Badania elementów i zespołów maszyn laboratorium (MMM4035L) Zastosowanie systemu nawigacyjnego w pomiarach geometrii elementów maszyn. Ćwiczenie 22.

Transkrypt

1 Badania elementów i zespołów maszyn laboratorium (MMM4035L) Ćwiczenie 22. Zastosowanie systemu nawigacyjnego w pomiarach geometrii Przygotowanie: Ewelina Świątek-Najwer

2 Wstęp teoretyczny: Rodzaje systemów nawigacji komputerowej Zadaniem systemu nawigacji komputerowej jest określenie położenia markerów w przestrzeni. Jednym z najbardziej znanych systemów nawigacji jest Global Positioning System, który pozwala ocenić położenie odbiornika posiadanego przez osobę na Ziemi dzięki odbiorowi sygnału z co najmniej 4 satelitów (do określenia 3 współrzędnych i prędkości obiektu). Wśród systemów nawigacji komputerowej możemy wyróżnić: A. nawigację za pomocą mechanicznego pozycjonowania B. nawigację ultradźwiękową C. nawigację elektromagnetyczną D. nawigację optyczną A. Pozycjonowanie mechaniczne System mierzy położenie i orientację dzięki połączeniu mechanicznemu dzięki połączeniu mechanicznemu pomiędzy punktem odniesienia a celem pomiarowym. Podczas pomiaru określamy 6 stopni swobody położenie (trzy współprzędne punktu w przestrzeni) i orientację (trzy kąty opisujące obroty wokół trzech osi układu odniesienia). Enkodery umieszczone na przegubach ramienia mierzą zmiany pozycji i orientacji. Zmiany orientacji mogą być również mierzone za pomocą miniaturowych żyroskopów. Zaletą pozycjonowania mechanicznego jest duża skuteczność, wysoka dokładność i rozdzielczość. Wadą jest nieporęczna obsługa i ograniczona liczba stopni swobody. Rys. 1. Przykłady systemów nawigacyjnych pozycjonowania mechanicznego [4] B. Nawigacja ultradźwiękowa Rys. 2. Nawigacja ultradźwiękowa Zebris, Germany [5] Strona 2 Pomiar położenia i orientacji obiektu za pomocą nawigacji ultradźwiękowej wykonuje się za pomocą jednej z dwóch metod. Pierwsza z nich polega na pomiarze czasu, w którym sygnał emitowany przez nadajnik jest zarejestrowany przez trzy odbiorniki umiejscowione na mierzonym obiekcie. Druga metoda pomiaru polega na ocenie różnicy faz pomiędzy falami ultradźwiękowymi emitowanymi przez nadajnik: na punkcie docelowym (obiekcie)

3 i w pewnym punkcie referencyjnym. Jeżeli różnica faz jest mniejsza niż 360 stopni - czyli mniej niż długość fali pomiędzy kolejnymi ramkami pomiaru, system aktualizuje położenie obiektu. Korzystając z wielu nadajników możliwy jest pomiar położenia obiektu w przestrzeni. Zaletami nawigacji ultradźwiękowej są małe i lekkie czujniki bezprzewodowe, wysoka rozdzielczość pomiaru, niska cena urządzeń. Wadą nawigacji ultradźwiękowej jest praca w ograniczonym półsferycznym obszarze. Pracę systemu ultradźwiękowego zakłócają obiekty odbijające ultradźwięki oraz źródła o wysokiej częstotliwości. Wadą jest również spadek współczynnika odświeżania ze wzrostem odległości od nadajnika. Ponadto, w przypadku metody z pomiarem czasu, wpływ na wyniki pomiaru ma temperatura, wilgotność oraz ciśnienie powietrza, które zmieniają prędkość fali ultradźwiękowej w powietrzu [1]. C. Nawigacja elektromagnetyczna System nawigacji elektromagnetycznej składa się z generatora pola magnetycznego i lokalizowanych cewek. Wyróżniamy dwa typy systemów nawigacji elektromagnetycznej - z generatorem pola stałego i zmiennego. Na pracę systemu z generatorem pola stałego wpływa obecność ferromagnetyków i zewnętrznych pól elektromagnetycznych. Systemy z generatorem pola zmiennego są stabilne w obecności zewnętrznych pól magnetycznych, natomiast wywołują powstawanie prądów wirowych w materiałach przewodzących, z czym związane jest powstanie nowych pól elektromagnetycznych zakłócających pomiar. Zaletą systemu nawigacji elektromagnetycznej jest możliwość lokalizacji obiektów bez Rys. 3. Nawigacja elektromagnetyczna Aurora, NDI, Kanada [3] konieczności utrzymywania linii widoczności pomiędzy generatorem pola i lokalizowanymi elementami, a także możliwość zastosowania bezprzewodowych odbiorników o małych rozmiarach i małej masie. Wadą systemu jest jego czułość na obecność zewnętrznych pól elektromagnetycznych generowanych przez urządzenia elektromagnetyczne, zakłócenia pochodzące od materiałów przewodzących i ferromagnetyków. D. Nawigacja optyczna Systemy nawigacji optycznej możemy podzielić na systemy w świetle widzialnym, systemy laserowe i systemy w świetle podczerwonym. Zasada działania systemu nawigacji optycznej polega na przestrzennej rekonstrukcji ocenianego położenia za pomocą algorytmów triangulacji. Rys. 4. Zasada nawigacji optycznej [2] W przypadku systemów pracujących w świetle widzialnym stosowane są Strona 3

