Способ измерения расстояния между объектами

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 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
XЭН1	116,3	XЭН2	632,4
YЭН1	101	YЭН2	463,1
ХГ1	118	ХГ2	627,7
YГ1	97,4	YГ2	461,6
XM1	89	XM2	602
YM1	70	YM2	494
XИ1	107,7	XИ2	620,7
YИ1	89,5	YИ2	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
LЭН	630,5
LГ	626,4
LM	665,5
LИ	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, 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.