способ измерения геометрических параметров протяженных объектов

Формула изобретения

Способ измерения геометрических параметров протяженного объекта, например электрического контактного провода железной дороги, видеокамерой при их относительном линейном перемещении с обработкой результатов измерений на компьютере, отличающийся тем, что корпус видеокамеры ориентируют вокруг ее оптической оси относительно номинального (рабочего) положения на угол 90°, при котором линии строчной развертки в изображении видеокамеры перпендикулярны направлению перемещения объекта, а оптическую ось видеокамеры ориентируют перпендикулярно линии перемещения объекта и относительно плоскости горизонта на угол 20 - 25° объективом верх и на объект.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения геометрических размеров объектов, в частности к способам измерения геометрических размеров контактного провода электрической сети железной дороги.

Известен способ измерения степени износа контактных проводов устройством по патенту Японии N (11) JP 5065003 кл. G 01 B 11/02 от 25.03.86 г., в котором для измерения ширины поверхности скольжения контактного провода используют осветитель, направляющий световой поток на поверхность под углом 60-80^o, а отражение воспринимает фоточувствительный узел, пропускающий на датчик изображения только ту часть изображения полосы, которая соответствует контролируемой поверхности провода.

Недостатком этого способа измерения является то, что решение задачи измерения геометрических размеров контактного провода в динамике, а именно при контроле больших длин (десятки, сотни, тысячи км) контактных проводов при линейном перемещении измерителя относительно провода, когда измеритель механически связан с перемещающимся объектом, например вагоном, дрезиной, который в свою очередь контактируют с ж/д рельсами, кривизна которых непредсказуема, проблематично из-за потери оптической связи между измерителем и проводом. Решение задачи усугубляется из-за непредсказуемости пространственного положения отражающей поверхности контактного провода вследствие температурных колебаний провода, измерения степени натяжения его элементов крепления.

Известен также способ дистанционного измерения объектов при помощи видеокамеры с обработкой результатов измерения на ЭВМ, в котором съемку изображения осуществляют в реальном масштабе времени с применением электрооптического скапирующего устройства (патент Германии N (11) DE 4320485 кл. G 01 B 11/00, от 21.06.93 г.)

Недостатком способа является то, что при ограниченных скоростях съемки объекта современными видеокамерами (порядка 25 кадров в 1 с) при решении задачи измерения геометрических параметров десятков, сотен, тысяч км протяженного объекта, например контактного электрического провода железной дороги, возникает проблема ограничения скорости взаимного линейного перемещения объекта и измерителя (видеокамеры), что существенно увеличивает время измерения (контроля) параметров протяженного объекта, а также создает вытекающие из этого эксплуатационные неудобства при измерениях на ж/д магистралях, по которым перемещаются высокоскоростные составы Так, например, при скорости съемки видеокамерой КТП-36 - 25 кадр./с (один кадр через 0,04 с), диаметре оптической линзы видеокамеры 40 мм максимальная скорость взаимного линейного перемещения измерителя и объекта составляет величину V = 40 мм/0,04 с = 1000 мм/с или 3,6 км/ч.

Способ измерения по патенту Германии N (11) DE 4320485 кл. G 01 B 11/00 от 21.06.93 г. выбран в качестве прототипа.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является увеличение функциональных возможностей способа измерения геометрических параметров объекта видеокамерой, а именно повышение скорости и точности измерения геометрических параметров протяженного объекта видеокамерой при их относительном линейном перемещении.

Эта задача решается путем следующих пространственных ориентаций корпуса видеокамеры:

- корпус видеокамеры ориентируют вокруг ее оптической оси относительно номинального (рабочего) положения на угол 90^o, при котором линии строчной развертки в изображении видеокамеры становятся перпендикулярными направлению перемещения объекта;

- оптическую ось видеокамеры ориентируют перпендикулярно линии перемещения объекта и относительно плоскости горизонта на угол 20-25^o объективом вверх и на объект.

Пример реализации решаемой задачи

Для пояснения сущности предлагаемого способа рассмотрим сначала способ измерения геометрических параметров протяженного объекта, например контактного электрического провода железной дороги, при номинальном (рабочем) положении корпуса видеокамеры относительно плоскости горизонта.

На фиг.1 представлено взаимное расположение видеокамеры 1 и контактного электропривода 2. Оптическая ось 3 видеокамеры 1 направлена на боковую поверхность контактного электропровода 2, поперечное сечение которого изображено на фиг. 2.

Видеокамера 1 кинематически связана (закреплена) с движущейся платформой (вагоном) 4.

Для примера реализации способа используем телевизионную передающую камеру типа ПТК-36, с оптической приставкой ОП-19 и с видиоконом ЛИ-438, работающим в видимом и инфракрасном диапазонах, что обеспечивает работу в любое время суток. Упрощенно структурная схема ПТК-36 представлена на фиг. 3, где 5 - оптическая головка, 8 - отклоняющее зеркало (оптическая головка совместно с отклоняющим зеркалом и механизмом управления представляет собой оптическую приставку ОП-19); 3 оптическая ось камеры.

Технические характеристики ПТК-36:

- скорость съемки (V_к) - 25 кадр/с;

- диаметр линзы оптической приставки (D) 40 мм;

- количество строк (n_к) строчной развертки - 625;

- длительность строчной развертки (t_к) 6410^-6 с.

На фиг. 4, 5 показано взаимное положение контактного провода и видеокамеры, изображенной в упрощенном виде, где 8 - отклоняющее зеркало, 9 - линза оптической головки, 10 - мишень передающей телевизионной трубки, 2 контактный провод, 3 - оптическая ось видеокамеры.

