Способ для бесконтактного измерения скорости и перемещения объекта и устройство для его реализации

Изобретение относится к области измерения таких динамических параметров объекта, как скорость и перемещение. Исследуемый объект, освещенный осветителем, закрепляют на штоке, перемещающемся по направляющим с горизонтальной меткой. Видеокамеру устанавливают по отношению к исследуемому объекту таким образом, чтобы ее оптическая ось была перпендикулярна плоскости движения исследуемого объекта и направлена на горизонтальную метку. Одновременно с началом движения исследуемого объекта включают видеокамеру, которая покадрово фиксирует перемещение делений мерной линейки относительно горизонтальной метки, сравнивают значения делений мерной линейки, совпадающих с горизонтальной меткой, на следующих друг за другом кадрах и, учитывая перемещение исследуемого объекта и скорость видеосъемки, рассчитывают скорость исследуемого объекта. Изобретение позволяет усовершенствовать процесс регистрации динамики процесса и позволяет производить одновременный анализ динамики различных частей исследуемого объекта и сохранить результаты измерений в наглядной форме в виде отдельных кадров. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерения таких динамических параметров объекта, как скорость и перемещение, и может быть использовано в различных областях, в том числе и в задачах строительства и машиностроения для исследования деформационных характеристик грунтов, моделирования взаимодействия рабочих органов строительных машин с грунтом.

Из существующего уровня техники известен способ измерения скорости объекта (и устройство для его осуществления), использующий пучок когерентного излучения, перемещаемый по линии, параллельной направлению движения объекта с заданной частотой и амплитудой, далее формируют реализации принятых сигналов, синхронизированные с перемещением пучка, и по величине задержки между сигналами определяют мгновенную скорость объекта (RU 2262112, МПК G01P 3/68, C2, опубл. 20.05.2005). Недостатками данного способа являются: соосное расположение элементов устройства для перемещения когерентного излучения и направления движения исследуемого объекта, а также возможность одновременного слежения только за одним объектом.

Также известен способ регистрации быстропротекающих процессов (и устройство для его реализации), сущность которого заключается в том, что выполняют съемку в однокадровом режиме с требуемым для данного процесса исследования временем экспозиций выбранного участка области исследования путем применения электронно-оптической видеокамеры с подсветкой выбранного участка в момент срабатывания регистрирующей аппаратуры, при этом дополнительно осуществляют съемку в однокадровом режиме, по крайней мере, еще одного локального участка области исследования с помощью дополнительной электронно-оптической видеокамеры с источником подсветки данного участка и дополнительно регистрируют теневое изображение выбранных локальных участков области исследования за счет использования рентгеновского излучения, при этом осуществляют покадровую видеосъемку области исследования дополнительной скоростной видеокамерой с длительностью регистрации, соответствующей длительности процесса исследования (RU 2438119, МПК G01N 23/04, C1, опубл. 27.12.2011).

Недостатками данного способа являются: использование нескольких видеокамер для регистрации динамики процесса, причем каждая камера выполняет съемку в однокадровом режиме.

Задачей изобретения является упрощение процесса регистрации динамики процесса, позволяющее производить одновременный анализ динамики различных частей исследуемого объекта и сохранить результаты измерений в наглядной форме в виде отдельных кадров.

Данный технический результат достигается тем, что в способе бесконтактного измерения скорости и перемещения объекта с помощью скоростной видеокамеры исследуемый объект, освещенный источником подсветки области исследования - «осветителем», жестко закрепляют на штоке, перемещающемся по направляющим с горизонтальной меткой, видеокамеру устанавливают по отношению к исследуемому объекту таким образом, чтобы ее оптическая ось была перпендикулярна плоскости движения исследуемого объекта и направлена на горизонтальную метку, а максимальное расстояние L_max между видеокамерой, установленной на штативе, и исследуемым объектом определяется по формуле:

$$L_{\max }=\sqrt{\frac{\Delta p\cdot f{\text{'}}^2}{2\cdot d_{доп}\cdot {К}_{г}}}$$ ,

где

Δp - глубина резко изображаемого пространства, равная размеру исследуемого объекта параллельно оси видеокамеры;

f′ - заднее фокусное расстояние объектива видеокамеры;

d_доп - величина допустимого диаметра кружка нерезкости в плоскости исследуемого объекта;

