Zariadenie na meranie vzdialenosti objektov pomocou laserovej projekcie geometrických útvarov a spôsob stanovenia vzdialenosti

Zariadenie na meranie vzdialenosti objektov pomocou laserovej proj ekcie geometrických útvarov využíva skenujúci laserový zväzok na projekciu geometrických útvarov v zornom poli kamery. Počítač analyzuje výstup z kamery a na základe deformácie premietaných útvarov počíta vzdialenosť objektov v zomom poli ka mery.V súčasnosti sa pri meraní vzdialenosti pomocou lasera väčšinou používa metóda merania doby návratu laserového impulzu odrazeného od objektu. Táto metóda kladie vysoké nároky na rýchlosť odozvy použitých elektronických zariadení, pretože svetlo sa šíri veľkou rýchlosťou. Preto cena zariadení, ktoré merajú vzdialenosť týmto spôsobom, býva pomerne vysoká. Presnosť merania klesá so zmenšujúcou sa vzdialenosťou objektov.Problémy merania doby návram laserového impulzu čiastočne rieši metóda amplitúdovej modulácie laserového zväzku, pri ktorej je meraná zmena fázy amplitúdového signálu po odraze impulzu. Zariadenia využívajúce túto metódu bývajú pomerne lacné a relatívne presne merajú vzdialenosti v rádoch centimetrov až kilometrov.Ďalšou metódou merania vzdialenosti je meranie doby návratu ultrazvukového impulzu odrazeného od objektu. Zariadenia používajúce túto metódu sú síce pomerne lacné, dajú sa však použiť len pri meraní vzdialeností kratších ako dvadsať metrov.Hojne využívanou metódou je aj triangulácia. V tomto prípade musí byt detektor laserového svetla odrazeného od objektu umiestnený pomerne ďaleko od zdroja laserového svetla, čím nutne rastie veľkosť zariadenia.Podstata spôsobu merania vzdialenosti objektov pomocou laserovej projekcie geometrických útvarov spočíva v tom, že počítač vyhodnocuje tvar a rozmer geometrických útvarov premietaných laserovým projektorom na objekty v zornom poli kamery a z týchto údajov počíta vzdialenosť d., objektov osvetlených laserom.Zariadenie na meranie vzdialenosti objektov pomocou laserovej projekcie geometrických útvarov pozostáva zo zdroja laserového zväzku na premietanie geometrického útvaru na tienidlo a kamery vybavenej senzorom a optickou sústavou umiestnenej vo vzdialenosti menšej ako 1 meter od laserového zdroja laserového zväzku, pričom kamera je pripojená k počítaču na uskutočnenie výpočtu vzdialenosti do tienidla od optickej sústavy.V prípade, že premietaným geometrickým útvarom je kružnica, laserový zväzok lasera umiestneného vo vzdialenosti menšej ako l meter od kamery opisuje v priestore povrch lcruhového kužeľa. Stredový uhol kužeľa je vykresľovací uhol lasera 0 L Na tienidle, ktoré je kolmé na os optickej sústavy kamery, sa kužel premieta ako kružnica s priemerom ho. Pri dostatočne rýchlom pohybe laserového zväzku snímajúca kamera nezachytáva pohybujúci sa priemet laserového zväzku, ale statickú kružnicu. Kružnica, ktorá má na tienidle priemer ha, sa zobrazí cez optickú sústavu na senzor kamery. Priemer obrazu knižnice na senzore kamery je hi. Túto veličinu zaznamená kamera. Ohnisková vzdialenosť optickej sústavy f je pre dané nastavenie známa z nastavenia kamery. Uhol a je známy z nastavenia lasera. Hľadaná vzdialenosť medzi optickou sústavou a tienidlom je do. Z teórie optických sústav a goniometrie vyplýva jednoduchý vzťah na výpočet d., mi do a (1) h, - ZftanšAk tienidlo nie je umiestnené v priestore kolmo na os optickej sústavy kamery, kružnica premietnutá