Перспективы применения и разработки многомерных оптико-электроных систем контроля пространственного положения объектов
В связи с ускорением научно-технического прогресса во всех областях техники и производства, усложнением технологических процессов и систем управления ими, роль многомерных систем контроля состояния процессов или объектов будет постоянно возрастать. При этом очевидно, что область применения многомерных систем будет постоянно расширяться, задачи, решаемые такими системами, будут усложняться и требовать для своего решения новых перспективных средств.
Воспользовавшись результатами проведенных исследований, определим основные тенденции развития данной области техники и укажем некоторые перспективные направления разработки, подтвержденные конкретными схемными решениями.
Как указывалось ранее, направление, связанное с разработкой и использованием многомерных систем контроля и управления пространственным положением крупногабаритных объектов, взаимодействующих с человеком, будет еще длительное время оставаться перспективным. В зависимости от типа системы функции человека-оператора и системы при этом могут перераспределяться. В зависимости от характера контролируемого процесса, его сложности, динамики или специфических особенностей объекта человек-оператор либо контролирует процесс и управляет им, используя визуальную информацию, либо контролирует работу системы в автоматическом режиме. Возможна ситуация, при которой работа человека-оператора контролируется автоматикой.
Учитывая изложенное, можно сделать вывод о целесообразности продолжения работ в части создания автоматических комплексных многомерных систем контроля, позволяющих осуществлять работу как в ручном, так и в безоператорном режиме. При этом следует отметить, что применение разработанных в данной работе принципов построения, основ теории и методов расчета позволяет разрабатывать многомерные системы рациональной схемы построения вне зависимости от степени автоматизации или применения средств вычислительной техники.
При работе в этом направлении в МИИГАиК были предложены схемные решения, которые могут являться базовыми при разработке многомерных систем контроля различного назначения. Кратко остановимся на некоторых из них.
На рис. 22.12 приведена оригинальная схема комбинированной многомерной системы контроля пространственного положения объектов, позволяющая осуществлять контроль и управление процессом как в ручном, так и в автоматическом режиме.
Рис. 22.12. Функциональная схема комбинированной многомерной системы контроля
В качестве первичного преобразователя в этой схеме используется ПИ типа видикон. Здесь следует отметить, что применение для решения задач многомерного контроля элементов и систем телевизионной техники значительно упрощает структуру системы и преобразование измерительной информации. Особенно это заметно в системах контроля, взаимодействующих с человеком.
Оптическая схема рассматриваемой системы разработана в полном соответствии с ранее сформулированными принципами и общей структурной схемой, она позволяет сформулировать в плоскости анализа ПИ информационную модель, состоящую из изображений марок с различными геометрическими параметрами.
Блок логической обработки известными способами преобразует аналоговый видеосигнал в цифровой код положения соответствующей марки на строке, в код номера строки и в код размера марки вдоль строки. Такой блок может содержать, например, компаратор, счетчик элементов вдоль строки, счетчик строк, буферный регистр для обмена информацией с ЭВМ, логические схемы, обеспечивающие взаимосвязь перечисленных элементов. Цифровой код координат марки и ее размеров по стандартному каналу обмена информацией с ЭВМ во время обратного хода по строке либо по соответствующим сигналам обмена поступает в блок вычисления и управления. В этом блоке известными методами, аппаратно либо программно, по коду длительности марки осуществляется опознавание типа марки, по кодам координат осуществляется определение всех шести координат объекта, и по вычисленным координатам с учетом заданного алгоритма формируются команды управления. В зависимости от элементной базы и быстродействия ЭВМ обработка информации может осуществляться либо с частотой кадров, либо со скоростью, задаваемой ЭВМ.
Так как реальные объекты имеют большую массу, и скорости их перемещений составляют единицы мм/с, электронные блоки могут быть реализованы на существующей элементной базе серийных микроЭВМ и микропроцессорах и обеспечить автоматическое измерение и управление в реальном масштабе времени. При этом следует отметить, что бурное развитие электроники и вычислительной техники в наши дни открывают новые перспективы для создания многомерных систем контроля.
