Использование устройства координатного слежения TrackIR для измерения координат электрода в мультимедийном тренажере сварщика РДС Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2014 №3(12), С. 73-77

ИЗЫСКАНИЕ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СТРОИТЕЛЬСТВО И МОНТАЖ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ АЭС

УДК 004.825

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УСТРОЙСТВА КООРДИНАТНОГО СЛЕЖЕНИЯ ТКАСК1К ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ЭЛЕКТРОДА В МУЛЬТИМЕДИЙНОМ ТРЕНАЖЕРЕ СВАРЩИКА РДС 1

© 2014 г. В.В. Кривин, И.О. Ишигов, В.А. Толстов, А.А. Тямалов, Н.А. Симакова

Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Волгодонск, Ростовская обл.

В статье обосновывается применение в качестве устройства координатного слежения системы ТгасЫЯ в мультимедийном тренажёре для обучения сварщиков. На основе метрологического анализа данного устройства и поля погрешностей получено, что устройство пригодно для моделирования процесса ручной дуговой сварки.

Ключевые слова: измерения координат, ручная дуговая сварка, метрологический анализ, математическое моделирование.

Поступила в редакцию 02.09.2014 г.

Требования к качеству выпускаемой продукции постоянно возрастают, поэтому в современных условиях должен совершенствоваться и процесс обучения сварщиков. Система обучения сварщиков в основном заключается в формировании у обучаемых программных моторных навыков путем проведения множества реальных процессов. При обучении корректировка движений ученика затруднительна, так как он не видит траекторию своих движений, а все действия обсуждаются после проведения процесса сварки. Такой способ сопровождается необъективностью оценки и потерей информации. Для повышения качества процесса обучения навыкам РДС разрабатываются тренажёрные системы. Одним из требований к тренажёрам является как можно более точное воспроизведение РДС. Данная точность зависит от характеристик технических устройств и расчетных алгоритмов в составе тренажёра. В частности, важно знать точность устройства координатного слежения (УКС), так как оно регистрирует действия обучаемого сварщика [1] и предоставляет входные данные математическим моделям тренажёра.

Входными данными для моделирования виртуальной сварки являются координаты торца имитатора электрода и углы его наклона, зарегистрированные с помощью УКС. Выходными данными считаем сварное соединение, наблюдаемое сварщиком с помощью устройства отображения. На рисунке 1 представлена операторная схема преобразований. Рассматривается только визуальный канал как самый важный для сварщика [2].

Каждый из операторов выполняет сложные вычисления, поэтому метрологический анализ схемы проводится следующим образом. Пусть известны

1 Исследование проведено в рамках выполнения государственного контракта ГК «Росатом» по направлению «Компьютерный тренажер для обучения навыкам сварки при изготовлении и монтаже конструкций энергетического машиностроения».

©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2014

74

КРИВИН и др.

допустимые погрешности конечного результата, т.е. погрешности геометрических параметров виртуального сварного шва. Исходя из этого, можно по цепочке рассчитать погрешности промежуточных данных. В результате получим требования к погрешности входных данных. С другой стороны, можно провести анализ части операторной схемы. За отправную точку анализа взяты координаты виртуального электрода. Предъявим к ним определённый уровень погрешности. Продвигаясь по схеме в обратном направлении, определим области пространства, в которых погрешность определения декартовых координат отражателей не приводит к превышению требуемого уровня погрешности.