na tienidle sa na kamere zobrazí ako elipsa. Skutočný priemer kružnice ho je rovný dvojnásobku krátkej poloosi elipsy. Do vzťahu (1) sa teda za veličinu h, dosadí dvojnásobok krátkej poloosi obrazu elipsy na senzore kamery.Ak sa na povrchu tienidla nachádzajú výrazné nerovnosti a zariadenie nevie s dostatočnou presnosťou určiť priemer premietanej kružnice, zariadenie premietne kružnicu s iným priemerom alebo premietne kružnicu na iné miesto na tienidle.Uvedené zariadenie môže na základe ekvivalentných princípov zisťovať vzdialenosť predmetov pomocoupremietania geometrických tvarov rozdielnych od kružnice. Stačí nahradiť priemer kružnice ho spolu s hi jedným z charakteristických rozmerov daného obrazca. Zariadenie môže teda byť aj súčasťou lasershow.Hlavná výhoda uvedeného technického riešenia spočíva v tom, že zariadenie na meranie vzdialenosti objektov pomocou laserovej projekcie geometrických útvarov má potenciál byť presnou a lacnou alternatívou k laserovým zariadeniam na meranie vzdialenosti, môže byť súčasťou laserovej šou a ďalších zariadení obsahujúcich skenujúci laserový zväzok.Prehľad obrázkov na výkresochNa obrazku 1 je zobrazená kamera s laserom premietajúcim kružnicu s priemerom ho na tienidlo.Na obrazku 2 a) je zobrazené tienidlo z pohľadu kamery.Na obrázku 2 b) je zobrazené tienidlo otočené o 45 ° okolo vertikálnej osi vzhľadom na tienidlo umiestne né V priestore kolmo na os optickej sústavy kamery.Na obrázku 3 a) je zobrazené tienidlo s výrazne členitým povrchom z pohľadu kamery.Na obrázku 3 b) je kružnica premietnutá s iným priemerom na iné miesto na tienidle.Na obrázku 4 je zobrazené tienidlo z pohľadu lasera, ktorý premieta na tienidlo iný obrazec ako kružnicu. Na obrázku 5 je zobrazený bočný prierez kamery vybavenej senzorom a optickou sústavou a tienidla.Zariadenie na meranie vzdialenosti znázornené na obrázku 1 a obrázku 5 predstavuje kameru Ä s laserom L umiestneným tak, že laser I premieta pod uhlom (x 35 ° kružnicu s priemerom ho 315,32 mm na tienidlo I, ktoré je orientované kolmo na os optickej sústavy Ě kamery E. Uhol (x je známy z nastavenia lasera L. Kružnica sa premieta na tienidlo I tak, aby jej stred ležal na osi optickej sústavy Ě kamery g. Kružnica,ktorá má na tienidle I priemer ho 500 mm, sa zobrazuje cez optickú sústavu Ě na senzor § kamery E. Priemer obrazu knižnice na senzore § kamery g je h, 6,435 mm. Túto veličinu zaznamenáva kamera E. Vzdialenosť medzi obrazom kružnice na senzore § a optickou sústavou ě je di 10,204 mm. Ohnisková vzdialenosť optickej sústavy ě f je 10 mm. Veličiny d, a f tiež zaznamenáva kamera Ä. Počítač vypočíta pomocou vzťahu (1) vzdialenosť d., tienidla I od optickej sústavy Ě ako 500 mm.Na obrázku 2 a) je znázornená situácia totožná so situáciou v príklade 1. Kružnica s priemerom ho 0,5 m je premietaná na tienidlo IB laserom l. Na obrázku 2 b) je tienidlo IB otočené vzhľadom na tienidlo I o 45 ° okolo vertikálnej osi. Z pohľadu lasera I. a kamery Ä sa teda premietnutá kružnica na tienidle lg javí ako elipsa. Dvojnásobok krátkej poloosi elipsy je rovný priemeru kružnice ho, D 0 vzťahu (1) pre výpočet d., sa teda za veličinu hi dosadí dvojnásobok krátkej poloosi obrazu elipsy na senzore § kamery E, teda 20,408 mm.Príklad uskutočnenia na obrázku 3 a) a 3 b) predstavuje meranie vzdialenosti tienidla IQ od lasera I premietajúceho kružnicu s priemerom h., 0,4 m na tienidloPovrch tienidla IE