РАЗДЕЛ 2
Усовершенствование и разработка аппаратных средств технического зрения
2.1. Разработка метода слежения за стыком с зазором, близким к нулю
Отправной точкой при поиске возможных способов автоматической реализации
функций управления может, стать анализ методов их выполнения сварщиком. При
сварке стыков с зазором, близким к нулю, сварщик безошибочно распознает линию
стыкового соединения. Трехмерное представление о пространственном положении
линии стыкового соединения он получает благодаря бинокулярному зрению.
Построение стереоскопической системы требует решения задачи соответствий [54].
Для металлических поверхностей решение задачи соответствий усложняется наличием
макро и микро структурой поверхностей, ориентацией микрограней поверхностей,
различными углами отражения света для каждой из видеокамер [48]. В разделе 1
рассмотрена стереоскопическая система [79], оснащенная лазером, который
непрерывно сканирует свариваемые поверхности. Для стыков без разделки кромок
эта система не применяется. Попытки определить положение стыка с зазором,
близким к нулю, с помощью сканирующего лазерного луча предпринимались в 80х
годах [50], но дальнейшего развития так и не получили.
На предприятии ОАО «Харцызский трубный завод» создана система для
дистанционного слежения за стыком. Для слежения за стыком используется
видеокамера и монитор (рис.2.1.). Сварщик управляет положением сварочного
инструмента по телевизионному изображению, при этом расстояние от видеокамеры
до свариваемых поверхностей он определяет по отвесу. Если отвес касается стыка,
то сварочная горелка находится на номинальном расстоянии.
а)
б)
Рис.2.1. Дистанционное слежение за стыком:
а) стан внутренней сварки труб большого диаметра;
б) монитор оператора.
Применение телевизионных средств для дистанционного управления сваркой, создает
предпосылки для разработки автоматической системы слежения, в которой в
качестве элемента обратной связи использовались бы специализированные средства
технического зрения (СТЗ).
На телевизионном изображении линия стыкового соединения выглядит в виде темной
протяженной полосы, так как лучи, попавшие в узкий зазор между свариваемыми
деталями, практически полностью поглощаются. Образовавшийся светотеневой
переход может быть выделен с помощью различных математических методов [32, 42].
Проведенная нами математическая обработка телевизионных изображений [30]
показала, что на не зашумленных изображениях это удавалось сделать достаточно
легко, но при возникновении помех, в виде царапин, бликов и т.п. возникали
сбои.
Анализируя возможности раннее рассмотренных методов светового сечения и
телевизионного метода слежения за стыком с зазором, близким к нулю, нами был
сделан вывод о возможной комбинации этих двух методов. Метод светового сечения,
основанный на структурированном подсвете области стыкового соединения,
предназначался для определения дальности до свариваемых поверхностей. Второй -
телевизионный метод предназначался для определения направления линии стыкового
соединения. Оба эти метода относятся к методам активной локации. В аппаратном
оформлении каждого метода, обычно, приемником отраженного излучения служит ПЗС
видеокамера, а излучателями являются генератор световой плоскости и источник
рассеянного света. В данной работе впервые сделана попытка использовать один
приемник – ПЗС видеокамеру для фиксирования отраженного излучения от объекта,
освещаемого одновременно двумя типами источников света. Структурная схема
сенсора с использованием двух функционально различных источников освещения и
одного приемника приведена на рис. 2.2.
Рис.2.2. Структурная схема комбинированного сенсора.
Сложность реализации предложенного комбинированного сенсора заключается в том,
чтобы использовать два излучателя с разными диаграммами направленности и один
приемник, а так же получить из одного изображения различные пространственные
характеристики объекта: дальность до свариваемых поверхностей и направление
линии стыкового соединения.
2.2. Управления яркостью световых излучателей
Обеспечение высокого уровня эксплуатационных характеристик телевизионного
сенсора, позволяющего определить положение стыка с нулевым зазором, требует
решения нескольких наукоемких задач, в том числе задачи управления уровнем
подсветки зоны стыка. Известно, что освещение зависит не только от источника
света и его расположения [54], но и от оптических свойств отражающих
поверхностей. При синтезе математической модели отражения света от твердой
поверхности необходимо задать такие ее параметры, как шероховатость, наклон
микрограней и коэффициент отражения. Например, известна следующая
математическая модель распределения отраженного излучения в пространстве,
которая предложена П. Бекманом [48] (система координат и обозначения углов
показаны на рис. 2.3).
Рис.2.3. Схема формирования падающего и диффузно отраженного светового пучка.
, (2.1.)
где
(2.2)
(2.3)
; (2.4)
; (2.5)
; (2.6)
; (2.7)
– среднеквадратическое отклонение; – корреляционная длина; – длина волны
падающего света.
. (2.8)
(2.9)
Символ используется для обозначения коэффициента яркости совершенно проводящего
материала, а индексы и – для обозначения когерентной и некогерентной компонент
соответственно. Первая представляет собой свет, отраженный под углом, равным
углу падения, в пределах того же телесного угла, что и свет падающий, а вторая
– свет, рассеянный в пределах полупространства. Следует иметь в виду, что в
зеркальном направлении распространяется так же (кроме зеркально отраженного) и
какая-то часть диффузно рассеянного света. Пре
- Київ+380960830922