Программное обеспечение (драйвер) УКС

Программное обеспечение тренажёра

V

Видеопроцессор

Получение координат образов с матрицы

1 г

Расчёт координат отражателей

1 г

Расчёт координат виртуального электрода

1 г

Расчёт теплового поля

1 г

Расчёт визуальной модели

1 г

Показ кадра

Рис. 1. - Схема преобразования данных

Рассмотрим преобразование координат образов в декартовы координаты отражателей. Введём обозначения: - г-я координата /-го отражателя в пространстве; Гу - к-я координата образа /-го отражателя на матрице камеры; Цтп - расстояние между т-м и п-м отражателем, которые фиксированы конструкцией системы отражателей. Тогда связь между координатами г и Я описывается системой уравнений:

/

'к, ]

Кк,1 К3,1

I кд - ^-,2 )2 = ц ;=1

3

I км - к,з )2 = ц

г=1

3

I (кг,2 - к,з )2 = Ц

к = {1;2}, ] ={1;2;3}

(1)

I г=1

Будем упрощенно считать, что отражатели являются точечными объектами. В

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УСТРОЙСТВА КООРДИНАТНОГО СЛЕЖЕНИЯ ТЯАСК1Я 75

реальности этим точкам будут соответствовать геометрические центры реальных отражателей. На рисунке 2 представлено, как формируется образ отражателя на матрице камеры УКС.

Пусть образ 7-го отражателя попал на пиксел Pj с координатами левого верхнего угла (г17, г27), выраженными в номерах пикселов в строке и колонке соответственно. Координаты образа отражателя на матрице камеры находятся в пределах прямоугольной области, ограниченной точками (г11, г12), (г11, г12+1), (г11+1, г12), (г11+1,

Если принять за положение образа центр пиксела, абсолютные погрешности координат образов известны и равны 0,5. Поскольку пикселы малы по геометрическим размерам, заменим неизвестное нелинейное преобразование координат образов г в декартовы координаты Я отражателя линейной аппроксимацией в окрестности точки

Рассчитаем соответствующие им погрешности определения пространственных координат отражателей. Реальные положения образов отражателей при известных пикселах Р[ занимают гиперкуб С в шестимерном пространстве с осями Гу. Тогда С отобразится в некоторый выпуклый многогранник с плоскими гранями в 9-ти мерном пространстве с осями Я^. Отображение между пространствами г и Я взаимно однозначно. По основной теореме линейного программирования максимум размера этого многогранника по любой из осей (т.е. величина погрешности определения каждой из координат Я) достигается на его вершинах. Каждая вершина многогранника - образ вершины исходного гиперкуба С. Вершинам многогранника соответствуют такие положения образов отражателей, которые находятся в углу своего пиксела.

Так как одному образу соответствует 1 пиксел, а у пиксела 4 угла, то у гиперкуба С будет 4 , т.е. 64 вершины. Для каждой из этих вершин находим координаты соответствующих пространственных положений отражателей. Используя минимальные и максимальные значения каждой из них, определим погрешность измерения.

Поясним постановку задачи линейного программирования. Примем за начало координат предполагаемое расположение отражателей О (9-тимерная точка, состоящая из 3-х координат 3-х отражателей). Пусть ось х1 направлена в сторону Рмакс -максимально удаленной точки многогранника, охватывающего область всех возможных положений отражателей при фиксированных положениях образов. Тогда, принимая ограничение, что точка максимума должна быть внутри многогранника (т.е. область поиска ограничена плоскостями, в которых расположены грани многогранника), и /(х1)=х1 - за оптимизируемую линейную функцию, имеем следующую задачу линейного программирования. Максимум /(х1) должен достигаться

т>макс тт пмакс

в точке Р . Но максимум достигается на вершине многогранника, поэтому Р - его вершина.

Чтобы построить поверхность, на которой выполняется заданная погрешность,

Г1,2+1).

Рис. 2. - Формирование изображения на матрице камеры

(гхд+0,5; ги+0,5).

76

КРИВИН и др.

необходима оценка погрешности для всех положений системы отражателей в пространстве, которые возможны при работе УКС. При сильных наклонах вперёд или назад отражённые лучи не попадают в объектив камеры, поэтому такие ситуации в расчётах не рассматривались.