К_г - диафрагменное число,

максимальное расстояние S_max между осветителем и исследуемым объектом определяют по формуле:

$$S_{\max }=\sqrt{{\rho }_{м}{\tau }_{о}\frac{\delta N_u\cos \alpha }{4\pi E_c}}-L_{\max }$$

где

ρ_м - коэффициент отражения исследуемого объекта;

τ₀ - коэффициент пропускания объектива;

δ - световая отдача осветителя;

N_u - электрическая мощность осветителя;

α - угол, образованный нормалью к плоскости освещения с направлением на осветитель;

Е_с - чувствительность сенсора видеокамеры, одновременно с началом движения исследуемого объекта включают видеокамеру, которая покадрово фиксирует перемещение делений мерной линейки относительно горизонтальной метки, сравнивают значения делений мерной линейки, совпадающих с горизонтальной меткой, на следующих друг за другом кадрах, и, учитывая перемещение исследуемого объекта Δh и скорость видеосъемки n, рассчитывают скорость V исследуемого объекта по формуле:

V=Δh·n,

где

Δh - перемещение исследуемого объекта; n - скорость видеосъемки.

Значение максимального расстояния L_max между видеокамерой, установленной на штативе, и исследуемым объектом получаем, используя следующие величины.

Величину допустимого диаметра кружка нерезкости d_доп в плоскости объекта наблюдения определяем требованиями точности определения линейных размеров объекта наблюдения d_m:

$$d_{доп}\le d_m\left(1\right)$$

Поскольку объектом съемки является пространственная модель, имеющая линейные ортогональные размеры съемки, то для гарантированной регистрации движения всех точек объекта съемки необходимо обеспечить в процессе экспериментальных исследований выполнение условия (1). Соблюдение этого требования должна обеспечить соответствующая величина глубины резкости изображаемого пространства (РИП) Δp:

$$\Delta p=p_{зад}-p_{пер},\left(2\right)$$

где

p_зад - расстояния до задней границы РИП, м;

p_пер - расстояния до передней границы РИП, м.

Расстояния до задней границы РИП p_зад определяют по формуле [Проектирование фото- и киноприборов. / С.В.Кулагин, Е.М.Апарин. - М.: Машиностроение, 1986. - 280 с., стр.55]:

$$p_{зад}=\frac{D\cdot f\text{'}\cdot p_{нав}}{D\cdot f\text{'}-\left(p_{нав}-f\text{'}\right)\cdot d_{доп}}\cong \frac{D\cdot f\text{'}\cdot p_{нав}}{D\cdot f\text{'}-p_{нав}\cdot d_{доп}},\left(3\right)$$

где D - диаметр входного зрачка объектива, м;

f′ - заднее фокусное расстояние, м;

p_нав - расстояние от плоскости входного зрачка до плоскости наводки, м.

Расстояния до передней границы РИП p_пер определяют по формуле [Проектирование фото- и киноприборов. / С.В.Кулагин, Е.М.Апарин. - М.: Машиностроение, 1986. - 280 с., стр.55]:

$$p_{пер}=\frac{D\cdot f\text{'}\cdot p_{нав}}{D\cdot f\text{'}+\left(p_{нав}-f\text{'}\right)\cdot d_{доп}}\cong \frac{D\cdot f\text{'}\cdot p_{нав}}{D\cdot f\text{'}+p_{нав}\cdot d_{доп}}\left(4\right)$$

Таким образом, подставляя формулы (3) и (4) в уравнение (2), глубину РИП можно определить с помощью следующей приближенной формулы:

$$\Delta p=p_{зад}-p_{пер}\cong 2\cdot \frac{p_{нав}^2\cdot d_{доп}}{D\cdot f\text{'}}\left(5\right)$$

Поскольку регистрацию ударного воздействия модели на грунт предполагается производить с расстояния, исключающего повреждение объектива и видеокамеры частицами грунта и обеспечивающего минимальное вибрационное воздействие удара на процесс съемки, то с достаточной степенью точности можно принять следующее условие:

$$p_{нав}\cong l_{набл},\left(6\right)$$

где l_набл - расстояние наблюдения от передней поверхности объектива видеокамеры до объекта съемки, м.

