (диаметр) лазерного луча в см.

ПДУ для глaз_H=1.7×10(-3)Дж/cм(2), E=1.7×10(-3)Bт/cм(2),

Н-W(пду)д=1.7×10(-3), Е-Р(пду)д=1.7×10(-3)

ПДУ для кожи_Н-7.0×10(3)Дж/см(2) E=5.0×10(3)Bт/cм(2)

Принцип работы

Получение геометрических параметров объекта по видеоряду (последовательности снимков поверхности) связано с процедурой калибровки камеры. Для решения задачи калибровки камеры необходимо иметь опорные данные, координаты точек теста X, Y, Z, помещенного в область кадра. Координаты теста (расстояние между опорными точками теста известно) с помощью специального программного обеспечения (фотограметрическая методика приведения компьютерной системы

координат к метрической) приводятся в координаты этих же точек в системе координат снимка.

Разработанный тест помещается в плоскость распространения лазерной линии.

Конструкция теста позволяет быстро расположить тест в рабочей области, что значительно сокращает время калибровки системы.

Все камеры калибруются по одному и тому же тесту. Для снижения погрешности измерения калибровка всех камер производится по 12 тестовым точкам.

Калибровка проводится с использованием тестового изображения, на котором заранее определены координаты тестовых точек. В данной модели используются точки перекрестия теста и точки средних линий перекрестия. После калибровки всех пяти измерительных модулей блока сканирования система может производить геометрические измерения объекта, движущегося в плоскости сканирования.

Все полученные кадры поверхности объекта захватываются с помощью обрабатывающего модуля. С помощью программного обеспечения производится вычисление высоты, ширины, длинны, площади сечения и объем объекта.

На фиг.1 представлена схема, иллюстрирующая метод триангуляции, состоящая из источника кодированного света, т.е. лазера (Л), камеры (К), расстояния до маркерной точки на объекте (АВ), расстояния от камеры до источника кодированного света (С).

На фиг.2 представлен блок сканирования, который представляет собой две П-образные фермы (1.2.), на которых по периметру смонтированы лазерные модули (Л1-Л5), также по периметру расположены измерительные модули (К1-К5)

Использование предложенной конструкции заявленного технического решения позволит увеличить объем принимаемого сырья, повысить точность его вычисления и получить оперативную информации о поступлении сырья на предприятие в режиме реального времени, благодаря тому, что измерительный модуль установки содержит трехслойный полосовой фильтр, так же за счет того, что измерительные модули располагаются строго горизонтально соответствующим лазерным модулям,

1. Установка автоматического бесконтактного определения геометрических параметров движущихся объектов, состоящая из блока сканирования, а именно двух П-образных ферм, лазерных излучателей маркерной линии, измерительных модулей, блока обработки, а именно блока модуля обработки снимков маркерной линии и датчика присутствия объекта, отличающаяся тем, что измерительный модуль содержит трехслойный полосовой фильтр.

2. Установка автоматического бесконтактного определения геометрических параметров движущихся объектов по п.1, отличающаяся тем, что измерительные модули располагаются строго горизонтально соответствующим лазерным модулям.