Кроме этого, погрешность нужно определить для каждой из координат Я^. Это требует большого объёма вычислений. Чтобы уменьшить его, задача разбита на две подзадачи. Рассмотрим их на примере декартовой координаты г дальнего отражателя 1 рамки. В расчётной модели ей соответствует переменная Я31. Сначала нужно найти хотя бы одну точку, в которой определение погрешности данной координаты соответствует заданному уровню Р. Будем искать её на луче, направленном через центр линзы по нормали к камере. Задача сводится к решению уравнения:

р(Яз,1 )-рЯзд = 0. (2)

Уравнение решено методом бисекций. Поиск решения осуществляется постепенным сужением области его поиска до величины, определяемой заданной точностью Р, равной 1 мм. На первом шаге поиска область поиска задана, исходя из рекомендаций производителя УКС: отражатели должны находиться на расстоянии не ближе 60 и не дальше 90 см от камеры.

На втором этапе необходимо задать новое положение образов г, и решить систему (1) для всех вершин гиперкуба С, соответствующих этому положению. В результате определяются абсолютные погрешности определения декартовых координат Я. Чтобы уменьшить объём вычислений, принято следующее ограничение. Поскольку сварка стыковых швов осуществляется перемещением торца электрода по определённой траектории, то наиболее вероятно его нахождение в окрестности свариваемого стыка. Стык расположен на плоскости, образованной поверхностью свариваемых деталей. Поэтому процесс перебора повторяется, пока не будут определены погрешности во всех точках поверхности.

Расчёт реализован в пакете МЛТЬЛБ. На рисунке 3 показаны поля погрешности для координат дальнего отражателя 0 по схеме на рисунке 1, поскольку предполагается, что в конструкции тренажёра он расположен близко к торцу электрода. По вертикальной оси е отложена погрешность. Горизонтальные оси х и г на графике соответствуют осям хи г УКС. Координата у была фиксирована.

Рис. 3. - Поля погрешности определения координат УКС

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УСТРОЙСТВА КООРДИНАТНОГО СЛЕЖЕНИЯ TRACKIR 77

Эксперименты показали, что этого достаточно для адекватного моделирования процесса РДС [3]. По представленным полям определено, что отражатель 1 должен находиться на расстоянии 70 см от УКС по оси г, при амплитуде перемещений по оси x не более 10 см.

В результате проведенного исследования установлено, что УКС TrackIR может определять координаты с погрешностью не хуже 1 мм, поэтому его можно применять для регистрации координат при моделировании процесса РДС в мультимедийном тренажёре.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кривин В.В. и др. Мультимедийный тренажер для ручной дуговой сварки [Текст] / В.В. Кривин, А.В. Сас, И.О. Ишигов и др. // Сварочное производство. - 2010. - №5. - С. 57-59.

2. Сас А.В. Методы, методика и электронные тренажеры подготовки и аттестации сварщиков //Состояние и основные направления развития неразрушающего контроля сварных соединений объектов транспорта газа: материалы отраслевого совещ. - М. : ООО "ИРЦ Газпром", 2006. - С. 225-232.

3. Толстов В.А. и др. Экспериментальное определение ограничений для модели процесса РДС в мультимедийном тренажере [Текст] / В.А. Толстов, Л.О. Ишигова, В.Г. Цуверкалов и др. // Глобальная ядерная безопасность. - 2012. - №4(5). - С.54-59.

The Use Of The Coordinate Tracking Device TRACKIR For Measurement Of Electrode Coordinates In The Multimedia Training System For Manual

Arc Welding

V.V. Krivin, I.O. Ishigov, A.A. Tyamalov, V.A. Tolstov, N.A. Simakova

Volgodonsk Engineering Technical Institute the Branch of National Research Nuclear University «MEPhI», 73/94 Lenin St., Volgodonsk, Rostov region, Russia 347360 e-mail: VITIkafIUS@mephi.ru

Abstract - The article explains the application of the coordinate tracking device TrackIR for the multimedia training system for welders. The device is concluded to be suitable for modeling of manual arc welding process on the basis of metrological analysis of this device and a field of errors.

Keywords: coordinate measuring, manual arc welding, metrological analysis, mathematical modeling.