С учетом вышесказанного глубина РИЛ равна:

$$\Delta p=2\cdot \frac{l_{набл}^2\cdot d_{доп}}{D\cdot f\text{'}}\left(7\right)$$

Как правило, все объективы снабжены диафрагмой - устройством для регулировки относительного отверстия, которое позволяет изменять количество проходящего через объектив света, а также устанавливать необходимую глубину резкости, то есть регулировать глубину РИП. Поэтому с учетом равенства [Вычислительная оптика: Справочник / М.М.Русинов, А.П.Грамматин, П.Д.Иванов и др. Под общ. Ред. М.М.Русинова. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд., 1984. - 423 с., стр.5]:

$$\frac{1}{{К}_{г}}=\frac{D}{f\text{'}},\left(8\right)$$

где К_г - диафрагменное число, уравнение (7) будет иметь следующий вид:

$$\Delta p=2\cdot \frac{l_{набл}^2\cdot d_{доп}\cdot {К}_{г}}{f{\text{'}}^2}.\left(9\right)$$

Таким образом, максимальное расстояние наблюдения L_max можно рассчитать по формуле:

$$L_{\max }=\sqrt{\frac{\Delta p\cdot f{\text{'}}^2}{2\cdot d_{доп}\cdot {К}_{г}}}$$

где

Δp - глубина резко изображаемого пространства, равная размеру исследуемого объекта параллельно оси видеокамеры;

f′ - заднее фокусное расстояние объектива видеокамеры;

d_доп - величина допустимого диаметра кружка нерезкости в плоскости исследуемого объекта;

К_г - диафрагменное число.

Для обеспечения нормальных условий работы скоростной видеокамеры необходимо обеспечить освещенность E ее сенсора не меньше пороговой величины Е_с, указанной в паспорте:

$$E\ge E_c\left(11\right)$$

Освещенность E сенсора видеокамеры можно определить по формуле [Вычислительная оптика: Справочник / М.М.Русинов, А.П.Грамматин, П.Д.Иванов и др. Под общ. Ред. М.М.Русинова. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984. - 423 с., стр.91]:

$$E={\rho }_{м}{\tau }_{о}\frac{J\cos \alpha }{r^2},\left(12\right)$$

где ρ_м - коэффициент отражения исследуемого объекта;

τ₀ - коэффициент пропускания объектива скоростной видеокамеры;

J - сила света источника, кд;

α - угол, образованный нормалью к плоскости освещения с направлением на источник, град.;

r - расстояние от источника света до сенсора видеокамеры вдоль ее оптической оси, м.

Силу света источника J рассчитывают по формуле [Инженерная оптика / И.Л.Сакин. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1976. - 288 с, стр.134]:

$$J=\frac{{Ф}_u}{4\pi },\left(13\right)$$

где Ф_u - световой поток, создаваемый источником освещения, лм;

π - математическая константа, π=3,14159…

Значения светового потока для различных источников приводят в их паспортах. При отсутствии паспортных данных на данный источник его световой поток можно определить, умножая значение световой отдачи δ на величину электрической мощности N_u источника излучения [Справочник по элементарной физике. / Н.И.Кошкин, М.Г.Ширкевич. - 8-е изд. перераб. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. - 208 с., стр.173].

$${Ф}_u=\delta N_u\left(14\right)$$

Расстояние r от источника до сенсора видеокамеры вдоль ее оптической оси равно: $$r=L_{\max }+s_{осв.},\left(15\right)$$

где L_max - максимальное расстояние между видеокамерой и объектом наблюдения, м;

S_осв - расстояние от источника света до освещаемого объекта, м.

С учетом уравнений (13)-(15) уравнение (12) будет иметь следующий вид:

$$E={\rho }_{м}{\tau }_{о}\frac{\delta N_u\cos \alpha }{4\pi {\left(L_{\max }+s_{осв.}\right)}^2}\left(16\right)$$

Таким образом, максимальное расстояние S_max между осветителем и исследуемым объектом определяют по формуле:

$$S_{\max }=\sqrt{{\rho }_{м}{\tau }_{о}\frac{\delta N_u\cos \alpha }{4\pi E_c}}-L_{\max }$$

где

ρ_м - коэффициент отражения исследуемого объекта;

τ₀ - коэффициента пропускания объектива;

δ - световая отдача осветителя;

N_u - электрическая мощность осветителя;

π - математическая константа, π=3,14159…;

α - угол, образованный нормалью к плоскости освещения с направлением на осветитель;

Е_с - чувствительность сенсора видеокамеры.