На фиг. 6 показано изображение 11 видеосигнала от контактного электропровода на экране приемной телевизионной трубки 12 на фоне строк 13 строчной развертки.

В процессе съемки видеокамера ПКТ-36 производит регистрацию длины контактного провода, длиной (l_к) 40 мм, с интервалом времени:

T_к = l_к/V_к = 0,04 с.

Допустимая скорость взаимного перемещения камеры и провода (W_к) определяется из выражения:

W_к = l_к/T_к = 1000 мм/с или 3,6 км/ч.

Принимая во внимание, что скорость движения составов по железной дороге составляют величины от 100 км/ч и более, а также протяженность железных дорог в тысячи км, решение задачи измерения геометрических параметров контактного провода при линейном перемещении относительно видеокамеры проблематично.

В соответствии с предложенным способом развернем корпус видеокамеры вокруг оптической оси на 90^o, как показано на фиг. 7, 8, где 8 - отклоняющее зеркало, 9 - линза оптической головки, 10 - мишень передающей телевизионной трубки, 2 - контактный провод, 3 - оптическая ось видеокамеры.

Учитывая, что контактные провода железной дороги имеют вертикальные подвески и горизонтальные растяжки, которые могут помешать работе движущегося измерителя-видеокамеры, последнюю ориентируют вокруг оси контактного провода на угол 20-25^o относительно плоскости горизонта объективом вверх и на объект (см. фиг. 9), чего достаточно для оценки геометрического размера провода в поперечном направлении.

Для получения истинного поперечного вертикального размера провода можно ввести поправочный коэффициент пересчета информации размера провода по углу наклона оптической оси видеокамеры и по линейному смещению видеокамеры за время строчной развертки.

С целью более качественного получения изображения размера провода с помощью видеокамеры последнюю ориентируют относительно объекта таким образом, чтобы оптическая ось была перпендикулярна линии провода.

На фиг. 10 показано изображение 14 видеосигнала от контактного электропровода на экране приемной телевизионной трубки 12 на фоне строк 13 строчной развертки, линии которой пересекают изображение 1.

При интервале (l) измеряемой длины контактного электропровода 10 мм и длительности строчной развертки T_стр = 6410^-6 с скорость взаимного перемещения объекта и видеокамеры определяется из выражения

W = l/T_стр = 10 мм/(6410^-6) = 576 км/ч.

При реальной скорости движения электропоезда - W = 100 км/ч расстояние между измеряемыми высотами контактного провода составит величину менее 2 мм.

Получение качественного изображения объекта с возможностью автоматической обработки величины его сигнала в ПТК-36, как ранее отмечали, используется оптическая приставка ОП-19, которая представляет собой оптико-механическое устройство, предназначенное для проецирования оптического изображения наблюдаемых объектов на мишень передающей трубки. ОП-19 позволяет осуществлять дистанционное управление фокусированием (ближе-дальше) и масштабированием (больше-меньше) изображения наблюдаемых объектов. Для используемых в ОП-19 объективах типа "Гелиос-65" и "Мир" (шесть линз) минимальное фокусное расстояние составляет 0,5 м. Это, в свою очередь, при угле наклона ПТК-36 - 20-25^o дает возможность размещения камеры на безопасном расстоянии от токоведущих проводов.

Упрощенно принцип получения изображения и оценки его размера для одной линзы, показан на фиг. 11, где 15 - размер объекта G, 16 - линза, 17 - размер изображения объекта - B. При постоянных расстояниях между объектом и линзой, и линзой и изображением, размер B = G. Это означает, что любое изменение геометрического размера объекта G, приводит к пропорциональному изменению размера изображения B. На фиг. 12 изображена схема устройства, с помощью которого реализуется способ.

Соответственно длительность видеосигнала, снимаемого с ПТК-36, будет также пропорциональна геометрическому размеру объекта.

Этот сигнал с видеокамеры поступает на преобразователь - длительность сигнала - код, представляющий собой счетчик импульсов и высокочастотный генератор. В преобразователе количество высокочастотных импульсов, поступающих на вход счетчиков, пропорционально длительности сигнала с видеокамеры. Код с преобразователя поступает на ПЭВМ, куда также поступает код скорости перемещения видеокамеры. Скорость можно принимать с датчика скорости электровоза в виде напряжения, которое с помощью преобразователя напряжение - код, выполненное, например, на аналого-цифровом преобразователе типа К572ПВ1, на выходе дает код скорости.

ПЭВМ интегрирует скорость и формирует путь, осуществляя при этом временную привязку геометрического размера контактного электропровода и пути, пройденного электровозом относительно некоторого начального известного места (например, выходная стрелка ж/д вокзала).

Текущая информация о пути и геометрическом размере объекта регистрируется в ПЭВМ, а затем обрабатывается в стационарных (лабораторных) условиях.

Таким образом, рассмотренные существенные признаки предложенного способа измерения видеокамерой геометрических параметров протяженного объекта на примере электрического контактного провода железной дороги позволяют повысить функциональные возможности способа измерения, а именно:

- производить высокочастотные измерения (с точностью до десятых долей мм);

- производить измерения при больших скоростях взаимных перемещений объекта и измерителя (до нескольких сот км/ч);

- сократить время измерений;

повысить эксплуатационные свойства метода измерений (производить измерения видеокамерой, закрепленной, например, на ж/д вагоне).

Предложенный способ измерения может быть использован и при измерении геометрического размера (диаметра) проволоки на заводе-изготовителе; при измерении диаметра трубопроводов и других протяженных объектов.