СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ОБЪЕКТАМИ Российский патент 2016 года по МПК G01S11/12 

Способ измерения расстояния между объектами относится к контрольно-измерительной технике, в частности к способам контроля взаимного положения объектов (или отдельных частей одного объекта) оптико-электронными методами, и может быть использован для контроля взаимного положения объектов в пространстве, для линейного контроля взаимного положения элементов крупногабаритных сооружений, соосных деталей (например, турбоагрегатов АЭС, направляющих крупногабаритных станков и т.п.), а также может быть использован в автоматизированных системах в процессе синхронизации выполнения технологических операций исполнительными звеньями механизмов.

Известен способ определения координат объекта (патент РФ №2251712 в Бюл. №13 от 10.05.2005), суть которого заключается в определении угловой координаты изображения объекта вместе с изменяющими образ элементами в поле зрения и последующем пересчете полученной величины в стабилизированную систему координат, определении величины и направления линейной скорости объекта в стабилизированной системе координат, формировании величины углового смещения в стабилизированной картинной плоскости исходя из полученной величины и координат, характеризующих линейное смещение изменяющих образ элементов относительно собственной системы координат объекта, и корректировке угловой координаты изображения объекта вместе с искажающими образ элементами в стабилизированной системе координат на величину углового смещения.

Недостатком этого способа является сложность реализации и, в следствие этого, низкое быстродействие, невысокая точность в случае наличия различного рода искажений (например, дефектов матрицы вследствие деградации или больших колебаний температуры и т.п.).

Известен способ определения взаимного положения объектов (патент РФ №2468383 в Бюл. №33 от 27.11.2012), который относится к оптическим способам определения взаимного положения и взаимной ориентации объектов. Он состоит в создании измерительной системы, состоящей из установленного на первом объекте комплекта оптических реперов, в который входят не менее трех реперных оптических излучателей, и из установленного на другом объекте оптического измерительного комплекта. Мощность излучения каждого реперного оптического излучателя модулируют на отличной от других частоте повторения, периодически вырабатывая одновременно на всех частотах временные метки. С помощью оптического измерительного комплекта определяют углы визирования каждого реперного оптического излучателя и разности между расстоянием до произвольно выбранного реперного оптического излучателя и расстояниями до остальных реперных оптических излучателей и по этим данным вычисляют параметры взаимного положения объектов.

Недостатком этого способа является сложность реализации, невысокая точность, когда в тракте преобразования возникают различного рода помехи (например, изменения характеристик излучателя, приемников и фоновых засветок и т.п.).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является способ измерения линейного смещения объекта, который включает формирование облученности в виде квазиточечных пятен рассеяния в плоскости изображения двух излучателей, преобразование оптического сигнала в электрический, измерение координат пятен рассеяния и определение величины смещения. Оптический сигнал в электрический преобразуют посредством ПЗС матрицы, центр которой назначается программно. По значениям координат энергетических центров тяжести первого и второго пятен рассеяния определяют координаты середины отрезка между ними по формулам:

$$x\text{'}=\frac{x_1+x_2}{2}$$ и $$y\text{'}=\frac{y_1+y_2}{2}$$ ,

где х′, y′ - координаты центра отрезка между пятнами рассеяния;

x₁, х₂ - горизонтальные координаты энергетических центров тяжести первого и второго пятен рассеяния соответственно;

у₁, у₂ - вертикальные координаты энергетических центров тяжести первого и второго пятен рассеяния соответственно.

Недостатком этого способа является невысокая точность в случае наличия различного рода искажений изображений и помех (например, изменения характеристик излучателя, приемников и фоновых засветок и т.п.), сложность реализации и вследствие этого низкое быстродействие.

Задачей заявляемого изобретения является создание способа измерения расстояния между объектами.

Это достигается путем того, что измерение расстояний между объектами оптическим способом, протяженность которых на изображении соизмерима с расстояниями между ними, оценивается как совокупность нескольких характеристик положения одного пятна по отношению к другому.

Суть изобретения заключается в том, что оценку положения изображений объектов в кадре проводят по параметру, который является интегральной характеристикой нескольких значимых признаков положения их, при этом значимость каждого признака определяется соответствующими коэффициентами влияния.

Технический результат заключается в обеспечении снижения требований к качеству исполнения отдельных узлов системы, реализующей предложенный способ, универсализации работы устройства, снижении требований к точности установки частей системы и упрощении настройки и эксплуатации.

Возможность осуществления изобретения подтверждается тем, что авторами проведено полунатурное моделирование процессов измерения.