Одновременно с началом движения исследуемого объекта включают видеокамеру, которая покадрово фиксирует перемещение делений мерной линейки относительно горизонтальной метки, сравнивают значения делений мерной линейки, совпадающих с горизонтальной меткой, на следующих друг за другом кадрах, и, учитывая перемещение исследуемого объекта Δh и скорость видеосъемки n, рассчитывают скорость V исследуемого объекта по формуле:

V=Δh·n,

где

Δh - перемещение исследуемого объекта;

n - скорость видеосъемки.

Так как в экспериментальных исследованиях используется песок средней крупности (грунт) со средним размером частиц 0,38 мм, то регистрацию перемещения частиц грунта под действием внешней силы планируется выполнять с точностью до d_m=d_доп=0,1 мм. Коэффициент отражения песка (отношение отраженной энергии к падающей на объект энергии) зависит от его дисперсности и увеличивается от 0,4 до 0,8 с уменьшением размера частиц. Для песка средней крупности принимаем ρ_м=0,4.

Для видеосъемки предлагается использовать скоростную видеокамеру ТМС-6740 GE. Чувствительность сенсора видеокамеры ТМС-6740 GE равна Е_с=1,4 лк.

Совместно с камерой предлагается использовать объектив Navitar DO-5095, который имеет следующие основные характеристики:

- фокусное расстояние f′=50 мм;

- диафрагменное число К_г=0,95÷16;

- угловое поле в пространстве предметов 2ω(H×V)=14°36′×11°00′;

- коэффициента пропускания τ_o=0,785.

Диафрагменное число объектива примем равным К_г=5. Глубину РИП примем равной диаметру основания объекта съемки - конической модели - Δp=45 мм.

В качестве источника света предлагается использовать лампу накаливания Б220-230-100 (ГОСТ Р МЭК 60064-99) мощностью N_u=100 Вт со световой отдачей $$\delta =\raisebox{1ex}{$\mathrm{13,8}лм$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$Вт$}\right.$$ . Для удобства работы и с целью предотвращения прямой засветки видеокамеры отраженным от светопрозрачного экрана светом источник освещения разместим под углом 45° к месту наблюдения - α=45°.

Тогда максимальное расстояние L_max между видеокамерой, установленной на штативе, и исследуемым объектом будет равно:

$$L_{\max }=\sqrt{\frac{\Delta p\cdot f{\text{'}}^2}{2\cdot d_{доп}\cdot {К}_{г}}}=\sqrt{\frac{45\cdot {50}^2}{2\cdot \mathrm{0,1}\cdot 5}}=335мм=\mathrm{0,335}м$$

Максимальное расстояние S_max между осветителем и исследуемым объектом будет равно:

$$\begin{array}{l}{S}_{\max }=\sqrt{{\rho }_{м}{\tau }_{о}\frac{\delta N_u\cos \alpha }{4\pi E_c}}-L_{\max }=\\ =\sqrt{\mathrm{0,4}\cdot \mathrm{0,785}\cdot \frac{\mathrm{13,8}\cdot 100\cdot \cos {45}^{\circ }}{4\pi \cdot \mathrm{1,4}}}-\mathrm{0,335}\cong \mathrm{3,84}м\end{array}$$

На фиг.1 изображена схема устройства для бесконтактного измерения скорости и перемещения объекта.

Для реализации способа бесконтактного измерения скорости и перемещения объекта с помощью скоростной видеокамеры исследуемый объект 1 с мерной линейкой 2 с делениями жестко закреплен на штоке 3 с возможностью перемещения в вертикальной плоскости в направляющих 4.

На направляющих 4 жестко закреплена горизонтальная метка 5, перекрывающая деления мерной линейки 2 на величину Δ. На расстоянии L_max от оси исследуемого объекта 1 расположена видеокамера 6, установленная на штативе 7. Для освещения исследуемого объекта 1 используется источник подсветки области исследования «осветитель» 8, расположенный на расстоянии S_max от исследуемого объекта 1 под углом α, образованным нормалью к плоскости освещения, совпадающей с оптической осью видеокамеры, и направлением на «осветитель» 8.