4 markery z polami o wysokim kontraście, na przykład w postaci białych i czarnych pól, których kontrola geometrii za pomocą kamery pozwala lokalizować element w przestrzeni. Rys. 5. System nawigacji optycznej w świetle widzialnym, MicronTracker, Clarontech [6] Popularnymi systemami nawigacji optycznej są systemy nawigacji w zakresie podczerwieni. Istnieją dwa typy nawigowanych elementów, nazywane często Rigid Body (tj. ciała sztywne, czyli o stałych odległościach pomiędzy lokalizowanymi markerami): aktywne i pasywne. Lokalizacja aktywna: Aktywne Rigid Body emituje z diod promieniowanie podczerwone, rejestrowane przez kamerę. Rigid Body dołączone jest do układu sterowania (Tool Interface Unit), które następnie podłączone jest do kamery. Rigid Body aktywne składa się z dwóch powierzchni (faces), na których rozmieszczone są po trzy diody emitujące podczerwień. Obie powierzchnie uczestniczą w procedurze trackingu czyli śledzenia przez kamerę lokalizacji w przestrzeni. Rigid Body należy skalibrować, to znaczy określić położenie jego lokalnego układu współrzędnych w odniesieniu do położenia markerów (tj.diod). Plik kalibracyjny zapisywany jest na pamięci EPROM we wtyczce Rigid Body. Lokalizacja pasywna: Markery sferyczne umieszczone na pasywnym Rigid Body pokryte są tzw. emulsją retrorefleksyjną odbijającą promieniowanie podczerwone emitowane przez kamerę. Odbite promieniowanie jest rejestrowane przez kamerę. Pasywne Rigid Body, różnią się geometrią ramion, czyli rozmieszczeniem kulek. Na tej podstawie kamera rozpoznaje rodzaj Rigid Body. Plik kalibracyjny pasywnego Rigid Body opisujący położenie lokalnego układu współrzędnych w odniesieniu do położenia markerów paswynych zapisywany jest na dysku komputera i wczytywany do systemu. Strona 4

5 Rys. 6. Rigid Body aktywne (po lewej) i pasywne (po prawej) System Optotrak Certus Przykładem systemu nawigacyjnego w podczerwieni jest Optotrack Certus Polaris firmy NDI. Lokalizator pozwala mierzyć położenie diod emitujących podczerwień (system pracuje tylko z markerami aktywnymi). Dla układu diod (Rigid Body) możliwy jest pomiar 6 stopni swobody (położenia i orientacji względem układu odniesienia). Dokładność lokalizacji wynosi 0.15 mm (błąd 3D RMS). Częstotliwość odświeżania wynosi 4600Hz. Przyczym maksymalna częstotliwość zależy od liczby n zastosowanych markerów (diod) i wynosi 4600/(n+1.3). Rysunek 7 Obszar pracy systemu Optotrak Certus W skład sytemu wchodzą: - lokalizator Optotrak Certus (rys. 8 A) - Rigid Body (rys. 8 B) - bezprzewodowy strober do którego podłączane są Rigid Body i wskaźnik pomiarowy (rys. 8 C) - wskaźnik pomiarowy (rys. 8 D) Strona 5

6 A B C D Rys. 8. Lokalizator Optotrak Certus (A), Rigid Body (B), bezprzewodowy strober (C), wskaźnik pomiarowy (D). System podłączony jest do do komputera i przekazuje następujące dane: wektory przesunięcia pomiędzy układem współrzędnych lokalizatora, a układami współrzędnych poszczególnych Rigid Body, kwaternion, który określa macierz rotacji pomiędzy układem współrzędnych lokalizatora, a układami współrzędnych poszczególnych Rigid Body Strona 6