Алгоритм обработки информационного сигнала в системе предусматривает распознавание образов марок, что значительно усложняет блок логической обработки видеосигнала, а также блок вычисления и управления. Кроме этого, в случае наложения изображений марок, что особенно вероятно при незначительных рассогласованиях координат объекта относительно «нулевого» положения, возможен сбой автоматического режима работы вследствие неоднозначности информационной модели.
Применение цветных телевизионных передающих трубок в качестве ПИ многомерных систем контроля достаточно перспективно, поскольку позволяет, во-первых, значительно повысить информативность модели процесса контроля на экране УОИ, а также упростить схемы логической обработки видеосигнала и повысить надежность и быстродействие системы в целом. Функциональная схема такой системы приведена на рис. 22.13.
Рис. 22.13. Функциональная схема многомерной системы контроля с применением ПИ на основе телевизионной передающей трубки цветного изображения
Схема функционирует следующим образом. Коллиматор ППУ формирует параллельный световой пучок «белого» цвета. Зеркала 1 и 2 БУ имеют дих- роические отражающие покрытия для длин волн А,, и к2 (цвета красный и синий) соответственно. Спектр излучения активных визирных марок линейных измерений определяется спектральными характеристиками светофильтров 3 и 4, которые имеют максимальный коэффициент пропускания соответственно для длин волн А,3 и (цвета желтый и сине-зеленый). Объектив 5 изготовлен из стекла с максимальным коэффициентом пропускания для длин волн в диапазоне (цвет зеленый).
В цветной видеокамере 6 происходит цветоразделение аналогового видеосигнала по трем каналам: R (красный), G (зеленый) и В (синий).
Информационный видеосигнал марки М, содержится в канале R, марки М2 угл — канале В. Видеосигналы линейных марок содержатся одновременно в двух каналах: М, — в каналах R. и G, М„ — в каналах G и В. Видео- сигналы с выходов камеры R и В непосредственно поступают на входы I и IV четырехканального блока логической обработки видеосигнала 7, который состоит из идентичных пороговых устройств 8 и аналого-цифровых преобразователей время-код 9.
Уровень срабатывания пороговых устройств (компараторов) составляет U/Um = 1,0. Для обеспечения соответствующего уровня сигнала по каналам II и III блока логической обработки предназначены сумматоры 10.
Таким образом, на выходе блока логической обработки в каждом из каналов содержится цифровой код положения соответствующей марки относительно начала строки и кадра ТВ изображения, который поступает в блок вычисления и управления II. Команды управления с этого блока поступают в устройство управления ТУА 12, которое производит пространственную ориентацию объекта посредством исполнительных механизмов 13. Для обеспечения возможности коррекции и ручного управления ТУА для оператора 14 информационная модель положения объекта отображается на экране цветного ВКУ 15.
Следует отметить, что разработка или выбор УОИ, а также формирование визуальной информационной модели являются важными вопросами разработки многомерных систем контроля. От их решения зависит эффективность работы человека-оператора и системы в целом, а также безопасность и надежность работы. Проведенные исследование показали, что для рассматриваемого класса систем контроля перспективным является создание УОИ в виде многофункциональных дисплеев, совместимых с современной вычислительной техникой, позволяющих выдавать человеку-оператору как аналоговую измерительную информацию в виде визуальной модели процесса, так и цифровую информацию, характеризующую численную динамику процесса. С целью повышения эффективности работы человека-оператора целесообразно предусматривать возможность выдачи на экран дисплея текстовой информации инструктивного характера. При этом с точки зрения высокой информативности и разрешающей способности перспективным является использование стереотелевизионных устройств отображения информации.
Таким образом, основными задачами, решение которых может определить дальнейшее развитие и повышение технических характеристик многомерных систем контроля пространственного положения объектов, являются:
- — разработка схемных решений по обработке видеосигнала и совмещения аналоговой и цифровой информации на экране УОИ;
- — разработка схем микропроцессорной обработки измерительной информации с целью повышения достоверности и точности результатов контроля;
- — разработка методов и средств увеличения помехозащищенности многомерных систем контроля с целью повышения надежности разработки многомерных систем, включающих в себя автономные визуальный и автоматический каналы.