Рассмотрим конкретный пример реализации предлагаемого способа. На расстоянии L_max от исследуемого объекта 1 устанавливают видеокамеру 6 так, чтобы ее оптическая ось была перпендикулярна плоскости движения исследуемого объекта 1 и направлена на горизонтальную метку 5. На расстоянии S_max от исследуемого объекта устанавливают «осветитель» 8 под углом α к оптической оси видеокамеры 6. Одновременно с началом движения исследуемого объекта 1 включают видеокамеру 6, которая покадрово фиксирует перемещение в поле зрения видеокамеры 6 относительно горизонтальной метки 5 делений мерной линейки 2, жестко связанной штоком 3 с исследуемым объектом 1. После окончания покадровой видеосъемки сравнивают значения делений мерной линейки 2, совпадающих с горизонтальной меткой 5, на следующих друг за другом кадрах и рассчитывают текущее перемещение Δh исследуемого объекта 1 за промежуток времени, равный смене одного кадра другим. Учитывая перемещение Δh исследуемого объекта 1 от кадра к кадру и скорость видеосъемки n, рассчитывают скорость V исследуемого объекта 1.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет усовершенствовать процесс регистрации динамики процесса и позволяет производить одновременный анализ динамики различных частей исследуемого объекта и сохранить результаты измерений в наглядной форме в виде отдельных кадров.

1. Способ бесконтактного измерения скорости и перемещения объекта с помощью скоростной видеокамеры заключается в том, что исследуемый объект, освещенный осветителем, закрепляют на штоке, перемещающемся по направляющим с горизонтальной меткой, видеокамеру устанавливают по отношению к исследуемому объекту таким образом, чтобы ее оптическая ось была перпендикулярна плоскости движения исследуемого объекта и направлена на горизонтальную метку, а максимальное расстояние L_max между видеокамерой, установленной на штативе, и исследуемым объектом определяется по формуле:
$$L_{\max }=\sqrt{\frac{\Delta p\cdot f{\text{'}}^2}{2\cdot d_{доп}\cdot {К}_{г}}}$$
где
Δp - глубина резко изображаемого пространства, равная размеру исследуемого объекта параллельно оси видеокамеры;
f′ - заднее фокусное расстояние объектива видеокамеры;
d_доп - величина допустимого диаметра кружка контрастности в плоскости исследуемого объекта;
К_г - диафрагменное число,
а максимальное расстояние S_max между осветителем и исследуемым объектом определяют по формуле:
$$S_{\max }=\sqrt{{\rho }_{м}{\tau }_{о}\frac{\delta N_u\cos \alpha }{4\pi E_c}}-L_{\max }$$
где
ρ_м - коэффициент отражения исследуемого объекта;
τ₀ - коэффициента пропускания объектива;
δ - световая отдача осветителя;
N_u - электрическая мощность осветителя;
α - угол, образованный нормалью к плоскости освещения с направлением на осветитель;
E_с - чувствительность сенсора видеокамеры,
одновременно с началом движения исследуемого объекта включают видеокамеру, которая покадрово фиксирует перемещение делений мерной линейки относительно горизонтальной метки, сравнивают значения делений мерной линейки, совпадающих с горизонтальной меткой, на следующих друг за другом кадрах, и, учитывая перемещение исследуемого объекта Δh и скорость видеосъемки n, рассчитывают скорость V исследуемого объекта по формуле:
V=Δh·n,
где
Δh - перемещение исследуемого объекта;
n - скорость видеосъемки.

2. Устройство для бесконтактного измерения скорости и перемещения объекта с помощью скоростной видеокамеры, включающее видеокамеру, источник подсветки области исследования - «осветитель» и исследуемый объект, отличающееся тем, что исследуемый объект жестко закреплен на штоке с мерной линейкой с возможностью перемещения в вертикальной плоскости в направляющих, на которых жестко закреплена горизонтальная метка, перекрывающая деления мерной линейки на величину Δ, видеокамера устройства установлена на расстоянии L_max от оси исследуемого объекта на штативе, а источник подсветки области исследования - «осветитель» расположен на расстоянии S_max от исследуемого объекта под углом α, образованным нормалью к плоскости освещения, совпадающей с оптической осью видеокамеры, и направлением на «осветитель».