je výrazne členitý, čo sa prejavuje zdeformovaním premietanej kružnice na obrazku 3 a). Priemer obrazu kružnice je teda neurčiteľný a nie je možné vypočítať vzdialenosť tienidlaNa obrázku 3 b) je tento problém vyriešený zmenou priemeru premietanej kružnice tak, aby povrch v časti tienidla T, na ktorý je kružnica premietaná, nebol deformovaný. Priemer novej kružnice je ho 0,1 m. Dovzťahu (1) pre výpočet do sa za veličinu hi dosadí priemer obrazu tejto novej kružnice na senzore § kamery K. Príklad 4Na obrázku 4 je znázornená meranie vzdialenosti tienidla I od lasera L prernietajúceho na tienidlo I geometrický útvar rozdielny od kružnice. Ľubovoľný rozmer obrazca môže slúžiť namiesto priemeru kružnice hD. V tomto príklade má geometrický útvar tvar pravidelnej päťcípej hviezdy s charakteristickým rozmerom a. Tienidlo I je orientované kolmo na os optickej sústavy Ě kamery E. Ohnisková vzdialenosť optickej sústavy Ě je f 7 mm. Premenná h,- 15 mm vo vzťahu (1) tu nepredstavuje obraz priemeru kružnice, ale obraz rozmeru a 210 mm geometrického útvaru. Vzdialenosť do tienidla I od optickej sústavy Q sa vypočíta pomocou vzťahu (1). Výsledkom je do 105 mm. Rôzne premietané geometrické útvary môžu byť zároveň súčasťou laserovej šou.Zariadenie na meranie vzdialenosti objektu pomocou laserovej projekcie geometrických útvarov je možné použiť na zisťovanie vzdialenosti objektov ako alternatívu k zariadeniam využívajúcim dobu návratu laserového impulzu. Zariadenie môže byť tiež súčasťou laserovej šou a ďalších zariadení obsahujúcich skenujúci laserový zväzok. Hlavné využitie uvedeného zariadenia je v priemysle, stavebníctve, automobilovom priemysle, robotike, laserovej šou a V ďalších oblastiach.TR - tienidlo otočené o 45 ° okolo vertikálnej osi vzhľadom na tienidlo T TD - tienidlo s výrazne členitým povrchom1. Zariadenie na meranie vzdialenosti objektov pomocou laserovej projekcie geometrických útvarov,V y z n a č u j ú c e s a t ý m , že pozostáva zo zdroja (L) laserového zväzku na premietanie geometrického útvaru na tienidlo (T) a kamery (K), vybavenej senzorom (S) a optickou sústavou (OS), umiestnenej vo vzdialenosti menšej ako l meter od laserového zdroja (L) laserového zväzku, pričom kamera (K) je pripojená k počítaču na uskutočnenie výpočtu vzdialenosti do tienidla (T) od optickej sústavy (OS).2. Zariadenie podľa nároku 1, V y z n a č u j ú c e s a t ý m , že premietané geometrické útvary na tienidlo (T) sú orientované kolmo na os optickej sústavy (OS).3. Zariadenie podľa nároku 1, V y z n a č u j ú c e s a t ý m , že premietané geometrické útvary na tienidlo (T) sú orientované šikmo na os optickej sústavy (OS).4. Zariadenie podľa nároku 1 až 3, V y z n a č uj ú c e s a t ý m , že tienidlo (T) nemá rovinný povrch.5. Spôsob stanovenia vzdialenosti objektov pomocou laserovej projekcie geomen-ických útvarov podľa nárokov 1 až 5, V y z n a č uj ú c i s a t ý m , že zdroj (L) generuje laserový zväzok, ktorý sa premieta na tienidlo (T), pričom premietaný geometrický útvar sa zobrazí cez optickú sústavu (OS) na senzor (S) kamery (K) pripojenej k počítaču, pomocou ktorého sa následne stanoví vzdialenosť do medzi optickou sústavou (OS) a tienidlom (T) s použitím vzťahu (l)w do e , (1) h, - Zftanž kde h, je charakteristický rozmer premietaného geometrického útvaru na senzore (S) kamery (K) e ohnisková vzdialenosť o ticke sústav OS jtľxJje vykresľovací uhol laser J y ( )