На фигуре 1 приведен пример структурной схемы устройства, на котором поясняются особенности реализации предложенного способа, где

1 и 2 - объекты;

3 - фотоприемное устройство;

4 - считывающее устройство;

5₁…5_N - блоки вычисления координат признаков положения с первого по N y каждого из объектов;

6 - блок вычисления интегрального центра каждого объекта;

7 - блок вычисления расстояния между объектами и регистрации результата.

Световой поток от объектов 1 и 2 поступает на фотоприемное устройство 3, выход которого подключен к входу считывающего устройства 4. Выход считывающего устройства 4 подключен к входам блоков 5₁…5_N вычисления координат каждого из N признаков положения первого и второго объектов, выходы которых соединены со входом блока 6, выход которого подключен к входу блока 7.

Способ измерения электрического сопротивления изоляции иллюстрируется диаграммой, описывающей очередность выполнения операций контроля, приведенной на фигуре 2, где

8 - начало;

9 - приведение системы в исходное состояние: выбор расположения осей координат на плоскости изображения, определение значимых признаков на изображениях, характеризующих положение объектов в пространстве и друг относительно друга, а также задание весовых коэффициентов влияния;

10 - формирование изображения объектов по результатам считывания его (например, с ПЗС матрицы);

11 - вычисление координат признаков у изображения каждого объекта;

12 - вычисление координат интегрального центра изображения каждого объекта по принятому правилу суммирования координат с учетом весовых коэффициентов влияния;

13 - определение расстояния между интегральными центрами, как расстояние между объектами;

14 - конец.

На фигуре 3 представлен пример определения интегрального центра C₄(x₄,y₄) для трех признаков С₁(x₁,y₁), С₂(х₂,у₂), С₃(х₃,у₃), характеризующих положение объекта. На фигуре 4 представлен пример обработки изображений двух объектов на ПЗС матрице (размером 744×576 пикселей) для определения расстояния между ними.

Способ реализуется следующим образом (см. фиг. 1 и фиг. 2).

На стадии настройки системы принимается решение о количестве и видах значимых признаков на изображениях, характеризующих положение объектов в пространстве и друг относительно друга (например, первый признак - энергетический центр, второй - самое яркое пятно на поверхности объекта, третий - геометрический центр и т.п.), а также задаются значения весовых коэффициентов влияния, определяющих степень влияния каждого из принятых признаков на положение интегрального центра объекта. В процессе работы формируется изображение объектов 1 и 2 в фотоприемном устройстве 3. С помощью устройства 4 кадр изображения поступает в блоки 5₁…5_N, в которых вычисляются координаты признаков положения каждого объекта. Координаты интегрального центра каждого изображения вычисляют в блоке 6 по принятому принципу суммирования координат характерных признаков с учетом поправочных коэффициентов. Затем в блоке 7 вычисляют расстояние между объектами, которое определяется как произведение расстояния между интегральными центрами изображений на масштабный коэффициент, связывающий размер базового реального отрезка с размером его на кадре.

Из приведенного примера на фигуре 3 видно, что координаты интегрального центра С₄ формируются, как среднее арифметическое координат признаков положения С₁, С₂ и С₃ по оси Х и по оси Y:

$$X_4=\frac{a{X}_1+b{X}_2+c{X}_3}{3}(1)$$

$$Y_4=\frac{a{Y}_1+b{Y}_2+c{Y}_3}{3}(2)$$

и, при коэффициентах а, b и с, равных единице, С₄ оказывается центром пересечения медиан треугольника, образованного тремя признаками С₁, С₂ и С₃.

На фигуре 4 приведен пример реального кадра (размером 744×576 пикселей) с изображением двух объектов, расстояние между которыми определяется несколькими способами.

В таблице 1 приведены координаты характерных точек, связанных с положением изображений объектов в кадре на фигуре 4.

Таблица 1 Объект 1 Объект 2 Координата Значение, пиксел Координата Значение, пиксел X_ЭН1 116,3 X_ЭН2 632,4 Y_ЭН1 101 Y_ЭН2 463,1 Х_Г1 118 Х_Г2 627,7 Y_Г1 97,4 Y_Г2 461,6 X_M1 89 X_M2 602 Y_M1 70 Y_M2 494 X_И1 107,7 X_И2 620,7 Y_И1 89,5 Y_И2 472,9        

Где Х_ЭHi Y_ЭHi координаты энергетического центра С_ЭH(Х_ЭH,Y_ЭH), вычисленные по формулам:

$$X_{ЭН}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^K{\displaystyle \sum _{j=1}^P(H_{i,j}\cdot x_{i,j})}}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^K{\displaystyle \sum _{j=1}^P{H}_{i,j}}}}$$ ; $$Y_{ЭН}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^K{\displaystyle \sum _{j=1}^P(H_{i,j}\cdot y_{i,j})}}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^K{\displaystyle \sum _{j=1}^P{H}_{i,j}}}}$$

где H_i,j - суммарный сигнал от всех элементов матрицы ПЗС; K и Р - соответствующие числа столбцов и строк матрицы; x_i,j и y_i,j - дискретные значения координат элементов вдоль направления строк и столбцов.