7 oraz błąd lokalizacji (RMS 3D) dla poszczególnych Rigid Body opisujący precyzję dopasowania rozpoznanych przez lokalizator diod do układu diod zapisanego w pliku kalibracyjnym. Istotną rolę w zastosowaniu systemów nawigacji pełni wykorzystywanie Rigid Body jako układu referencyjnego do pomiaru położenia i orientacji innych Rigid Body. Mocując Rigid Body, którego układ odniesienia chcemy określić jako referencyjny, na obiekcie pomiarowym możemy śledzić ruch tego obiektu i innych Rigid Body względem niego, niezależnie od zmian położenia i orientacji obiektu czy lokalizatora. Na rys. 9 przedstawiono sytuację, w której lokalizator O jest układem referencyjnym, to znaczy pozycja Rigid Body (A) jest określana w układzie współrzędnych związanym z lokalizatorem. Na rys. 10 przestawiono sytuację, w której układem referencyjnym jest Rigid Body B. Kamera lokalizuje dwa Rigid Bodies A i B. Istnieje możliwość odczytywania współrzędnych ich położenia w układzie współrzędnych związanym z lokalizatorem, ale możliwe jest również powiązanie układu współrzędnych z Rigid Body B. W ten sposób określa się współrzędne Rigid Body A względem Rigid Body B. W celu określenie położenia Rigid Body A względem Rigid Body B należy rozwiązać równanie macierzowe postaci: T T O B B A T T B A 1 O B T T O A O A gdzie T O-A określa macierz transformacji dla Rigid Body A względem układu współrzędnych kamery O T B-A określa macierz transformacji dla Rigid Body A względem układu współrzędnych referencji B T O-B określa macierz transformacji dla Rigid Body B względem układu współrzędnych kamery O Rys. 9. Referencja w układzie dwu-elementowym (kamera + Rigid Body) Rys. 10. Referencja w układzie trzy elementowym (kamera + 2 Rigid Bodies) Wady i zalety metody Zaletą systemu nawigacji optycznej jest możliwość zastosowania czujników pasywnych, szeroki obszar działania, wysoka rozdzielczość w ograniczonym obszarze pracy. Wadą systemu nawigacji optycznej jest konieczność utrzymania linii widoczności pomiędzy kamerą i kontrolowanym obiektem. Pracę systemu optycznego w zakresie podczerwieni zakłócać mogą inne źródła światła w zakresie podczerwieni (silne reflektory, intensywne światło dzienne). Obiekty odbijające światło również zakłócają pomiar. Strona 7

8 Zastosowania optycznego systemu nawigacyjnego w przemyśle. Systemy nawigacji optycznej znajdują zastosowanie w badaniach prototypów lub elementów i zespołów maszyn. Umożliwiają one kontrolę geometrii obiektu, jak również ocenę pracy elementów i maszyn w czasie rzeczywistym (częstotliwość odświeżania wynosi 4500 Hz i możliwe jest lokalizowanie do 512 diod jednocześnie). Przykładem systemu jest OPTOTRAK PROseries, firmy NDI, który zapewnia możliwość wykonania następujących badań: - za pomocą nawigowanej sondy pomiarowej Rys. 11. Pomiar z wykorzystaniem nawigowanej sondy pomiarowej [3] - za pomocą nawigowanego skanera laserowego Strona 8

9 Rys. 12. Pomiar z wykorzystaniem nawigowanego skanera laserowego [3] - z wykorzystaniem ramki referencyjnej zamontowanej na obiekcie Rys. 13. Pomiar z wykorzystaniem ramki referencyjnej [3] - lub z analizy ruchu obiektu. Strona 9

10 Rys. 14. Analiza deformacji drzwi samochodu oklejonego markerami w postaci diod podczerwonych kontrolowanych za pomocą systemu nawigacji optycznej OPTOTRAK [3] Rys. 15. Wynik testu zamykania drzwi w postaci wykresu położenia punktu drzwi, w którym zamocowano marker (diodę podczerwoną) [3] Rys. 16. Kontrola położenia ramienia robota [3] Nawigacja optyczna pozwala na wykonanie następujących pomiarów geometrii elementów i zespołów maszyn: Strona 10

11 w zakresie inżynierii odwrotnej (Reverse Engineering): -uzyskiwanie modelu CAD ze skanowania powierzchni w zakresie weryfikacji i kontroli maszyn - kontrola prototypu w odniesieniu do projektu - Part-to CAD- inspection - kontrola mocowania w zakresie analiz w czasie rzeczywistym: - analiza drgań - analiza deformacji - testowanie strukturalne - testy zamykania drzwi i wyrównania -weryfikacja pracy robota Część praktyczna W ramach części praktycznej zajęć należy wykonać: 1. Pomiar geometrii przestrzennej dwóch brył z wykorzystaniem nawigowanego wskaźnika lokalizowanego przez system Optotrak Certus. Należy zarejestrować położenie wierzchołków obu brył względem układów odniesienia Rigid Body zamocowanych na ich powierzchniach. W oprogramowaniu należy przedefiniować układy współrzędnych tak, aby kierunki osi były zgodne z krawędziami bryły. Oprogramowanie systemu Optotrak umożliwi wizualizację kształtu poruszającego się obiektu w czasie rzeczywistym 2. Przetestować pomiar odległości i kąta rotacji bryły 1 względem bryły 2 w skalibrowanym stanowisku. Sprawdzić poprawność rejestrowanego ruchu w danej osi. Bibliografia: Strona 11