Х_Гi и Y_Гi - координаты геометрического центра C_Г(X_Г,Y_Г), вычисленные по формулам:

$$X_{ЭH}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^K{\displaystyle \sum _{j=1}^P{x}_{i,j}}}}{K\cdot P}$$ ; $$Y_{ЭH}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^K{\displaystyle \sum _{j=1}^P{y}_{i,j}}}}{K\cdot P}$$

X_Mi Y_Mi - координаты самой яркой области на изображении объекта C_M (X_M, Y_M).

Х_И и Y_И - координаты интегрального центра С_И(Х_И,Y_И), вычисленные по формулам (1) и (2) при коэффициентах a, b и c, равных 1.

Расстояние L_i между изображениями объектов определяется по формуле:

$$L_i=\sqrt{{\left(x_{i2}-x_{i1}\right)}^2+{\left(y_{i2}-y_{i1}\right)}^2}$$

В таблице 2 приведены расстояния между изображениями по фигуре 4, вычисленные при использовании различных пар характерных точек.

Таблица 2 Наименование расстояния между центрами Значение, пиксел L_ЭН 630,5 L_Г 626,4 L_M 665,5 L_И 640,4

Как расстояние между одноименными характерными точками С_ЭН, С_Г, С_М и С_И, которые в общем случае не совпадают друг с другом, и их величина может зависеть от многих факторов (от освещенности до качества ПЗС матрицы, от конструктивных особенностей до режимов эксплуатации системы). Наиболее стабильной величиной будет расстояние L_И между интегральными центрами изображений, которое в меньшей степени подвержено изменениям из-за влияния отдельных возмущающих факторов.

Расстояние между объектами D определяется как произведение L_И на масштабный коэффициент М, определяемый отношением длины реального образцового отрезка к длине изображения его на снимке

Таким образом, заявляемый способ измерения линейного смещения объекта обеспечивает сохранение точности измерения при упрощении требований к характеристикам и параметрам объектов и тракту формирования изображения.

Способ измерения расстояния между объектами относится к контрольно-измерительной технике, в частности к способам контроля взаимного положения объектов (или отдельных частей одного объекта) оптико-электронными методами, и может быть использован для контроля взаимного положения объектов в пространстве. Достигаемый технический результат - снижение требований к качеству исполнения отдельных узлов системы, реализующей предложенный способ, универсализация работы устройства, снижение требований к точности установки частей системы. Суть способа состоит в том, что формируют кадр с изображениями объектов, на изображении объектов определяют несколько характерных признаков, определяющих положение объектов в пространстве, определяют поправочные коэффициенты связи их положения с реальным изменением положения объекта и вычисляют координаты этих признаков у изображения каждого объекта. Положение интегрального центра каждого изображения вычисляют по принятому принципу суммирования координат характерных признаков с учетом поправочных коэффициентов, а затем вычисляют расстояние между объектами, которое определяется как произведение расстояния между интегральными центрами изображений на масштабный коэффициент, связывающий размер базового реального отрезка с размером его на кадре. 4 ил., 2 табл.

Способ измерения расстояния между объектами, состоящий в том, что формируют кадр с изображениями объектов, например, с помощью ПЗС матрицы, определяют координаты точек энергетического центра яркости каждого объекта и вычисляют расстояние между ними, отличающийся тем, что на изображении объектов выделяют несколько характерных признаков, определяющих положение объектов в пространстве, определяют поправочные коэффициенты связи их положения с реальным изменением положения объекта, вычисляют координаты этих признаков у изображения каждого объекта и вычисляют положение интегрального центра каждого изображения по принятому принципу суммирования координат характерных признаков с учетом поправочных коэффициентов, а затем вычисляют расстояние между объектами, которое определяется как произведение расстояния между интегральными центрами изображений на масштабный коэффициент, связывающий размер базового реального отрезка с размером его на кадре.